Materiais de Camisa de Injeção e Ponta de Êmbolo para Fundição sob Pressão

As duas peças que encontram o metal líquido primeiro

O metal líquido é dosado na camisa de injeção e injetado na cavidade do molde por um êmbolo resfriado a água, que também transmite a pressão de intensificação à peça em solidificação. Ambas as peças, portanto, sofrem estresse térmico e mecânico e ataque direto do metal líquido ao mesmo tempo. Os materiais da camisa e da ponta são selecionados em conjunto, para proporcionar vida útil máxima e manutenção mínima, e nenhum pode ser escolhido isoladamente. Uma ponta de êmbolo desgastada é mais barata de substituir do que uma camisa de injeção, então a regra geral é manter a camisa mais dura e deixar a ponta desgastar.

A camisa de injeção é uma peça de aço nitretado

A camisa de injeção é geralmente fabricada de um aço nitretado a uma profundidade de cerca de 0,25 mm, proporcionando dureza superficial de até 70 HRC. A camada nitretada é o que suporta o deslizamento da ponta e resiste ao ataque do alumínio. Vale notar que uma camisa nitretada e uma ponta nitretada do mesmo aço com a mesma dureza formam um par ruim. Quando ambas as peças são do mesmo material a 70 HRC, é necessária lubrificação adicional para evitar engripamento e desgaste por aderência, e a ponta também tende a fragilizar-se e a desenvolver trincas superficiais sob a combinação de calor e desgaste abrasivo. As pontas de êmbolo de liga de cobre praticamente eliminaram esse problema, e onde são usadas a camisa não precisa mais ser nitretada.

Por que a camisa e a ponta não devem ter a mesma dureza

O problema de engripamento e desgaste por aderência é reduzido se a dureza das duas peças for significativamente diferente, e é por isso que as ligas de cobre assumiram a ponta de êmbolo. Uma ponta de liga de cobre opera a até cerca de 40 HRC contra uma camisa a 70 HRC, e a diferença é o que mantém o par deslizando. A escolha não é livre, porém, porque uma liga de cobre se expande mais que o aço ao seu redor e precisa de uma folga correspondentemente maior. Os bronzes de alumínio e os bronzes de alumínio-níquel, cujas condutividades térmicas são muito semelhantes às dos aços de nitretação, foram usados por um tempo, mas não eram completamente satisfatórios como materiais de mancal. Os bronzes de berílio que se seguiram têm condutividade térmica mais alta que o bronze de alumínio e podem ser tratados termicamente para maior resistência e dureza.

Materiais de ponta de êmbolo e suas propriedades

O Meehanite é relativamente barato e mais resistente que os aços de nitretação ao ataque do alumínio líquido, mas sofre de menor tenacidade e resistência à fadiga, e uma melhoria foi obtida pulverizando a ponta com solda de bronze e retificando-a para ajuste. Entre as ligas de cobre, os materiais de cobre-berílio conhecidos por seus nomes comerciais Ampcoloy 83-20, com 2 por cento de berílio, e 91-20, com 0,5 por cento de berílio, 1 por cento de cobalto e 1 por cento de níquel, têm sido usados com sucesso em muitas partes do mundo. Ambos são endurecidos por precipitação por meio de tratamento térmico a baixa temperatura. O berílio é um elemento caro e todos os compostos de berílio são tóxicos, o que impulsionou os materiais posteriores sem berílio e com baixo teor de berílio. O Ampcoloy 940, uma liga de cobre-silício-níquel-cromo, e a liga modificada de baixo berílio BB1-MOD, com 0,6 por cento de berílio, 1,5 por cento de níquel e 0,8 por cento de cobalto, ambos aparecem na tabela abaixo.

Materiais usados para pontas de êmbolo de câmara fria com as propriedades relevantes, conforme publicado na fonte. A condutividade térmica é dada em unidades CGS, portanto a coluna é comparável dentro da tabela e não em relação a uma tabela em unidades SI.

Folga e a expansão térmica do cobre

A maior expansão térmica de uma liga de cobre tem de ser compensada em folga. Tolerâncias de cerca de 0,01 mm por cm são geralmente adequadas entre o diâmetro externo da ponta e o furo da camisa endurecida e retificada. Sob as pressões de operação utilizadas, a alta ductilidade das ligas de cobre proporciona uma ação de auto-endurecimento por martelamento nas superfícies da ponta, o que ajuda a manter um ajuste preciso na camisa. A maior condutividade térmica das ligas de cobre em comparação com os aços de nitretação também melhora o resfriamento da ponta e a dissipação de calor, o que reduz a distorção sob aquecimento e resfriamento repetidos. Quando uma ponta de liga de cobre se desgasta, a usinagem relativamente fácil permite que seja torneada para o próximo tamanho menor e colocada de volta em serviço.

Como o restante da máquina é construído

As peças ao redor da camisa e do molde são muito menos exigentes. A fonte compara uma popular máquina de câmara quente de tamanho médio construída em 1938 com um modelo similar construído em 1981, e as duas listas mostram que a maioria dos componentes de uma máquina de fundição sob pressão é amplamente resistente em aço carbono, aço de baixa liga ou ferro fundido ligado. As barras de amarração sofrem algum esforço, mas aços de baixa liga geralmente são adequados, e somente onde as condições de operação indicam que as barras de amarração serão altamente solicitadas é que se exige um aço níquel-cromo-molibdênio EN 24. Placas e bielas de articulação são comumente um aço com 0,3 por cento de carbono.

Materiais de peças de máquina para uma máquina de câmara quente de porte médio construída em 1938 e em 1981, conforme publicado na fonte.

O par em uma vista

Colocadas lado a lado, as duas peças que entram em contato com o metal fundido são escolhidas segundo princípios opostos. A camisa é feita o mais dura que o processo permite, e a ponta é feita mais macia de propósito, em um material que também remove o calor mais rápido que o aço no qual desliza.

A camisa de injeção e a ponta do êmbolo, seu material e condição usuais, e a razão pela qual cada uma é escolhida assim.

Para onde ir em seguida

O molde no qual o metal fundido é injetado é abordado na página de materiais de componentes de moldes de fundição sob pressão, que lista os mesmos componentes por material e dureza, e a seleção mais ampla por metal de fundição na página de aço para moldes de fundição sob pressão. O H13 do qual tanto a camisa quanto as inserções do molde são comumente feitas está na página do aço ferramenta H13, e seu tratamento térmico na página de tratamento térmico para trabalho a quente. A nitretação que endurece uma camisa está descrita no guia de nitretação, e os outros tratamentos superficiais usados em componentes de molde na página de comparação de cementação. Como as inserções e os machos são escolhidos está na página de seleção de machos e insertos, o resfriamento do molde na página de projeto de linha de resfriamento de molde, e o panorama geral de falhas na página de desgaste e falha do molde. A escolha do grau por processo de fundição sob pressão está na página de seleção de fundição sob pressão de alta pressão, e a forma como um grau é associado a uma peça na página de materiais por tipo de ferramenta.

Fonte, Die Casting Metallurgy, A. Kaye e A. Street, Butterworths Monographs in Materials, 1982, Capítulo 21, The metallurgy of die casting machines.