ES2812501T3

ES2812501T3 - Moldes de hueco de bajo CTE con superficie texturizada y método de fabricación y utilización de los mismos

Info

Publication number: ES2812501T3
Application number: ES10786903T
Authority: ES
Inventors: Matthew Shade; Grigoriy Grinberg
Original assignee: Genius Solutions Eng Co; Genius Solutions Engineering Co
Current assignee: Genius Solutions Eng Co; Genius Solutions Engineering Co
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: US20120139160A1; WO2010144786A3; WO2010144786A2; EP2440681A4; JP2012530001A; EP2440681A2; CN102575332A; EP2440681B1; JP5748150B2; RU2011151789A; US10435780B2; RU2532190C2; CN102575332B

Abstract

Una herramienta (20, 30) de rotomoldeo que tiene una superficie texturizada, comprendiendo la herramienta: Una carcasa que tiene; una porción (22, 32) del cuerpo; y una superficie (24, 34) superior del molde que tiene una textura (26, 36) en veta, y que ha sido sometida a un tratamiento de nitruración para proporcionar una superficie superior de la herramienta con una microdureza Knoop superior a la dureza Vickers del cuerpo, según se midió por el Método de Prueba ASTM No. E-384; al menos la porción del cuerpo que comprende una aleación de níquel hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de como máximo 9.0 x 10-6 °C-1 a temperaturas entre 38 ° y 260 °C, en la que la aleación de níquel hierro comprende: níquel en una cantidad que varía de 30 % en peso a 38 % en peso; de 0 % en peso a 6.0 % en peso de cobalto; de 0.05 % en peso a 0.3 % en peso de silicio; de 0.05 % en peso a 0.2 % en peso de aluminio; de 0 % en peso a 0.1 % en peso de cobre; de 0.3 % en peso a 0.6 % en peso de manganeso; de 0 % en peso a 0.07 % en peso de carbono; de 0.005 % en peso a 0.03 % en peso de azufre; de 0.01 % en peso a 0.4 % en peso de cromo; de 0 % en peso a 0.1 % en peso de circonio; de 0 % en peso a 0.1 % en peso de titanio; y hierro que es el balance.

Description

DESCRIPCIÓN

Moldes de hueco de bajo CTE con superficie texturizada y método de fabricación y utilización de los mismos

Campo técnico

La presente invención se relaciona con moldes utilizables para el moldeo por hueco hechos de un material con un bajo coeficiente de expansión térmica en el intervalo de temperatura de moldeo. La presente invención también se relaciona con métodos de fabricación y uso de los moldes.

Antecedentes

En al menos una realización, la presente invención se utiliza para moldear por hueco partes para su uso en la industria automotriz. El moldeado por hueco se utiliza comúnmente en la industria automotriz para producir revestimientos interiores de "clase A", que se usan en el interior del automóvil, tal como para instrumentos y paneles de puertas. Un proceso típico de moldeo por hueco implica colar una carga de material polimérico en polvo contra una superficie de molde calentada para formar una parte moldeada o una piel con la forma y textura deseadas. Otros procesos que utilizan un tipo similar de superficie de molde calentada se denominan comúnmente rotomoldes, moldes rotacionales y moldes de conformación en polvo.

Dependiendo del proceso y del tipo de pieza requerida, el material polimérico puede ser líquido o en polvo. En los procesos de moldeo donde se usa material polimérico en polvo, el molde se calienta para fundir el material polimérico y se enfría para curar el material polimérico. En los procesos donde se usa material polimérico líquido, el molde se calienta para curar el material polimérico y se enfría para retirar la parte. La parte moldeada se puede fabricar uniendo y sellando un extremo superior abierto de una caja de carga a un borde exterior de un extremo abierto del molde. A continuación, la caja de carga se invierte para permitir que el material polimérico dentro de la caja de carga caiga por gravedad desde la caja de carga y sobre la superficie del molde calentada. Una vez que se aplica el material polimérico a la superficie del molde calentada, la caja de carga se devuelve típicamente a su posición vertical para permitir que el exceso de material polimérico regrese a la caja de carga. A continuación, se deja que el material colado se derrita sobre la superficie calentada. Se deja solidificar el material polimérico antes de retirarlo de la superficie del molde. Además, la superficie de conformación del molde es típicamente granulada o texturizada para producir la textura deseada de la superficie de revestimiento.

Una construcción típica para un molde de hueco comprende una carcasa de metal autoportante capaz de ser calentada y enfriada. En una aplicación particular de moldeo por hueco, las temperaturas del molde pueden alcanzar hasta 260 °C (500 °F) durante la fusión del material polimérico. Típicamente, la temperatura del molde se controla mediante el uso de un sistema de tubos calentados unidos a la parte posterior del molde que hacen circular aceite caliente, sin embargo, se pueden utilizar otros métodos tales como aire caliente, infrarrojos o inducción y arena caliente para calentar el molde. Independientemente de la aplicación, el espesor de la carcasa metálica es típicamente relativamente delgado con respecto a las áreas de conformación del molde para permitir un calentamiento y enfriamiento rápidos del molde.

Típicamente, las herramientas de moldeo por hueco para automóviles están hechas de níquel. Los moldes de níquel se producen típicamente usando procesos de electrodeposición o deposición en vapor. En ambos casos, el níquel es el material deseado principalmente para la reproducción de vetas y texturas, pero también produce carcasas de moldes que tienen buena resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste y características de liberación.

Un inconveniente asociado con el uso de moldes de níquel producidos de esta manera es que el molde puede tener un ciclo de vida impredecible y, a menudo, relativamente corto. Por ejemplo, los moldes de níquel suelen tener una vida útil capaz de producir entre 1,000 y 80,000 partes, siendo las más típicas entre 30,000 y 45,000 partes. Dado que un programa de vehículo relativamente típico tiene un requisito de producción de 400,000 a 1,000,000 partes, no es raro que se necesiten hasta 50 moldes para la vida útil del programa.

