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Ferramentarias devem seguir critérios na escolha de aços para a fabricação de moldes.

Uso do aço correto em molde

Requisitos especiais necessários em aços para moldes

Conceitos e tipos de tratamentos aplicados aos componentes do molde

Distorções nos tratamentos térmicos

Principais tratamentos de superfície aplicados em aços para moldes

Aço para a fabricação de moldes – como escolher ?

Para a empresa Ferramentaria, a determinação para a escolha correta do aço na fabricação de uma ferramenta para injeção de termoplásticos, pode se tornar um desafio em meio a diversos fatores variáveis, que colaboram nesta seleção. Como um dos fatores determinantes, temos o tipo de resina a ser utilizada com suas características próprias.

O tipo de resina ou termoplástico a ser injetado tem influência, pois a temperatura de trabalho para os diversos materiais, são diferentes assim como a abrasividade, entre outras características. O tipo de produto, o tipo de acabamento e a dureza necessária entre outros são fatores a serem analisados na escolha do aço.

O tratamento térmico aplicado de forma adequada, somada a pré – usinagem e acabamento de conformidade com as características do aço, escolhido vão garantir a qualidade esperada.

A qualidade do aço vai estar comprometida se o tratamento térmico não seguir as instruções, do fabricante. Quando se compra a matéria prima, compra-se também informações como parte do processo para se efetuar o tratamento térmico adequado, por isso o prestador deste tipo de serviço deve ter qualidade.

Com a escolha do aço correto, quando analisarmos o tempo de vida para as cavidades ou do ferramental como um todo, temos que considerar para avaliação, a forma correta de utilização do molde, o uso em equipamento adequado e as condições favoráveis para execução da manutenção corretiva e preventiva.

Os aços para construção de moldes devem enquadrar-se em condições de trabalho que estão sujeitos tanto nas usinagens quanto nos processos de injeção. Estes materiais precisam atender às altas exigências dos moldes plásticos, os mesmos serão submetidos a grandes pressões, atritos, compressões e drásticas modificações na estrutura geométrica através de ferramentas de corte e nos tratamentos térmicos.

O tratamento térmico aplicado a estes aços contribui demais durante e na finalização da fabricação, considerando se o uso apropriado dos materiais para cada tipo de componente do molde, de acordo com sua função. A função do componente no conjunto é importante para a definir a escolha do aço.

A necessidade de novas opções em aços para a fabricação de moldes para injeção de polímeros tem se mostrado evidente, principalmente pelo surgimento de novos polímeros de engenharia, mais abrasivos e corrosivos, e pela necessidade de otimizar o ciclo de fabricação dos moldes, no que se refere a usinagem, tratamento térmico e tratamentos superficial.

A corrosão, segundo a concepção mais difundida, é a deterioração de um material, geralmente metálico, decorrente da ação química ou eletroquímica do meio ambiente, associada ou não a esforços de natureza mecânica.

Para satisfazer esta necessidade uma excelente opção tem sido encontrada em novos aços cuja metalurgia é baseada no endurecimento por precipitação após o tratamento térmico de envelhecimento. Estas ligas combinam um potencial de endurecimento acima por encontrados nos aços comuns tipo AISI P20 (~ 30 HRC) e AISI H13 (~ 45 HRC), aliando uma deformação mínima no tratamento de envelhecimento. São aços fornecidos no estado solubilizado e após envelhecimento têm capacidade de endurecimento entre 42 – 55 HRC.

Uma melhoria adicional na resistência ao desgaste e nas propriedades de corrosão destes aços pode ser obtida pelo tratamento termoquímico de nitretação. Entretanto, as características metalúrgicas especiais relacionadas ao tratamento de envelhecimento fazem com que os tratamentos convencionais de nitretação gasosa em amônia e líquida em banhos de sais não sejam adequados, principalmente pela limitação na temperatura de processo, em torno de 550ºC.

Nesta linha, a Nitretação sob Plasma se mostrou como um processo alternativo importante para o endurecimento superficial destes aços por permitir o uso de baixas temperaturas de trabalho com cinética aceitável e possibilidades adicionais de tratamentos combinados de envelhecimento e nitretação.

