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ASSESSORITEC
AÇOS PARA CAVIDADES DE MOLDES
Professor: Donizete
Anedes Floriano Júnior Vanderlei
Joinville, Setembro de 2011
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SUMARIO INTRODUÇAO......................................................................................................... INTRODUÇAO .........................................................................................................03 03 1.
OBJETIVO DO TRABALHO................................................................................... TRABALHO...................................................................................04 04
AÇOS PARA MOLDES...................................................................................................5 PROCESSO ISO.............................................................................................................7 PROCESSO ISOMAX.....................................................................................................8 AÇO PARA TRABALHO A QUENTE...........................................................................10 AÇO INOXIDAVEL MARTENSITICO ..........................................................................11 CONCLUSAO...............................................................................................................14 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.............................................................................15
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INTRODUÇÃO
Aços ferramenta para trabalho a quente formam um grupo especial de aços de alta liga, destinados a ferramentas industriais para conformação de metais em alta temperatura acima de 500 ºC. Exemplos de tais aplicações são matrizes de fundição sob pressão e extrusão de ligas não ferrosas, como ligas de Al, e ferramentas para forjamento a quente. Nas aplicações, as ferramentas são submetidas a solicitações mecânicas e térmicas, em um complexo arranjo de forças . Especificamente em forjamento a quente, a matriz é solicitada pelo metal a ser forjado envolvendo pressão, desgaste e impacto, em elevada temperatura O trabalho discute variáveis como refino por ESR e homogeneização nas propriedades do aço VH13 (AISI H13). São mostrados os ganhos em qualidade conseguidos com homogeneização e com o recozimento especial, presentes no processo ISO. O presente trabalho discute variáveis como refino por ESR ehomogeneização nas propriedades do aço VH13 (AISI H13). São mostrados osganhos em qualidade conseguidos com homogeneização e com o recozimentoespecial, presentes no processo ISO.
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1. OBJETIVO DO TRABALHO
O objetivo deste trabalho é apresentar alguns tipos de aços que podem ser utilizados nas cavidades de molde para trabalho a quente considerando os motivos para a escolha do correto, levando em consideração cada necessidade especifica do molde.
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2. AÇOS PARA MOLDES
Os aços para moldes usados para transformação de plásticos são freqüentemente associados à designação P20. Portanto, P20 transformou-se em sinônimo de grupo de aços para moldes para transformação de plásticos. Esses aços têm como características comuns serem aços do tipo Cr-NiMo fornecidos beneficiados na faixa de 280 a 300HB, com média e alta polibilidade e resposta a texturização, com exceção do VP20ISO que é de baixa polibilidade e baixa resposta a texturização, em função do enxofre na sua composição, que em contrapartida melhora a usinabilidade. São aços de baixa resistência à corrosão e média resposta a nitretação e soldabilidade, com baixa para média resistência ao desgaste. Em todas as versões do aço VP20 é fornecido beneficiado (temperado e revenido) com a vantagem de eliminar a etapa de têmpera posterior, com a conseqüente redução nos tempos e custos de fabricação de moldes, além de riscos de deformação que podem ocorrer durante o tratamento térmico. O balanceamento químico e os modernos processos de produção e refino empregados para cada versão dos aços VP20 visam obter, ao menor custo, uma otimização reprodutível das propriedades. As principais propriedades exigidas de um molde de injeção de plásticos são:
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Usinabilidade, resistência uniforme, polibilidade, soldabilidade, nitretação, texturização,
resistência
à
fadiga
térmica,
estabilidade
dimensional,
condutibilidade térmica, dureza e resistência ao desgaste
2.1
USINABILIDADE
Esta propriedade é importante em aços utilizados em cavidades por estas serem os componentes de maior complexidade do molde, onde as tolerâncias dimensionais dos detalhes a serem usinados são maiores. Por isso, é possível afirmar que a usinabilidade tem influência determinante na produtividade. O aço deve ser também bastante tenaz, para suportar esforços com a pressão de injeção, e variações de temperatura em cada ciclo.
2.2
POLIBILIDADE
É a facilidade com que se consegue polir o aço. Esta propriedade será relevante para a qualidade da superfície do produto final, dando a qualquer superfície um acabamento espelhado, utilizados normalmente em moldes para a produção de faróis e lanternas da indústria automotiva, e também para a linha de eletrodomésticos.
