Técnica – Nitretação a plasma

Extratores são as peças que realizam mais movimentos em um molde de injeção, sendo assim, são fatores determinantes para a frequência de manutenção e de vida útil. Recentes estudos têm colocado em questão o processo de nitretação, que ainda é utilizado mesmo não sendo há muito tempo um estado da arte.

Quanto menor o desgaste dos pinos extratores, maior será a vida útil do molde e menor a frequência de manutenções. Embora eles sejam considerados como padrões, existem variações consideráveis entre os modelos de diferentes fabricantes.

Em geral, a distinção é feita entre os extratores temperados e nitretados. Os temperados são usados em baixas temperaturas em moldes onde o contorno da cavidade precisa ser usinado no pino. O extrator é temperado por completo com aproximadamente 60 HRC e está pronto para ser utilizado depois de usinado. O desgaste por atrito pode ser reduzido com a aplicação de lubrificantes ou revestimentos. Entretanto, estes métodos têm uma desvantagem: o lubrificante pinga sobre a superfície da peça ou sobre a camada adicional de revestimento, o que significa um maior prazo de entrega e altos custos de revestimento e transporte.

Se o processo requer uma camada superficial de alta dureza ou resistência à temperatura, o projetista ou o ferramenteiro irá especificar um extrator de aço para trabalhos a quente. Em contraste com os extratores temperados, que resistem a uma temperatura de até 200°C, o aço para trabalho a quente é estável até 600°C. A nitretação confere uma dureza superficial de 70 HRC (até 1.100 HV 0,3). O núcleo rígido do material, que possui dureza de 44 HRC, é elástico, suficiente para acomodar forças transversais e longitudinais que venham a ocorrer. A estabilidade dos extratores então depende do material utilizado. Entretanto, a vida útil depende principalmente da camada nitretada.

Antigos e novos processos de nitretação

O método mais antigo de nitretação é o realizado por banho de sal. Mas os enormes problemas ambientais e de segurança são suficientes para provocar queda na sua utilização. Por outro ponto de vista, a nitretação por banho de sal, do mesmo modo, não oferece um bom comparativo: por característica do processo, ela não permite uma boa repetitibilidade. A concentração no banho também é afetada por contaminação. A nitretação resultante não pode ser controlada. Na nitretação por banho de sal, um grande número de profundos poros é formado na camada de revestimento externa, o que resulta em uma superfície muito áspera. Já se sabe que estes poros representam interrupções no arranjo de distribuição dos átomos do metal, que reduzem significativamente sua resistência superficial.

Estudos realizados anos atrás mostram que, mesmo com pequenas cargas de contato e após um desgaste relativamente baixo, partículas são quebradas ou arrancadas de parte dos poros da camada nitretada e acabam formando abrasivos médios junto com o lubrificante usado [1]. Poros então têm um efeito de microentalhes que enfraquecem o extrator. Um curso curto e um abrasivo médio contribuem para que o furo do molde seja prematuramente alargado e para que o extrator fique desgastado. Como resultado, o material fundido pode penetrar no espaço entre o extrator e o furo – provocando, consequentemente, uma falha do molde.

A nitretação a gás não produz tantos poros como o banho de sal. A camada estrutural pode ser controlada. Entretanto, a uniformidade da espessura da camada e a camada estrutural são problemáticas. Nitrogênio gasoso é introduzido entre as peças a serem nitretadas. Isso causa muitas pequenas zonas encobertas durante o processo de gaseificação de grande quantidade de peças. Se o gás flui sobre uma peça, ela será eficientemente nitretada neste ponto. No lado oposto, nas áreas encobertas, a quantia de nitrogênio que alcança a superfície da peça não é uniforme. Quando existe um grande número de peças por banho, condições muito variáveis de fluxo prevalecem na câmara de gás. Esta descoberta explica porque a superfície da circunferência é fundamentalmente variada na nitretação. Além disso, defeitos na nitretação (excesso de concentração de nitrogênio) resultam na abertura de sulcos porosos que são abrasivos com areia nas guias.