A nitretação sob plasma permite controlar a metalurgia da superfície nitretada de acordo com o tipo de aço e aplicação do ferramental. Com o controle dos principais parâmetros de processo como temperatura, tempo e composição da mistura gasosa é possível gerar superfícies com ou sem camada de compostos, ou seja, formadas apenas pela zona de difusão, e controlar a profundidade de endurecimento.

A zona de difusão determina a dureza e a resistência à fadiga, enquanto que a camada de compostos determina o comportamento em desgaste e a resistência à corrosão.

Uso do aço correto em molde

A economia com uso de materiais não adequados na fabricação de um molde é inversamente proporcional ao seu tempo de vida. Materiais têm um peso muito pequeno no custo de construção de uma ferramenta.

A definição do aço correto, e seu respectivo beneficiamento, resultará em um molde com maior vida útil. Para materiais termoplásticos agressivos, como por exemplo, materiais reforçados com fibras de vidro, recomenda-se a utilização de aços de alta performance e de elevada dureza (superior a 56 HRC).

A corrosão e ferrugem são itens que se tornam visíveis com o uso habitual do molde. O processo de fadiga ocasionado por fibras ou abrasivos da matéria-prima injetada com o processo contínuo de trabalho agridem as superfícies como faces e cantos das cavidades, e por isso, é importante a pré-avaliação para uso do aço correto no momento da fabricação. O uso do aço correto possibilita que receba a dureza apropriada e ainda há de se considerar que o uso de tratamento superficial em vários casos é apropriado para aumentar a vida útil dos componentes, principalmente aqueles que se movimentam e são carentes de lubrificação.

O tratamento térmico tem mínima participação nos custos de construção de um molde (inferior a 5%), sendo incoerente nessa operação buscar redução de custos. As propriedades mecânicas ajustadas pelo tratamento térmico e as condições de aplicação, ou utilização, respondem pelo bom desempenho do molde.

Não se conclui uma operação simplesmente confirmando ao final do tratamento térmico do molde que a dureza do aço está conforme, é preciso que as principais propriedades mecânicas desejadas do aço no molde seja mantida para que determinadas aplicações sejam alcançadas, tais como: resistência ao desgaste, resistência a fadiga, corrosão.

É importante a utilização de todos os recursos tecnológicos, pode facilitar ainda mais a tarefa de projetos. Com referência a pontos ou áreas de fechamento já é possível que seja fabricado pronto para que somente detalhes que criem possíveis interferências entre as faces, sejam trabalhados ou retocados. Através de medição em pontos pré-determinados do perfil, os detalhes com relevo complexo já podem sair prontos de máquina.

A qualidade e tipo de máquinas disponíveis para a execução dos serviços têm influência direta na qualidade final das peças sendo que quanto mais recursos houver, com certeza, melhor o desempenho na fabricação.

Requisitos especiais necessários em aços para moldes

Para choques, faróis, lanternas, painéis, componentes de eletrodomésticos, caixas de embalagens, caixas para microcomputadores, brinquedos, partes de aparelhos de som, impressoras e telefones, são produtos plásticos e para se obter produtos plásticos de qualidade garantida, o molde tem que ser fabricado com aço que mantenha suas características ou propriedades durante a utilização e ciclos de produção desejados.                 

A estabilidade dimensional dessas peças injetadas em plástico é garantida pelo aço, que não permite que elas sejam produzidas com diferenças dimensionais, assegurando dessa forma a reprodução do mesmo formato e tamanho e gerando, assim, um produto final com alta qualidade e sem apresentar rebarbas. A dureza do molde é importante para evitar seu desgaste pelo atrito com as peças injetadas. Essa dureza é sempre conseguida por tratamentos térmicos.

Os aços para moldes devem ter sempre uma boa condutividade térmica, o que ajuda na extração do calor, permitindo o rápido esfriamento e desmolde das peças injetadas, aumentado assim sua qualidade e produtividade. Alguns plásticos são corrosivos pela sua própria composição. Para se evitar tal corrosão, há necessidade de se usar um aço inoxidável martensítico, temperado e revenido, com dureza na faixa de 46 a 50 HRC. Esses aços inoxidáveis são fornecidos ao mercado já no estado beneficiado, com dureza de 30 a 34 HRC.