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2.3
DUREZA E RESISTÊNCIA AO DESGASTE
Dureza da superfície, está ligada diretamente à vida útil do molde. Deve-se também analisar a necessidade de tratamento térmico de algumas peças, principalmente em grandes cavidades, para elevar a dureza ou aumentar a resistência mecânica, pois alguns aços aceitam determinados tratamentos térmicos, e isso, pode limitar ou reduzir a variedade aplicável de aços.
2.4
ESTABILIDADE DIMENSIONAL
É um dos principais atributos de um material, pois a natureza cíclica do processo de injeção sujeita os materiais do molde a níveis consideráveis de tensões e deformações elásticas. Todas estas características citadas variam de material para material. Isto se deve ao fato de cada material ser composto por determinados elementos de liga resultantes de seu processo de fabricação. O termo liga de aço descreve um aço que contem outros elementos de liga adicionados ao carbono, os quais têm
sido
empregados
para
modificar
as
propriedades
deste
aço
intencionalmente. Os elementos individuais de liga, de acordo com suas quantidades, têm tanto efeitos positivos como negativos nas características
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desejadas. Geralmente muitos elementos de liga estão presentes nos aços para ferramentais, os quais podem também mutuamente afetar um ao outro,
(FIGURA 1).
Analisando a figura 1, percebe-se que o S e o Ti podem diminuir a rigidez de um material, assim como todos os outros elementos de liga, exceto o Ni. Nenhum elemento aumenta a resistência ao impacto, mas também nenhum elemento diminui a resistência ao desgaste, o endurecimento, a dureza e a resistência ao calor. Apenas alguns elementos elevam estas propriedades. Somente o S eleva a usinabilidade de um material, assim como apenas o Ni eleva a ductilidade. A elevada presença de Cr dificulta a retenção de dureza por um material, bem como o S prejudica a resistência à corrosão. Com base em alguns critérios relacionados é possível orientar a escolha da matéria prima utilizada de modo a influenciar o tempo de resfriamento da peça molda de e assim diminuir o ciclo sem causar prejuízos á qualidade da peça
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moldada. Propriedade tida como “requisitos especiais estão diretamente relacionados com, além da qualidade do material, a qualidade do tratamento térmico aplicado”.
(FIGURA 2). Diagrama de Orientação para escolha do aço para as cavidades de um molde. 3. PROCESSO ISO
Os produtos ISO são obtidos através de técnicas de elaboração de metal liquido, incluindo refino em forno panela e desgaseificação a vácuo, desenvolvidas na década de 70 e plenamente consolidadas, sendo utilizadas atualmente por todos os grandes fabricantes de aço ferramenta do mundo, combinadas ao processamento especial de forjamento e tratamento térmico.
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Boa resistência a trincas por fadiga térmica, excelentes propriedades mecânicas. Boa tenacidade, homogeneidade de resposta ao tratamento térmico.Boa estabilidade dimensional e boa polibilidade.
3.1 WNr.1.2738 ou SAE P20 ou VP20ISO (Villares)
Aço ligado Cr-Ni-Mo elaborado através de desgaseificação a vácuo, com usinabilidade melhorada por tratamento com cálcio: Boa usinabilidade, boa soldabilidade, excelente polibilidade, boa uniformidade de dureza, boa reprodutibilidade de desempenho, boa resistência a trincas por fadiga térmica, boa homogeneidade microestrutural. Aplicação: moldes para injeção de plásticos não-clorados, em especial moldes de grandes dimensões, matrizes para extrusão de termoplásticos nãoclorados, moldes para sopro. Composição química (%): 0,36C – 1,60Mn – 1,80Cr – 0,20Mo – 0,70Ni Condição Normal de Fornecimento: Beneficiado (Temperado e Revenido) 30 a 34HRC – Aço inspecionado com ultra-som, conforme a Norma ASTM A388.
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Têmpera (ºC): 840 a 860 Meio de Resfriamento: Óleo Dureza de Utilização: 30/34 HRC Tratamento térmico: Este aço já é fornecido temperado e revenido, tendo uma boa resposta a nitretação e cementação. A nitretação é recomendada quando são necessários altos níveis de dureza superficial e resistência à abrasão. Deve ser realizada após tempera e revenido, desde que a temperatura de nitretação seja no mínimo 50ºC inferior à temperatura do ultimo revenido.
