Tratamento de superfície para moldes de aço ferramenta: nitretação, PVD e cromagem dura.

A maioria das falhas em moldes e matrizes começa na superfície. O desgaste aumenta as dimensões; o engripamento e a adesão danificam o acabamento; resinas corrosivas atacam a cavidade; e as peças começam a grudar durante a ejeção. O aço ferramenta temperado que você seleciona define a resistência do núcleo e a dureza do material, mas o tratamento de superfície determina como o molde se comportará na segunda metade de sua vida útil. Os três tratamentos mais comumente usados são nitretação, deposição física de vapor (PVD) e cromagem dura. Cada um deles é adequado para um conjunto diferente de classes de aço, e a combinação incorreta de tratamento e aço base é uma causa comum de falha prematura do revestimento.

Este guia aborda a engenharia de superfície para moldes e matrizes já fabricados em aço ferramenta temperado. Se você estiver selecionando um aço de baixo carbono para cementação em engrenagens, eixos ou outras peças estruturais, essa é uma decisão diferente, abordada em nosso guia sobre cementação. aço para cementação.

Nitretação

A nitretação é um processo de difusão termoquímica que introduz nitrogênio atômico na superfície do aço para formar uma camada dura e resistente ao desgaste. Como ocorre abaixo da temperatura de transformação de fase do aço, não é necessário têmpera, resultando em baixíssima distorção e alteração dimensional. Isso a torna atraente para ferramentas acabadas onde a geometria precisa ser mantida. O mecanismo de difusão subjacente é o mesmo descrito na seção de nitretação em nosso [texto incompleto]. guia de têmpera superficial; Esta seção se concentra em como isso se aplica a moldes e matrizes de aço ferramenta.

A nitretação gasosa é realizada em atmosfera de amônia, geralmente entre 495 e 565 °C. A nitretação por plasma, também chamada de nitretação iônica, é realizada em uma câmara de vácuo, onde uma descarga de alta tensão forma um plasma que impulsiona íons de nitrogênio para dentro da peça. A nitretação por plasma pode operar em temperaturas mais baixas, até cerca de 375 °C, o que reduz ainda mais a distorção e proporciona um controle dimensional mais preciso. Também permite que a oficina proteja com fita adesiva as áreas que devem permanecer maleáveis, o que é importante em moldes com furos roscados ou elementos de referência.

A razão pela qual a nitretação é um tratamento para aços-ferramenta e não para aços-carbono comuns reside na química. Ela requer aços que contenham elementos formadores de nitretos, como cromo, molibdênio, vanádio e alumínio. Na prática, isso se traduz diretamente nos aços para trabalho a quente e a frio já utilizados na fabricação de ferramentas. H13 Responde excepcionalmente bem e é rotineiramente nitretado para ferramentas de fundição e extrusão, onde o desgaste superficial e a erosão térmica causam falhas. D2 e A2, Ambos os aços, ricos em cromo, também respondem bem à nitretação quando se necessita de uma superfície de matriz dura e resistente ao trabalho a frio, sem uma etapa de revestimento separada. O aço para moldes plásticos P20 é outro candidato comum. Uma camada nitretada atinge aproximadamente 65-70 HRC e até cerca de 1100 HV.

O ponto a ser controlado é a camada branca, uma fina camada composta de nitretos de ferro na superfície mais externa. Ela é muito dura, mas também quebradiça, podendo lascar ou estilhaçar sob impacto. Para trabalhos sensíveis a trincas, como moldes de fundição sob pressão, a camada branca deve ser minimizada ou removida, o que a nitretação por plasma moderna realiza com eficiência. Se o molde for submetido a cargas de choque, discuta o controle da camada branca com a empresa de tratamento térmico antes da entrada das peças.

Deposição Física de Vapor (PVD)

A deposição física de vapor (PVD) é um processo a vácuo de baixa temperatura que deposita uma película cerâmica fina e ultradura na superfície do molde. Dentro de uma câmara de alto vácuo, um alvo sólido é atomizado por evaporação a arco ou pulverização catódica; o metal vaporizado reage com um gás como nitrogênio ou carbono, e o composto se condensa no molde. As películas mais comuns são nitreto de titânio (TiN, de cor dourada), carbonitreto de titânio (TiCN), nitreto de alumínio e titânio (TiAlN) e nitreto de cromo (CrN). Esses revestimentos têm apenas cerca de 2 a 5 µm de espessura e frequentemente ultrapassam 70 HRC, conferindo extrema dureza superficial sem comprometer as tolerâncias rigorosas do molde.

