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PROCESSO DE POLIMENTO ELETROQUÍMICO – ECP

 

 

Por: Virgílio Barbeiro e João Luis Domingues

Processo de polimento eletroquímico – ECP.

A necessidade crescente de melhoria no acabamento superficial de moldes e matrizes requer o uso de novas tecnologias.

O ECP traz esse benefício, aliado à redução do tempo de polimento.

O acabamento de superfícies dos moldes/cunhos e matrizes é muito importante para todo o tipo de operações de moldagem, independentemente de se tratar de matéria plástica, fundição de metais leves, forja de aços ou conformação de chapa metálica e estampagem. O acabamento de superfícies não influencia apenas a qualidade do produto, mas também a durabilidade da ferramenta.

Através do polimento eletroquímico (EPC¹) as superfícies não apresentam micro-fissuras ou porosidade – o mesmo já não se pode dizer da eletro-erosão (EDM²). Um acabamento conseguido com ECP não apresenta imperfeições nas zonas de fadiga do material. O processo remove de forma eficaz e uniforme a ‘’ camada branca’’ ou camada refundida deixada após o processo de eletroerosão. A superfície resultante tem um aspecto polido e brilhante, apresentando propriedades idênticas às do material base.

A utilização do processo ECP pode, assim, gerar economias significativas para ambos, fabricante e cliente de moldes/ cunhos e matrizes. É também possível utilizar este processo a fim de criar topologias de superfícies praticamente impossíveis de conseguir com métodos convencionais, tais como gravações com brilho.

Princípio do ECP.

O polimento eletroquímico com o método PMM³ é significativamente diferente do eletro-polimento convencional, onde ácidos perigosos, como fósforo, perclórico (HCIO4) e cromo são utilizados e onde gases venenosos e subprodutos químicos são produzidos.

Esta é uma tecnologia ecológica, livre de poluentes e eficaz para remover dos moldes/cunhos e matrizes as camadas refundidas e micro-fissuras originadas pelo calor, devido à erosão. Este processo remove uniformemente o material e deixa uma superfície metálica pura, sem defeitos e tensões residuais. Com remoção de todos os defeitos, nas zonas de fadiga do material, o ECP aumentada a durabilidade das peças usinadas.

O processo de ECP com método PMM baseia-se em três elementos principais envolvidos neste polimento, como se pode verificar nos esquemas abaixo:
1 .Eletrodo com carga negativa (cátodo);
2 .Peça com carga positiva (ânodo);
3 .Solução aquosa concentrada de NaNO3 com elevada condutibilidade.

Na operação ECP, a peça é colocada na mesa da máquina e o eletrodo posicionado da melhor forma em relação a peça a trabalhar. O polo positivo da fonte de energia é ligado à peça e o polo negativo ao eletrodo (figura 1 –esquema 1). A usinagem prossegue no eletrólito NaNO3, de forma que os íons metálicos são desagregados da superfície da peça (figura 1 – esquema 2). Este método assenta no fato em que um campo eletrostático homogêneo preencherá o espaço entre a peça e o eletrodo se uma corrente elétrica passar entre os dois elementos.

 

Assim, havendo um eletrólito no espaço entre a ferramenta e o eletrodo, uma corrente passará pelo eletrólito e essa corrente será de densidade uniforme se o gap4 for uniforme. A densidade da corrente utilizada no ECP é muito elevada (40-80 A/cm²), e está uniformemente distribuída por toda a superfície do molde sendo a voltagem constante em 8v.
O gap ideal é 0,15 mm, no entanto poderão ser considerados entre 0,1 mm e 0,5 mm. O processo de ECP pode reproduzir pequenos raios nas quinas (a qualidade do aço tem influência no raio produzido, bem como a forma do eletrodo), devendo ser deixado nas juntas uma tolerância de 0,05 mm para retificar após executar o processo ECP.

A corrente elétrica força os íons de nitrato negativos para o polo positivo, neste caso no molde, onde reagem quimicamente com o material. Estes nitratos dissolvem-se imediatamente – o valor pH5 do eletrólito é cerca de 8,8 – formando uma lama insolúvel de hidróxidos, por exemplo Fe(OH)2.

