Por que os moldes se desgastam e falham

Um molde é descartado por um de nove motivos

O relato publicado sobre desgaste de moldes e matrizes separa as formas pelas quais uma ferramenta é perdida em nove mecanismos. Três deles, desgaste adesivo, desgaste abrasivo e desgaste erosivo, aparecem na maioria dos processos de conformação em alguma proporção. Os seis restantes encerram a vida útil do molde por trincamento, amolecimento ou sobrecarga que nunca foi um fenômeno de desgaste. Uma ferramentaria que trata todo molde desgastado como problema de desgaste abrasivo mudará o grau e não verá melhoria, porque o mecanismo nunca foi abrasão.

Mecanismos de desgaste e falha de moldes e matrizes e os processos aos quais cada um está associado, resumidos do artigo sobre atrito e desgaste de moldes e materiais de moldes no ASM Handbook, Volume 18. A fonte observa que os três primeiros são comuns à maioria dos processos de conformação, e que a erosão, e não a abrasão, é o principal mecanismo de perda na fundição sob pressão.

Dois deles merecem ser nomeados por si próprios. A fadiga térmica, que o chão de fábrica chama de trinca térmica, é o motivo isolado mais comum de descarte de um molde de fundição sob pressão, e é seguida de perto pela soldagem, a adesão do metal fundido à superfície do molde. No forjamento a quente, a trinca térmica é o segundo motivo de rejeição de um molde, atrás do desgaste abrasivo. Ambos chegam como uma rede de finas trincas na superfície de trabalho, e não como uma mudança mensurável de dimensão, portanto nenhum aparece no registro de manutenção como desgaste.

O que decide a trinca térmica

Uma trinca térmica é uma trinca por fadiga de baixo ciclo impulsionada pela amplitude de deformação de cada ciclo térmico, que é determinada pela variação de temperatura na superfície do molde, e não pela carga. As propriedades que a resistem são baixo coeficiente de expansão térmica, alta condutividade térmica, alta resistência ao escoamento a quente, resistência ao amolecimento por revenimento, alta resistência à fluência e ductilidade suficiente para absorver a deformação sem trincar. Todo aço para moldes com estrutura martensítica, bainítica ou ferrítica tem aproximadamente o mesmo coeficiente de expansão, portanto esse termo é uma constante entre os graus que uma ferramentaria normalmente compra. Estruturas austeníticas são cerca de 50 por cento maiores e não são material para fundição sob pressão por esse motivo.

A alavanca prática é a própria variação de temperatura. Uma comparação publicada dos dois extremos dessa variação mostra que reduzir a temperatura de pico na superfície em 100 C prolonga a vida até a iniciação de trinca muito mais do que elevar a temperatura mínima do volume em 100 C, e o motivo é que o pico define a amplitude de deformação. A temperatura de pico pode ser reduzida pulverizando um lubrificante que isola tanto quanto lubrifica, baixando a temperatura da peça, ou no forjamento mantendo o molde pré-aquecido para que a variação comece de um piso mais alto. Manter o pico abaixo da temperatura Ac1 também evita a mudança de volume de um ciclo de re-austenitização e re-têmpera na superfície, que adiciona deformação de transformação sobre a deformação térmica.

A limpeza e o tamanho de grão entram pela iniciação de trinca. Um aço refinado para remover inclusões resiste ao início de uma trinca térmica porque as inclusões são onde a trinca começa, e um grão mais fino tem melhor desempenho pelo mesmo motivo. Um aço para moldes química e estruturalmente uniforme tem propriedades térmicas uniformes, portanto não gera tensão interna a partir de sua própria segregação, que é o argumento para blocos de molde refundidos por arco a vácuo em trabalhos de longa duração. O conselho de reaquecimento para a ferramentaria é curto. Nitretar após o revenimento final, nunca antes, e revenir acima da temperatura de nitretação.

A temperatura de serviço define a família de material

Antes da seleção do grau há uma pergunta mais simples. As faixas de temperatura de serviço publicadas para materiais de moldes em forjamento separam as quatro famílias por cerca de 200 a 300 C em cada etapa, e são o motivo pelo qual um bloco de molde de baixa liga não pode ser usado em uma operação de prensa que um grau para trabalho a quente suportaria.

Temperatura de serviço típica de materiais de moldes em forjamento, reproduzida do ASM Handbook, Volume 18. As faixas se sobrepõem porque o limite útil de um grau depende de quanto tempo ele permanece na temperatura e da dureza com que foi revenido.