Duas propriedades tornam a deposição física de vapor (PVD) fácil de integrar a um fluxo de trabalho de ferramentas acabadas. Ela opera a temperaturas entre 200 e 550 °C, abaixo da temperatura de revenimento da maioria dos aços-ferramenta, permitindo que um molde totalmente temperado e acabado seja revestido sem amolecimento, distorção ou qualquer tratamento térmico pós-revestimento. Além disso, como a deposição é um processo de linha de visão direta, os átomos se movem em linha reta, de modo que geometrias complexas e cavidades profundas exigem dispositivos rotativos para um revestimento uniforme, e furos cegos verdadeiros ainda representam uma limitação.

O aço base determina se um revestimento PVD resistirá. A película é fina e rígida, portanto, o substrato subjacente deve ser suficientemente duro para suportar a carga sem deformar. O mínimo prático é em torno de 43 HRC. Em um substrato mais macio, o revestimento flexiona com o aço e trinca, a falha conhecida como efeito casca de ovo. É por isso que aços para trabalho a frio, endurecidos até valores entre 50 e 60 HRC, como D2 ou A2, são bons substratos para PVD, enquanto uma base de molde macia não. Quando o suporte do núcleo é limitado, utiliza-se um tratamento duplex: o molde é nitretado primeiro para criar uma camada de suporte e, em seguida, recebe o revestimento PVD. O acabamento superficial também é importante. O molde deve ser polido até obter um acabamento fino, com uma rugosidade média (Ra) inferior a 1 µm, antes da aplicação do revestimento, pois saliências e sulcos criam concentrações de tensão que causam a falha da película.

Revestimento de cromo duro

A cromagem dura é um processo de galvanoplastia que confere alta dureza superficial, baixo atrito e boa resistência à corrosão aos moldes. O cromo é depositado a partir de um banho de ácido crômico a baixa temperatura, em torno de 60-70 °C. Para moldes de plástico, a camada tem tipicamente de 5 a 13 µm, embora depósitos muito mais espessos, de até cerca de 0,25 mm, possam ser aplicados para recuperar e reconstruir superfícies de moldes desgastadas. A dureza após a cromagem varia aproximadamente de 62 a 72 HRC.

A principal vantagem do cromo é a facilidade de desmoldagem. Ele reduz o coeficiente de atrito, melhorando o fluxo do material para a cavidade e facilitando a ejeção da peça. É a escolha padrão para moldes de injeção de plástico que utilizam resinas corrosivas como o PVC, onde o gás ácido clorídrico liberado durante a moldagem atacaria o aço. O cromo protege a cavidade desse ataque.

Existem limitações reais. Qualquer arranhão ou irregularidade no molde fica visível através do revestimento e é amplificado por ele, portanto, um polimento de alta qualidade antes do revestimento é obrigatório. Os aços-ferramenta podem sofrer fragilização por hidrogênio durante o revestimento, o que exige um tratamento térmico posterior para aliviar esse problema. O cromo tende a lascar ou descascar em arestas vivas, sendo, portanto, inadequado para geometrias com arestas cortantes ou onde o plástico contém cloretos retardantes de chama. Além disso, como o revestimento uniforme de cavidades profundas depende de ânodos conformes, geometrias internas muito complexas são difíceis de revestir uniformemente.

Combinando o tratamento com o aço

O aço base não é um detalhe a ser definido após a escolha do tratamento. As duas decisões estão interligadas. A nitretação requer um teor de liga formadora de nitreto em aços como H13, D2 e A2. A deposição física de vapor (PVD) necessita de um substrato suficientemente duro para suportar uma película fina e rígida, o que exclui bases macias e favorece aços para trabalho a frio e a quente devidamente endurecidos, ou uma combinação de nitretação e PVD. O cromo é a solução ideal em termos de desmoldagem e resistência à corrosão para moldes de plástico, mas apresenta limitações em bordas e cavidades complexas.

Por que o aço base determina o resultado

Cada um desses tratamentos pressupõe um aço base quimicamente e mecanicamente consistente. A nitretação depende da presença de cromo, molibdênio e vanádio nas especificações, pois esses elementos formam os nitretos que conferem dureza. A deposição física de vapor (PVD) depende de o substrato atingir e manter a dureza necessária para suportar a película. A cromagem depende de uma superfície limpa e íntegra que proporcione uma deposição uniforme. Quando o aço recebido apresenta composição incorreta ou endurece de forma inconsistente, o tratamento é atribuído à falha que teve início na barra.

A Aobo Steel fornece aços para ferramentas das classes H13, D2, D3 e A2, com verificação de composição química e dureza na entrada. Assim, o aço que chega à sua oficina de nitretação, PVD ou galvanoplastia comporta-se conforme o tratamento exigido. Se você está planejando ferramentas com tratamento superficial e deseja confirmar a adequação da classe ou solicitar um certificado para uma determinada corrida de aço, entre em contato conosco. [email protected] com sua nota, tamanho da turma e tratamento pretendido.