Deste modo será dissolvida passo a passo e após a remoção de, por exemplo, uma camada de cerca de 0,05 mm de espessura da superfície da ferramenta, resultará uma superfície polida uniformemente, sem resíduos metálicos, limpa e brilhante, completamente liberta da camada refundida, de micro-fissuras e/ou tensões mecânicas geradas pela eletro-erosão, fresamento e retificação.

A figura 2 apresenta um esquema da superfície resultante dos dois processos bem como a distribuição da dureza.

 

No final do ECP, as tensões residuais na superfície submetida são mínimas e a estrutura metalográfica é a mesma que a do material base, isenta de porosidades e micro-fissuras. A lisura da superfície é melhorada, (até cerca de 6 vezes), tendo sido reduzidos significativamente os valores Rmax (rugosidade máxima), Ra (rugosidade média) e Pc (picos por comprimento de unidade), como se pode verificar no esquema anterior.

Na figura 3 estão demonstrados três padrões de acabamentos VDI6 para o processo ECP comprados com o processo EDM.

 

A maioria dos aços para moldes, assim como outros metais e ligas, podem ser tratados por este processo. Os aços nitretados não podem ser sujeitos ao ECP, exceto quando removido o tratamento. O grau de perfeição do acabamento da superfície está, no entanto, dependente das propriedades e condições iniciais da superfície do metal, bem como da qualidade da superfície do eletrodo. Os melhores resultados são obtidos com aços que possuem uma estrutura muito homogênea. Ou seja, qualidade do acabamento influi diretamente na qualidade do polimento: o cobre e grafite são bons materiais para eletrodos, mas em geral, qualquer material condutor pode ser utilizado, inclusive aço e alumínio. A qualidade do aço e rugosidade inicial tem influência na qualidade e tempo do polimento (por exemplo, um aço inoxidável permite um melhor acabamento em menos tempo).

Assim, aços de grau fino com pequenas quantidades de carboneto e com poucas incorporações são os mais indicados. Isto significa que os aços produzidos por pós metalúrgicos e por métodos de refusão eletroescória (ESR7)  e tratamento térmico de eletroescória (ESH8) são os que oferecem melhores resultados para o ECP, permitindo obter resultados máximos relativamente à qualidade da superfície.

Através do ECP as superfícies não apresentam micro-fissuras ou porosidade (o mesmo já não se pode dizer da eletroerosão –EDM). Um acabamento conseguido com ECP não apresenta imperfeições nas zonas de fadiga do material. Este processo remove eficaz e uniformemente a ‘’camada branca’’ ou camada refundida, produzida através do processo de eletroerosão (como se comprova nas figuras 2 e 3).

Para melhores resultados, a peça deve estar isenta de limalhas, rebarba pós-erosão, oxidações e outros defeitos que possam ocorrer durante a eletroerosão. Sempre que possível, recomenda-se a têmpera e o tratamento térmico em vácuo ou atmosfera de gases inertes para prevenir a formação de oxidação na superfície da peça, visto que poderá afetar o processo ECP.

A figura 4 apresenta um exemplo de acabamento em um molde para injeção de cabo de faca com ilustração de flores utilizando três variações de operação:

1. Cavidade 1- ECP no cabo e flores;

2. Cavidade 2- ECP no cabo, erosão nas flores;

3. Cavidade 3- Erosão no cabo, ECP nas flores

 

 

Na figura 5 é possível identificar a diferença de acabamento entre os processos EDM e ECP em um refletor. O refletor mostrado na figura 5b foi aprovado pela associação Alemã de Qualidade Técnica (TÜV – Technischen Überwachungs-Verein).

 

 

A figura 6 apresenta dois produtos (lentes traseiras automotivas) cujos moldes tiveram o polimento eletroquímico aplicado após a eletoerosão convencional.

Tempo de Usinagem.