4. PROCESSO ISOMAX
Os produtos ISOMAX são obtidos através do mesmo processo dos produtos ISO, acrescidos de uma etapa de refino por refusão ESR – Eletro Slag Refining – após o lingotamento que torna a estrutura do aço mais homogênea e compacta, reduz a segregação de elementos de liga, impurezas e quantidade de inclusões.
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(FIGURA 3). Desenho esquematico do forno ESR.
Resulta deste processo uma microestrutura fina e homogênea, sem porosidades e as poucas inclusões, se ainda presentes, são menores e encontram-se melhor distribuídas, o que contribui para um ótimo desempenho quando em serviço. Encontram aplicações também em moldes e matrizes para trabalho a quente, destinada aos segmentos de forjarias, indústrias de transformação de não-ferrosos, vidros e plásticos: Alta resistência a trincas por fadiga térmica, elevado grau de isotropia, excelentes propriedades mecânicas, possibilidade de utilizar o bloco até o núcleo, maior tenacidade, melhoria a resposta ao tratamento térmico, maior estabilidade dimensional durante tempera e revenido, excelente polibilidade e reprodutibilidade.
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4.1
SAE H13 (ESR) ou VH13IM (Villares)
Aço ligado ao Cromo – Molibdênio – Vanádio, elaborado através de desgaseificação a vácuo, com posterior refino pelo processo ESR, o que lhe confere alto grau de isotropia, limpeza interna e melhores propriedades mecânicas, especialmente tenacidade. Alta resistência a trincas por fadiga térmica, excelentes propriedades mecânicas, maior tenacidade diminuindo a ocorrência de falhas por fratura ou trincas, excelente polibilidade, pouco sensível a choques térmicos, quando resfriado por água Aplicação: moldes para fundição por gravidade de ligas leves, especialmente ligas de Al e Mg, em peças complexas ou de maior porte. Molde para injeção de polímeros termoplásticos não – clorados, com alto grau de polimento e alta resistência mecânica. Matrizes de alto desempenho para forjamento em prensa. Matrizes de recalque a quente, insertos para matrizes, matrizes de extrusão de latão, alumínio e magnésio. Mandris e outros componentes de extrusoras. Composição química (%): 0,40C – 1,00Si – 0,35Mn – 5,20Cr – 1,50Mo – 0,90V.
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Condição Normal de Fornecimento: Recozido 207HB máx. Aço inspecionado com ultra-som, conforme norma A388 Têmpera (ºC): 1010 a 1030 Meio de Resfriamento: Banho de Sal – Óleo – Forno à Vácuo Dureza de Utilização: 40/52 HRC Tratamento térmico: Este aço pode ser submetido à nitretação após têmpera e revenimento, desde que a temperatura de nitretação seja no mínimo 50ºC inferior a temperatura do último revenimento. Não pode ser cementado.
4.2WNr.1.2711 ou N2711M (Villares)
Aço elaborado através de desgaseificação a vácuo, fornecido beneficiado, com maior resistência à compressão quando comparado com os aços da série VP20. Boa usinabilidade, boa polibilidade, boa uniformidade de dureza, boa reprodutibilidade de desempenho. Aplicação: moldes para injeção de plásticos não-clorados, em especial moldes de aplicações de maior solicitação mecânica e de desgaste que os aços da linha VP20.
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Composição química (%): 0,56C – 0,70Mn – 0,70Cr – 0,30Mo – 1,65Ni – 0,075V Condição Normal de Fornecimento: Beneficiado 38 a 42HRC - Aço inspecionado com ultra-som, conforme a Norma ASTM A388. Têmpera (ºC): 890 a 910 Meio de Resfriamento: Óleo Dureza de Utilização: 38/42 HRC Tratamento Térmico: Este aço já é fornecido temperado e revenido, tendo uma boa resposta a nitretação. A nitretação é recomendada quando são necessários altos níveis de dureza superficial e resistência à abrasão. Deve ser realizada após a tempera e revenido, desde que a temperatura de nitretação seja no mínimo 50ºC inferiror à temperatura do último revenido.