El modo de ruptura principal en equipamiento con revestimiento de colada de carcasa de níquel son las tensiones residuales acumuladas que resultan de los ciclos térmicos. La tensión del ciclo térmico es el resultado del proceso de fabricación del material y el CTE (coeficiente de expansión térmica) del material que con el tiempo resulta en una grieta en el molde de níquel. El agrietamiento puede producirse por expansión y contracción térmica produciendo áreas localizadas de tensión debido a las propiedades del material y variaciones de espesor en el molde. Esto se debe al espesor del molde no uniforme resultante del procedimiento de fabricación. Las carcasas de níquel se fabrican típicamente usando un proceso de electrodeposición o deposición de vapor. Durante estos procesos, las puntas o bordes afilados del molde acumularán carga y, por lo tanto, la carcasa será más gruesa en esos lugares. Estas áreas más gruesas se expandirán a diferentes ratas a través de la superficie del molde durante el calentamiento y enfriamiento y esta variación de espesor puede producir tensión con el tiempo que da como resultado la ruptura de la carcasa. La ruptura de la cáscara a menudo es causada por el agrietamiento de la cáscara. Por ejemplo, en aplicaciones que utilizan aceite para calentar carcasas de níquel, la diferencia de CTE entre la soldadura de plata, los tubos de aceite de acero y la cáscara de níquel produce tres CTE diferentes y esta falta de coincidencia entre los tres materiales diferentes crea tensión que puede provocar agrietamiento.

Como se ha expuesto anteriormente, la vida útil de un molde de hueco de níquel es relativamente impredecible. Debido a la incertidumbre de cuándo se romperá el molde, y debido al coste asociado con el tiempo de inactividad en una línea de fabricación, los moldeadores de partes automotrices normalmente mantienen una cantidad relativamente grande de moldes a la mano con el fin de dar cuenta de, y reemplazar los moldes rotos. Además del tiempo de inactividad de fabricación asociado con el reemplazo de moldes rotos en una línea de moldeo y los costes asociados con el almacenamiento de una gran cantidad de moldes en el lugar, el coste de reemplazo de los moldes es relativamente costoso, ya que cada herramienta cuesta aproximadamente entre $50,000 y $500,000.

Por consiguiente, existe la necesidad de un molde que tenga una vida útil más larga que los moldes de níquel disponibles actualmente.

El documento US2009047167 A1 describe una aleación de hierro-níquel de baja expansión resistente a la fluencia que tiene un coeficiente medio de expansión térmica de 5x10'6/K en el intervalo de temperatura de 20 a 200 °C.

El documento JPH04263909 A describe un molde electroformado por moldeo por hueco con una superficie niquelada. Las regiones de la superficie del moldeo se enmascaran y se cubren con circonio parcialmente estabilizado, para producir áreas con diferente conductividad térmica.

Resumen

La presente invención resuelve uno o más de los problemas de la técnica anterior proporcionando, de acuerdo con la reivindicación 1, una herramienta de moldeo por hueco o una herramienta de rotomoldeo con una superficie texturizada, en la que la herramienta de moldeo comprende una carcasa que tiene una porción de cuerpo y una superficie superior del molde que tiene una textura en vetas, y que se ha sometido a un tratamiento de nitruración para proporcionar una superficie superior de la herramienta con una microdureza Knoop que es mayor a la dureza Vickers del cuerpo, comprendiendo al menos la porción del cuerpo una aleación de hierro-níquel que tiene un coeficiente de expansión térmica de como máximo 9.0 x 10'6 °C'1 a temperaturas entre 38 ° y 260 ° C. En al menos una realización, la carcasa está hecha de una aleación de níquel-hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de no más de 9x10'6 °C'1 (5x10‘6 pulg./pulg./°F) a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100° y 500 °F) teniendo la porción del cuerpo una dureza Vickers (HV) de al menos 100 HV.

En al menos una realización, la microdureza tiene un valor de 350 a 4.000 HK.

En otra realización, la aleación de níquel-hierro tiene una composición que comprende al menos 0.1 por ciento en peso de aluminio y 0.25 por ciento en peso de cromo. En otra realización, la aleación de níquel-hierro tiene una composición que comprende al menos 0.1 por ciento en peso de aluminio, 0.25 por ciento en peso de cromo y que comprende 0.1 por ciento en peso de circonio y 0.1 por ciento en peso de titanio.

Una aleación alternativa de níquel-hierro puede tener una composición que comprenda al menos 30 por ciento en peso de níquel, 0.3 por ciento en peso de aluminio y 0.7 por ciento en peso de cromo. En otra realización más, la aleación de níquel-hierro tiene una composición que comprende al menos 30 por ciento en peso de níquel, al menos 1% de cobalto y al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en aluminio, cromo, circonio, silicio y titanio.

En otra realización más, la superficie superior del molde tiene un recubrimiento dispuesto sobre ella en el que el recubrimiento tiene una microdureza de 500 a 9,000 HK.

En otra realización más, el cuerpo de la carcasa tiene una pluralidad de canales moldeados en temperatura controlada para proporcionar medios calientes, tales como aceite, a través de ellos para calentar la carcasa.

En otra realización más, el cuerpo de la carcasa tiene una pluralidad de aletas o ranuras sobre la parte trasera de la carcasa para proporcionar medios calientes, tales como aire, a través del mismo para calentar la carcasa de manera más eficaz.

De acuerdo con la reivindicación 1, la aleación de níquel-hierro tiene una composición que comprende al menos 30% en peso de níquel, 0.05% en peso de aluminio y 0.01% en peso de cromo.

