trabalho a quente_2004

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Aços para Trabalho a Quente Aplicações em aços para ferramentas

Aços Bohler-Uddeholm do Brasil Ltda - Est. Yae Massumoto, 353 - 09842-160 - S.B.C - SP Tel.: 11 - 4393 4560 - Fax.: 11 - 4393 4561 - [email protected] - www.uddeholm.com.br

Traduzido do original “DIE STEELS AND IMPROVED PRO-DUCTIVITY IN DIE CASTING” editado pela Uddeholm Tooling – Suécia 02.00, Traduzido por Eng. Hirohide Kamada – Udde-holm Aços Especiais – São Paulo Tel.: (11) 4393 4560 / Fax.: (11) 4393 4561 As informações são baseadas no conhecimento atual e tem como objetivo fornecer dados dos produtos e suas aplicações. No entanto, não é uma garantia de uma propriedade específi-ca de um produto descrito ou a garantia para uma aplicação particular. 5ª Edição - Agosto de 2003

Aços para Trabalho a Quente Conteúdo Introdução__________________________________ 2 Exigências de produtos fundidos em Matrizes ________________________________ 2 Aspectos do projeto da matriz __________________ 2 Fabricação da matriz _________________________ 3 Estabilidade Dimensional ______________________ 4 Performance da Matriz ________________________ 5 Exigência no aço para matrizes para fundição injetada ________________________ 7 Economia da matriz _________________________ 11 Qualidades disponíveis_______________________ 12 Durezas recomendadas ______________________ 13

Introdução A fundição sob pressão oferece um meio economica-mente viável para a produção de grandes quantidades de peças complexas, com tolerâncias estreitas em: A-lumínio, Magnésio, Zinco e ligas de Cobre. O contínuo crescimento do processo utilizando matrizes para a fundição estão ligados em grande parte a indús-tria automobilística, onde a redução do peso é de suma importância. . Altas produções tem focado a atenção na importância da obtenção da melhoria da vida útil das matrizes. Du-rante os últimos quinze anos a Uddeholm Tooling tem direcionado as pesquisas no desenvolvimento de mate-riais para matrizes, buscando encontrar a produtividade através de aços com alta especificação técnica. Isto tem resultado na qualidades: ORVAR SUPREME, VIDAR SUPREME, QRO 90 SUPREME e DIEVAR. As empresas de fundição tem experimentado atualmen-te um ganho real na produção e nos custos totais da ferramenta utilizando estas qualidades premium junto com os procedimentos e especificações do tratamento térmico. Melhorias adicionais tem sido obtidas atentan-do-se para um bom produto, projeto da matriz e melho-ras do processo de fundição. Exigência de produtos fundidos em Matrizes O aumento das exigências dos produtos fundidos em matrizes tem solicitado desenvolvimentos contínuos de ligas de aços para matrizes de fundição injetada com alta resistência e ductilidade, melhoria da usinabilidade, soldabilidade e resistência à corrosão. A tendência dos projetos dos produtos está se direcio-nando para: ● Componentes de grande tamanho; ● Espessuras de parede fina; ● Formas mais complicadas; ● Tolerâncias menores. Estes fatores indicam o uso de altas pressões para a fundição em relação a outros métodos como os de baixa pressão e por gravidade

Aços para Trabalho a Quente Aspectos do Projeto da Matriz O projeto da matriz é determinado pela figura do com-ponente com acabamento final. Mas existem inúmeros aspectos envolvidos no projeto e dimensões da matriz que podem ter influência e suporte importante na vida útil da matriz. Cavidade Aços de alta resistência são extremamente sensíveis ao efeito entalhe, por isto é importante que a cavidade seja projetada com uma transição suave entre as mudanças de seções e cantos com o máximo raio possível. Para reduzir o risco de erosão e trincas térmicas na matriz perto da entrada, as paredes da cavidade ou machos e insertos precisam ser colocados o mais afastado possí-vel da entrada.

Canais de refrigeração A localização dos canais de refrigeração precisa ser tal que toda a superfície da cavidade tenha uma temperatu-ra a mais uniforme possível. O acabamento da superfí-cie também é importante, ambos do ponto de vista da refrigeração e do ponto de vista da tensão.

Canal de entrada, de alimentação e bolsa de ar Para se ter uma ótima condição de fundição, o sistema de refrigeração deve ter um balanceamento térmico entre as partes “quentes” (canal de entrada, de alimen-tação, bolsa de ar e da cavidade). Isto significa que o projeto destes componentes é de grande importância. A bolsa de ar deve se localizar em partes onde existam dificuldades em preencher, para ajudar o metal fundido fluir para estas partes. Em matrizes de cavidades iguais e múltiplas, é importante que todos os canais de entrada tenham o mesmo comprimento e área da seção e a área da seção da alimentação e sobre fluxo iguais. A posição dos canais de alimentação e a espessura e largura do seu espaço é crítico para a velocidade de injeção do metal. O canal de alimentação deve ser projetado tal que o metal flua suave e livremente entre todas as partes das cavidades. O metal fundido que é pulverizado em vez de fluido, causam uma má fundição. Turbulência excessiva pode causar erosão da matriz.

