Processo de fundição de alumínio sob pressão (FSP)

Características do processo de fundição de alumínio sob pressão

Nos últimos anos notou-se no Brasil um aumento significativo na produção de peças de alumínio, motivado principalmente pela indústria automotiva e de motocicletas, que buscam oferecer ao mercado produtos que utilizem metais mais leves e que consequentemente atendam as novas exigências ambientais. Essa mesma realidade é vista também em outros lugares do mundo, como na Europa e Estados Unidos, onde a média atual de alumínio por carro já é superior a 230 kg, isso porque os carros precisam ser cada vez mais leves para que possam consumir menos combustíveis.

     Figura 1- Algumas aplicações de peças de alumínio fundidas sob pressão em automóveis

Para atender a esta demanda crescente, as indústrias metalúrgicas precisam constantemente inovar seus processos, a fim de oferecer as montadoras produtos que atendam suas necessidades e os critérios de qualidade cada vez mais rígidos.

Quando se trata de fundição de alumínio o processo de injeção sob pressão lidera o ranking como meio mais utilizado na produção das peças. A principal característica do processo é a obtenção de peças com excelente acabamento superficial e precisão dimensional. Como as velocidades de preenchimento são elevadas, o processo permite a produção de peças de paredes finas, com geometria complexa e com dimensões próximas das finais ou mesmo acabadas.

 O processo de fundição sob pressão consiste em injetar um metal liquido (liga de alumínio, zinco ou magnésio) contido em um recipiente para o interior da cavidade de um molde, submetendo o metal a altas pressões.

A figura abaixo ilustra as etapas do ciclo do processo de injeção sob pressão, onde, com molde fechado, o metal liquido é vazado na câmara de injeção alojada na parte fixa do molde (figura 3a), o pistão de injeção avança lentamente para retirar os gases da câmara de injeção (figura 3b), avança rapidamente para preencher a cavidade do molde (figura 3c) e após a abertura do molde (figura 3e) a peça é extraída por pinos extratores localizados na parte móvel do molde (figura 3f).

Principais dificuldades no processo de fundição de alumínio sob pressão.

Com a alta demanda de peças fundidas, tornou-se necessário uma atenção especial aos moldes de injeção, matrizes e seus componentes que durante o processo de injeção sob pressão sofrem enormes esforços e tem custos altos de manutenção, com o intuito de aumentar o tempo de vida útil destes ferramentais que são de extrema importância para o processo produtivo e que podem ter influencia direta no preço do produto final, vamos listar os principais mecanismos de desgaste e outros problemas que acarretam prejuízo ao processo produtivo, problemas como, alto índice de refugos, tempo de vida útil reduzido, peças com defeito entre outros, acaba gerando para as empresas perdas econômicas e atrasos no processo produtivo, abaixo listaremos as principais mecanismos de desgaste encontradas no processo de fundição de alumínio e algumas soluções que podem ajudar na redução ou solução desses problemas:

·        Trincas por fadiga térmica:

Os moldes utilizados em fundição sob pressão estão sujeitos a tensões cíclicas induzidas por gradientes térmicos e pressão de operação que podem causar fraturas na superfície. Durante o ciclo de injeção a liga de alumínio fundido no contato com a superfície do molde desenvolve um alto gradiente de temperatura entre a superfície e o centro (substrato) frio. Isso produz tensões na superfície que associadas a pressões de operação de 50 a 80 MPa2, podem causar deformações elásticas e plásticas levando à formação de rede de trincas superficiais chamadas “trincas térmicas”. Essas trincas são reproduzidas na superfície das peças injetadas e produzem deterioração crescente da qualidade destas, além da possibilidade de se propagarem até a inutilização da ferramenta.