Una aleación alternativa de níquel-hierro que no está de acuerdo con la invención puede tener una composición que comprenda al menos 30% en peso de níquel, 0.05 a 0.75% en peso de aluminio y 0.01 a 1.5% en peso de cromo.

En un aspecto, la porción del cuerpo tiene una primera dureza que tiene una dureza Vickers (HV) de al menos 100 y la superficie superior tiene una segunda dureza que es mayor que la primera dureza y un espesor de como máximo 1.5 mm. En algunos de estos aspectos, la primera dureza es de 100 a 350 HV y la segunda dureza es una microdureza superior a 350 dureza Knoop (HK). En algunos otros de estos aspectos, la microdureza es de 350 a 9.000 HK. En otros de estos aspectos, la microdureza es de 400 a 1500 HK. En todavía algunos otros de estos aspectos, la microdureza es de 600 a 1,000 HK. Aún en algunos otros de estos aspectos, la microdureza es de 800 a 1,000 HK. Además, en algunos otros de estos aspectos, la microdureza es de 500 a 2,000 HK.

En otros aspectos, la superficie superior tiene un espesor de 0.002 a 1.5 mm. En otro aspecto, la superficie superior tiene un espesor de 0.4 a 0.6 mm.

En ciertos aspectos, el tratamiento de nitruración es nitruración iónica.

En otros aspectos, la superficie superior del molde comprende una aleación de níquel-hierro que ha sufrido un tratamiento de aluminización y un tratamiento de nitruración.

En otros aspectos, la superficie superior del molde comprende una aleación de níquel-hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de 0.2 x 10‘6 a 7.2 x 10‘6 °C'1 (0.1 x 10‘6 a 4.0 x 10-6 pulg./pulg./°F) a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F).

En otros aspectos, la superficie superior del molde comprende un recubrimiento. En algunos de estos aspectos, el recubrimiento es un recubrimiento de nitruro. En algunos otros de estos aspectos, el recubrimiento tiene un espesor de 0.5 a 25 pm. En todavía algunos otros de estos aspectos, el recubrimiento tiene un espesor de 1 a 5 pm. Además, en algunos otros de estos aspectos, el recubrimiento tiene un espesor de 1 a 500 pm.

Las herramientas de molde alternativas pueden tener una superficie de molde superior con un recubrimiento de níquel, DLC, cromo, titanio, circonio o silicio.

En otros aspectos, la herramienta tiene un espesor de 3 a 10 mm. En algunos de estos aspectos, la herramienta tiene un espesor de 3.5 a 4.5 mm. En algunos otros de estos aspectos, el espesor es uniforme en toda la herramienta. En otros aspectos, el coeficiente de expansión térmica a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100° y 500 °F) es como máximo 4.5 x 10'6 ° C'1 (2.5 x 10'6 pulg./pulg./°F).

En otros aspectos, el coeficiente de expansión térmica a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F) es como máximo 2.7 x 10'6 °C-1 (1.5 x 10'6 pulg./pulg./°F). En otros aspectos más, la textura en veta tiene una profundidad de 0.005 a 1.0 mm. En algunos de estos aspectos, la textura en veta tiene una profundidad de 0.1 a 0.4 mm.

En otros aspectos, se proporciona un proceso para fabricar una herramienta de moldeo de partes interiores automotrices de acuerdo con la reivindicación 7, comprendiendo el proceso (a) proporcionar una pieza en bruto de herramienta de aleación de níquel-hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de como máximo 9.0 x 10'6 °C'1 (5.0 x 106 pulg./pulg./°F) a temperaturas entre 38 ° C y 260 ° C (100 ° y 500 ° F); (b) mecanizar la pieza en bruto de herramienta a una forma de herramienta que tenga una superficie de molde superior y una porción de cuerpo subyacente; y (c) crear una textura en veta en la superficie superior del molde.

El proceso comprende además realizar un tratamiento superficial sobre la superficie superior del molde para proporcionar una superficie superior de la herramienta con una microdureza Knoop que es mayor que la dureza Vickers del cuerpo.

En otros aspectos más, la aleación de níquel-hierro tiene una composición que comprende al menos 30% en peso de níquel, 0.05% en peso de aluminio y 0.01% en peso de cromo.

En otros aspectos, el mecanizado de la pieza en bruto de herramienta incluye el mecanizado de la pieza en bruto de herramienta con una máquina de control numérico calculado (CNC).

En otros aspectos, el mecanizado de la pieza en bruto de herramienta incluye el uso de una máquina de descarga eléctrica.

En ciertos aspectos, el mecanizado CNC comprende mecanizar en al menos 5 ejes. En ciertos aspectos, la creación de la textura en veta comprende grabar con ácido la superficie superior del molde. En otros aspectos, crear la textura en veta comprende grabar con láser la superficie superior del molde.

En ciertos aspectos, la textura en veta tiene una profundidad de 0.005 a 1.0 mm, y en otros aspectos, la textura en veta tiene una profundidad de 0.1 a 0.4 mm.

En ciertos aspectos, el tratamiento superficial comprende la nitruración iónica de la superficie superior del molde. En otros aspectos, el tratamiento superficial comprende aluminizar la superficie superior del molde y luego nitrurar la superficie superior del molde.

En otros aspectos, el tratamiento superficial comprende aplicar un recubrimiento a la superficie superior del molde. En algunos de estos aspectos, el recubrimiento comprende un nitruro.

En métodos alternativos, un recubrimiento puede comprender níquel, DLC, cromo, titanio, circonio o silicio. Ciertos recubrimientos se pueden aplicar usando galvanoplastia, chapado sin electricidad, CVD o PVDA que puede no afectar la textura en veta. Un tratamiento de superficie puede comprender galvanoplastia con níquel o niquelado no electrolítico con un espesor de 1 a 500 pm sobre la superficie superior del molde.