O tempo de usinagem com o processo ECP é sempre o mesmo, independente do tamanho e perfil do eletrodo a polir o molde ou a cavidade do cunho. A única exigência é a existência de um eletrodo adequado. O eletrodo deve ter o mesmo material e geometria igual ao utilizado na erosão anterior (de desbaste). De fato, se o eletrodo utilizado na eletro-erosão tiver pouco desgaste, este mesmo deve ser utilizado no ECP.

O processo de ECP pode polir moldes com área até 660 cm². A corrente máxima fornecida pela máquina é de 24000 Amperes e com 8 volts, podendo suportar peças de até 500 Kg de peso. Os limites da peça são condicionados pela dimensão do ataque do equipamento, nesse caso 750 X 59 mm. No entanto, outras áreas superiores poderão ser consideradas, dependendo do acabamento pretendido na superfície . Se a intenção é obter um ‘’polimento-espelho’’ será necessário adicionar um polimento manual com pasta de diamante fino ou alumina, após ECP.

A vantagem do ECP é que torna este processo muito mais fácil e rápido, dado que a camada dura refundida foi completamente removida. Para um polimento final é muitas vezes suficiente a utilização de pasta de diamante de 6-3-1µm. Uma pasta de diamante de 6µm pode muitas vezes ser substituída por lixa de água 2.000/4.000 mesh wet SiC.

Relação entre o tempo de tratamento e o acabamento da superfície.

No gráfico seguinte, compara-se o ECP com outros métodos de acabamento. O valor de acabamento da superfície pretendida é de Ra = 0,8 µm.

 

Ao utilizar a eletroerosão em diferentes fases (desbaste, média e fine), atingiu-se um valor de Ra = 1,1 µm após 20 horas de máquina (figura 7- coluna 1). Para se atingir o valor pretendido (0,8 µm) é necessário efetuar um polimento manual. Uma superfície aceitável para o polimento manual não necessitaria das 20 horas de eletroerosão, mas poderia ser atingida após 23 horas de tratamento: 11 horas de trabalho máquina e 12 horas de polimento manual (figura 7 – coluna 2).

Para um valor de acabamento de superfície Ra = 2,7 µm, combinando o processo de eletro-erosão com o de ECP, foi possível alcança-lo ao fim de 3 horas (1,5 hora de cada processo). A vantagem aqui do ECP é remover toda camada de refundição produzida pelo eletroerosão, libertando-a dos defeitos descritos anteriormente (figura 7 – coluna 3).

Combinando as fases de desbaste a média da eletroerosão com uma fase de acabamento do ECP, gastando, respectivamente, 1,5 3 e 1,5 horas,obteve-se um acabamento de superfície com valor de Ra =0,34 µm (figura 7 – coluna 4).

O acabamento da superfície desejado de Ra =0,8 µm pode ser conseguido combinando a fase de desbaste média da eletroerosão com o ECP de 1,5 horas, sendo o total de Máquina de 4,5 horas (figura 7 – coluna 5). O ECP cria uma superfície totalmente isenta da camada de refundição, porosidade ou micro-fissuras, características da eletroerosão. Assim, as tensões residuais são residuais e produz-se uma superfície com as propriedades metalográficas do metal de base. A superfície rugosa é significativamente aperfeiçoada, sendo os valores Rmax , Ra e Pc largamente reduzidos. A vida útil do molde é, assim, consideravelmente aumentada.

Pretendendo-se obter uma superfície ‘’ tipo espelho’’, o ECP pode ser completado por um polimento manual (PM) com a ajuda de uma pasta fina de diamante. Esta fase PM não necessita de remover uma quantidade de material, pois a camada de refundição criada na fase de erosão já terá sido removida pelo ECP (figura 7- coluna 6). Assim, a combinação dos processos é perfeitamente possível, adequado segundo a necessidade do usuário (figura 8).

Em suma, o ECP não substitui a eletroerosão, mas complementa-a, reduzindo a tendência em dar acabamentos EDM muitos finos, cujo tempos no processo se tornam incompatíveis em termos de preços e prazos. Dado que o ECP remove material da superfície da ferramenta por igual, o que não acontece no processo de polimento manual, eliminam-se os negativos em nervuras e as deformações de superfícies complexas. É importante considerar no planejamento de produção este novo processo para que, na medida do possível, se busque obter eletrodo único.