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Guia para dimensionamentos O seguinte guia geral é básico para o dimensionamento da matriz para injeção de Alumínio, para se obter a re-sistência desejada. 1. Distância da cavidade e a superfície externa >50

mm 2. Relação entre a profundidade da cavidade e a es-

pessura total < 1 :3 3. Distância da cavidade ao canal de refrigeração

>25mm Distância do canto da cavidade e o canal de refrige-ração >50mm

4. Raios Zinco Alumínio Cobre >0,5mm >l mm >1,5mm 5. Distância do canal de alimentação e a parede da cavidade >50mm Fabricando a Matriz Itens de vital importância para a fabricação da matriz para a fundição injetada: ● Usinabilidade ● Eletro erosão ● Tratamento térmico ● Estabilidade dimensional ● Tratamento superficial ● Soldabilidade Usinabilidade A usinabilidade dos aços martensíticos para trabalho à quente é influenciada principalmente pela quantidade de inclusões não metálicas como sulfeto de manganês e pela dureza do aço. Como a performance das matrizes pode ser melhorada pela redução das impurezas, i.é. enxofre e oxigênio, ORVAR SUPREME, QRO 90 SUPREME e DIEVAR são produzidos com baixíssimas quantidades de enxofre e oxigênio. A distribuição uniforme de carbonetos bem esferoidiza-dos na base da estrutura ferrítica com a mínima dureza, constituem a estrutura otimizada que favorece a usinabi-lidade. O processo de microgranulação confere ao ORVAR SUPREME, QRO 90 SUPREME e DIEVAR uma estrutura homogênea com a dureza de aproxima-damente l80HB. Os aços são caracterizados pela usina-bilidade bem uniforme em todas as entregas. (corrida por corrida). Tabelas para usinagem como torneamento, frezamento e furação do ORVAR SUPREME, QRO 90 SUPREME e DIEVAR podem ser encontradas nas brochuras técnicas de informação dos produtos.

Aços para Trabalho a Quente Usinagem por eletro erosão A utilização da usinagem por eletro erosão na fabrica-ção de matrizes para fundição injetada,tem se firmado nos últimos anos. O desenvolvimento de processos tem produzido signifi-cantes refinamentos na técnica de operação, precisão e produtividade, aumentando a versatilidade do processo. A utilização da eletro-erosão continua crescendo e cada vez mais aplicado na maioria das empresas fabricantes de matrizes, a usinagem dos aços recozidos ou tempe-rados são realizadas com igual facilidade. O princípio básico da eletro-erosão (erosão por fagulha) são descargas elétricas entre o ânodo de grafite ou co-bre e o aço, sendo o catodo em um meio dielétrico. Du-rante o processo a superfície do aço fica sujeita a altís-simas temperaturas, causando a vaporização e fusão do aço. Uma frágil camada solidificada da fusão, cobre outra camada retemperada e revenida. A influência da operação de eletro erosão sobre as pro-priedades superficiais do aço para a matriz pode em circunstâncias desfavoráveis destruir o desempenho de trabalho da matriz. Por esta razão recomendamos como medidas de precaução: Eletro erosão em material temperado e revenido

A. Usinagem convencional B. Temperar e revenir C. Erosionar, evitando “arcos” e excessivas remoções.

A finalização deve ser realizada com erosão fina ou seja, baixa corrente e alta freqüência.

D. (i) Revina a ferramenta a 15 ºC menor do que a última temperatura de revenimento (ii) Retifique ou pula a superfície erosionada

Eletro erosão em material recozido

A. Usinagem convencional B. Erosionar, como em C, acima C. Retifique ou pula a superfície erosionada. Isto reduz

o risco de formação de trincas durante o aquecimen-to e resfriamento. Pré-aqueça lentamente em está-gios até a temperatura de têmpera recomendada.

Maiores informações sobre usinagem por eletro erosão serão obtidas no catálogo “EDM para aço ferramenta”.

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Tratamento térmico Aços para trabalho à quente são geralmente fornecidos no estado recozido mole. Após usinagem a matriz deve ser temperada e revenida para se obter uma ótima re-sistência ao limite de escoamento à quente, resistência ao revenimento, tenacidade e ductilidade As propriedades do aço são controladas pela temperatu-ra e o tempo de tempera, o meio de resfriamento e a temperatura de revenimento. A alta temperatura de austenitização tem influência posi-tiva para a matriz na resistência ao escoamento à quen-te e na resistência ao amolecimento, que reduzem a tendência a trincas térmicas. No ORVAR SUPREME e QRO 90 SUPREME, estas propriedades são obtidas na temperatura de 1050 ºC em lugar do normal de 1020 ºC. Por outro lado, a tenacidade e ductilidade são reduzidas pelo crescimento de grão. Isto pode causar trincas seve-ras, então altas temperaturas de austenitização, devem ser limitados a pequenas matrizes, machos e pinos ex-tratores. Igualmente, a alta dureza tem um efeito positivo sobre as trincas térmicas, porém não são recomendadas durezas maiores do que 48 HRC para injeção de Alumínio e igualmente não exceder a 44HRC para La-tão. O risco de trincas e falhas totais aumentam com durezas altas. Porém, pelo desenvolvimento de alta tenacidade no ORVAR SUPREME e DIEVAR, o risco de falhas é con-sideravelmente reduzido. A velocidade de resfriamento durante a têmpera tem grande importância para o ORVAR SUPREME, QRO 90 SUPREME e DIEVAR e também para todos os outros tipos de aços similares. Uma menor velocidade de resfriamento possibilita a melhor estabilidade dimensional, mas aumenta o risco de modificação para estruturas indesejáveis no aço. Uma velocidade baixa de resfriamento pode reduzir a tenacidade a fratura do aço. A alta velocidade de resfriamento, em banho de sal, ou a vácuo com 4 bars ou mais de pressão proporcionam uma estrutura otimizada e conseqüentemente uma óti-ma vida útil. Deve ser encontrado o balanceamento correto entre um baixo custo de retificação proveniente de uma baixa velocidade de resfriamento e a otimização da vida útil através da alta velocidade de resfriamento. Na maioria dos casos a alta velocidade de resfriamento é preferível quando a economia total da matriz é de maior importân-cia. Descarbonetação e forte carbonetação podem causar trincas térmicas prematuras. A matriz deve ser revenida após resfriamento até 50-70ºC. O segundo revenimento é fundamental para se obter uma estrutura satisfatória. A temperatura de reve-nimento deve ser selecionada para se obter a dureza desejada da matriz. Recomendamos um terceiro reve-nimento para adicionar melhorias estruturais