A formação de trincas térmicas pode ser retardada nas ferramentas de injeção com a utilização de aços com: maior tenacidade, ductilidade em altas temperaturas, alta condutividade térmica, controle da microestrutura durante os processos de têmpera e revenimento também são essenciais para a prevenção das trincas térmicas. A temperatura da superfície é o principal parâmetro que influencia a vida útil do molde de aço devido ao surgimento de tensões térmicas (gradiente de temperaturas). Uma diferença de temperatura na superfície de ±20ºC pode diminuir a vida útil do molde até em 50%. Essa temperatura condiciona o surgimento e a propagação das trincas no contorno de grão da superfície. Por exemplo, uma trinca de profundidade da ordem de 0,15 mm pode estar formada à temperatura de 690ºC com apenas 500 peças injetadas, ou surgir depois de 7.000 peças injetadas quando à temperatura de 550ºC.

·        Desgastes (Adesão, Corrosão, Erosão)

O desgaste é a perda de material de um corpo devido a movimentos relativos em sua superfície. A superfície do molde de fundição sob pressão pode apresentar desgaste associado à adesão (solda) e erosão (corrosão). A erosão é causada pelas altas velocidades com que o metal fundido colide com a superfície do molde. A cavitação do alumínio no estado líquido em alta velocidade reduz a pressão, vaporiza, produz bolhas no interior do fluxo que implodem quando reduzida a pressão e cria ondas de choque danificando a superfície. A cavitação e o arraste mecânico da superfície devido a uma alta velocidade de injeção, que pode chegar a 60 m/s, aceleram o processo de erosão na superfície do molde. A adesão e corrosão da superfície do molde originam-se pela interação química decorrente da interdifusão de átomos do aço do molde e da liga de alumínio que resulta na formação de compostos intermetálicos de alumínio, ferro e elementos de liga gerando agarramento da peça durante a extração. Todos esses fenômenos estão associados a:

o   Temperatura muito alta do alumínio;

o   Posicionamento (incorreto) dos canais de refrigeração;

o   Ciclo rápido (tempo de injeção);

o   Desmoldante insuficiente;

o   Temperatura de pré-aquecimento do molde muito alta;

o   Baixa qualidade de acabamento superficial do molde;

o   Ausência de revestimento PVD para proteção.

O desgaste pode estar associado também ao desenvolvimento de trincas térmicas e, geralmente tem relação com:

o   Temperatura desfavorável da superfície da cavidade;

o   Posicionamento e dimensão incorreta do canal de refrigeração;

o   Tipo e temperatura do meio de resfriamento;

o   Temperatura da liga fundida;

o   Velocidade da liga fundida muito elevada na cavidade;

o   Impacto vertical da liga fundida na cavidade;

o   Machos e cantos próximos aos canais de entrada;

o   Ciclo de injeção (rápido ou curto)

Todos esses mecanismos de desgaste citados acima podem estar presentes no molde sendo um ou outro, em maior evidencia em função do projeto de construção, tipo de material, processos térmicos, e principalmente, condições de utilização.

·        Prevenção dos mecanismos de desgaste com aplicação de tratamento superficial.

A aplicação de revestimentos de PVD aliados a outros tratamentos superficiais como a nitretação, por exemplo, podem ser utilizados para aumentar a vida útil das ferramentas prevenindo o desgaste da superfície do molde. A elevada dureza das camadas associada à excelente aderência da superfície protege a superfície do molde contra a erosão e a alta estabilidade química e térmica aliada à baixa porosidade bloqueiam a difusão de átomos do molde para a liga de alumínio e vice-versa, impedindo a formação de compostos intermetálicos e como consequência minimizam o agarramento do material injetado ao molde.

Quanto à fadiga térmica, a ação conjunta do tratamento superficial com a aplicação de revestimento PVD, atua induzindo tensões de compreensão na superfície do molde, ajudando a evitar a fissuração por fadiga térmica ou mecânica. O tratamento superficial recomendado para essa aplicação é a nitretação a plasma, que possui um excelente controle dos parâmetros possibilitando que a camada de difusão não ultrapasse 80 microns de profundidade (dependendo do tipo de aço) e permite total difusão da camada branca, o processo que inclui a nitretação + aplicação de revestimento PVD é chamado de “duplex”.

