Insertos e Machos de Metal Refratário para Fundição sob Pressão

Onde um macho de aço não consegue suportar o calor, a indústria de fundição sob pressão dispõe de uma segunda família de materiais. As ligas à base de tungstênio e à base de molibdênio conduzem calor várias vezes mais rápido que o aço e se expandem cerca da metade, e essa combinação é o que lhes confere resistência à fadiga térmica, à soldagem e à erosão. Esta página apresenta as duas famílias, sua composição, como são fabricadas, o que toleram e o que não toleram, e a única família à base de níquel que funciona em outros processos mas falhou na fundição sob pressão.

Por que um metal refratário é considerado

A atração não é a resistência. São as duas propriedades térmicas em conjunto. A condutividade térmica dessas ligas é várias vezes superior à do aço, de modo que o calor é afastado da face mais rapidamente, e sua expansão térmica é cerca da metade, de modo que a face se move menos contra a restrição do porta-macho. O efeito combinado leva a boa resistência à fadiga térmica, à soldagem e à erosão. Seu uso vai de machos na fundição sob pressão de alumínio até insertos completos em moldes para ligas de fundição de latão e ferrosas de ponto de fusão mais alto. A alta condutividade térmica também significa que, para a maioria das aplicações de macho, não é necessário resfriamento a água. São mais caros que os aços para trabalho a quente, e a fonte é clara que não seriam recomendados onde uma peça de aço já esteja funcionando satisfatoriamente.

As ligas à base de tungstênio

A liga à base de tungstênio desenvolvida pela Mallory Company nos Estados Unidos na década de 1960 é conhecida como Anviloy. Na Grã-Bretanha é comercializada pela Johnson Matthey Metals e conhecida como Matthey 4000. Pertencentes a uma família geralmente chamada de compósitos de alta densidade à base de tungstênio, essas ligas são fabricadas por metalurgia do pó devido aos altos pontos de fusão envolvidos. Misturas íntimas de pós finos são compactadas, isostaticamente ou em matrizes fechadas, e um tratamento de sinterização a cerca de 1500 C densifica a estrutura através da interação da fase líquida de níquel e ferro com o tungstênio e o molibdênio. O resultado é uma estrutura uniforme de grãos de tungstênio cercados por uma matriz de níquel, ferro e molibdênio, com densidade da liga acima de 90 por cento. Nenhum tratamento térmico é necessário para essas ligas. O menor teor de tungstênio da liga 4100 lhe confere ductilidade adicional.

Elemento	Matthey 4000	Matthey 4100
Tungstênio	90.0	86.0
Níquel	4.0	6.7
Ferro	2.0	3.3
Molibdênio	4.0	4.0

Composição nominal dos dois compósitos de alta densidade à base de tungstênio, em porcentagem de peso. O menor teor de tungstênio da liga 4100 confere ductilidade adicional.

As ligas à base de molibdênio

As duas ligas de molibdênio na tabela abaixo contêm mais de 99 por cento de molibdênio e foram desenvolvidas pela Climax Molybdenum Company. O grau Mo 0.5 Ti tem resistência ligeiramente inferior ao TZM. A produção envolve compactação de pó metálico, sinterização e fundição a vácuo. Não há mudança de fase a considerar, de modo que o tratamento térmico é desnecessário. A dureza e a resistência são desenvolvidas em vez disso por endurecimento por deformação, por endurecimento por solução sólida dos elementos de liga dissolvidos no molibdênio, e por endurecimento por dispersão da precipitação de carbonetos complexos. A cerca de 650 C sua condutividade é cerca de oito vezes a do aço, e a 1000 C é cerca de quatro vezes.

Elemento	TZM	Mo 0.5 Ti
Titânio	0.50	0.50
Carbono	0.015	0.020
Zircônio	0.08	não especificado
Molibdênio	Equilíbrio	Equilíbrio

Composição nominal das duas ligas à base de molibdênio, em porcentagem de peso. Ambas contêm mais de 99 por cento de molibdênio, e em ambas o restante da análise é molibdênio.

As duas famílias em comparação com o H13

As propriedades que tornam esses materiais dignos de seu custo são apresentadas abaixo em comparação com o aço para trabalho a quente que substituiriam. Leia-as em conjunto. Nenhuma das famílias é temperada ou revenida, de modo que não há tratamento térmico a controlar nem distorção a prever, e as ligas de tungstênio mantêm resistência à tração comparável ao H13 até cerca de 650 C e a superam acima disso. As ligas de molibdênio são mais resistentes e mais duras que o H13 a 650 C.