Aços para Trabalho a Quente Estabilidade dimensional Distorção durante a tempera e o revenimento da matriz Quando se tempera e revine uma matriz de fundição injetada de Alumínio, ocorrem normalmente algumas distorções e empenamentos. São usualmente maiores a altas temperaturas de austenitização. Como é bem conhecido, é normal a prática de deixar tolerâncias para usinagem antes da tempera. Tornando possível ajustar corretamente as dimensões da matriz após a têmpera e o revenimento, pela retificação, ero-são por ex.. As distorções ocorrem devido as tensões do material. Estas tensões podem ser divididas em:

tensões de usinagem • • •

tensões térmicas tensões de transformação

Tensões de usinagem Este tipo de tensão é causada geralmente durante a operação de usinagem, como torneamento, frezamento e retificação. Se as tensões surgirem em partes, elas podem ser alivi-adas durante o aquecimento. A resistência diminui com o aquecimento aliviando as tensões através da distorção localizada. Isto pode levar para uma distorção total. Para reduzir a distorção, durante o aquecimento na têmpera, pode ser realizada um alívio de tensões. E recomendado que seja aplicado o alivio de tensões após usinagem de desbaste. Qualquer distorção pode ser ajustada durante a usinagem fina antes da tempera. Tensões térmicas Estas tensões são criadas quando a matriz é aquecida. Elas aumentam se o aquecimento é realizado rapida-mente ou desigualmente. O volume da matriz aumenta pelo aquecimento. Aquecimento desigual pode causar variação localizada de crescimento de volume, causan-do tensão e distorção. Recomenda-se sempre pré-aquecer em estágios para equalizar a temperatura dentro do componente. Deve sempre se esforçar para aquecer lentamente o suficiente para que a temperatura seja virtualmente igual em toda a seção da matriz. O que foi dito para o aquecimento pode ser também dito para o resfriamento. Uma poderosa tensão surge duran-te o resfriamento. Como regra geral, a velocidade de resfriamento deve ser o mais rápido possível dentro de uma distorção aceitável. Importante citar que resfriamentos devem ser feitos o mais uniformemente possível. Ainda mais se forem utili-zados gases protetivos (forno a vácuo) ou ar forçado. Por outro lado, diferenças de temperaturas em uma ferramenta, podem causar uma distorção significativa. Recomenda-se sempre resfriar em patamares (450-550°C) usual (500°C).

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Tensões de transformação Este tipo de tensões aparecem quando a microestrutura do aço se transforma. Porque as três microestruturas em questão - ferrita, austenita e martensita - tem dife-rentes densidades, isto é, volumes. O maior efeito é causado pela transformação da austenita em martensita que aumenta de tamanho. Um aumento de tamanho severo e desigual pode causar um aumento de volume localmente causando algumas ten-sões localizadas. Estas tensões podem levar a uma distorção e, trincas, em alguns casos. Informações adicionais sobre variação dimensional quando se tempera e revine o ORVAR SUPREME, QRO 90 SUPREME e DIEVAR, podem ser encontradas nas brochuras técnicas das informações de produtos Tratamento superficial Tratamentos superficiais como nitretação a gás, em banho de sal ou nitretação iônica podem ter um efeito benéfico sobre certas partes das matrizes para fundição injetada, como buchas de injeção, bicos, canais de en-trada, de distribuição, canais de alimentação, pinos ex-tratores e pino de machos. Diferentes aços possuem diferentes propriedades de nitretabilidade, dependendo da composição química. Outros tratamentos superficiais incluindo os tratamentos com, Solvenite, Metallife, Melonite e Metalstar, tem tra-zido também benefícios em aplicações em matrizes de fundição Soldabilidade Em muitos casos, é importante que as matrizes para fundição possam ser reparados pela solda. O reparo do aço ferramenta com solda vincula sempre o risco de trinca, mas se tomar o devido cuidado e seguindo as instruções de aquecimento, podem se obter bons resul-tados.

Parte de alumínio para indústria automobilística

Aços para Trabalho a Quente Preparação para a solda As partes a serem soldadas devem ser adequadamente chanfradas e livres de sujeira e graxas para possibilitar uma fusão e aderência satisfatórios. Soldando os materiais recozidos mole 1. Pré-aqueça para o mín. de 325ºC 2. Inicie a solda a máx. 475ºC. Nunca deixe a tempera-

tura da ferramenta ficar abaixo de 325ºC. O melhor meio de checar constantemente a temperatura da ferramenta durante a solda, é usar uma caixa con-tendo controles termostáticos e resistência elétrica em suas paredes.