Plástico Moderno, Técnica - Nitretação a plasma

Por que utilizar nitretação a plasma e oxidação?

Para fazer o melhor uso possível da resistência ao desgaste, uma camada estrutural precisa e uniforme é necessária. Na nitretação a plasma, descargas elétricas uniformes são realizadas na superfície da peça. Um pequeno arco elétrico é formado, como numa solda. Esta “ligação calórica” permite que o nitrogênio gasoso penetre na superfície do aço. Uma fina camada nitretada, a camada estrutural, então, é formada na peça. A camada estrutural é fina, sem crateras ou poros, e firmemente ligada à zona de difusão que contém misturas de cristais de nitrogênio enriquecido e depósitos de nitretos. Uma camada estrutural fina e de poros baixos pode apenas ser produzida por pulsos de plasma. O processo pode ser controlado eletronicamente com precisão. Com alguma experiência, a espessura de camada desejada pode ser construída de forma muito precisa e com repetitibilidade (Fig. 1).

Plástico Moderno, Técnica - Nitretação a plasma

Por muito tempo, o banho de sal e a nitretação gasosa foram os processos convencionais; consequentemente, a fabricação de extratores utilizava estes processos. Uma vez que superfícies quase pretas, sujas, porosas e sensíveis são imprestáveis para moldes de injeção, os extratores são polidos após a nitretação. Entretanto, o polimento remove parte da camada nitretada. A camada estrutural quebrada criada pelo processo de banho de sal e nitretação gasosa é deixada com uma espessura de camada irregular ou totalmente removida. Ainda que o extrator tenha um acabamento claro brilhante, a camada protetiva e resistente ao desgaste foi eliminada.

O extrator nitretado a plasma com acabamento claro brilhante (A004) não necessita ser polido. Este pino tem acabamento cinza claro e uma adequada superfície de camada estrutural.
Se uma camada de oxidação é adicionalmente aplicada à camada estrutural, a durabilidade do extrator é ainda melhorada (Fig. 2). A Drei-S-Werk, juntamente com um conhecido instituto de nitretação da Alemanha, desenvolveu este novo processo para seus pinos extratores e lançou os extratores AV03 no mercado. A camada de oxidação negra pode ser aplicada por vários processos – entretanto, a combinação com nitretação a plasma oferece maiores vantagens técnicas:

– As resistências ao desgaste do furo no molde e do extrator são melhoradas.
– A camada oxidada serve como camada antiadesão para o material fundido.
– Maior resistência ao desgaste e à corrosão.
– Torna-se possível a utilização a seco.
– As peças não têm coloração alterada com a sua utilização.

Plástico Moderno, Técnica - Nitretação a plasma

A preocupação de que a camada negra do AV03 possa alterar a coloração da peça pode ser resolvida com um simples teste. Se pequenas partes de um extrator de acabamento brilhante, um cinza claro e um com oxidação negra, forem raspadas, por meio de uma lima diamantada, e comparadas uma com a outra, nenhuma diferença de coloração poderá ser percebida. Brilhante ou cinza claro, o aço sempre oxida em sua superfície. Sob o microscópio, o aço oxidado tem sempre a mesma aparência – tal qual na camada de oxidação negra do AV03. Entretanto, superfícies secas desgastam mais rápido que superfícies lubrificadas. O lubrificante de alta performance AWF1400 para extratores, que pode ser usado até 1.400°C, é adequado e econômico para processos de temperaturas baixas e altas.

Teste comparativo de resistência ao desgaste

Um teste comparativo sobre o comportamento do desgaste foi realizado para determinar qual tratamento superficial conduz a uma vida útil mais longa dos extratores. Para tornar o resultado o mais real possível uma consultoria independente em engenharia prática foi contratada para simular uma condição de teste padrão, como segue:

– Molde-teste com buchas padrão, feito de aço 1.2343: três extratores, um de cada tipo.
– Curso: 30 mm.
– Força lateral nas buchas: 10 N sobre uma área projetada de 30 x 8 mm².
As forças laterais que de fato ocorrem nos moldes dependem principalmente de quanto forem mantidos precisos o molde, suas guias e placas extratoras.

