Materiais Utilizados na Construção de Moldes

Como já atrás referimos, o aço e o alumínio são os metais geralmente utilizados para a construção de moldes. Vamos analisar de forma sumária estes dois tipos de metais.

Aços

Introdução

Existe uma grande variedade de tipos de aço, mas os mais utilizados na construção de moldes pertencem aos grupos com os códigos 1.1xxx, 1.2x6xx e 1.4xxx, de acordo com a norma europeia EN 10027-2:2004 – Designations systems for steel. Part 2: Numerical system. Por esta razão, no Quadro 3 são descritos apenas os aços destes grupos). Neste endereço podem ser visualizados todos os códigos.

Um outro sistema de classificação de ligas metálicas é o Unified Numbering System (UNS); consiste de um prefixo (uma letra), seguida de cinco algarismos (pode ver neste endereço).

Para os aços mais utilizados na construção de moldes correspondem as seguintes designações:

A selecção do tipo de aço depende de vários factores, nomeadamente os de natureza construtiva. O tipo e número de cavidades, o processo de moldagem, o tipo de borracha, a sua abrasividade e a utilização prevista do molde (expressa, por exemplo, no número de ciclos de vulcanização a efectuar), são factores que igualmente intervêm nesta decisão. Para elevados volumes de produção, a selecção de um aço de boa qualidade revela-se, regra geral, um bom investimento.

Os moldes em aço apresentam, em relação ao alumínio, muitas vantagens. Além das já referidas de uma maior resistência e de uma durabilidade inquestionavelmente maior, temos também a considerar:

Os moldes em aço estão aptos a executar mais de 3,0 milhões de ciclos de produção, o que depende de vários factores, tais como:

Por exemplo, o aço AISI tipo 4130 (UNS G41300) pode proporcionar 2,5 milhões de ciclos de produção e o aço AISI Tipo P20 (EN/ISO 1.2330, UNS T51620) pode proporcionar mais de 3.0 milhões de ciclos de moldagem.

As características de alguns dos tipos de aços mais utilizados na construção de moldes, de acordo com a nomenclatura EN 10027-2, são indicadas no Quadro 4.

No Quadro 5 são indicados os correspondentes endereços de Internet, onde podem ser visualizadas outras características.

O aço inoxidável é também utilizado na construção de moldes ou de parte deles, nomeadamente as partes sujeitas a processos de corrosão (originados por elastómeros halogenados).

É um tipo de aço que proporciona uma alta dureza, resistência à corrosão, resistência mecânica e resistência ao desgaste por abrasão. Proporciona ainda uma elevada estabilidade dimensional e um elevado grau de polimento. Porém, não são adequados para superfícies com texturas.

No Quadro 6 são indicados alguns tipos de aços inoxidáveis mais utilizados e respectivas propriedades. No Quadro 7 são indicados os correspondentes endereços de Internet, onde podem ser visualizadas outras características.

 

Tratamentos térmicos do aço

Os aços que são fornecidos para o fabrico de moldes estão na condição de recozidos. O tratamento dado de recozido retira-lhe a dureza que lhes é conferida no tratamento de têmpera e, se o aço foi submetido a trabalhos de forja, de laminagem ou de trefilagem, elimina as tensões internas criadas nestas operações. Um aço recozido é menos duro e é mais dúctil, pelo que a sua maquinagem é muito mais fácil.

Depois da execução do molde, o aço tem de ser tratado termicamente, de modo a adquirir um grau de dureza que lhe permita suportar as forças postas em jogo nos processos de moldagem. Por outro lado, adquire uma maior resistência ao desgaste, o que lhe confere uma maior duração. Um valor típico do grau de dureza do aço adequado para moldes de injecção é de 55 HRC (Dureza Rockwell C), equivalente a uma dureza Brinell 552 HB.

Vamos descrever, de forma sucinta, o tratamento térmico a que deve ser submetido um molde construído num tipo de aço convencional (mas adequado para a execução de moldes). Naturalmente vamos seguir as recomendações do fabricante do tipo de aço considerado, as quais têm em linha de conta o tipo de aço, a sua composição química, a evolução das suas propriedades com a sequência do tratamento e a dureza pretendida no produto final.

Vamos considerar um aço com baixo teor em carbono (0,4%) e um alto teor em crómio (5,2%) – o aço 1.2344 (EN 10027-2) ou H-13 (AISI – American Iron and Steel Institute). As características técnicas deste aço são fornecidas no documento H-13 Hot Work Tool Steel Data Sheet.

Para melhor compreensão do ciclo de tratamento, vamos apresentar o conhecido diagrama do Sistema Ferro-Carbono (Figura 1).