Material do eletrodo e acabamento da superfície

A maior parte dos aços, metais porosos e ligas de metal – como alumínio e latão podem ser processadas por ECP. O grau de melhoramento de superfície pode ir até 6x, dependendo do material e das condições da superfície do eletrodo. Em todos os casos, a camada refundida é uniformemente removida, deixando um superfície limpa e polida, com as propriedades físicas idênticas ao material base. Esta superfície aceita prontamente um polimento alto brilho. Os melhores resultados são obtidos com aços produzidos pó métodos pulvero-metalúrgicos, ESR e ESH. Se forem necessários a nitretação, a carburação e carbonitretação ou tratamento similar na superfície da ferramenta, estes deverão ser executados após o ECP.

Sempre que existir uma geometria complexa que necessita de texturização química o processo ECP é o ideal no arranque da camada dura permitindo assim uma textura perfeita e homogênea. Caso se pretenda polir um alojamento executado na erosão a fio, o processo ECP também pode ser aplicado, utilizando-se para isso como eletrodo o próprio miolo removido. Para uma melhor qualidade final do trabalho, uma das condições é que o eletrodo tenha uma boa condutibilidade. O melhor material é o cobre, mas a maioria dos metais, ligas ou grafite podem ser utilizados. No caso grafite, é importante que se escolha um de grãos finos com mínimo de porosidade.

O ECP não desgasta os eletrodos, ao contrário eletroerosão, mas os eletrodos de grafite poderão deteriorar-se com o tempo ao absorver partículas dos sais e óxidos resultantes, os quais, não sendo condutores elétricos, isolam a superfície. OS parâmetros que influenciam a rugosidade das superfícies produzidas por ECP são: a qualidade do aço da peça a trabalhar, o seu térmico, a rugosidade da superfície (Rmax ) antes do ECP e, mais uma vez,o tipo de material do eletrodo e qualidade da superfície do mesmo. Conseguem-se melhores acabamentos de molde/cunhos e matrizes com o eletrodo de cobre. O acabamento da superfície do eletrodo também é muito importante para o acabamento do molde, dado que as suas imperfeições e defeitos serão copiados para a superfície da peça a trabalhar.

Para se conseguir um acabamento ótimo da superfície, recomenda-se a têmpera e o tratamento térmico em vácuo ou em atmosfera de gases inertes para prevenir a formação a formação de oxidação na superfície que pode afetar o processo de ECP (a oxidação isola). Teste efetuados em moldes de injeção para filtros de águas e grelhas de alto-falante provaram haver uma redução na velocidade e pressão de injeção da ordem de 30% entre a diferença de acabamento com erosão VDI 22 e o acabamento de ECP feito sobre o VDI 22.

Conclusão
O ECP é um método eficaz para moldes/cunhos e matrizes na remoção da camada refundida e afetada pelo calor devido ao acabamento de erosão. Este processo remove uniformemente o material e deixa uma superfície metálica pura, sem defeitos e tensões residuais. Com a remoção de todos os defeitos na zona de fadiga do material o processo ECP aumenta a durabilidade das peças usinadas.

Aços com uma microestrutura homogênea, carbonetos pequenos, uniformemente distribuídos e de baixo teor de inclusões não-metálicas, são os que melhor se adequam ao polimento eletroquímico. Para casos especiais, em que não exista eletrodo, pode recorrer-se ao vazamento de metal bismuto(cuja fusão se dá a 230°C), de forma a obter o modelo da cavidade que se pretenda polir.

Autor : Virgílio Barbeiro e João Luis Domingues
Fonte do Artigo : Revista Ferramental Ano V nº 28 (março/abril 2010)

 

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1ECP: do inglês Electrochemical Polishing,significa polimento eletroquímico

2EDM: do inglês Electrical Discharge Machining, significa usinagem por descarga elétrica

3PMM: Projectos, Moldes, Manufactura Lda., empresa portuguesa de projeto e fabricação de moldes

 

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