En al menos un aspecto, el tratamiento superficial proporciona a la superficie superior un valor de microdureza Knoop de 350 a 4.000 h K. En algunos de estos aspectos, el tratamiento superficial proporciona a la superficie superior un valor de microdureza Knoop de 500 a 2.000 HK, en otros aspectos, con un valor de microdureza Knoop de 400 a 1.500 HK, y en otros aspectos con un valor de microdureza Knoop de 600 a 1000 HK.

En al menos un aspecto, la superficie superior del molde tiene un espesor de hasta 1.5 mm. En otros aspectos, la superficie superior del molde tiene un espesor de 0.2 a 1.0 mm y en otros aspectos de 0.4 a 0.6 mm.

En ciertos aspectos, el recubrimiento tiene un espesor de 0.5 a 12 pm, y en otros aspectos, de 1 a 5 pm. En ciertos aspectos, la carcasa tiene un espesor de 3 a 10 mm, y en otros aspectos de 3.5 a 4.5 mm.

En ciertos aspectos, el espesor de la carcasa es uniforme en todas partes.

En ciertos otros aspectos, la aleación tiene un coeficiente de expansión térmica a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F) de como máximo 4.5 x 10-6 °C-1 (2.5 x 10-6 pulg./pulg./°F), y en otros aspectos, un coeficiente de expansión térmica a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F) es como máximo 2.7 x 10-6 °C-1 (1.5 x 10-6 pulg./pulg./°F).

En al menos un aspecto, se proporciona un proceso para fabricar una parte automotriz, comprendiendo el proceso proporcionar cualquiera de las herramientas de rotomoldeo descritas anteriormente; introducir material polimérico en la herramienta; calentar la herramienta; permitir que la herramienta se enfríe para formar una piel polimérica; y retirar la piel polimérica de la herramienta.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista lateral de una herramienta de moldeo de acuerdo con una realización de la presente invención;

La Figura 2 es una vista similar a la Figura 1 que ilustra otra realización de la presente invención;

La Figura 3 es una vista similar a la Figura 2 que ilustra otra realización más de la presente invención;

La Figura 4A es una vista similar a la Figura 1 que ilustra todavía otra realización más de la presente invención;

La Figura 4B es una vista similar a la Figura 1 que ilustra todavía otra realización más de la presente invención;

La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra una técnica a manera de ejemplo para realizar una realización de la presente invención;

La Figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra la fabricación de otra realización más de la presente invención; y

La Figura 7 es similar a la Figura 6 que ilustra aún otra realización de la presente invención.

Descripción detallada

Según sea necesario, aquí se divulgan realizaciones detalladas de la presente invención; sin embargo, debe entenderse que las realizaciones divulgadas son meramente ejemplares de la invención que puede realizarse de diversas formas alternativas. Las cifras no están necesariamente a escala; algunas características pueden exagerarse o minimizarse para mostrar detalles de componentes particulares. Por lo tanto, los detalles estructurales y funcionales específicos divulgados aquí no deben interpretarse como limitantes, sino simplemente como una base representativa para enseñar a un experto en la técnica a emplear de diversas formas la presente invención.

Excepto en los ejemplos, o cuando se indique expresamente de otro modo, todas las cantidades numéricas en esta descripción que indiquen cantidades de material o condiciones de reacción y/o uso deben entenderse modificadas por la palabra "aproximadamente" al describir el alcance más amplio de la invención.

También debe entenderse que esta invención no se limita a las realizaciones y métodos específicos descritos a continuación, ya que los componentes y/o condiciones específicas pueden, por supuesto, variar. Además, la terminología utilizada aquí se utiliza únicamente con el propósito de describir aspectos o realizaciones particulares de la presente invención y no pretende ser limitante de ninguna manera.

También debe tenerse en cuenta que, como se usa en la especificación y las reivindicaciones adjuntas, la forma singular "un", "una" y "el" comprenden referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Por ejemplo, se pretende que la referencia a un componente en singular comprenda una pluralidad de componentes.

Con referencia a la Figura 1, en al menos una realización, la presente invención proporciona una herramienta 10 de moldeado por hueco. La herramienta 10 de moldeado por hueco tiene una porción 12 de cuerpo y una porción 14 de superficie de molde superior. En al menos una realización, la porción 14 de superficie de molde superior tiene una textura con vetas, mostrada esquemáticamente como 16. La herramienta 10 de moldeo se puede utilizar en cualquier proceso de moldeo por hueco adecuado.

En ciertas realizaciones, las vetas 16 tendrá una profundidad o textura de 5 a 1,000 micrones, en otras realizaciones de 50 a 600 micrones y en aún otras realizaciones de 100 a 400 micrones. Aunque la herramienta 10 de moldeo puede tener cualquier espesor adecuado, en determinadas realizaciones la herramienta 10 de molde tendrá un espesor medio de 3 a 10 mm y en otras realizaciones de 3.5 a 4.5 mm con la porción 12 del cuerpo comprendiendo la mayor parte del espesor. En una realización, la herramienta 10 de moldeo tiene un espesor sustancialmente uniforme, en el que uniforme indica que ninguna porción de la herramienta tiene un espesor que varíe en más de 0.1 mm de cualquier otra porción de la herramienta. En ciertas realizaciones, la porción 14 de superficie de molde superior tiene un espesor de 0.002 a 1.5 mm, en otras realizaciones de 0.2 a 1.0 mm y en otras realizaciones de 0.4 a 0.6 mm.

