Vida útil do molde permanente e o que a reduz

Um molde permanente é uma ferramenta, e é substituído ou reparado conforme um cronograma definido por sua vida útil. Essa vida útil pode ser de apenas 100 vazamentos ou de até 250.000, e a orientação publicada atribui a diferença a uma curta lista de variáveis operacionais somadas à forma como o molde e seus machos são projetados.

Quanto tempo dura um molde permanente

A vida útil do molde pode variar de apenas 100 vazamentos a até 250.000 vazamentos ou mais, dependendo das variáveis apresentadas abaixo. Um molde para um pistão de alumínio pode produzir 250.000 peças fundidas antes de precisar de reparo. Após mais 250.000 peças fundidas, o molde reparado precisa de uma revisão geral, e com reparos e revisões repetidos pode produzir até 3,5 milhões de peças fundidas antes de ser descartado.

Um molde de pistão tem um projeto relativamente simples e opera muito mais tempo do que um molde que exige macharia interna elaborada e insertos externos, como um molde de cabeçote de cilindro. As ligas de magnésio também são mais favoráveis ao molde do que as ligas de alumínio de tamanho e forma semelhantes, porque o magnésio fundido não ataca moldes de metal ferroso. O tamanho dessa vantagem depende muito de quão bem o revestimento do molde resiste.

Os moldes são frequentemente feitos de ferro fundido, porque fundir o molde próximo à forma acabada reduz o custo de usinagem e porque o ferro fundido resiste melhor ao ataque do alumínio fundido do que o aço. O aço é soldável e mais fácil de reparar, por isso moldes de aço são frequentemente usados para peças fundidas de alta produção. Na fundição de ferro cinzento, espera-se que a vida útil do molde seja curta em comparação com a fundição de formas semelhantes em ligas de alumínio.

As variáveis que reduzem a vida útil do molde

A lista publicada de variáveis principais vai desde o metal vazado até a forma como o molde é operado e armazenado. Várias delas são decisões operacionais e não decisões de material, e estão acima da escolha do material em importância.

Variável	Efeito na vida útil do molde
Temperatura de vazamento	Quanto mais quente o metal da peça fundida é vazado, mais quente o molde opera, o que leva ao enfraquecimento rápido do metal do molde.
Peso da peça fundida	A vida útil do molde diminui à medida que o peso da peça fundida aumenta.
Formato da peça fundida	As paredes do molde devem dissipar mais calor de peças fundidas com seções espessas do que daquelas com seções finas. Uma grande variação na espessura da seção cria um diferencial de temperatura ao longo do molde, e a vida útil do molde cai à medida que esse diferencial cresce.
Métodos de resfriamento	O resfriamento a água é mais eficaz que o resfriamento a ar, mas diminui substancialmente a vida útil do molde.
Ciclos de aquecimento	Uma operação contínua, com o molde mantido a uma temperatura uniforme, proporciona a máxima vida útil do molde. O aquecimento e resfriamento repetidos em uma ampla faixa a reduzem.
Pré-aquecimento do molde	O pré-aquecimento até a temperatura de operação com chama de gás ou aquecedores elétricos aumenta muito a vida útil do molde. O choque térmico é uma das principais causas de falha do molde.
Revestimento do molde	O revestimento protege o molde da erosão e da soldagem ao manter o metal fora da superfície do molde, e aumenta a vida útil do molde.
Material do molde	O material escolhido a partir da seleção publicada define o teto da vida útil do molde.
Armazenamento	O armazenamento inadequado leva à formação de ferrugem e corrosão puntiforme nas superfícies do molde, o que reduz a vida útil do molde.
Limpeza	Jateamento abrasivo, imersão em solução cáustica e escovação com escova de aço são todos usados. A cáustica é perigosa para o operador, e o jateamento e a escovação causam desgaste excessivo do molde se não forem cuidadosamente controlados. As microesferas de vidro são o material de jateamento mais seguro.
Canais de alimentação	Um sistema de canais de alimentação deficiente reduz muito a vida útil do molde ao causar turbulência excessiva e erosão nas áreas dos canais.
Método de operação do molde	Os mesmos materiais são usados em equipamentos automáticos e manuais, mas as ferramentas em equipamentos manuais têm vida útil mais curta devido ao desgaste que sofrem. As ferramentas em equipamentos automáticos podem durar até duas vezes mais.
Uso final da peça fundida	Quando a função estrutural conta mais do que a aparência, um molde pode ser operado por mais vazamentos antes de ser descartado.

Principais variáveis que afetam a vida útil de moldes permanentes, reproduzidas da seção de vida útil do molde de Permanent Mold Casting, no ASM Handbook, Volume 15, Casting.

Dois itens dessa lista merecem destaque. O resfriamento a água é mais eficaz que o resfriamento a ar, mas diminui substancialmente a vida útil do molde, e o pré-aquecimento do molde até sua temperatura de operação a aumenta muito, porque o choque térmico é uma das principais causas de falha do molde. Uma operação contínua a temperatura uniforme é o melhor caso, e a ciclagem repetida em uma ampla faixa de temperatura é o pior.