Acima da faixa de trabalho a quente, as alternativas deixam de ser aço para ferramentas. Os graus maraging atingem duas a duas vezes e meia a tenacidade de um aço para trabalho a quente ao cromo na mesma dureza e resistem à trinca térmica pelo menos tão bem, mas sua resistência ao desgaste é baixa e a etapa de revestimento ou nitretação é o que os torna econômicos. Moldes fundidos em H12, H13, H19, H21, H26 e H42 mantêm dureza a quente e resistência ao desgaste acima de seus equivalentes forjados e são menos propensos a trincar em cantos vivos, e experiência de fábrica de mais de 50 por cento de vida útil maior foi relatada, mas o custo do modelo só vale a pena quando pelo menos três peças saem de um molde. Superligas à base de níquel mantêm resistência até 760 a 925 C e pertencem ao forjamento isotérmico, onde um aço para moldes não pode operar de forma alguma.

Vida útil normal de um molde de fundição sob pressão, e o que a encerra

A fundição sob pressão é o caso mais claro de um processo em que o mecanismo dominante é determinado pelo metal fundido, e não pelo aço do molde. Banhos à base de zinco, alumínio e cobre situam-se em regimes de temperatura e químicos diferentes, e a vida útil normal tabelada segue a temperatura de fundição, e não qualquer propriedade do molde.

Fatores limitantes da vida útil de moldes para fundição sob pressão, reproduzidos do ASM Handbook, Volume 18. Os valores de vida útil estão em milhares de ciclos. O núcleo de um molde para alumínio ou latão se deteriora antes da cavidade porque opera mais quente e está cercado de metal fundido em mais faces.

Aço ferramenta para trabalho a quente não é recomendado para fundição de zinco, exceto em produções longas, e os graus de molde pré-endurecidos o suportam a uma dureza de trabalho típica de 29 a 34 HRC. Alumínio e magnésio usam H11 e H13 a cerca de 44 a 48 HRC. Ligas de cobre usam os graus de tungstênio para trabalho a quente H20, H21 e H22 a 38 a 45 HRC, e a razão é a temperatura de fundição e não a dureza, porque um banho de latão a cerca de 1000 C está além da resistência ao revenido de um aço com 5 por cento de cromo. O lado de estoque e grau dessa escolha está apresentado em a página de fundição sob pressão de zinco e magnésio, e o caso do H13 em por que o H13 é o grau para fundição sob pressão.

A erosão em um molde de fundição sob pressão é o desgaste do material do molde pelo jato de metal fundido incidente, e os resultados publicados a reduzem a três afirmações. A temperatura do banho é a variável isolada mais forte, portanto o banho deve ser operado o mais frio que a fundição permita. A diferença entre os graus comuns para trabalho a quente não é significativa, portanto trocar de grau não compra resistência à erosão. A terceira constatação é a útil: blocos de molde endurecidos e revenidos perdem menos material que os recozidos macios e, se o contato metálico entre aço e banho puder ser evitado, por exemplo mantendo um filme de óxido intacto, o risco de ataque severo cai acentuadamente. É por isso que uma superfície nitretada ajuda, e também por que uma camada nitretada em um molde de fundição sob pressão não deve exceder 0,13 mm, já que uma camada mais profunda lasca nas linhas de partição e arestas vivas e a cova lascada rasga a peça na ejeção.

O desgaste abrasivo é o que controla a vida útil de matrizes de forjamento a quente

No forjamento, a quantidade de material da matriz removida por abrasão é proporcional à pressão de interface e à quantidade de deslizamento relativo, e inversamente proporcional à dureza da superfície da matriz. Como uma matriz de forjamento real tem pressão e deslizamento variáveis de ponto a ponto, o trabalho publicado baseia-se em ensaios simulativos, e os resultados são suficientemente consistentes para citar.

O teor de liga é a variável mais forte do material da matriz. Uma série controlada de onze aços para matrizes revenidos para quase a mesma dureza constatou que boa resistência ao desgaste aparece quando o teor total de liga ultrapassa cerca de 3 por cento, que o molibdênio tem efeito particularmente forte, e que acima de cerca de 2 por cento de molibdênio não há ganho adicional. A eficácia relativa dos elementos formadores de carboneto em temperaturas de matriz entre 250 e 550 C é dada na proporção 2 para 5 para 10 para 40 para cromo, tungstênio, molibdênio e vanádio, o que torna o vanádio e seus carbonetos oito vezes mais eficazes que o tungstênio e seus carbonetos. Uma segunda classificação apenas de tungstênio, molibdênio e vanádio dá 10 para 20 para 40. A leitura prática é que um grau para trabalho a quente com alto vanádio desgasta mensuravelmente menos que um grau simples de cromo da mesma dureza.

A dureza por si só funciona, mas não igualmente em todo o campo. A dependência da taxa de desgaste com a dureza é mais acentuada para os aços para matrizes de baixa liga, razão pela qual aumentar a dureza de trabalho de um bloco de matriz de baixa liga compensa, e mais plana para os graus para trabalho a quente cuja resistência ao desgaste vem principalmente de seus carbonetos de liga. A estrutura também importa. Uma matriz endurecida isotermicamente para bainita inferior dura mais que o mesmo aço temperado e revenido para a mesma dureza, e a explicação publicada é que o tratamento isotérmico deixa menos tensões internas e microfissuras para iniciar uma falha abrasiva. Uma comparação de matrizes de conformação de flanges torna o efeito do grau concreto. M4 e D7 trabalhando a 65 HRC deram mais que o dobro da vida de D2 a 61 HRC em aço inoxidável 17-7 PH, e uma matriz 4140 que foi nitretada deu cerca de oito vezes a vida da mesma matriz deixada sem nitretar.