La herramienta 10 mostrada en la Figura 1 se ilustra esquemáticamente para tener una forma relativamente única, sin embargo, debe entenderse que la forma de la herramienta 10 en la Figura 1 es solo para fines ilustrativos y no debe interpretarse como una limitación del lado o forma de las herramientas de moldeo de acuerdo con la presente invención en cualquier modo, conformación o forma. En ese sentido, las herramientas 10 de moldeo de la presente invención pueden usarse para fabricar partes de automóvil de cualquier forma o tamaño adecuado. Sin estar limitados, algunos ejemplos de partes adecuadas para fabricar con las herramientas de la presente invención incluyen, pero no se limitan a, paneles de instrumentos, paneles de puertas, consolas y otras partes tales como forros de techo y asientos. Las partes típicas moldeadas a partir de las herramientas de la presente invención son PVC u otro material polimérico adecuado tal como poliuretano, y tienen espesores de 0.5 a 3 mm y tienen longitudes y anchos entre 2 pulgadas y 8 pies, correspondientes a 5 cm a 2.4 m. En algunas realizaciones, las partes moldeadas pueden tener longitudes y/o anchos de 2 a 6 pies, correspondientes a 60 cm a 1.8 m.

La herramienta 10 de moldeo está hecha de un material que tiene un bajo coeficiente de expansión térmica (bajo CTE) en el intervalo de temperatura del proceso de moldeo. En al menos una realización, el material de moldeo comprende una aleación de níquel-hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de no más de 9 x 10-6 °C-1 (5x10-6 pulg./pulg./°F) a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F). En otra realización, la aleación de níquel-hierro tiene un coeficiente de expansión térmica de 0.2 x 10'6 °C'1 (0.1 x10‘6) to 7.2 x 10'6 °C'1 (4.0x10‘6) pulg./pulg./°F a temperaturas entre 38 ° C y 260 ° C (100 ° y 500 ° F), en otras realizaciones de 0.45 x 10'6 °C'1 (0.25x10‘6) a 4.5 x 10' 6 °C'1 (2.5x10'6 pulg./pulg./°F) a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F), y en aún otras realizaciones de 0.9 x 10'6 °C-1 (0.5x10-6) a 2.7 x 10'6 °C'1 (1.5x10-6 pulg./pulg./°F) a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F). En al menos una realización, la aleación de níquel-hierro tiene una dureza Vickers de al menos 100 HV según se mide mediante el Método de Prueba ASTM No. E-384. En otras realizaciones, la aleación de níquel-hierro tiene una dureza Vickers de 200 HV a 350 HV, en otras realizaciones de 200 a 325 HV y en aún otras realizaciones de 250 a 300 HV, según lo medido por el Método de Prueba ASTM No. E-384.

Si bien se puede usar cualquier material adecuado para fabricar una herramienta de moldeo, de acuerdo con la invención, la herramienta resultante comprende una aleación de níquel-hierro y tiene un coeficiente de expansión térmica de no más de 9 x 10‘6 °C_1 (5x10‘6 pulg./pulg./°F) a temperaturas entre 38 °C y 260 °C (100 ° y 500 °F) y opcionalmente una dureza Vickers de al menos 100. En una realización, la aleación de níquel-hierro tiene la siguiente composición:

Elementos % en peso

Níquel 36 % en peso

Silicio 0.25 % en peso

Aluminio 0.1 % en peso

Manganeso 0.5 % en peso

Azufre 0.02 % en peso

Cromo 0.25 % en peso

Circonio 0.1 % en peso

Titanio 0.1 % en peso

Hierro balance

Volviendo a la Figura 2, en otra realización, se proporciona una herramienta 20 de moldeo que tiene una porción 22 de cuerpo y una porción 24 de superficie de molde superior. La porción 22 de cuerpo tiene una composición y propiedades similares a las de la porción 12 de cuerpo descritas con referencia a la Figura 1. En al menos una realización, la porción 24 superior de la superficie del molde tendrá una formación de vetas representada esquemáticamente por 26. En ciertas realizaciones, las vetas 26 tendrá una profundidad o textura de 5 a 1,000 micrones, en aún otras realizaciones de 50 a 600 micrones y en aún otras realizaciones de 100 a 400 micrones. Aunque la herramienta 20 de moldeo puede tener cualquier espesor adecuado, en ciertas realizaciones la herramienta 20 de moldeo tendrá un espesor medio de 3 a 10 mm y en otras realizaciones de 3.5 a 4.5 mm con la porción del cuerpo comprendiendo la mayor parte del espesor. En una realización, la herramienta 20 de moldeo tiene un espesor sustancialmente uniforme, en el que uniforme indica que ninguna porción de la herramienta tiene un espesor que varíe en más de 0.1 mm con respecto a cualquier otra porción de la herramienta. En determinadas realizaciones, la porción 24 superior de la superficie del molde tiene un espesor de 0.002 a 1.5 mm, en otras realizaciones de 0.2 a 1.0 mm y en otras realizaciones de 0.4 a 0.6 mm.

En la realización ilustrada en la Figura 2, la porción 24 de superficie de molde superior tiene una dureza mayor que la dureza de la porción 22 de cuerpo de la herramienta 20 de molde. En esta realización, la porción 22 de cuerpo tiene una dureza de Vickers en el intervalo de 100 a 350 según lo medido por el Método de Prueba ASTM No. E-384 y la porción 24 de superficie superior tiene una microdureza en el intervalo de 350 a 2,000 HK y en aún otras realizaciones de 400 a 1,500 HK, en aún otras realizaciones de 600 a 1,000 HK, y en aún otras realizaciones de 700 a 900 HK según se midió por el Método de Prueba ASTM No. E-384. La mayor dureza de la porción 24 de superficie de molde superior se puede obtener mediante el tratamiento de la superficie de la porción 24 de superficie de molde superior. La superficie 24 de molde superior también se conoce como superficie templada endurecida.