Tais aços podem ser aplicados, por exemplo, na fabricação de moldes de sopro, assim chamados pois, sua injeção e conformação dão se pela injeção de um gás inerte (nitrogênio) num molde onde é injetado o plástico aquecido que preenche o molde dando formato ao produto. Estes moldes são usados, por exemplo, na produção de garrafas de refrigerantes, frascos para remédios líquidos, cosméticos, colas, etc.

De acordo principalmente com tipo de material a ser injetado, estes aços necessitam de propriedades especiais como boa usinabilidade, polibilidade, soldabilidade, estabilidade dimensional, dureza, condutividade térmica, resistência à corrosão, à fadiga térmica e ao desgaste, reprodutibilidade e condições de texturização.

Cada uma dessas propriedades dos aços para moldes implica na adição, retirada, ou substituição de elementos químicos na sua composição que, juntamente com tratamentos térmicos adequados, conferem essas qualidades especiais.

A resistência à abrasão é fundamental no momento do preenchimento das cavidades, pois o atrito do material junto às paredes das partes ativas é excessivamente grande, principalmente no caso de ter sido adicionado cargas ao material injetado.

A usinabilidadegarante um acabamento excelente nas gravuras, ajudada hoje pelos processos de alta velocidade (HSM), reduzindo os lead time de fabricação. Na fabricação das cavidades e machos o aço precisa apresentar boa usinabilidade.

Para usinagens de grande arranque de cavacos deve-se realizar o trabalho em duas etapas, desbaste com sobre metal até 5 mm da medida final, alivio de tensões e usinagem de acabamento, a fim de evitar empenamentos que deformarão a peça construída.

A polibilidadeé garantida pela combinação de elementos colocados nos aços, como o cromo e o níquel, em porcentagens adequadas, e pelos processos de fabricação como ESR ( Eletro Slag Refining) que é a refusão com refino (purificação) do aço, o que lhe garante uma uniformidade estrutural em todas as direções (isotropia). A polibilidade é conhecida também como uma característica que facilita o espelhamento de uma superfície que permite que o produto plástico a ser injetado, tenha um brilho e transparência que garantem o visual ao produto final.

Os copos de liquidificador, por exemplo, se não tiverem uma boa transparência, perdem seu valor. Os faróis e lanternas automotivos em geral precisam dessa transparência, fundamental para a iluminação e brilho.  As gavetas de geladeiras, com sua transparência, garantem uma segurança de limpeza e higiene. Isso ocorre com uma infinidade de outros produtos, bastando verificarmos ao nosso redor.

A soldabilidadeé a possibilidade de se colocar uma solda na superfície de um molde, muitas vezes para correção de uma gravura cujo projeto precisou ser alterado ou para um conserto decorrente, por exemplo, de algum acidente durante a usinagem ou operação do molde. A soldagem na gravura deve ser sempre evitada, mas muitas vezes isso não é possível. Ao colocar a solda numa gravura, essa solda esfria e endurece a região alterada mais que o restante da superfície do molde. Essa diferença de dureza é que provoca manchas na superfície do plástico injetado, impedindo-o de ser usado.

Quando há necessidade de se fazer grandes reparos, o ideal é que o molde seja pré-aquecido para evitar choques térmicos entre a superfície fria do molde e a solda. No esfriamento, deve-se proteger o molde, cobrindo-o com amianto ou manta térmica para que esfrie lentamente, evitando o endurecimento dos pontos soldados. Outra maneira de se diminuir a dureza na região soldada é fazer um revenimento, ou seja, um reaquecimento lento até aproximadamente 500ºC, por um mínimo de duas horas, e resfriamento lento dentro do forno. Com isso a camada endurecida amolece e, no polimento, não forma região com manchas.