Material	condutividade térmica	Expansão térmica	Resistência a 650 C	o tratamento térmico	Uso típico
Ligas à base de tungstênio, Matthey 4000 e 4100	Cerca de quatro vezes a do aço	Menos da metade da do aço	Comparável ao H13, e mais resistente acima	Nenhuma necessária	Machos e insertos completos, até fundição sob pressão de latão e ferrosas
Ligas de molibdênio, TZM e Mo 0.5 Ti	Cerca de oito vezes a do aço a 650 C e cerca de quatro vezes a 1000 C	Cerca da metade da do H13	Superior ao H13	Nenhuma necessária	Machos e insertos para as ligas de fundição de ponto de fusão mais alto
Aço para trabalho a quente H13	Referência	Referência	Referência	Têmpera e revenimento	O material padrão de inserto e macho de molde

Materiais de molde de metal refratário comparados com o aço para trabalho a quente H13. As colunas de condutividade e expansão são relativas, conforme publicado na fonte.

O que observar ao instalá-los

Uma peça de liga refratária fica dentro de um porta-macho de aço, e as duas não se movem juntas. Como a expansão térmica da liga refratária difere da do aço ao seu redor, as folgas precisam ser ajustadas para manter o molde operando suavemente. Para obter o benefício total da alta taxa de transferência de calor, a face traseira do inserto ou macho e sua face correspondente no porta-macho de aço devem estar limpas e lisas, para que as duas façam contato firme. Essas ligas também são mais sensíveis a entalhes que o aço para moldes, de modo que cantos internos vivos e entalhes devem ser evitados e raios generosos fornecidos sempre que possível. Na usinagem, as ligas à base de tungstênio podem ser cortadas com ferramentas de metal duro, mas o tungstênio é removido apenas lentamente por usinagem por faísca e com alto desgaste do eletrodo, de modo que a usinagem convencional é usada tanto quanto possível. A soldagem de insertos de molde à base de molibdênio deve ser reduzida ou evitada completamente.

A família à base de níquel que funciona em outros processos mas não aqui

As ligas Nimonic foram desenvolvidas durante a Segunda Guerra Mundial para aeronaves a jato. Baseiam-se na composição de fio de resistência elétrica de 80 por cento de níquel e 20 por cento de cromo, com outros elementos adicionados. O Nimonic 75 contém cerca de 0,4 por cento de titânio e 0,1 por cento de carbono, e no Nimonic 80a e outros da série o endurecimento por precipitação ocorre através de uma fase complexa de níquel, alumínio e titânio. O Nimonic 75 e o 80a são usados na fundição em molde permanente de bronze de alumínio para machos e insertos de molde. Na fundição sob pressão o histórico é o oposto. Todo teste com os Nimonics em moldes de fundição sob pressão falhou em mostrar resultados que valham a pena, em grande parte devido ao ataque nos contornos de grão.

Para onde ir em seguida

A parte do molde na qual esses materiais são instalados é abordada na página de materiais de componentes de moldes de fundição sob pressão, e os machos e insertos que eles substituem na página de seleção de machos e insertos. Os graus de aço escolhidos pelo metal de fundição estão na página de aço para moldes de fundição sob pressão, e o H13 com o qual as tabelas acima são comparadas no página do aço ferramenta H13. As propriedades térmicas dos graus para trabalho a quente estão apresentadas na página de constantes térmicas para trabalho a quente, e as propriedades dos graus para trabalho a quente com molibdênio na página do H21. Como um molde amolece e trinca em serviço está na página de trinca por fadiga térmica, o projeto de resfriamento na página de projeto de linha de resfriamento de molde, a questão da vida útil do molde para os processos de baixa pressão na página de vida útil de molde permanente, e o panorama geral de falhas na página de desgaste e falha do molde. A escolha do aço por processo de fundição sob pressão está na página de seleção de fundição sob pressão de alta pressão.

Antes de usar isto como especificação de material

Esta página é um resumo de referência de uma fonte publicada e não é uma especificação da Aobo Steel. As composições e as declarações de propriedades são reproduzidas da fonte, que descreve graus vendidos sob vários nomes comerciais. Peças de metais refratários são fabricadas conforme especificação do fornecedor e estão fora da linha de aços-ferramenta que estocamos. A especificação final é confirmada no trabalho.

Fonte, Die Casting Metallurgy, A. Kaye e A. Street, Butterworths Monographs in Materials, 1982, Capítulo 25, Pressure die casting dies.