5. AÇO PARA TRABALHO A QUENTE
São aços que se destinam à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a quente (550 a 600ºC) de aços, ferros fundidos, ligados nãoferrosas e eventualmente materiais não metálicos. Suas principais características são:
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Alta resistência ao revenimento, elevada resistência mecânica a quente, grande resistência à abrasão em temperaturas elevadas, boa tenacidade, polibilidade e condutividade térmica, elevada resistência à fadiga e à formação de trincas térmicas, resistência ao impacto, resistência à erosão. Essas características conferem às ferramentas a capacidade de resistor às solicitações mecânicas a que são sujeitas, apesar de serem aquecidas pelo material que está sendo processado. Elementos químicos como Cr, Mo, V, e W é que conferem essas propriedades ao se juntarem ao carbono, que nesses aços está entre 0,30% e 0,60%, formando carbonetos que contribuem para a obtenção das propriedades requeridas desses aços.
5.1
SAE H13 ou VH13ISO (Villares)
Trata-se de um aço ferramenta para trabalho a quente ligado ao molibdênio, cromo e vanádio, desgaseificado a vácuo.
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Alta resistência a trincas por fadiga, excelentes propriedades mecânicas, boa tenacidade, polibilidade e usinabilidade, boa estabilidade dimensional durante ao tratamento térmico, pouco sensível a choques térmicos, quando resfriado por água, boa resistência ao desgaste Aplicação: matrizes e punções de forjamento em prensa. Punção para extrusão de ligas não ferrosas. Moldes para fundição por gravidade de ligas leves, especialmente alumínio. Facas para corte a quente. Matrizes para fundição sob pressão de ligas de alumínio, em peças de menor porte ou pouco complexas. Composição química (%): 0,40C – 1,00Si – 0,35Mn – 5,20Cr – 1,50Mo – 0,90V Condição Normal de Fornecimento: Recozido 207HB máx. - Aço inspecionado com ultra-som, conforme a Norma ASTM A388. Têmpera (ºC): 1010 a 1030 Meio de Resfriamento: Banho de Sal – Óleo – Forno à Vácuo Dureza de Utilização: 40/52 HRC Tratamento Térmico: Efetuar no mínimo dois revenimentos. Pode ser temperado em forno a vácuo. Pode ser nitretado após ter sido temperado e revenido, desde que a temperatura do processo de nitretação fique 50ºC abaixo do ultimo revenimento.
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Para melhorar a vida útil da ferramenta deve-se pré-aquecer lentamente a ferramenta entre 200 a 300ºC antes de iniciar o processo de injeção. Efetuar alívio de tensão periódico ao longo da vida útil da ferramenta.
5.2 TENAX 300IM (Villares)
É um aço para trabalho a quente com tenacidade muito superior aos aços do mesmo tipo (série H) e possui energia de impacto superior a 300J, em corpos de prova tratados para 44/46HRC. Altíssima resistência a trincas por fadiga térmica, superior condutividade térmica, altíssima tenacidade, excelente polibilidade, boa resposta a nitretação. Aplicação: Moldes e componentes para fundição sob pressão de ligas de alumínio e outras ligas não – ferrosas, como zinco, estanho e chumbo. Matrizes para extrusão de ligas de alumínio, latão e ligas de magnésio. Matrizes e punções para forjamento, incluindo aplicações de recalque a quente e insertos. Também adequado para o uso em moldes de injeção de termoplásticos não – clorados, devido ao seu alto grau de polimento, e facas para corte a quente. Composição química (%): 0,36C – 0,30Si – 5,00Cr – 1,40Mo – 0,40V Condição Normal de Fornecimento: Recozido 230 HB máx. - Aço inspecionado com ultra-som, conforme a Norma ASTM A388.
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Têmpera (ºC): 1010 a 1030 Meio de Resfriamento: Banho de Sal – Óleo – Forno à Vácuo Dureza de Utilização: 40/50 HRC Tratamento Térmico: Efetuar no mínimo dois revenimentos. Temperatura de revenimento entre 550 e 650ºC podem ser utilizados. A nitretação deve ser realizada a temperaturas no máximo 50ºC abaixo da temperatura do último revenimento.
6. AÇO INOXIDAVEL MARTENSITICO
6.1
WNr.1.4028 ou VC150 (Villares)
Aço cromo inoxidável martensítico (0,35%C – 13%Cr), ferromagnético. No estado, recozido apresenta estrutura ferrítica; no estado temperado apresenta predominantemente estrutura martensítica. Boa usinabilidade, boa resistência à corrosão, boa resistência ao tratamento térmico, boa resistência ao desgaste, baixa soldabilidade, boas propriedades mecânicas.