3. Recozer imediatamente após soldagem. Soldando materiais temperados e revenidos 1. Pré-aqueça para o mín. de 325ºC 2. Inicie a solda a máx. 475ºC. Nunca deixe a tempera-

tura da ferramenta ficar abaixo de 325ºC. O melhor meio de checar constantemente a temperatura da ferramenta durante a solda, é usar uma caixa con-tendo controles termostáticos e resistência elétrica em suas paredes.

3. Após a solda, resfriar lentamente 20-30ºC / hora, até que a ferramenta atinja 50-70ºC e Revenir.

4. Revenir a 10-20ºC menos do que a última temperatu-ra de revenimento por 2 horas

Eletrodos QRO 90 WELD ou QRO 90 TIG-WELD. Informações complementares sobre soldagem e eletro-dos podem ser encontrados na brochura técnica " A soldagem do Aço Ferramenta " Performance da Matriz A vida útil da matriz de fundição injetada varia conside-ravelmente, dependendo da quantidade e projeto da peça fundida, da liga, e do cuidado e manutenção da matriz. A vida útil da matriz pode ser prolongada por um manu-seio cuidadoso antes e depois da fundição. :

cuidadoso preaquecimento • • • •

resfriamento correto tratamento superficial alívio de tensões

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Pré-aquecimento cuidadoso O contato inicial entre a ferramenta fria e o metal fundi-do quente, causa um choque térmico severo no material da matriz. Trincas térmicas podem iniciar nos primeiros tiros e crescer rapidamente até a falha total. Por isto, é importante notar que a resistência ao impacto i.e a habi-lidade do material resistir ao choque térmico e mecânico aumenta significantemente pelo preaquecimento da ferramenta se realizado antes do primeiro tiro. Portanto é fundamental que a diferença de temperatura entre a superfície da ferramenta e o metal fundido não seja tão grande. Pôr esta razão, é sempre recomendá-vel o preaquecimento A temperatura mais indicada para o preaquecimento depende do tipo da liga fundida, mas normalmente fica entre 150 e 350ºC

Resistência ao impacto DIEVAR

VIDAR SUP - - -

ORVAR SUPREME

QRO 90 SUPREME

100 200 300 400 500 ºC

Limite de pre-aquecimento

100 200 300 400 500 600 ºC

Limite de pre-aquecimento

DIEVAR QRO 90 SUPREME

VIDAR SUPREME

Rendimento de resistência a quente

ORVAR SUPREME

Aços para Trabalho a Quente A tabela abaixo mostra a faixa de temperatura que a matriz pode ser pré-aquecida. É importante também que ela não seja aquecida a uma temperatura excessiva-mente alta, tal que a ferramenta fique muito quente du-rante a fundição causando um revenimento do material da matriz. Observamos que aletas finas ficam quente muito rapidamente. Temperaturas de preaquecimento recomendadas:

Material Temperaturas de Pré-aquecimento

Estanho, Liga de Chumbo 100 – 150 ºC

Ligas de Zinco, Magnésio 150 – 200 ºC

Ligas de Alumínio 200 – 300 ºC

Ligas de cobre 300 – 350 ºC É importante que o aquecimento seja gradual e unifor-me. São recomendadas sistemas de pré-aquecimento controladas termostaticamente. No pré-aquecimento, o liquido refrigerante deve come-çar a circular gradativamente a fim de se obter o estado de equilíbrio. Deve se evitar todo e qualquer choque com o liquido refrigerante. Matrizes insertados precisam ser aquecidos bem lenta-mente para que os insertos e bases possam atingir a temperatura expandido-se lentamente Resfriamento Correto A temperatura da matriz é controlada pelos canais de refrigeração e pelo lubrificante da superfície da matriz. Para reduzir o risco de trincas térmicas, o liquido refrige-rante precisa ser pré-aquecido para aproximadamente 50°C. São também utilizados sistemas de refrigeração controladas termostaticamente. Não são recomendáveis líquidos refrigerantes mais frios do que 20°C. Durante as paradas longas ou de poucos minutos, o fluxo do liquido refrigerante deve ser ajustado para que a ferramenta não resfrie muito. É importante que o lubrificante (separando os compo-nentes) adirem bem na superfície da matriz para evitar o contato do metal com metal. Por ex. uma ferramenta nova ou reparada recentemente não pode ter uma su-perfície polida. Por isto é uma boa idéia cobrir a superfí-cie da matriz com um filme fino de óxido para proporcio-nar uma boa aderência do lubrificante durante o período de trabalho.

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Tratamento Superficial A superfície da matriz pode ser oxidada aquecendo-a aprox. 500°C por uma hora seguido de resfriamento ao ar. Aquecendo com uma atmosfera de vapor d'água - 500°C -por 30 min. também produz um ótimo filme de óxido, com uma camada ideal. Para remover os depósitos de lubrificantes após um período de uso, é recomendada a realização do "shot peening" na superfície da cavidade. Este tratamento também fecha algumas trincas térmicas. Isto induz uma tensão de compressão na camada superficial, que compensa as tensões de tração que causam trincas térmicas. Partes sujeitas a abrasão e fricção, como os pinos extratores e camisas de injeção, podem ser nitretadas ou carbonitretadas para aumentar a vida útil Alívio de Tensões Durante a fundição injetada, a superfície da ferramenta é sujeita a tensões térmicas originado pelas variações de temperaturas; estas sucessivas tensões térmicas podem resultar em tensões residuais que ficam em toda a região superficial da matriz. Na maioria dos casos, estas tensões residuais naturalmente pressionam e deste modo, ajudam a iniciar as trincas térmicas. Ao aliviar as tensões da matriz, reduz-se o nível das tensões residuais e deste modo aumenta-se a vida útil da matriz. Por esta razão, recomendamos que estes alívios de tensões sejam efetuados logo após 1000-2000tiros e 5000-10000 tiros. Este procedimento, se repetido a cada 10000 a 20000 tiros, a matriz terá poucas trincas térmicas em um longo período,. No entanto, isto é um pequeno ponto dentro do alívio de tensões em matrizes com trincas térmicas, porque a formação das trincas térmicas pôr si só redu-zem o nível das tensões térmicas. O alívio de tensões é realizado a uma temperatura 25°C menor do que a maior temperatura utilizada para o re-venimento da matriz. Normalmente são suficientes duas horas de encharque