Figura 1 – Diagrama do sistema Ferro-Carbono

Fase 1 – Pré-aquecimento

Para minimizar distorções, sobretudo em moldes complexos, deve se efectuado um pré-aquecimento em duas fases. A velocidade de subida da temperatura deve ser da ordem de 220ºC por hora. Na primeira fase, o molde deve ser levado a uma temperatura de 620 a 680ºC. Deixar estabilizar toda a massa do molde a esta temperatura (30 minutos deve ser suficiente). Com a mesma velocidade de aquecimento, elevar a temperatura para 815 a 870ºC. Deixar novamente estabilizar toda a massa do molde a esta temperatura (30 minutos deve ser suficiente).

Fase 2 – Austenitização

Concluída a estabilização, a temperatura do molde deve ser elevada rapidamente para 982ºC, para obtenção de um aço com maior tenacidade, ou a 1032ºC para obtenção de maior dureza, maior resistência ao cracking por fadiga térmica e maior resistência ao desgaste.

Fase 3 – Têmpera

Espessuras de aço até 125 mm podem ser temperadas ao ar, obtendo-se um nível satisfatório de endurecimento. Espessuras superiores requerem um arrefecimento mais rápido, podendo ser utilizados diversos fluidos, como se indica no Quadro 8.

 

Quadro 8 – Fluidos para têmpera
1. Água
2. Água com cloreto de sódio
3. Água com polietileneglicol
4. Árgon Pressurizado
5. Azoto + Hélio (pressurizados)
6. Azoto pressurizado
7. Circulação forçada de ar
8. Hélio Pressurizado
9. Mistura de sais fundidos (mistura eutética de nitratos de sódio e de potássio, e nitrito de sódio)
10. Óleos de têmpera
11. Têmpera criogénica (com azoto ou hélio liquefeitos)

Com ar pressurizado, a velocidade de arrefecimento, abaixo de 538ºC, deve ser de 28ºC/minuto, de forma a obter as melhores características para o aço. Se for utilizado um óleo de têmpera, a imersão neste fluido deve processar-se até 492ºC, prosseguindo o arrefecimento ao ar até ser atingida a temperatura de 51ºC a 66ºC.

Os tempos de têmpera dependem do meio utilizado (nomeadamente do seu coeficiente de transferência de calor – veja-se Figura 2) e da espessura do aço a temperar. Variam normalmente entre uma dezena de segundos a alguns minutos.

Figura 2 – Coeficientes de transferência de calor de vários fluidos utilizados na têmpera

 

Fase 4 – Revenido

Logo imediatamente ao ciclo de têmpera de efectuar-se o revenido. Uma temperatura típica de revenido situa-se entre os 535ºC e 620ºC. Aquecer e manter a esta temperatura durante um período de tempo de 1 hora por cada 25 mm de espessura de aço, mas até um máximo de 2 horas. Para melhorar as propriedades do aço, pode ser efectuado mais uma operação de revenido. Uma terceira operação de revenido pode ser efectuada para aumentar a tenacidade do aço. O arrefecimento deve ser efectuado ao ar.

 

Tratamentos Superficiais em Aços

Cementação

Operação normalmente realizada em aços com baixo teor em carbono. Com a cementação pretende-se conferir uma elevada dureza superficial do aço, mantendo-se internamente as características que lhe foram conferidas no revenido.

A cementação consiste em aquecer o aço com substâncias ricas em carbono. Existem actualmente cinco tipos de Cementação:

Nitruração

A nitruração é um tratamento térmico que tem também por finalidade aumentar a dureza do aço na sua camada superficial por via da formação de nitretos de ferro.

Esta operação pode ser realizada numa atmosfera de azoto ou de amónia, a uma temperatura de 500 a 525ºC (por norma, temperaturas inferiores a 720ºC), quando a estrutura do aço é cúbica de corpo centrado, bem mais receptiva à difusão do gás no metal, propiciando assim a formação dos nitretos. A operação pode ser realizada também em meio líquido, num banho de cianeto de sódio fundido, a 570-600ºC. Espessura de nitruração: 0,025 a 0,5 mm. A dureza obtida é de cerca 70 Rockwell C (ou 760 Brinell HB).

Carbonitruração

A carbonitruração é um tratamento térmico que tem também por finalidade aumentar a dureza do aço na sua camada superficial por via da formação de carbeto e nitreto de ferro. A carbonitruração é efectuada a uma temperatura de 760 a 870ºC, numa atmosfera constituída por uma mistura de metano (CH₄) ou propano (C₃H₈) com amoníaco (NH₃). O aço após este tratamento necessita ser temperado numa atmosfera de gás natural. Espessura de nitruração: 0,1 a 0,75 mm. A dureza obtida é de 60 a 65 Rockwell C (627 Brinell HB).