Conceitos e tipos de tratamentos aplicados aos componentes do molde

Algumas orientações também devem ser observadas para que o tratamento realizado no molde não cause problemas, como por exemplo:

1) antes do tratamento: procurar usinar as cavidades de maneira com que o material não sofra encruamento na superfície, ou seja, o material deve receber o corte suave, e depois da usinagem um alívio de tensões é obrigatório antes da têmpera, quando for necessário;

2) durante o tratamento: procurar seguir as regras adotadas para a estrutura do material a ser tratado, isto é, obedecer às temperaturas de aquecimento, tempo de aquecimento e o meio de resfriamento;

3) após o tratamento: não submeter o molde a solicitações térmicas ou mecânicas elevadas, de tal forma que não cause micro-trincas ou até mesmo falha total, no caso a quebra do componente do molde.

d – Principais tratamentos térmicos aplicados em aços para moldes

O material ao sofrer estes tratamentos não pode apresentar trincas que resultarão em marcas no produto, fragilidade no elemento e principalmente vazamento no circuito de refrigeração.

Recozimento: Tem como finalidade remover tensões devidas aos tratamentos mecânicos a frio ou a quente, diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço, alterar as propriedades mecânicas como a resistência, uniformizar o tamanho do grão e eliminar os efeitos de outros tratamentos térmicos ou mecânicos a que o aço tiver sido anteriormente submetido.

Normalização: Utilizado para refinar a granulação e conferir ao aço, estruturas uniformes com as características normais de sua composição, quando o mesmo sofre alterações em sua estrutura devido a trabalhos a quente.

Têmpera:  Tem por objetivo aumentar as propriedades mecânicas do aço, como dureza, resistência ao desgaste, contudo faz com que a tenacidade seja diminuída e que ocorram distorções, alterando o dimensional da peça. Além disto, neste tratamento, há o surgimento de tensões internas, por isso o tratamento de têmpera sempre vem acompanhado do tratamento de revenido. O material ao sofrer estes tratamentos não pode apresentar trincas que resultarão em marcas no produto, fragilidade no elemento e principalmente vazamento das galerias de refrigeração.

Revenido: Tratamento complementar realizado após a têmpera, tendo como principal objetivo aliviar as tensões internas.

Envelhecimento: Também conhecido como solubilização, tem por finalidade conferir ao material uma maior resistência mecânica e maior dureza. O metal é aquecido até próximo de 500º C, e na sequência retirado o calor rapidamente.

Distorções nos tratamentos térmicos

VEJA Imagem sobre distorções

Durante o processo de tratamento térmico acontecem deformações que são inevitáveis, mas conhecendo-se os motivos que levam a estas deformações e tomando alguns cuidados, resulta muito mais fácil minimizar estes efeitos.
É um problema recorrente, muitas vezes agravado pela falta de conhecimento do ferramenteiro quanto aos objetivos e características dos tratamentos térmicos, particularmente no caso da têmpera. Por ser um processo que causa modificação microestrutural, ou seja, a microestrutura final é diferente da inicial, tanto em propriedades como em volume ocupado, a distorção de tratamento térmico é um fenômeno inevitável, quaisquer que sejam as circunstâncias em que foi conduzido. A tendência mais geral no caso de aços submetidos a têmpera é a expansão dimensional.

É impossível prever com um grau razoável de precisão a cota de distorção ou empenamento, pois à expansão natural devemos somara as tensões residuais de usinagem, tensões residuais de trabalho mecânico anterior, variações naturais de composição química e fatores geométricos, variáveis estas, usualmente fora do controle tanto do profissional de tratamento térmico, como do ferramenteiro.

Na execução do tratamento, cabe ao profissional zelar para que a distorção não seja pior, por escolha inadequada de ciclos térmicos, equipamentos de baixos recursos tecnológicos e técnicas de carregamento inadequadas e amadoras. São interessantes projeto simples e simétrico, eliminação de tensões de usinagem, após o desbaste e utilização de um aço de boa qualidade. A melhor recomendação ainda é deixar o máximo de sobremetal possível, normalmente limitado às limitações de processo e equipamento do ferramenteiro.

a – Deformações devido a forma das peças

Durante tanto o aquecimento como o resfriamento acontecem nas peças variações de temperatura em seu volume, já que o processo de aumento ou diminuição da temperatura se faz com transmissão de calor, o qual necessita de um tempo para migrar dentro da massa para atingir seus objetivos. Isto faz com que a variação de volume por causa da temperatura seja diferente nos diferentes lugares com temperaturas variáveis.