La porción 24 de superficie de molde superior puede ser templada endurecida mediante nitruración de iones en la superficie. La nitruración de iones se conoce generalmente en la técnica y no se explicará aquí con gran detalle. Generalmente, la herramienta se expone a un proceso de nitruración de iones para proporcionar la dureza deseada de la porción 24 de superficie superior. Generalmente, la herramienta 20 se calienta y en una cámara con nitrógeno que se introduce en la cámara. Se polariza un voltaje sobre la herramienta 20 para acelerar las partículas de nitrógeno hacia la herramienta. Cuando las partículas de nitrógeno golpean el aluminio, cromo, circonio, silicio o titanio en la herramienta 20, el nitrógeno reacciona con el elemento para formar nitruro de aluminio, nitruro de cromo, nitruro de circonio, nitruro de silicio o nitruro de titanio, respectivamente, en la superficie de la herramienta 20. El nitruro de aluminio, el nitruro de cromo, el nitruro de circonio, el nitruro de silicio o el nitruro de titanio tienen una dureza mayor que la aleación de níquel-hierro que forma el resto de la porción 22 de cuerpo.

Debe entenderse que el ion nitruro provocará la formación de nitruro que se extiende o se difunde algo en el cuerpo de la herramienta, como hasta 1.5 mm en el cuerpo. La dureza de la porción nitrurada de la herramienta 20 disminuirá a medida que la profundidad del templado endurecido se extienda más hacia la porción 22 de cuerpo, de modo que típicamente la porción más dura de la herramienta estará justo en la superficie 24 de molde superior de la herramienta 20. En ese sentido, al mencionar la microdureza de la porción 24 de superficie de molde superior de la herramienta 20, debe entenderse que las medidas se están tomando solo en la superficie superior del molde y que toda la porción nitrurada de la herramienta de moldeo no necesariamente tiene la misma dureza que la de la superficie superior y, por lo tanto, la presente invención y las reivindicaciones no deben limitarse como tales. También debe entenderse que los experimentados en la técnica de la nitruración pueden incorporar otros elementos tales como carbono durante la nitruración para producir materiales de nitruro tales como carbonitruro de titanio (TiCN) y carburo de silicio (SiC). En algunas realizaciones, una porción sustancial o toda la superficie del cuerpo se someterá al proceso de nitruración, dando como resultado el templado endurecido de una porción sustancial o toda la superficie del cuerpo, no solo la superficie superior del molde.

En una realización, la aleación de níquel-hierro tiene un nivel más alto de elementos de nitruración, tales como aluminio, cromo, circonio, silicio y/o titanio para proporcionar una porción de superficie aún más dura a la herramienta. En esta realización, no de acuerdo con la invención, la aleación de níquel-hierro tiene la siguiente composición:

Elementos % en peso

Níquel 30-38 % en peso

Cobalto 0-6.0 % en peso

Silicio 0.05-0.3 % en peso

Aluminio 0.05-0.75 % en peso

Cobra 0-0.1 % en peso

Manganeso 0.3-0.6 % en peso

Carbono 0-0.07 % en peso

Azufre 0.005-0.03 % en peso

Cromo 0.01-1.5 % en peso

Circonio 0-1.5 % en peso

Titanio 0-2.0 % en peso

Hierro balance

En aún otra realización no de acuerdo con la invención, la aleación de níquel-hierro tiene la siguiente composición: Elementos % en peso

Níquel 31-37 % en peso

Cobalto 0-5.75 % en peso

Silicio 0.07-0.28 % en peso

Aluminio 0.06-0.6 % en peso

Cobre 0-0.09 % en peso

Manganeso 0.35-0.55 % en peso

Carbono 0-0.06 % en peso

Azufre 0.01-0.02 % en peso

Cromo 0.02-1.3 % en peso

Circonio 0-1.0 % en peso

Titanio 0-1.0 % en peso

Hierro balance

En aún otra realización no de acuerdo con la invención, la aleación de níquel-hierro tiene la siguiente composición:

Elementos % en peso

Níquel 36 % en peso

Silicio 0.25 % en peso

Aluminio 0.3 % en peso

Manganeso 0.5 % en peso

Azufre 0.02 % en peso

Cromo 0.7 % en peso

Circonio 0.8 % en peso

Titanio 0.5 % en peso

Hierro balance

En aún otra realización no de acuerdo con la invención , la aleación de níquel-hierro tiene la siguiente composición:

Elementos % en peso

Níquel 36 % en peso

Silicio 0.25 % en peso

Aluminio 0.5 % en peso

Manganeso 0.5 % en peso

Azufre 0.02 % en peso

Cromo 0.8 % en peso

Hierro balance

En otras realizaciones, se puede realizar un paso de pretratamiento opcional antes de la nitruración iónica para aumentar la cantidad de aluminio en el área de la superficie de la herramienta de molde. En esta realización, la herramienta 20 de molde puede someterse a aluminización antes de la nitruración iónica. La aluminización es bien conocida y, como tal, sólo se describirá aquí de forma general. Generalmente, la aluminización es un proceso químico de alta temperatura mediante el cual los vapores de aluminio se difunden en la superficie del metal base formando nuevas aleaciones aluminadas metalúrgicas. Las aleaciones de aluminuro formadas en la superficie pueden contener hasta un 20% de aluminio. Además, la aluminización se puede realizar mediante inmersión en caliente. Si bien la herramienta se puede aluminizar de cualquier manera adecuada, en una realización, la herramienta se expone a la difusión de vapor de aluminio sobre la superficie de la herramienta. Con el aumento de la cantidad de aluminio disponible para la nitruración mediante el proceso del aluminio, la herramienta 20 nitrurada con iones resultante tendrá una dureza superficial más alta que las tratadas de manera similar pero que tienen cantidades menores de aluminio. En estas realizaciones, la dureza de superficie será de 500 a 2,000 HK y en otras realizaciones de 600 a 1,500 HK y aún en otras realizaciones de 700 a 1,000 HK.

