BRPI0512467B1 - Peça de molde ou de carcaça de molde para a moldagem por injeção de matérias plásticas - Google Patents

Description

“PEÇA DE MOLDE OU DE CARCAÇA DE MOLDE PARA A MOLDAGEM POR INJEÇÃO DE MATÉRIAS PLÁSTICAS” Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um aço inoxidável martensítico para a fabricação de moldes e de carcaças de moldes para a moldagem por injeção de matérias plásticas.

Antecedentes da Invenção A moldagem por injeção de matéria plástica requer o uso de moldes e de carcaças de moldes constituídos de aço de alta resistência mecânica, capaz de resistir a grandes esforços que resultam das fortes pressões de injeção. A fabricação dos moldes e das carcaças de moldes envolve operações numerosas e demoradas de usinagem, tais como a fresagem ou a perfuração, o que requer uma boa usinabilidade do aço. Além disso, os moldes e as carcaças de moldes que possuem uma função não apenas geométrica mas também de resfriamento das peças moldadas, o aço dos quais eles são constituídos deve, de preferência, ter boa condutividade térmica, de modo a facilitar a evacuação do calor por condução através de estruturas de molde. Finalmente, os moldes devem resistir à corrosão, que pode ser a corrosão pelas matérias plásticas injetadas quando essas matérias plásticas forem corrosivas, ou a corrosão provocada pelos fluidos de resfriamento nos circuitos de resfriamento, ou ainda a corrosão por oxidação atmosférica das cavidades polidas das partes moldantes dos moldes. A fim de atender a todas essas exigências, procura-se utililizar aços de alta resistência que sejam também inoxidáveis. Sob esse aspecto, existe a necessidade de pesquisar aços inoxidáveis do tipo martensítico, e mais particularmente, aços inoxidáveis do tipo martensítico das séries AISI 420 a 440 ou aços comparátíveis com esses aços.

Entretanto, esses aços inoxidáveis matensíticos possuem teores de carbono relativamente elevados, da ordem de 0,10% a 0,5%, ou mesmo mais, que apresentam o inconveniente de não serem muito favoráveis à resistência à corrosão, e, sobretudo, de serem particularmente desfavoráveis para as operações de usinagem. Além disso, teores muito elevados de carbono são prejudiciais para a soldabilidade. Ora, essa propriedade é muito importnte para as peças de moldes, em particular para permitir a reparação por soldagem dessas peças quando é preciso repetir a usinagem. A fim de superar esses diversos inconvenientes, foi proposto, em particular na patente US 6.358.334, um aço inoxidável martensítico destinado à fabricação de moldes para moldagens por injeção de matéria plástica, cujo teor de carbono não ultrapassa 0,08%, e que compreenda uma adição elevada de enxofre, de 0,06% a 0,3%, de forma a melhorar a usinabilidade. Esse aço que contém essencialmente de 12% a 14% de cromo, de 0,03% a 0,06% de carbono, de 1% a 1,6% de manganês, de 0,25% a 1% de silício, de 0,01% a 0,1% de vanádio, de 0,02% a 0,08% de nitrogênio, possui, ainda, uma adição de cobre de 0,5% a 1,3% destinada a melhorar a condutividade térmica do aço.

Esse aço, cujas propriedades são bem mais apropriadas para a fabricação de peças para moldes ou de carcaças de moldes do que os aços martensíticos das séries AISI 420 a 440, e possui também uma dureza aproximada da ordem de 300 HB, porém, apresenta um duplo inconveniente. De um lado, ele é difícil de modelar por laminação a quente, pois sua forjabilidade a quente não é muito boa. De outro lado, ele não é fácil de reciclar, pois seu teor de cobre é significativamente mais elevado que o teor médio de cobre das aparas de aço inoxidável.

Descrição Resumida da Invenção A finalidade da presente invenção é corrigir esses inconvenientes propondo um aço inoxidável de características elevadas apropriado para a fabricação de moldes ou de carcaças de moldes para a moldagem por injeção de matéria plástica, que seja ao mesmo tempo, fácil de usinar, fácil de soldar, que tenha boa resistência à corrosão, que tenha boa condutividade térmica e que apresente poucos problemas de fabricação, em particular, poucos problemas de forjabilidade e poucos problemas de reciclagem.