Aços para Trabalho a Quente Exigências no aço para matrizes para fundição injetada Matrizes para fundição injetada estão sujeitas a severas cargas térmicas e mecânicas, que impõe altas exigên-cias no material da matriz. deste modo existem inúme-ros fenômenos que restringem a vida útil da matriz. Os mais importantes são:

fadiga térmica ( trincas térmicas ) • • • •

erosão / corrosão trincas ( falha total ) entalhadura

A quantidade de tiros realizável por uma matriz de fun-dição injetada é fortemente influenciada pela temperatu-ra de trabalho, isto é pela liga fundida. A vida útil da matriz para uma liga específica pode tam-bém variar consideravelmente devido ao desenho do produto fundido, do acabamento superficial, das quanti-dades das peças, do controle do processo, do projeto da ferramenta, do material da ferramenta, e do tratamento térmico e da tolerância aceitável da variação do acaba-mento superficial.

Ligas para fundições

Tempe-ratura

da Liga

Fatores limitado-res da vida da matriz

Vida útil normal quantidade de tiros

Matriz Macho

Zinco 430ºC Erosão 0,5-2 milhões 0,5-2 milhões

Magnésio 650ºC

Fadiga térmica Trinca Erosão Entalha-

dura

100 000 a

400 000

50 000 a

200 000

Alumínio 700ºC


dura

60 000 a

200 000

40 000 a

150 000

Cobre / Latão 970ºC


dura

5 000 a

50 000

1 000 a

5 000

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Fadiga Térmica Fadiga térmica é a trinca gradual causada pela tensão térmica, devido a muitos ciclos térmicos e é um fenôme-no em microescala e ocorre somente em uma fina ca-mada superficial. Em uso, as matrizes de fundição injetada ficam sujeitas ao calor e resfriamento alternadamente. Isto causa um aumento severo das tensões na camada superficial da matriz, conduzindo gradualmente para a trinca por fadi-ga térmica. Um típico dano superficial por fadiga térmica é um modelo chamado "trincas térmicas" , como ilustra-do na foto a seguir.

Durante os últimos 15 anos tem sido dispensadas muita atenção para entender o processo da fadiga térmica e relacionada a resistência a trincas térmicas como pro-priedade básica do material. Com este propósito a Uddeholm Tooling tem construído diapositivos especiais para simular os danos causados pela fadiga térmica. O objetivo deste esforço é melhorar e desenvolver materi-ais para matrizes que tem resultado nos aços premium ORVAR SUPREME, QRO 90 SUPREME e DIEVAR. Fatores que influenciam a fadiga térmica As trincas de fadiga térmica são causadas pela combi-nação da tensão do ciclo térmico, tensão de tração e de deformação plástica. Se nenhum destes fatores estive-rem presentes, a fadiga térmica nunca iniciaria e nem se propagaria. A tensão de deformação plástica inicia a trinca, e a tensão de tração promove o crescimento da trinca. Os seguintes fatores influenciam a fadiga térmica. :

● Ciclo de temperatura da matriz

Temperatura de preaquecimento; Temperatura superficial da matriz; Tempo de permanência no pico da temperatura; Velocidade de resfriamento.

● Propriedades básicas do material da matriz

Coeficiente de expansão térmica; Condutibilidade térmica; Resistência ao escoamento à quente; Resistência ao revenimento; Resistência a deformação lenta; Ductilidade.

Aços para Trabalho a Quente ● Causadores de tensão

Frisos, furos e cantos (angulares); Rugosidade superficial;

Ciclo de temperatura da matriz Temperatura de pré-aquecimento É essencial que a diferença de temperatura da superfí-cie da matriz e o metal fundido não seja muito grande. Por esta razão é sempre recomendável o pre-aquecimento. A temperatura de preaquecimento deve ser de no míni-mo 180°C para Alumínio. Nesta temperatura a tenacida-de á fratura é quase o dobro do que na temperatura ambiente. Temperatura da superfície da matriz A temperatura da camada superficial da matriz é muito importante para a ocorrência de fadiga térmica. Abaixo de 600°C a expansão térmica e as tensões são mode-radas para um aço para trabalho à quente normal, mas a altas temperaturas o risco de trincas térmicas torna-se significante. A temperatura da superfície da matriz é determinada principalmente pela temperatura de pré-aquecimento , temperatura do metal fundido, do dese-nho do produto fundido, da forma e dimensão da matriz e propriedades térmicas do material da matriz. Tempo de permanência no pico da temperatura Longos tempos de permanência implicam no risco de revenir e deformar lentamente o material da matriz. Isto significa a redução da resistência mecânica em confor-midade com a baixa resistência mecânica e/ou carga térmica. Velocidade de resfriamento A velocidade em que a camada superficial resfria é de considerável importância. Quanto mais rápido esfria, mais tensões criam e induzem a trincas num estágio inicial. A escolha da emulsão é normalmente um com-promisso entre uma vida útil desejável e velocidade de produção, mas a maioria dos matrizeiros tem trocado a emulsão a base de óleo para a base de água, por ra-zões ambientais Propriedades básicas do material da matriz Coeficiente de expansão térmica Quanto menor o coeficiente de expansão térmica, me-nor será a tensão térmica Condutibilidade térmica Uma alta condutibilidade térmica, reduz o gradiente e deste modo a tensão térmica. Porém é muito difícil pre-ver ou investigar experimentalmente, em que extensão a condutibilidade térmica influencia este assunto