Con referencia a la Figura 3, se proporciona una herramienta 30 que tiene un recubrimiento. Esta realización difiere de la realización descrita e ilustrada con respecto a la Figura 2 en que la herramienta 30 no está tratada superficialmente, sino que tiene un recubrimiento 34 superficial depositado sobre la superficie superior del molde para crear una nueva superficie superior de la herramienta. Por ejemplo, las características del cuerpo 32 en la Figura 3 son similares a las del cuerpo 22 en la Figura 2. Típicamente, cuando se proporciona el recubrimiento 34 de superficie, la veta 36 será más profunda que aquellas en los que la superficie está templada por endurecimiento o templada por difusión. En este caso, la textura en veta superficial puede ser de al menos 200 micrones. En la realización ilustrada en la Figura 3, el recubrimiento 34 tiene un espesor de 0.1 a 25 micrones, y en otras realizaciones de 0.5 a 12 micrones, y en otras realizaciones de 1 a 5 micrones y en aún otras realizaciones de 3 a 4 micrones. Aunque la herramienta 30 de moldeo puede tener cualquier espesor adecuado, en ciertas realizaciones la herramienta 30 de moldeo tendrá un espesor promedio de 3 a 10 mm y en otras realizaciones de 3.5 a 4.5 mm con la porción 32 de cuerpo comprendiendo la mayor parte del espesor. En una realización, la herramienta 30 de moldeo tiene un espesor sustancialmente uniforme, en el que uniforme indica que ninguna porción de la herramienta tiene un espesor que varíe en más de 0.1 mm de cualquier otra porción de la herramienta.

El recubrimiento 34 puede ser cualquier recubrimiento adecuado y se puede proporcionar de cualquier manera adecuada de modo que el recubrimiento resultante tenga una microdureza de 350 a 9,000 HK, en aún otras realizaciones de 500 a 4,000 HK, en aún otras realizaciones de 600 a 2,000 HK, y en aún otras realizaciones de 700 a 1,500 HK. Los recubrimientos 34 se pueden proporcionar en cualquier proceso adecuado, tal como galvanoplastia, chapado sin electricidad, deposición física de vapor (PVD) o deposición química de vapor (CVD). Aunque puede proporcionarse cualquier recubrimiento adecuado, los ejemplos de recubrimiento adecuados incluyen nitruro de aluminio, nitruro de circonio, nitruro de silicio, nitruro de titanio y nitruro de cromo. Los recubrimientos 34 superficiales también pueden ser además de polímeros metálicos, cerámicos o de alta temperatura o combinaciones de estos recubrimientos. Los recubrimientos metálicos y cerámicos que contienen níquel, cromo, titanio, aluminio y otros metales y aleaciones se pueden utilizar para proteger y sellar la carcasa, así como mejorar las propiedades de desmoldeo. Ciertos recubrimientos, tales como galvanoplastia, varían en espesor de 1 a 500 micrones, en otras realizaciones de 5 a 200 micrones, y en otras realizaciones más de 10 a 100 micrones.

Con referencia a la Figura 4A, se proporciona una herramienta 40 de molde que comprende una carcasa 42 que tiene un elemento 52 de refuerzo ilustrado esquemáticamente y elementos de calentamiento/enfriamiento de forma generalmente rectangular cortados o colados en el mismo como se ilustra esquemáticamente en 48. Sin embargo, debe entenderse que los elementos 48 de calentamiento/enfriamiento pueden tener cualquier forma adecuada.

Con referencia a la Figura 4B, se proporciona una herramienta 41 de molde, similar a la mostrada y descrita con respecto a la Figura 1. La herramienta 41 de molde comprende una carcasa 43 que tiene elementos de calentamiento/enfriamiento de forma generalmente circular cortados o colados en el mismo como se ilustra esquemáticamente en 49. Sin embargo, debe entenderse que los elementos 49 de calentamiento/enfriamiento pueden tener cualquier forma adecuada.

Los elementos para controlar las temperaturas, tales como canales, ranuras y aletas para calentar y enfriar, se pueden incorporar al molde ya sea durante el proceso de conformación colándolos (Fig. 4B) o después de que se haya formado el molde mediante mecanizado, soldadura, soldadura blanda o soldadura fuerte a la parte posterior de la carcasa (Fig. 4A) para mejorar la eficiencia.

Con referencia a la Figura 5, se ilustra una realización para fabricar la herramienta de moldeo. Se proporciona una masa de aleación 60 de hierro y níquel. A continuación, la aleación se puede mecanizar o colar para darle la forma 70. Si bien se puede usar cualquier técnica de conformación adecuada, dos técnicas adecuadas son el corte CNC y el mecanizado por descarga eléctrica (EDM). El corte CNC es bien conocido y generalmente comprende cortar el metal a la forma y geometría deseadas. EL EDM por CNC también es bien conocido, y generalmente comprende eliminar el metal quemándolo con una descarga eléctrica.

Otra técnica para fabricar la herramienta de moldeo es colar el material a una forma casi pura. Después de la colada, el mecanizado CNC se puede utilizar para modificar aún más la forma de la herramienta a la geometría y tamaño deseados. Una vez que se ha dado forma a la herramienta, la herramienta puede experimentar un paso 72 de recocido opcional. Después del recocido opcional, el CTE del material se estabilizará o mejorará.