Para esse fim, a presente invenção tem por objetivo uma peça de moldes ou de carcaças de moldes para a moldagem por injeção de matérias plásticas, de aço inoxidável martensíticos cuja composição compreende, em % em peso: 0,02% < C < 0,09% 0,025% <N< 0,12% com 0,05% < C + N < 0,17% Si < 0,34% Al < 0,80% com Si + 23 Al > 0,20% e Si + 0,6 Al < 0,25% e 0,00025 < Al x N < 0,0020 0,55% <Mn< 1,8% 11,5% < Cr < 16% eventualmente até 0,48% de cobre, até 0,90% da soma de Mo + W/2, até 0,90% de níquel, até 0,090% de vanádio, até 0,090% de nióbio, até 0,025% de titânio, eventualmente até 0,25% de enxofre, sendo que o restante é ferro e impurezas que resultam da elaboração, e a composição atende ainda à condição: 6,5 < F = (Cr + Mo) + 2 (Si + V + Nb) - 27 (C + N) - (Ni + Mn/2 + Cu/3) < 13.

De preferência, a composição do aço inoxidável martensítico atende a uma ou mais das seguintes condições: Si + 0,6 Al < 0,25% Cu < 0,4% De preferência, a composição do aço inoxidável martensítico atende a pelo menos uma das seguintes condições: A composição do aço inoxidável martensítico pode atender à condição: quando se deseja uma aptidão muito boa ao polimento, ou atende à condição: nos outros casos. A peça de molde ou de carcaça de molde para injeção de matéria plástica é constituída de um aço inoxidável martensítico de acordo com a presente invenção que é temperado e revenido.

De preferência, a estrutura do aço que é constituída a peça contém menos de 20% de ferrito δ, e o restante é martensita. É ainda mais preferível que a estrutura do aço contenha menos de 10% de ferrito δ, e o resto é martensita. A presente invenção vai ser agora descrita mais detalhadamente, mas de modo não limitativo, e ilustrada por exemplos.

Descrição Detalhada da Invenção Os inventores constataram de modo novo e inesperado que, em aços inoxidáveis martensíticos, o efeito favorável do cobre sobre a condutividade térmica podia ser substituído por uma diminuição significativa do teor de silício, e o efeito favorável do cobre sobre a corrosão podia ser compensado pelo aumento do teor de molibdênio ou de nitrogênio.

Partindo dessas observações, os inventores constataram que era possível obter um aço inoxidável martensítico com propriedades satisfatórias para a fabricação de peças de moldes, e também de boa forjabilidade, reduzindo significativamente o teor de cobre, reduzindo significativamente o teor de silício e acrescentando eventualmente molibdênio ou nitrogênio ou uma combinação desses dois elementos.

Considerando essas observações, o aço de acordo com a presente invenção é um aço inoxidável do tipo martensítico, cuja composição compreende, em peso, os teores definidos a seguir.

Mais de 0,02%, de preferência mais de 0,03%, de carbono, para contribuir para o endurecimento, mas não mais de 0,09%, de preferência não mais de 0,06%, e de preferência não mais de 0,05%, de carbono para não prejudicar a resistência à corrosão.

Pelo menos 0,025%, e de preferência pelo menos 0,035%, de nitrogênio para melhorar a resistência mecânica do aço e sua resistência à corrosão, mas menos de 0,12%, e de preferência menos de 0,10%, e menos de 0,075% de nitrogênio, a fim de reduzir a tendência à formação de nitretos de cromo indesejáveis; esses nitretos de cromo são fragilizantes e tendem a reduzir o teor de cromo livre, o que prejudica a resistência à corrosão.