 

Alumínio

Introdução

O alumínio era, como já referimos, tradicionalmente utilizado no fabrico de moldes para execução de protótipos ou de moldes para pequenas séries de produção. Referimos também que, actualmente é um metal utilizado no fabrico de vários tipos de moldes, quer para transformação de materiais elastoméricos quer de materiais plásticos (moldes por compressão ou injecção), para séries de grandes produções.

São os seguintes os tipos de alumínio mais utilizados no fabrico de moldes (designação de acordo com a classificação europeia das ligas de alumínio – Norma EN 573-1):

No Quadro 9 são mostradas as principais propriedades destes tipos de alumínio e no Quadro 10 os endereços de Internet onde podem ser observadas outras características.

Os principais elementos de liga são o cobre, zinco, magnésio, silício, manganês e lítio. Outros elementos, tais como crómio, titânio, zircónio, chumbo, bismuto e níquel podem também estar presentes, embora em quantidades muito pequenas.

Na Figura 3 são indicadas muitas das principais combinações de elementos de liga com alumínio.

Figura 3 – Os principais elementos de liga com alumínio

 

A classificação europeia das ligas de alumínio

A classificação europeia das ligas de alumínio (norma EN 573-1) segue a classificação original da organização americana The Aluminum Association (A), como a seguir se descreve:

Os tipos de ligas de alumínio são classificados em nove classes, sendo cada tipo de alumínio identificado por um código composto de 4 dígitos. O primeiro dígito identifica a classe, como se mostra no Quadro 11.

 

Quadro 11 – Classificação das ligas de alumínio
Elemento (s) de liga	Código
1. Nenhum elemento de liga (99% ou mais de Alumínio)	1XXX
2. Cobre	2XXX
3. Manganês	3XXX
4. Silício	4XXX
5. Magnésio	5XXX
6. Magnésio + Silício	6XXX
7. Zinco + Magnésio	7XXX
8. Lítio	8XXX
9. Outras ligas	9XXX

Série 1xxx

Série do alumínio puro (alumínio com mais de 99% Al) ou comercial. São ligas passíveis de endurecimento por encruamento e não tratáveis termicamente. Destaca-se pela sua resistência à corrosão e altas condutividades (térmica e eléctrica). Apresenta, contudo, baixa resistência mecânica. Os dois últimos dígitos indicam a % de Al acima de 99%.

 Exemplos:

O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de algum elemento de liga. Se o segundo dígito for algarismo 0, tal indica que o alumínio não foi ligado e apresenta um limite de impurezas convencional. Os algarismos de 1 a 9 indicam controlo especial sobre uma ou mais impurezas ou a adição de elementos de liga.

Série 2xxx

Liga de alumínio em que o cobre é o principal elemento de liga. São ligas passíveis de endurecimento por precipitação e são termicamente tratáveis. Estes tipos de alumínios submetidos a tratamentos de solubilização e envelhecimento possuem uma elevada resistência mecânica, sendo por este facto utilizados em aplicações especiais (Indústria Aeronáutica, por exemplo). Os dois últimos dígitos não possuem significado numérico. Destinam-se a identificar ligas sequencialmente diferentes ligas do mesmo grupo. O segundo dígito indica, também neste caso, modificações no limite de impurezas ou a adição de elementos de liga.

Série 3xxx

O manganês é o principal elemento de liga. São ligas passíveis de endurecimento por encruamento e não são termicamente tratáveis. Têm como principal aplicação produtos estampados.

Série 4xxx

O silício é o principal elemento de liga. São ligas passíveis de endurecimento por encruamento e não são termicamente tratáveis. Apresentam baixos pontos de fusão e impossibilidade de tratamento térmico. São utilizadas também como material de adição para solda.

Série 5xxx

O magnésio é o principal elemento de liga. São ligas passíveis de endurecimento por encruamento e não tratáveis termicamente. Sua aplicação é similar à da série 3xxx.

Série 6xxx

Nesta classe, magnésio e silício são os dois principais elementos de liga, tendo como resultado a fase Mg2Si, o que torna possível o tratamento térmico de solubilização e envelhecimento. São ligas passíveis de endurecimento por precipitação e são termicamente tratáveis. Não são tão resistentes quanto as das classes 2xxx e 7xxx, porém são utilizadas na fabricação de velocípedes, visto que podem receber soldadura.

 Série 7xxx

Nesta classe de alumínios, o zinco é o elemento de liga. São ligas passíveis de endurecimento por precipitação e são termicamente tratáveis. Dos tratamentos térmicos resultam os mais altos índices de resistência mecânica e tenacidade. Ampla aplicação na Indústria Aeronáutica.