Três variáveis de processo afetam o desgaste da matriz tanto quanto o aço. A temperatura da peça tem um pico, com o desgaste subindo até cerca de 1100 C e caindo novamente acima disso, porque a formação de carepa aumenta com a temperatura e então a tensão de escoamento da peça cai o suficiente para reduzir a pressão de interface. A carepa é a segunda, e a fonte estima que o controle deficiente de carepa pode custar 200 por cento da vida da matriz, o que é o argumento para uma atmosfera de forno controlada, um revestimento anti-carepa ou aquecimento por indução com o tempo em temperatura mantido curto. A lubrificação é a terceira e se comporta de uma maneira que surpreende à primeira leitura. Em um ensaio de recalque aberto uma matriz lubrificada desgasta mais que uma seca, porque o lubrificante deixa a peça deslizar mais. Calculado em relação a igual fluxo de metal por um ponto, a mesma lubrificação reduziu o desgaste por um fator de três.

Onde a matriz é limitada por abrasão os remédios são finitos e podem ser listados. Passar para um aço para trabalho a quente mais altamente ligado e aceitar o custo de material e usinagem, ou nitretá-lo, o que a fonte relata reduzir as taxas de desgaste pela metade. Reduzir a carepa. Redesenhar o bloco preparatório para que mais compressão e menos fluxo lateral ocorra na impressão de acabamento. Um revestimento duro ajudará apenas enquanto permanecer aderido, porque um revestimento que trinca em serviço solta fragmentos que então abrasam a matriz mais rápido do que a superfície sem revestimento teria desgastado. O lado da dureza do mesmo argumento está reunido em o gráfico de dureza a quente, e o lado da fissuração térmica em a página de graus resistentes à fadiga térmica.

Gripagem e aderência em matrizes de conformação de chapas metálicas

Matrizes de conformação de chapas desgastam em proporção à distância que a chapa desliza para uma dada pressão de contato, portanto chapa fina recozida é o caso mais brando e chapa grossa endurecida é o pior. A gripagem é a falha que interrompe a produção. Ela vem do calor de atrito entre matriz e chapa amolecendo a superfície da matriz, portanto a resistência ao amolecimento sob calor é a propriedade que classifica os graus, e os remédios publicados decorrem disso.

Medidas contra gripagem e aderência em matrizes de conformação de chapas metálicas, do ASM Handbook, Volume 18. A fonte registra que a quantidade de desgaste em um raio de matriz pode variar por um fator de vinte entre o raio mais afiado e o mais generoso, o que faz do projeto do raio a primeira coisa a verificar quando uma matriz que funcionava começa a aderir.

Um detalhe vale repetir porque é uma especificação que o comprador pode escrever. O revestimento de cromo duro resiste melhor à gripagem quando o substrato sob ele é mais duro que 50 HRC, quando o revestimento tem entre 0,005 e 0,01 mm de espessura, e quando a peça revestida é mantida a 150 a 205 C por pelo menos três horas imediatamente após o revestimento para expulsar o hidrogênio. Revestimento mais espesso que isso em uma matriz lasca em vez de desgastar. Em trabalho de inoxidável e alto níquel a ordem de preferência publicada para o anel de estiramento é bronze de alumínio primeiro, depois D2, D3 ou D4 retificados suavemente, nitretados e polidos, e então ferro fundido ligado temperado e revenido para 400 a 420 HB.

Graus e estoque

Os mecanismos acima decidem qual grupo de graus examinar, e a classificação do grupo em si está em o gráfico de propriedades de aços ferramenta. A faixa de trabalho a quente que abrange matrizes de forjamento a quente, extrusão e fundição sob pressão está listada em a página para matrizes de forjamento a quente, estampagem e corte. Quando o molde já falhou e o mecanismo não é óbvio a partir do padrão de desgaste, a ordem de leitura está em a página de análise de falhas de ferramentas e matrizes.

Dois mecanismos vizinhos são abordados separadamente. Quando o dano é um padrão de contusão superficial por pequeno movimento oscilante em vez de uma cicatriz de desgaste por deslizamento, o diagnóstico está em a página de desgaste por fretting. Quando a ferramenta perdeu um pedaço da sua aresta em vez de se desgastar, o padrão pertence a desgaste por impacto e lascamento. Quando a questão é o que fazer com um molde que agarra e emperra em vez de se desgastar, o lado dos aços está em a página de aços resistentes ao desgaste adesivo.

Fonte: ASM Handbook, Volume 18, Friction, Lubrication, and Wear Technology, ASM International, 1992.