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Resistência ao escoamento á quente A alta resistência ao escoamento à quente diminui a tensão de deformação plástica e é benéfica para a resis-tência às fissuras térmicas. Resistência ao revenimento Se um material com alta resistência a tensão de escoa-mento à quente inicialmente. amolece durante o uso devido a exposição a alta temperatura significa que os danos causados pelo choque térmico se aceleram. Por-tanto é importante que o material da matriz exposto a altas temperaturas tenha uma boa resistência ao amole-cimento. Resistência à deformação lenta O amolecimento, associado à resistência ao revenimen-to, é claramente acelerado pela carga mecânica. O ma-terial da matriz é exposta a ambos, a alta temperatura e carga mecânica. Deste modo, torna-se óbvio que um bom material possuirá resistência a ações conjuntas da alta temperatura e carga mecânica quantificada pela alta resistência ao escoamento à quente. De fato tem sido provado em experimentos que as trincas térmicas tam-bém podem ser produzidas a temperaturas constantes e cargas mecânicas cíclicas. Ductilidade A ductilidade do material da matriz quantifica a capaci-dade de resistir as deformações plásticas sem trincar. Perante o inicio do estágio do dano pela fadiga térmica, a ductilidade governa o número de ciclos antes de que trincas visíveis apareçam dando resistência a tensão de escoamento a quente e ciclo térmico. Perante o estágio de crescimento da trinca, declina a influência da ductili-dade. A ductilidade do material é muito influenciada pelas in-clusões de escória e segregações, isto é,. pela pureza e homogeneidade do aço. Pôr esta razão, os aços da Uddeholm Tooling para matrizes para fundição injetada são processadas pôr um meio especial. O aço tem a sua ductilidade consideravelmente melhorada por uma fundição especial e técnicas de refundição, processo de forjamento controlado e tratamento especial da microes-trutura. Estes melhoramentos são especialmente pro-nunciados nos centros de grandes blocos Causadores de tensão Frisos, furos e cantos Concentração de tensões geométricas e o aumento do gradiente térmico, aumenta a tensão e forças nos frisos, furos e cantos. Significando que as trincas térmicas iniciam facilmente nestas áreas do que numa área pla-na. A ação conjunta das trincas térmicas e frisos aumen-tam o risco da falha total da matriz.

Aços para Trabalho a Quente Rugosidade superficial Defeitos superficiais como marcas de retifica afetam e dão origem a fissuras pela mesma razão dos frisos, furos e cantos. Recomenda-se retificar com a grana 220-600, assim a rugosidade superficial não influenciará a formação de trincas térmicas. Uma das vantagens de não ter a superfície bem polida, por exemplo jateado com areia ou oxidado, é para que as partículas de lubri-ficantes se adiram bem e se distribuam melhor na su-perfície. Além disto, tem lugar uma baixa aderência e isto resulta em uma boa liberação das peças fundidas. É especialmente importante durante a produção de uma ferramenta nova. Erosão / Corrosão Corrosão pelo metal fundido Durante a fundição, o metal fundido é injetado para den-tro da matriz. Em caso onde superfície da cavidade per-de a camada protetiva o metal fundido ira difundir para dentro da superfície da matriz. Ao mesmo tempo ele-mentos de liga da matriz ( especialmente o ferro ) irá difundir da superfície da matriz para dentro do metal fundido. Este processo pode criar dissoluções de com-ponentes de ambas as partes. No caso de ocorrer seve-ras formações o metal fundido irá soldar-se na superfí-cie da matriz. A Uddeholm Tooling tem investigado a tendência para a corrosão nos diferentes metais fundidos para injeção

Dano causado pela soldagem em um pino central

Fatores que influenciam a erosão Muitos fatores influenciam a erosão da matriz:

Temperatura do metal fundido • • • •

Composição do metal fundido Projeto da matriz Tratamento superficial

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Temperatura do metal fundido As ligas para a fundição em matrizes tem temperaturas críticas, acima delas cresce o ataque corrosivo. O Zinco inicia a reação com o aço a cerca de 480°C e o Alumínio a cerca de 720°C. As ligas de Cobre não parecem ter nenhuma temperatura crítica, mas a corrosão cresce lentamente com o aumento de temperatura.