Série 8xxx

Outros elementos de liga. O principal elemento de liga é o lítio. São ligas passíveis de endurecimento por precipitação e são termicamente tratáveis. Apresentam alta resistência mecânica específica. Os dois últimos dígitos não possuem significado numérico, apenas identificam diferentes ligas do mesmo grupo; são, portanto, algarismos sequenciais. O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de elementos de liga.

Série 9xxx

Outras ligas de alumínio que não se enquadram nos tipos especificados anteriormente.

Os moldes em alumínio, nomeadamente para processos de moldagem por injecção, são geralmente fabricados com tipos de alumínio das séries 6000 e 7000. Os tipos de alumínio QC-7 e QC-10, produzidos pela empresa Alcoa (alumínios da série 7000), são muito utilizados nesta aplicação. Possuem uma elevada dureza e uma condutividade térmica. São possíveis operações de soldadura com todos estes tipos de liga de alumínio.

 

Tratamentos térmicos do alumínio (séries 6000 e 7000)

Vamos apenas referir os tratamentos térmicos aplicados a estas classes de ligas de alumínio pelo facto de serem as ligas destas classes as que interessam particularmente para a construção de moldes.

Já descrevemos alguns tratamentos térmicos aplicados aos aços. No caso do alumínio ou suas ligas, os tipos de tratamentos térmicos aplicados apresentam características diferentes. A sua finalidade é, sobretudo, aumentar a sua resistência mecânica e a dureza de ligas que sejam passíveis de um endurecimento via fenómenos de precipitação.

Classe 6xxx

Estas ligas de alumínio possuem, como se referiu, magnésio (0,6 a 1,5%) e silício (0,4 a 1,3%) como elementos de liga. Estes dois elementos combinam-se e formam silicieto de magnésio (Mg2Si). É a formação deste composto que permite o tratamento térmico neste tipo de ligas de alumínio. Muitas ligas desta classe possuem uma relação estequiométrica de 1,73 de magnésio para e 1,0 de silício, correspondente ao composto Mg₂Si. A solubilidade máxima de Mg₂Si no alumínio é de 1,85%, correspondente a uma temperatura de 595ºC (ver Figura 4).

Figura 4 – Parcial do sistema Al-Mg-Si

Esta solubilidade diminui com a temperatura, decorrendo deste facto a sua precipitação (precipitação fina) o que aumenta a resistência mecânica desta liga.

O tratamento térmico deste tipo de ligas consiste em aquecer o metal até cerca de 520ºC e manter a esta temperatura um determinado período de tempo, por exemplo 5 horas. A temperatura exacta e o tempo de manutenção a essa temperatura dependem do tipo de liga e devem ser rigorosamente seguidas as recomendações do seu fabricante. Com este aquecimento são completamente solubilizados os elementos de liga (tratamento de solução).

Segue-se então um arrefecimento muito rápido, geralmente em água, o que previne, temporariamente, a precipitação dos elementos de liga. Obtém-se assim uma solução sólida supersaturada (SSSS). Esta condição é instável e, gradualmente, os elementos de liga precipitam-se de maneira extremamente fina, sendo desta forma alcançado o máximo efeito de endurecimento (envelhecimento).

Nalguns tipos de ligas esta precipitação ocorre espontaneamente, depois de alguns dias (envelhecimento natural – Figura 5) enquanto, noutros tipos, ocorre através de um reaquecimento por algumas horas a cerca de 175ºC, seguido de um arrefecimento lento (tratamento de precipitação – Figura 6).

Figura 5 – Tratamento térmico de liga de alumínio 6xxx, com envelhecimento natural

Figura 6 – Tratamento térmico de liga de alumínio 6xxx, com tratamento de precipitação

 

Pequenas quantidades de manganês e de crómio podem ser também adicionados para melhorar a resistência mecânica e controlo da estrutura da liga (tamanho do grão). A presença de cobre também melhora a resistência da liga; todavia, se presente em quantidade superior a 0,5%, prejudica a resistência à corrosão. Estas ligas oferecem boa ductilidade, boa maquinagem e boa resistência à corrosão. Permitem soldadura.

Classe 7xxx

Nesta classe de ligas, combinações de 4,0 a 8,0% de zinco com 1 a 3% de magnésio possibilitam a formação de MgZn₂, composto que possibilita o seu tratamento térmico. Estas ligas possuem uma elevada resistência mecânica. Combinações de alumínio, com zinco, magnésio e cobre, dão origem a ligas com a mais elevada resistência mecânica de todas as ligas de alumínio.

O mecanismo de endurecimento destas ligas é muito semelhante aos das ligas da classe 6xxx. Um aspecto menos positivo destas ligas é a sua menos boa resistência à corrosão.