As buchas foram polidas para um acabamento brilhante nas regiões superficiais carregadas pela fricção dos pinos extratores após um curto período de funcionamento. A abrasão aumenta com o tempo. Não houve nenhum sinal de parada do processo depois de uma área da superfície em particular ter sido friccionada até um acabamento brilhante. Por outro lado, os extratores se desgastaram gradualmente dentro das buchas e produziram material raspado continuamente. O material raspado é o atual motivo do aumento de tamanho do extrator.

Os três modelos mais vendidos de extratores da Drei-S-Werk foram sujeitos a muitas séries de testes com 100.000 ciclos. Então os moldes de testes foram completamente desmontados. Os resultados:
1) Extrator preto nitretado com MoS2 (em tempos passados utilizado em fundição sob pressão): o revestimento de MoS2  antifricção numa camada de 15 µm produziu uma força de fricção muito mais alta entre os extratores e as paredes do furo, o que adicionou aquecimento no molde teste e aumentou grandemente o desgaste entre o extrator e a bucha.

2) Extrator nitretado a plasma com acabamento brilhante (usado em moldes de injeção convencionais): por causa do curto movimento do curso, houve um acúmulo de material raspado, que em alguns casos entrou em adesão relativamente estável com o substrato e tornou-se áspero. A uniformidade das zonas de acabamento brilhante, atrás da junção das duas buchas, aparenta indicar que o material raspado, juntamente com o lubrificante, atuou como uma pasta abrasiva.Plástico Moderno, Técnica - Nitretação a plasma

3) Extratores nitretados a plasma e oxidação negra (AV03) com lubrificante (novo modelo para moldes de injeção e fundição sob pressão): após 100.000 ciclos, a oxidação negra não foi marcada na zona de fricção, mas o desgaste e a abrasão ainda aconteceram em um nível relativamente mais baixo. O contorno do molde permaneceu praticamente constante.

Um extrator que protege o molde

De acordo com o presente estado de conhecimento e o estado da arte, o pino nitretado a plasma e com oxidação negra (AV03) pode ser considerado como protetivo para o molde. Poucas empresas no mundo, e apenas duas no Brasil, oferecem tal tecnologia, sendo que a Casa do Ferramenteiro distribui com exclusividade no Brasil o extrator AV03 da Drei-S-Werk. Ele pode ser utilizado lubrificado por toda sua vida (AW1400) ou a seco.

De um ponto de vista tribológico, ferramenteiros devem evitar usar duas peças de contato feitas do mesmo material. Isso resultaria em um desgaste descontrolado e aumento de tamanho. Uma série de testes provou que com a aplicação de uma camada oxidada de Fe3O4, as propriedades de deslizamento e de funcionamento emergencial a seco são geralmente melhoradas. O processo é utilizado para propósitos similares em outras indústrias. Os eixos de transmissão do came de modernos automóveis também são oxidados. Engenheiros mecânicos têm feito uso da resistência à corrosão e das propriedades de funcionamento a seco há anos em pistões de cilindros de elevação.

REFERÊNCIAS
F. Hoffmann and P. Mayr: Wärmebehandlung. AWT-Seminar, Berlin 1984.

OS AUTORES
Pius Eichinger trabalha para a Drei-S-Werk, Schwabach/Alemanha, desde 2001, inicialmente como gerente de produção e desde abril de 2006 como gerente técnico. [email protected]
Michaela Wassenberg é proprietária da Wassenberg PR Agency, Nuremberg/Alemanha.

TRADUTOR
Allan Guimarães é diretor e proprietário da Casa do Ferramenteiro. [email protected]

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