Os teores de carbono e nitrogênio são ajustados de modo que, dentro dos limites que acabam de ser definidos, a soma dos teores de carbono e nitrogênio seja superior ou igual a 0,05%, e de preferência superior ou igual a 0,07%, a fim de assegurar uma contribuição significante para o endurecimento ao revenimento por formação de carbonetos e de nitretos, mas a soma dos teores de carbono e nitrogênio não deve ultrapassar de preferência 0,17%, mais preferencialmente 0,14% e mais preferencialmente ainda 0,11%, de modo a não levar a um endurecimento excessivo para a aplicação considerada aqui, para não prejudicar a tenacidade e, finalmente, para não reduzir excessivamente a resistência à corrosão por redução local do teor de cromo parcialmente fixado em forma de carbonitretos. A fim de melhorar a usinabilidade, em particular na fresagem e na perfuração, pode-se adicionar enxofre, em particular quando as exigências de qualidade de superfície (qualidade de polimento ou superfícies granulosas) não sejam elevadas, em particular quando o aço é utilizado para fabricar carcaças de moldes ou fabricar cavidades para moldagem de matéria plástica com baixa exigência quanto ao aspecto. Nesse caso, o teor de enxofre deve, de preferência, ser de pelo menos 0,05%, mais preferencialmente de pelo menos 0,075%, e mais preferencialmente ainda de pelo menos 0,10%. Entretanto, os teores máximos de enxofre devem ser inferiores a 0,25%, de preferência 0,20%, e mais preferencialmente ainda 0,15%, a fim de não prejudicar a forjabilidade do aço, sua resistência à corrosão e sua tenacidade. O silício e o alumínio são elementos que contribuem para assegurar boa desoxidação do banho de aço, e sob esse aspecto, sua presença é desejável. Em particular, é preciso que os teores de silício e de alumínio sejam tais que Si + 23 x Al > 0,20% e de preferência > 0,35%. Mas os inventores descobriram que a redução ao menor nível possível do teor de silício e, em menor medida, do teor de alumínio, permite compensar parcialmente, mas de modo muto significativo, o efeito muito desfavorável de um teor elevado de cromo sobre a condutividade térmica do aço. Ora, essa má condutividade térmica dos aços com teor elevado de cromo é especialmente desfavorável nas aplicações de moldes para a moldagem por injeção de matéria plástica para as quais a evacuação eficaz do calor que permite solidificar rapidamente as peças de matéria plástica injetada constitui uma das funcionalidades importantes do processo. A fim de obter uma boa condutividade térmica é, portanto, desejável que os teores de silício e de alumínio sejam tais que: Si + 0,6 x Al < 0,25%, e de preferência < 0,17%.

Além disso, e a fim de assegurar uma aptidão à laminação ou à forja satisfatória, ou seja, que conduza a uma amplitude de temperatura de moldagem a quente suficientemente extensa para permitir em geral uma laminação em um único aquecimento, sem aquecimento intermediário, os teores de alumínio e de nitrogênio devem ser tais que: Al < 0,0020 / N, e de preferência < 0,0010 / N. De preferência, a fim de controlar o aumento de grão de modo a limitar o tamanho do grão durante o tratamento térmico e assegurar assim um tamanho de grão satisfatório depois de efetuado o tratamento de qualidade, os teores de alumínio e nitrogênio devem ser tais que: Al > 0,00025 / N e, de preferência > 0,00050 / N. O manganês é particularmente desejável para fixar o enxofre em forma de sulfetos de manganês para limitar o efeito desfavorável do enxofre sobre a fragilidade do aço. Por esse motivo, o teor de manganês deve, de preferência, ser tal que: Mn > 0,3% + 5 x S.

Além disso, o manganês aumenta a aptidão à têmpera e reduz o teor de ferritos na estrutura essencialmente martensítica obtida após a têmpera.

Por esse motivo, o teor de manganês será superior ou igual a 0,55%, de preferência superior ou igual a 0,75%, e mais preferencialmente ainda superior ou igual a 1,05%. Entretanto, quando o teor de manganês for muito elevado, esse elemento deteriora a tenacidade. Assim, o teor de manganês deverá ser inferior ou igual a 1,8%, e de preferência inferior ou igual a 1,6%. O teor de cromo, que assegura a resistência à corrosão, deverá ser superior ou igual a 11,5%, e de preferência superior ou igual a 12%.

Todavia, e a fim de limitar a presença das estruturas obtidas após a têmpera, de ferrito δ que é um constituinte macio, o teor de cromo deverá ser inferior ou igual a 16%, e de preferência inferior ou igual a 15%, mais preferencialmente inferior ou igual a 14%, e mais preferencialmente ainda inferior ou igual a 13%. O teor de cobre será inferior ou igual a 0,48%, de preferência inferior ou igual a 0,4%, e poderá mesmo ser tão baixo quanto se desejar, a fim de não deteriorar a aptidão à deformação a quente, a fim de conduzir à aparas que sejam menos difíceis de reciclar.

Como foi indicado anteriormente, embora o cobre tenha um efeito favorável sobre a resistência à corrosão e sobre o teor de ferrito δ, os inventores descobriram que era possível conservar, e até reforçar, as vantagens do teor elevado de cobre, em particular adicionando molibdênio e reduzindo assim no máximo possível o teor de silício.