400 500 600 700 800 900 1000 ºC

Zn Al Bronze

Não Recomendada Não

Recomendada Não Recomendada

Grau de Corrosão

Composição do metal fundido O ataque do metal puro ao material da ferramenta é maior do que os de ligas comerciais. São válidas para ambos Zinco (Zn) e Alumínio(Al). A corrosão da matriz também aumenta quando o Alumínio fundido contém baixo percentual de ferro. Projeto da matriz O projeto da matriz também tem importante para a ero-são. Se o metal fundido é injetado a velocidade muito alta, o lubrificante da superfície da cavidade pode ser "lavado". Velocidades muito altas são causadas usual-mente pelo projeto incorreto dos canais de entrada. Tratamento superficial O tratamento superficial do aço da matriz é de grande importância. Se o contato entre a superfície do aço da matriz e o metal fundido puder ser evitado, o risco de corrosão é muito menor. Um filme de óxido sobre a su-perfície confere uma boa proteção. Superfícies nitreta-das ou carbonitretadas assim como outros tipos de co-berturas, também conferem uma certa proteção.

Superfície Oxidada

Superfície não-oxidada

Perda de material

Orvar Supreme 48 HRC

Zinco 500ºC

Alumínio 735ºC

Bronze 950ºC

Aços para Trabalho a Quente Erosão pelo metal fundido Erosão é o mecanismo de desgaste a quente na super-fície da matriz, causado principalmente pelo movimento do metal fundido. A erosão depende da velocidade em que o metal fundi-do é injetado dentro da matriz assim como a sua tempe-ratura e composição. Velocidades maiores do que 55 m/s aumenta substancialmente o dano pela erosão. A alta temperatura afeta também a situação, porque a superfície da matriz é facilmente revenido. Partículas duras como inclusões ou partículas duras de Silício pre-cipitadas no alumínio fundido hipereutético com mais de 12,7% Silício, aumentando facilmente o dano pela ero-são. É muito comum ocorrerem a combinação de danos cau-sados por corrosão e erosão na superfície da matriz. O tipo de dano que é predominante depende da velocida-de do metal fundido dentro da matriz. Nas altas velocidades é normal ocorrerem danos pela erosão que é predominante. É importante que o material da matriz tenha uma boa resistência ao revenimento e um alto limite de escoa-mento a quente.

Trinca ( Falha Total ) A tenacidade do material da matriz é a habilidade de resistir a cargas sem trincar nos cantos dos entalhes ou outros aumentadores de tensão. A tenacidade da matriz depende do material e o seu tratamento térmico. Pelo fato das tensões mecânicas e térmicas na matriz ocor-rem em todas as direções a tenacidade na matriz tem que ser considerada em todas as direções - longitudinal, transversal e na direção da altura. ORVAR SUPREME QRO 90 SUPREME e DIEVAR. são produzidas por uma técnica especial de processamento que melhoram a isotropia das propriedades mecânicas. Choques térmicos causam sobrecargas térmicas, ocasi-onando a trinca. É um fenômeno em macroescala e é um dos mais freqüentes causadores da falha total da matriz.

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Tenacidade à fratura do ORVAR SUPREME e QRO 90 SUPREME, DIEVAR A capacidade do material resistir às tensões sem fissu-ras instáveis perante um entalhe agudo ou trinca é cha-mado tenacidade á fratura A tenacidade à fratura do ORVAR SUPREME e QRO 90 SUPREME com temperaturas de revenimentos diferen-tes é mostrado na seguinte figura

Tenacidade a fratura em temperatura ambiente

44 HRC 48 HRC

100

80

60

40

20

60

50

40

30

20

Dievar Orvar S

Orvar S

Vidar S

Vidar S

QRO 90 S

Tenacidade a Fratura, Kic

ksi(in)1/2 MPa(m)1/2

Dievar

Entalhadura Entalhes em linhas de separação ou em rebaixamentos da matriz ocorrem normalmente devido a baixíssima dureza a quente da matriz. Em temperaturas elevadas, a resistência do aço e tam-bém a sua dureza diminuirão. Significando que o risco de entalhamento da matriz para trabalho á quente au-mentará com o aumento da temperatura da matriz. Am-bos, a pressão da matriz fechada e a pressão de injeção do metal, são tão altas que certa resistência a alta tem-peratura é requerida. Isto é especialmente importante para as matrizes de fundição de alumínio (Al), magnésio (Mg) e ligas de cobre(Cu). Economia na Matriz O direcionamento para melhorar a economia da produ-ção tem originado o desenvolvimento da “qualidade premiun” para aços para matrizes. Como o custo da ferramenta é de aprox. 10 % do custo total da peça injetada e acabada. é válido pagar por uma qualidade premium de aço para aumentar a vida útil, o que parece óbvio. Os fatores decisivos que governam a vida útil da matriz, são o material da matriz, o seu tratamento térmico, e o processo de controle da fundição. O custo do material da matriz em fundição está em torno de 5-15 % do custo da matriz, enquanto o tratamento térmico custa de 5-10 %. A fig. representativa do "custo iceberg" mostra o custo do aço em relação ao custo total da produção.