A região da peça que esteja mais quente estará mais dilatada e onde esteja menos quente estará menos dilatado, provocando desta forma empenamentos ao longo do eixo das peças.

Este fenômeno será mais acentuado quanto mais assimétrica seja a forma da peça com referência ao seu eixo. Assim quando a superfície externa de um lado for maior que do outro, os aquecimentos e resfriamentos acontecerão com velocidades diferentes provocando desta forma estas deformações tão indesejadas.

A todos estes fatores se somam outros conhecidos por causa de tensões internas acumuladas durante os diferentes processos de fabricação das mesmas como usinagens, fusão e forjaria que ficam acumuladas e ao serem as peças aquecidas para a realização do tratamento as mesmas são liberadas provocando deformações.

Na fusão há inevitavelmente formação de estruturas internas que ao sofrerem tratamento mudarão provocando variações de volume que trarão deformações.

Na forjaria os crescimentos de grão e as estruturas de ferrita acicular irão provocar ao se transformar no tratamento com variação da forma e as consequentes deformações imagináveis.

A usinagem por regra geral deixa nas peças tensões residuais por deformações superficiais que ao serem liberadas durante o aquecimento provocarão deformações permanentes.

b – Mudanças estruturais ou metalográficas do material tratado

É bem conhecido que a transformação austenítica obtida no aquecimento se faz com diminuição de volume e que a martensita obtida no resfriamento só se obtém com aumento de volume. 

Por tanto na medida em que as diferentes regiões da peça vão conseguindo as temperaturas nas quais as ditas transformações são obtidas, as variações de volume que as peças irão experimentando provocarão deformações diferentes em função da forma das peças e de sua simetria com referência ao seu eixo.

Ou seja, se uma peça tem uma forma que apresenta uma superfície muito maior de um lado que do outro no aquecimento a temperatura de austenitização será alcançada antes que do lado oposto ao igual que no resfriamento o qual será realizado muito mais rapidamente provocando contrações com as quais as peças permanecerão após o tratamento.

Esta situação deverá ser considerada no momento do projeto, se desejar tratar as peças termicamente para obter melhores condições de resistência e dureza após sua fabricação e usinagem.

Como diminuir ao máximo estas deformações: 

Algumas considerações podem ser observadas para auxiliar na obtenção de peças com mínimas deformações ou para minimizarem as deformações nos tratamentos térmicos, já que os aços indeformáveis não existem e os assim chamados receberam dito nome por se tratarem de aços que por seu altíssimo grão de temperabilidade necessitam de resfriamentos muito brandos que resultam em deformações menores.

Os pontos a considerar são os indicados a seguir:

01) Procurar sempre projetar peças com eixos de simetria facilitando assim a homogeneidade dos aquecimentos e resfriamentos.

02) Escolher aços cuja temperabilidade facilite o tratamento possibilitando assim uma menor deformação.

03) Fazer ao menos um tratamento de alivio de tensões no material para assim chegar ao tratamento com peças não tencionadas internamente.

04) No caso de peças onde as deformações de tratamento térmico afetem sua utilização recomendamos fazer:

a) Recozimento prévio para uniformizar a estrutura e eliminar as tensões de fabricação da matéria prima.
b) Realizar uma usinagem previa grosseira para retirar a maior parte de material.
c) Realizar um tratamento térmico de alivio de tensões.
d) Usinagem de acabamento.
e) Tratamento térmico.

05) No caso de peças onde o tratamento anterior não resultar suficiente, o tratamento indicado a seguir é a última chance de minimizar ditas deformações.

a) Recozimento
b) Usinagem grosseira
c) Beneficiamento a uma dureza que permita realizar a usinagem fina.
d) Usinagem final.

Principais tratamentos de superfície aplicados em aços para moldes

As vezes pode acontecer que um ferramenteiro ou até projetista de ferramentas preocupado com problemas de desgaste, exija elevadas durezas na têmpera. É um erro e a causa está em associar resistência ao desgaste com a dureza obtida pela têmpera.