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Aplicação: artigos de cutelaria, intrumentos cirúrgicos e dentários, eixos, peças para bombas e válvulas, pás e outras peças de turbinas a vapor, peças de máquinas e equipamentos em geral, moldes para indústria do vidro. O aço VC150 resiste bem aos agentes fracamente agressivos, como água doce e vapor d’água isento de contaminantes, sucos de fruta e verduras, alguns ácidos e álcalis suaves. Composição química (%): 0,35C – 13,0Cr Condição Normal de Fornecimento: Recozido 220HB máx. - Aço inspecionado com ultra-som, conforme a Norma ASTM A388. Têmpera (ºC): 980 a 1040 Meio de Resfriamento: Ar Soprado – Óleo Dureza de Utilização: 48/54 HRC Tratamento Térmico: Exige no mínimo dois revenimentos. A faixa de temperatura de 420ºC a 600ºC de revenimento deve ser evitada por que fragiliza o aço além de reduzir drasticamente sua resistência a corrosão. O aço VC150 apresenta suas melhores características de resistência à corrosão no estado temperado e com a superfície finamente polida.
NOTA IMPORTANTE:
Este aço não é submetido a qualquer tipo de
refino secundário especial, do tipo ESR. Este aço é fabricado para atender aplicações voltadas a construção mecânica, portanto o mesmo não é
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submetido ao processo rigoroso de fabricação de aços cuja principal aplicação é a fabricação de moldes para injeção/extrusão de polímeros. Por isso a seleção deste aço para fabricação de moldes para transformação de plásticos deve ser feita com precauções e baseada em experiências anteriores por que este aço não é adequado a tal aplicação. Quando é necessário uma aço adequado à transformação de plásticos clorados que exige alto nível de polimento como alto brilho ou espelhamento o aço adequado é o VP420IM.
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WNr.1.2083 ou VP420IM (Villares).
Aço inoxidável martensítico elaborado através de desgaseificação a vácuo com posterior refino pelo processo ESR (Electro Slag Refinig), aço padrão para fabricação de moldes de transformação de plásticos clorados. Boa usinabilidade, excelente resistência à corrosão, alta polibilidade, boa resistência ao desgaste, boa resistência dimensional no tratamento térmico, Aplicação: moldes de injeção e extrusão de plásticos corrosivos (clorados). Por exemplo: acetato e PVC. Moldes que trabalham em condições de atmosfera úmida. Moldes para a produção de vidros. Artigos de cutelaria, cirúrgicos, e dentários onde se requer alto polimento e resistência à corrosão. Composição química (%): 0,40C – 0,50Mn – 13,5Cr – 0,80Si – 0,25V Condição Normal de Fornecimento: Recozido 200HB máx. - Aço inspecionado com ultra-som, conforme a Norma ASTM A388.
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Têmpera (ºC): 1000 a 1040 Meio de Resfriamento: Óleo Dureza de Utilização: 48/54 HRC Tratamento Térmico: Seguir orientações do boletim técnico do aço. Realizar no mínimo dois revenimentos. A melhor combinação entre resistência à corrosão, resistência mecânica e tenacidade são verificadas para revenimentos e temperaturas de 250ºC a 300ºC.
CONCLUSAO
O trabalho acima apresentou de forma breve a necessidade do cuidado da escolha do aço para ser utilizado na cavidade durante a construção do molde. Alguns detalhes são determinantes nessa hora, porem sempre visa o baixo custo com alta qualidade na construção do molde.
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Abrimos cada material e suas características para conhecimento e partir deste podendo escolher conforme a necessidade do produto (polibilidade, composição química) assim também como a durabilidade do molde. Como o principal objetivo deste trabalho é conhecer os aços para cavidades de moldes, para ter a possibilidade de escolha, para a fabricação do molde com baixo custo e alta qualidade, explicamos também sobre os materiais ISO e ISOMAX, suas diferenças e o processo ESR que transforma o aço em ISO para ISOMAX. Esperamos ter atendido a expectativas proposta no objetivo deste trabalho.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/selecaoacos.asp
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http://www.pmt.usp.br/academic/martoran/Publicacoes/SeminarioFusao2005.pd f http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/tempodeciclo.asp Apostila Técnica Diferro.