Aços para Trabalho a Quente Para assegurar uma boa qualidade do aço, muitas es-pecificações foram desenvolvidas nos últimos 20 anos. Os principais requisitos se referem à composição quími-ca. microlimpeza, microestrutura, segregações, tamanho de grão, dureza, propriedades mecânicas e perfeição interna (nível de qualidade). Uma das mais avançadas especificações até o momen-to é a Qualidade Premium H13 Critérios de Aceitação para Matrizes de Fundição Injetada # 207-97 liberado pela North American Die Casting Association (NADCA). Outras melhorias na economia da produção precisa envolver a especificação do tratamento térmico da ma-triz. Que pode ser otimizado para se evitar qualquer variação dimensional excessiva ou distorções, mas que produza uma ótima combinação de dureza e tenacida-de. O fatores mais críticos são a temperatura de têmpe-ra e a velocidade durante o resfriamento. Precauções como preaquecimento adequado da matriz assim como aliviar as tensões darão uma boa economia da matriz. Tratamentos superficiais são métodos que protegem a superfície da matriz contra a erosão, abrasão e fadiga térmica. Novas técnicas de soldagem tem diminuído as áreas para a manutenção e reparo por soldagem. ambos são importantes meios para aumentar a vida útil da matriz. Todos os envolvido na corrente: produtores de aço, fabricantes da matriz, tratamentos térmicos e fundido-res. sabem que podem ter uma grande variação no nível da qualidade em cada parte deste processo. Ótimos resultados podem somente ser obtidos se con-seguir alcançar a produtividade utilizando-se a qualida-de premium ao longo de todo o curso O custo Ice-Berg

Custo Totalda

Ferramenta

Produção e Custos de manutenção

Custo do aço

Custo da produção do molde Custo da Ferramenta

soldagem

Perda de produção

reparos

ajustamentos

tratamento térmico

etc, etc ...

retalhos

preaquecimento

atraso de entrega

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Aços para Trabalho a Quente Qualidades Disponíveis Principais Características

DIEVAR

Aço para trabalho a quente premium ligado ao Cr-Mo-V com resistências a altas tempera-turas com excelente temperabilidade, tenacidade e ductilidade. Indicado para matrizes de tamanhos grandes e médios para fundição de alumínio . Atende e excede as exigências do NADCA # 207-97

ORVAR SUPREME Aço para trabalho a quente premium ligado ao Cr-Mo-V ( AISI H13 ) com boa resistência ao choque térmico e fadiga térmica. Este aço é fabricado por uma técnica especial de fun-dição e refino que atende as exigências do NADCA #207-97

VIDAR SUPREME Aço para trabalho a quente premium ligado ao Cr-Mo-V( AISI H11 ), com boa resistências a trincas.

QRO 90 SUPREME Aço para trabalho a quente premium com alta resistência ao escoamento a quente e boa resistência ao revenimento. Especialmente indicado para matrizes de injeção de alumínio, cobre e latão.

IMPAX SUPREME Aço pré-temperado com 290-330 e/ou 330-370 HB ligado ao Ni-Cr-Mo indicado para matri-zes para injeção de zinco, chumbo e estanho. Também utilizado como base de matrizes.

HOLDAX Aço pré-temperado com ótima usinabilidade fornecido com aprox. 300 HB para placas de travamento e bases de matrizes.

Composição Química

Composição Química % Linha Uddeholm AISI Dureza

HB C Si Mn S Cr Mo V Outros

DIEVAR 160 Liga de Cr-Mo-V ( Patenteada )

ORVAR SUPREME H13 180 0,39 1,0 0,4 0,0030 5,2 1,4 0,9 -

VIDAR SUPREME H11 180 0,38 1,0 0,4 0,0030 5,0 1,3 0,4 -

QRO 90 SUPREME - 180 0,38 0,3 0,8 0,0030 2,6 2,3 0,9 Microligado

IMPAX SUPREME P20 310 0,37 0,3 1,4 0,010 2,0 0,2 - Ni 1,0

HOLDAX 4140 310 0,40 0,4 1,5 0,07 1,9 0,2 - - Comparação das Qualidades Linha Uddeholm

Resistência ao Revenimento

Escoamento a quente Ductilidade Tenacidade Temperabilidade

DIEVAR

ORVAR SUP.

VIDAR SUP.

QRO 90 SUP.

Comparação de Qualidades das propriedades críticas dos aços para moldes Linha Uddeholm Fadiga Térmica Fissuração Total Erosão Entalhadura

DIEVAR

ORVAR SUP.

VIDAR SUP.

QRO 90 SUP. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

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Aços para Trabalho a Quente

Recomendações Qualidades e Durezas Recomendadas

Componente da Matriz Zinco / Estanho / Chumbo Alumínio / Magnésio Cobre / Latão

Placas para bases Porta Matrizes

HOLDAX (pré-temperado) ~310 HB

IMPAX SUPREME (pré-temperado) ~310 HB





Insertos para Cavidades, Placas para matrizes

IMPAX SUPREME ~310 HB

ORVAR SUPREME 46-52 HRC

DIEVAR 44-50 HRC


QRO 90 SUPREME ORVAR SUPREME

40-46 HRC

Insertos fixos machos Pinos extratores


DIEVAR 46-50 HRC


QRO 90 SUPREME 42-48 HRC

QRO 90 SUPREME 40-46 HRC

Parte dos canais ORVAR SUPREME 46-52 HRC

QRO 90 SUPREME* 44-48 HRC

QRO 90 HT*

QRO 90 SUPREME 42-46 HRC QRO 90 HT

Bicos ORVAR SUPREME 48-52 HRC

Pinos extratores

STAVAX ESR 40-44 HRC

ORVAR SUPREME 46-50 HRC (nitretado)

Pistão Bucha


46-50 HRC (nitretado)





ORVAR SUPREME 42-46 HRC (nitretado)




42-46 HRC (nitretado) • Recomendado Tratamento Superficial.

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1 2 3 7 5 3 6 2 1

1. Pl2. Pl3. M4. In5. M6. Ca7. Ca8. Pi

aca de Travamento aca Base atriz inserto serto fixo achos nal da Bucha (bocal) nal do Pino (distribuidor)

nos Extratores

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trabalho a quente_2004

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