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

Most mold and die failures begin at the surface. Wear opens up dimensions; galling and adhesion damage the finish; corrosive resins attack the cavity; and parts start to stick during ejection. The through-hardened tool steel you select sets the core strength and the bulk hardness, but the surface treatment decides how the mold behaves in the second half of its service life. The three treatments most commonly used are nitriding, physical vapor deposition (PVD), and hard chrome plating. Each one suits a different set of steel grades, and the wrong pairing of treatment and base steel is a common cause of early coating failure.

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

Nitriding is a thermochemical diffusion process that introduces atomic nitrogen into the steel surface to form a hard, wear-resistant case. Because it runs below the steel’s phase-transformation temperature, no quench is required, so distortion and dimensional change are very low. That makes it attractive for finished tooling where geometry has to hold. The depths and hardness tool steels actually reach under it, and the surface layers behind those numbers, are in the guia de nitretação de aço ferramenta. The underlying diffusion mechanism is the same one described under nitriding in our 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, uma 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.