Entretanto, o cobre está muitas vezes presente a título residual nas sucatas, de modo que, a fim de limitar os sobrecustos ligados à triagem das sucatas necessária para obter um teor de cobre muito baixo, pode-se admitir um teor de cobre conferido pelas sucatas superior a 0,1%, de preferência superior a 0,2%, e mesmo superior a 0,31% e mais preferencialmente ainda superior a 0,35%, O molibdênio tem a vantagem de melhorar a aptidão à tempera, o que favorece a obtenção de uma microestrutura martensítica desejável para otimizar a relação resistência à tração / tenacidade.

Esse elemento favorece também uma forte resistência ao amaciamento por revenido. Finalmente, ele contribui muito para a resistência à corrosão. Entretanto, ele é muito oneroso e favorece a formação de ferrito δ.

Assim, o teor máximo de molibdênio não será nunca superior a 0,90% e, de preferência a 0,48%, e mais preferencialmente ainda a 0,35%. A presença desse elemento não é indispensável, e seu teor mínimo pode ser simplesmente de 0% ou de traços. É preferível, porém, que o teor mínimo de molibdênio seja de pelo menos 0,10%, de preferência pelo menos 0,20%, e mais preferencialmente ainda 0,30%. O molibdênio pode eventualmente ser substituído por tungstênio à razão de 2% de tungstênio para 1% de molibdênio. Não é, porém, desejável substituir o molibdênio pelo tungstênio, em particular devido ao custo do tungstênio que é particularmente mais elevado.

Da mesma forma, o cobalto, que tem um efeito comparatível, poderia ser adicionado. Isso, porém, não é desejável, assim o teor desse elemento será inferior ou igual a 0,010%, ou seja, esse elemento ficará em estado de traço ou de impureza. O níquel é um elemento favorável à tenacidade. Além disso, é um elemento gamagênico que permite compensar os efeitos de elementos alfagênicos adicionados para reforçar a resistência à corrosão. Esse elemento pode, portanto, ser adicionado sem que sua presença seja obrigatória. Assim, o teor mínimo de níquel pode ser 0% ou de traços, mas é vantajoso que seu teor seja superior ou igual a 0,10%, e mais preferencialmente superior ou igual a 0,20%. Entretanto seu custo elevado conduz a não desejar um teor superior a 0,95%. De preferência, o teor de níquel será inferior ou igual a 0,48%. O vanádio pode estar presente no estado residual. Considerando o teor de cromo no aço, a elaboração por via clássica no forno elétrico pode conduzir a teores residuais que vão até aproximadamente 0,05%, sem garantia de valor mínimo controlado. Todavia, o vanádio pode eventualmente ser utilizado como adição controlada, para sua função endurecedora ao revenimento com um teor mínimo de 0,015%. Entretanto, devido em particular a seu custo e à sua influência desfavorável sobre a usinabilidade, é desejável que o teor de vanádio não ultrapasse 0,090%. O nióbio apresenta efeitos análogos ao do vanádio e, da mesma maneira, seu teor não deve ser superior a 0,090%. Além disso, esse elemento é desfavorável para a forjabilidade. Por isso, é desejável que seu teor seja inferior a 0,020%, e de preferência inferior a 0,010%, e mais preferencialmente ainda que esse elemento só esteja no estado de traços.

Embora a presença do titânio não seja desejável em virtude da dureza dos componentes nitrados ou carbonados de titânio que podem prejudicar significativamente a usinabilidade, esse elemento pode ser adicionado de modo opcional para assegurar o controle do aumento do grão durante os tratamentos térmicos. Nesse caso, o teor de titânio não deve ultrapassar 0,0025% e de preferência ele deverá estar compreendido entre 0,010% e 0,020%.

Além disso, e para que o tamanho dos nitretos de titânio seja baixo e em particular inferior a aproximadamente 1 mícron, é desejável que o titânio seja adicionado ao banho de aço líquido no momento da formação, de modo progressivo a partir da adição em uma escória e por transferência progressiva no contato metal/nitreto. O restante da composição é constituído de ferro e de impurezas.

Além das condições que acabam de ser indicadas sobre os teores de cada um dos elementos, é desejável que a composição seja ajustada de modo a limitar o teor de ferrito δ que não é suscetível de se transformar em martensita e cuja presença é nociva ao polimento, à resistência e à resistência à corrosão. Em particular, é desejável que a proporção de ferrito δ seja inferior ou igual a 20%, e mais preferencialmente ainda inferior ou igual a 10% em uma estrutura principalmente martensítica.