Como o projeto do molde reduz a vida útil

O projeto do molde tem um efeito acentuado na vida útil, além das variáveis operacionais. A variação na espessura da parede do molde causa tensão excessiva durante o aquecimento e o resfriamento, o que leva à falha prematura por trincamento, e mudanças abruptas de espessura sem raios generosos fazem o mesmo. Raios e filetes pequenos reduzem a vida útil porque fissuras, trincas e falha final frequentemente começam nesses pontos.

O ângulo de saída faz parte do mesmo quadro. Menos ângulo de saída é necessário nas superfícies externas do molde do que nas internas devido à contração da peça fundida, e um ângulo de saída de 5 graus é desejável. Ângulos de saída menores diminuem o número de peças fundidas que podem ser feitas entre reparos do molde.

Superfície do molde	Ângulo de saída
Superfícies internas do molde	3 graus
Superfícies externas do molde	2 graus
Prática recomendável	5 graus

Ângulos de saída para moldes permanentes, reproduzidos da seção de projeto de moldes de Permanent Mold Casting, no ASM Handbook, Volume 15, Casting. É necessário menos ângulo de saída nas superfícies externas do que nas internas devido à contração da peça fundida, e ângulos de saída menores reduzem o número de peças que podem ser produzidas entre reparos do molde.

Projeções na cavidade do molde também encurtam a vida útil. Elas ficam extremamente quentes, o que aumenta o risco de extrusão, deformação e danos quando a peça fundida é removida. Insertos podem, às vezes, ser usados para substituir projeções desgastadas ou quebradas e prolongar a vida útil do restante do molde.

Fissuração térmica e erosão do molde

A erosão do molde por impacto do metal e cavitação, ambas decorrentes de projeto inadequado de canais de alimentação, contribui para o enfraquecimento rápido do metal do molde e para a fissuração térmica. Esses erros de projeto se manifestam como variação dimensional rápida durante uma produção longa. O desgaste mecânico por ângulo de saída insuficiente ou por um sistema de extração mal projetado tem o mesmo efeito.

A fissuração térmica é uma rede de trincas superficiais produzida pelos ciclos de temperatura a que a face do molde é submetida. É o modo de falha que as peças fundidas de liga de cobre acrescentam ao cenário, porque suas temperaturas de vazamento mais altas submetem a cavidade do molde a ciclagem mais severa. A superfície da peça fundida não pode ser melhor que a superfície da cavidade do molde, portanto fissuras térmicas e outras imperfeições do molde são reproduzidas nas peças fundidas.

O que mantém um molde íntegro em serviço

Um revestimento de molde é aplicado nas superfícies do molde e dos machos para atuar como barreira entre o metal líquido e o molde enquanto uma película de metal solidificado se forma. Ele é usado para evitar a solidificação prematura, controlar a taxa e a direção da solidificação, minimizar o choque térmico ao material do molde, evitar a soldagem do metal líquido ao molde e ventilar o ar preso na cavidade.

O pré-aquecimento é a outra medida de rotina. Os moldes são pré-aquecidos até sua temperatura operacional aproximada antes do início da operação, o que reduz o número de peças fundidas inaceitáveis produzidas enquanto a temperatura operacional é estabelecida. Pré-aquecer a face do molde em forno é o melhor método porque os gradientes térmicos são menores, embora geralmente seja impraticável para moldes maiores.

Graus e estoque

Os aços-ferramenta que aparecem em ferramental para molde permanente são graus para trabalho a quente. Os detalhes de cada um estão em a página do aço para ferramentas H11, que é o grau de cromo de uso geral utilizado para moldes de zinco e para machos de alumínio e magnésio, e em a página do aço para ferramentas H13.

A seleção de material que define o teto da vida útil do molde está apresentada em a página de materiais para moldes permanentes e machos, que lista os materiais de molde e macho por liga de fundição e número de vazamentos.

A fissuração térmica é um modo de dano com assinatura própria em cada escala de exame, e a forma como ela é separada do desgaste e da sobrecarga está apresentada em a página de aços-ferramenta resistentes à fadiga térmica. Para a rota de análise quando um molde falha, a página de análise de falhas de ferramentas e matrizes aborda como a falha é classificada.

Antes de usar esses valores

Esta página é um resumo de referência da prática publicada e não é uma especificação da Aobo Steel. Os valores de vida útil do molde são valores típicos publicados para as ligas e processos descritos, e uma liga de fundição, um projeto de molde ou uma disciplina operacional diferentes irão alterá-los. As decisões finais sobre substituição e reparo do molde são tomadas com base no desenho da peça fundida e no cronograma de produção.

Fonte: ASM Handbook, Volume 15, Casting (9th Edition Metals Handbook), ASM International, 1988.