Por último, la herramienta tiene vetas proporcionadas sobre la superficie superior del molde. La formación de vetas se puede proporcionar de cualquier manera adecuada, tal como mediante grabado ácido, grabado con láser o grabado mecánico. La formación de vetas tendrá típicamente una profundidad de 5 a 1000 micrones, en otras realizaciones de 50 a 600 micrones, y en otras realizaciones más de 100 a 400 micrones.

Con referencia a la Figura 6, después de que se haya formado la herramienta 10, la herramienta puede sufrir un tratamiento superficial como se discutió anteriormente en el que la superficie se nitrura o se aluminiza y luego se nitrura.

Con referencia a la Figura 7, la herramienta 10 después de fabricarse puede recubrirse como se describe anteriormente.

Aunque anteriormente se describen realizaciones a manera de ejemplo, no se pretende que estas realizaciones describan todas las formas posibles de la invención. Más bien, debe entenderse que se pueden realizar diversos cambios sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Además, las características de diversas realizaciones de implementación pueden combinarse para formar realizaciones adicionales de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una herramienta (20, 30) de rotomoldeo que tiene una superficie texturizada, comprendiendo la herramienta: Una carcasa que tiene;

una porción (22, 32) del cuerpo; y

una superficie (24, 34) superior del molde que tiene una textura (26, 36) en veta, y que ha sido sometida a un tratamiento de nitruración para proporcionar una superficie superior de la herramienta con una microdureza Knoop superior a la dureza Vickers del cuerpo, según se midió por el Método de Prueba ASTM No. E-384;

al menos la porción del cuerpo que comprende una aleación de níquel hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de como máximo 9.0 x 10-6 °C-1 a temperaturas entre 38 ° y 260 °C, en la que la aleación de níquel hierro comprende:

níquel en una cantidad que varía de 30 % en peso a 38 % en peso;

de 0 % en peso a 6.0 % en peso de cobalto;

de 0.05 % en peso a 0.3 % en peso de silicio;

de 0.05 % en peso a 0.2 % en peso de aluminio;

de 0 % en peso a 0.1 % en peso de cobre;

de 0.3 % en peso a 0.6 % en peso de manganeso;

de 0 % en peso a 0.07 % en peso de carbono;

de 0.005 % en peso a 0.03 % en peso de azufre;

de 0.01 % en peso a 0.4 % en peso de cromo;

de 0 % en peso a 0.1 % en peso de circonio;

de 0 % en peso a 0.1 % en peso de titanio; y

hierro que es el balance.

2. La herramienta (20, 30) de la reivindicación 1, en la que la porción (22, 32) del cuerpo tiene una primera dureza que tiene una dureza Vickers (HV) de al menos 100, según se midió por el Método de Prueba ASTm No. E-384, y la superficie (24, 34) superior tiene una segunda dureza que es superior a la primera dureza y un espesor de como máximo 1.5 mm.

3. La herramienta (20, 30) de la reivindicación 2, en la que la primera dureza es de 100 a 350 HV y la segunda dureza es una microdureza de más de 350 a 9,000 dureza Knoop (Hk ), según se midió por el Método de Prueba ASTM No. E-384.

4. La herramienta (20, 30) de la reivindicación 1, en la que la superficie (24, 34) superior del molde comprende la aleación de níquel hierro y ha sido sometida a un tratamiento de aluminización y posterior tratamiento de nitruración.

5. La herramienta (20, 30) de la reivindicación 1, en la que la superficie (24, 34) superior del molde comprende una aleación de níquel y hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de 0.2 x 10'6 a 7.2 x 10'6 °C'1 a temperaturas entre 38 ° y 260 °C.

6. La herramienta (30) de la reivindicación 1, en la que la superficie superior del molde (34) comprende un recubrimiento de nitruro y la herramienta tiene un espesor de 3 a 10 mm.

7. Un proceso de fabricación de una herramienta de moldeo de partes para interiores de automóviles, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una pieza en bruto de herramienta de aleación (60) de níquel hierro que tiene un coeficiente de expansión térmica de como máximo 9.0 x 10-6 °C'1 a temperaturas entre 38 ° y 260 °C, en la que la aleación de níquel hierro comprende:

níquel en una cantidad que varía de 30 % en peso a 38 % en peso;

de 0 % en peso a 6.0 % en peso de cobalto;

de 0.05 % en peso a 0.3 % en peso de silicio;

de 0.05 % en peso a 0.2 % en peso de aluminio;

de 0 % en peso a 0.1 % en peso de cobre;

de 0.3 % en peso a 0.6 % en peso de manganeso;

de 0 % en peso a 0.07 % en peso de carbono;

de 0.005 % en peso a 0.03 % en peso de azufre;

de 0.01 % en peso a 0.4 % en peso de cromo;

de 0 % en peso a 0.1 % en peso de circonio;

de 0 % en peso a 0.1 % en peso de titanio; y

hierro que es el balance;

(b) mecanizar la pieza en bruto de herramienta a una forma (70) de herramienta que tiene una superficie (24, 34) de molde superior y una porción de cuerpo subyacente; y

(c) crear una textura (26, 36) en veta sobre la superficie superior del molde; y

(d) realizar un tratamiento superficial de nitruración sobre la superficie superior del molde para proporcionar una superficie superior de la herramienta con una microdureza Knoop superior a la dureza Vickers del cuerpo, según se midió por el Método de Prueba ASTM No. E-384.

8. El proceso de la reivindicación 7, en el que el mecanizado de la pieza (70) en bruto de herramienta incluye un mecanizado controlado numéricamente calculado (CNC).

9. Un proceso para fabricar una parte automotriz, comprendiendo el proceso:

proporcionar la herramienta (20, 30) de rotomoldeo de la reivindicación 1;

introducir material polimérico en la herramienta;

calentar la herramienta;

permitir que la herramienta se enfríe para formar un revestimiento polimérico; y

retirar el revestimiento polimérico de la herramienta.