Para isso, a composição deve atender à seguinte condição: e de preferência com: Dentro desses limites, pode-se distinguir dois subdomínios. De um lado, o subdomínio que corresponde a F compreendido entre 7,0 e 8,9 que é mais favorável à boa homogeneidade do metal e à boa aptidão ao polimento, e de outro lado, o domínio que corresponde a F compreendido entre 9,0 e 11,5. Uma relação interessante corresponde a 8,5 inferior ou igual a F inferior ou igual a 10,5.

De modo geral, esse aço é elaborado pelos processos conhecidos, por exemplo no forno elétrico. Eventualmente, para adicionar titânio, adiciona-se esse elemento a uma escória e realiza-se uma transferência do titânio para o banho de aço pelo contato com metal escória, o aço líquido é fundido em forma de placas ou de lingotes que são modelados a quente, por laminação ou por forjagem. Efetua-se então um tratamento térmico constituído de uma austenização a aproximadamente 950°C seguida de um resfriamento que faz a transformação da austenita em martensita (que pode ser um simples resfriamento ao ar para espessuras inferiores a aproximadamente 100mm, ou qualquer outro meio de têmpera) e por um revenimento a uma temperatura preferencial compreendida entre 500°C e 550°C, a fim de obter uma dureza compreendida entre 250HB e 400HB e tipicamente em torno de 300HB. A seguir, as peças de molde ou de carcaças de molde são usinadas. A título de exemplo, pode-se realizar os aços cujas composições químicas estão indicadas na tabela 1. ____ Tabela 1 Nessa tabela estão também indicadas as porcentagens de ferrito δ obtida, a dureza HB obtida após um tratamento térmico de revenimento a 520°C, a condutividade térmica do aço, e um índice de corrosão igual a: Nessa tabela, o aço da primeira linha é um aço de comparação que corresponde ao estadoda técnica, e os outros aços são aços de acordo com a presente invenção.

Como se pode constatar na tabela, o teor de ferrito δ é sempre inferior a 20%, e se situa em geral em torno de 10% como para o aço do estado da técnica. A dureza HB do aço varia de 295 HB a 350 HB, o índice de resistência à corrosão varia de 14,5 a 18,2, e esse último valor é muito superior ao índice de resistência à corrosão do aço de comparação. Finalmente, a condutividade térmica varia de 22,8 W/m/°C a 26,1 W/m/°C, o que, em todos os casos, é superior, e mesmo sensivelmente superior, à condutividade térmica do aço de comparação. Além disso, a utilização do aço de acordo com a presente invenção é feita sem nenhuma dificuldade de modelagem a quente, e a forjabilidade é sempre muito satisfatória. Deve-se notar que os teores de cobre que são sempre inferiores a 0,43% se aproximam dos teores que se tornam clássicos nas sucatas, o que permite reciclar sem dificuldades as aparas de aço de acordo com a presente invenção.

Claims (10)

1. PEÇA DE MOLDE OU DE CARCAÇA DE MOLDE PARA A MOLDAGEM POR INJEÇÃO DE MATÉRIAS PLÁSTICAS, em aço inoxidável martensítico temperado e revenido cuja composição é caracterizada por compreender, em % de peso: eventualmente até 0,48% de cobre, até 0,90% da soma Mo + W/2, até 0,90% de níquel, até 0,090% de vanádio, até 0,090% de nióbio, até 0,025% de titânio, eventualmente até 0,25% de enxofre, sendo que o restante é ferro e impurezas que resultam da formação, sendo que a composição atende, ainda, a condição:

2. PEÇA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de Cu < 0,4%.

3. PEÇA, de acordo com uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo fato de Al x N > 0,00050.

4. PEÇA, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato da composição atender a pelo menos uma das seguintes condições:

5. PEÇA, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato da composição atender à condição de 7,0 < F < 8,9.

6. PEÇA, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato da composição atender à condição de 9,0 < F < 11,5.

7. PEÇA, de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de: Nb < 0,020%.

8. PEÇA, de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato da estrutura do aço conter menos de 20% de ferrito δ, sendo que o restante é martensita.

9.

PEÇA, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato da estrutura do aço conter menos de 10% de ferrito δ, sendo que o restante é martensita.