A dureza obtida na têmpera é tão somente para elevar a resistência mecânica contra, por exemplo, amassamento. Durezas excessivas obtidas na têmpera, em geral, vão facilitar trincamento da ferramenta, devido à falta de tenacidade.

Desgaste é um fenômeno de superfície, e como tal, deve ser tratada pela engenharia de superfícies, e não pelo tratamento térmico.

Um outro erro comum é associar, diretamente, aumento de dureza com aumento na resistência ao desgaste. Isso é verdadeiro até um certo limite. Na maior parte dos casos que envolvem aços ferramenta, muito mais eficiente que meramente aumentar a dureza, é modificar a natureza química da superfície, de modo a reduzir o coeficiente de atrito nas faces em contato.

Existem muitas maneiras de, através de modificação da superfície da ferramenta, obter-se uma elevada resistência a desgaste. Dentre as mais eficientes destacamos a nitretação e os revestimentos PVD.

Cementação: Este tratamento consiste na introdução de carbono na superfície do aço, de modo que este, após o tratamento de têmpera, apresente uma superfície mais dura, a fim de se produzir uma combinação de uma superfície dura com núcleo tenaz. Nos moldes a cementação é empregada em superfícies que tendem a deslizar uma sobre as outras, como buchas e colunas, guias para gaveta e centralizadores.

Nitretação: Processo de introdução superficial de nitrogênio no aço, pela elevação da temperatura do mesmo para formar uma camada dura de nitretos objetivando o aumento da resistência ao desgaste e a fadiga térmica e mecânica. Por utilizar temperaturas menores que as de cementação, a nitretação produz menor distorção dimensional e tem menor tendência a causar trincas e empenamento no material.

Nitrocarbonetação: Também conhecida como carbonitretação, visa a alteração de uma camada superficial do aço, pela introdução de carbono e difusão de nitrogênio

simultaneamente. Ocorre em um meio gasoso, em que a camada com maior dureza pode alcançar até 0,70 mm. Após este tratamento o aço deverá ser temperado e revenido.

Nitretação a plasma: Utilizado para aumentar a dureza superficial, a resistência ao desgaste e a corrosão, além de diminuir a fadiga e o atrito. Tratamento que utiliza um plasma para  inserir íons de nitrogênio em metais como aço, titânio e alumínio.

CVD (Chemical Vapour Deposition; deposição química na fase vapor): Permite a deposição de um produto sólido em uma superfície aquecida por meio de reações químicas, sendo utilizados entre outros os filmes de TiCN28, TiN29, e Al2O3.

Tendo como vantagens a baixa tensão interna do revestimento o que permite a deposição de espessuras elevadas com aderência razoáveis, e desvantagens a temperatura elevada de trabalho (aproximadamente 1000ºC).

Plasma CVD:  Realizado com temperaturas mais baixas (de 300ºC a 700ºC).

PVD (Physycal Vapour Deposition; deposição física na fase vapor): Processo que permite a deposição de um produto sólido por meio físico em um estado de vapor em temperatura de 200 ºC a 600 ºC. Pode ser realizada pelas técnicas de Sputtering (utilizada em moldes), evaporação por feixe de elétrons e por arco catódico.

– Sputtering: deposição iônica que consiste em produzir um plasma metalvapor,

a partir de um cátodo sólido, fazendo colidir nele, íons de gás com alta energia, utiliza-se neste técnica entre outros os filmes de TiN e CrN.

– Evaporação por feixe de elétrons: uma fonte faz com que os elétrons incidam sobre o metal fundido produzindo assim um plasma onde se ioniza o metal.

– Evaporação por arco catódico: esta técnica deposita filmes entre outros

de TiN, TiAlN32, CrN e TiCN, para proteção contra desgaste em instrumentos cirúrgicos.

Publicado em   10 /11/2021

Fonte: Moldes Injeção Plásticos

Hamilton Nunes da Costa – Editor de Revistas Independente
VW CFP SENAI / Matrizeiro especializado em molde
Escola ART-MEC / Projeto de moldes de injeção
VW CFP SENAI / Técnico mecânico CREA 126.785

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