A aplicação de revestimentos duros por PVD, vem sendo  muito utilizada, pois todos esses revestimentos provaram aumentar o rendimento de moldes para fundição sob pressão de alumínio devido às características mecânicas desses revestimentos, boa adesão ao substrato e baixa diferença de coeficiente de expansão térmica com o substrato, minimizando a possibilidade de formação de trincas térmicas na interface substrato-revestimento

·        Soluções em revestimento PVD para injeção de alumínio.

A Platit do Brasil possui a mais moderna e eficiente linha de revestimentos PVD de alto desempenho, para aplicação em ferramentais de injeção de alumínio disponível no mercado, vários testes já realizados em clientes de todo o Brasil comprovam o alto índice de eficiência dos nossos revestimentos, dois revestimentos se destacam:

nACo Grad-iAL

Revestimento de alto desempenho desenvolvido pensando nas necessidades de proteção, exigidas no processo de injeção de alumínio, podemos denomina-lo revestimento de 6° geração, suas características físico/química disponibiliza aos clientes a mais moderna tecnologia em revestimento PVD do mercado, sua composição e estrutura sem similares no mercado fazem do nACo Grad-iAL um revestimento único e muito superior aos concorrentes, entre os seus diferenciais podemos citar:

o   Dureza ultra alta (≥3.500HV);

o   Estrutura nano composta e nano estruturada;

o   Alta resistência a oxidação por temperatura (≥1,200°C);

o   Elevada tenacidade devido a estrutura;

o   Baixo stress de camada e baixa rugosidade;

o   Revestimento a base de Titânio, Alumínio e Silício (nc-AlTiN) / (a-Si3N4).

o   Depositado em camadas espessas (≥ 0,005 microns);

o   Suas aplicações típicas são trabalhos onde a resistência à fadiga térmica seja exigida, exemplo: Injeção de alumínio, Zamak, Forja, corte e conformação a quente.

nACoXi

Também denominado revestimento de 6° geração, possui características físico/químicas similares ao nACo Grad-iAL com um diferencial, sua ultima camada (top layer) uma camada de oxido de aluminio, que confere ao nACoXi uma resistência a oxidação por temperatura (~3000°C) muito superior a qualquer revestimento oferecido no mercado, sendo a melhor opção para machos e cavidades com pouca ou sem refrigeração, entre os seus diferenciais podemos citar:

o   Dureza ultra alta (≥3.500HV);

o   Estrutura nano composta e nano estruturada;

o   Alta resistência a oxidação por temperatura (~3.000°C);

o   Elevada tenacidade devido a estrutura;

o   Baixo stress de camada e baixa rugosidade;

o   Revestimento a base de Titânio, Alumínio, Silício+OXI (nc-AlTiN) / (a-Si3N4).

o   Depositado em camadas espessas ( 5-7 microns);

o   Suas aplicações típicas são trabalhos onde a resistência à fadiga térmica seja exigida, exemplo: machos e cavidades para Injeção de aluminio com pouca ou nenhuma refrigeração, injeção de zamak, Forja, corte e conformação a quente.

Vantagens em usar os revestimentos nACo Grad-iAl e nACoXi

o   Aumento da vida útil das ferramentas, resultando em menores tempos de set-up das máquinas de injeção;

o   Redução de custos de manutenção e fabricação de moldes;

o   Redução dos custos de produção de peças de alumínio injetadas;

o   Diminuição de peças com defeitos;

o   Redução ou eliminação do uso de desmoldante;

o   Redução da aderência do alumínio nos componentes do molde, facilitando a extração;

o   Redução do custo da não qualidade (retrabalhos, scrap etc)

Figura 6: teste realizado em molde de injeção de alumínio sob pressão,

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