Compósito de tungstênio é utilizado na confecção de matrizes

Este artigo traz os resultados de ensaios realizados visando à elaboração de medidas para o aprimoramento da estrutura local de componentes fundidos sob pressão. Neste sentido, as propriedades do compósito de tungstênio Densimet 185 (D185) foram analisadas e comparadas com as de materiais à base de ferro.


P. Hofer, W. Gössl K., P. Tucan, R. Gschwandner, G. Schindelbacher e P. Schumacher

Data: 26/12/2016

Edição: FS Dezembro 2016 - Ano - 27 No 288

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Fig. 1 Comparaão da condutividade térmica de três materias utilizados na confecção de matrizes

O aumento da pressão de custo e as exigências cada vez maiores e que estão submetidos os fundidos sob pressão resultam na necessidade de um controle do processo eficiente.
Os geradores de custos principais são a própria ferramenta de fundição sob pressão, assim como os tempos de ciclo de moldagem demasiadamente altos.
Na prática, as ferramentas são danificadas principalmente pelos ciclos térmicos relacionados ao processo, ou seja, pela sucessão de choques térmicos causados pelo banho fundido e por choques frios provocados pela pulverização.
Os tempos de ciclo alcançáveis na fundição sob pressão são determinados adicionalmente pelo tempo de solidificação do banho na matriz.
Ambos os fatores de influência a danificação da matriz e o tempo de ciclo podem ser afetados positivamente pela utilização de materiais com alta condutividade térmica. Por este motivo, diversos fabricantes desenvolveram aços com estas propriedades, destinados à construção de matrizes de fundição sob pressão.
Além das versões convencionais à base de ferro, existe ainda uma série de materiais baseados nos metais refratários tungstênio e molibdênio. Eles apresentam alta condutividade térmica (200°C a 500°C), o que os tornam superiores aos materiais à base de ferro.
Insertos de matriz produzidos nestes materiais já são utilizados há anos, principalmente na fundição em moldes permanentes por gravidade e a baixa pressão.
As suas boas propriedades de condutibilidade térmica também tornam estes materiais cada vez mais interessantes na fundição sob pressão, apesar dos custos mais elevados.
Um destes materiais, a liga Densimet 185 (D185), à base de tungstênio, será detalhadamente examinada a seguir e comparada com os aços convencionais, utilizados na confecção de matrizes de fundição sob pressão. Esta liga é fabricada pela empresa Plansee.

Fundamentos

Dissipação de calor em ferramentas de fundição sob pressão

Fig. 2 Fases de teste e curvas de temperatura obtidos nos ensaios bancada (esquemático)

Durante a solidificação do banho fundido na matriz, o calor introduzido e transferido para o ferramental é dissipado para o ambiente ou para a termorregulagem da matriz, exclusivamente via condução térmica.
A quantidade de calor dissipada por unidade de tempo ou capacidade de transporte de calor depende dos dois parâmetros:

A condutibilidade térmica consiste em um parâmetro físico do material, que é especificado muitas vezes como uma grandeza dependente da temperatura.
A transferência de calor em uma interface entre duas matérias pode ser calculada da seguinte maneira:
Q : fluxo de calor
A: superfície da área de contato
ΔT: diferença de temperatura entre o meio e a área de contato
α: coeficiente de transmissão de calor
A condutibilidade térmica de um corpo sólido pode ser descrita pela lei de Fourier, que descreve o estado estacionário de uma parede, com determinada espessura: Q : fluxo de calor
A: superfície

ΔT: diferença de temperatura entre as duas superfícies das paredes
λ: condutividade térmica do material
A colocação dos valores numéricos nas equações mencionadas:
α: 10.000 W/m2K
A: 0,1 m2
λ: 40 W/mK
Δtk : 400 K
Δtw : 100 K
d: 0,1 m

Resulta em Q = 400 kW (equação 1); referente à quantidade de calor transferida pelo banho fundido para o aço da matriz, por unidade de tempo.

Fig. 3 Comparação dos materiais dos testes de bancada com termorregulagem, por meio de um núcleo espiral e água como meio de termorregulagem

É necessário observar que o fluxo de calor de 400 kW vale apenas para os primeiros momentos após o vazamento.
Depois do início da solidificação e formação de uma casca periférica sólida, o fluxo de calor diminui, pois a transmissão de calor do banho para a casca periférica representa outra resistência ao calor.
De acordo com a equação 2, a quantidade de calor transportada pela matriz por unidade de tempo é de 4 kW.
É evidente que o fluxo de calor transferido do banho fundido para a matriz muitas vezes é maior do que o transportado através do material da matriz.
O mesmo vale para o transporte de calor a partir da matriz, por meio refrigerante ou via pulverização. Também neste caso, a quantidade de calor dissipada através do meio é muito maior do que aquela transportada pelo material da matriz.
Isso resulta na formação de picos de temperatura na cavidade durante o enchimento e em um forte resfriamento no início da pulverização, desencadeiando o mecanismo para a ocorrência de trincas de choque térmico.
Em relação à termorregulagem da matriz, o resultado é que as capacidades de resfriamento alcançáveis e os tempos de fechamento da ferramenta ficam limitados pelo material da matriz, ou mais precisamente pela sua condutibilidade térmica.
Portanto, uma condutividade térmica elevada do material da matriz pode contribuir para um aumento dos tempos de vida útil do ferramental e uma redução dos tempos de ciclo, graças à atenuação dos picos de temperatura existentes no processo e à dissipação de calor aprimorada.

Comparação das condutividades térmicas de diferentes materiais

Fig. 4 Comparação dos materiais dos testes de bancada com termorregulagem, por meio de um núcleo espiral e óleo como meio de termorregulagem

Conforme mencionado, há diversos aços-ferramenta para fundição sob pressão disponíveis no mercado, muitos dos quais com condutividade térmica superior à do aço 1.2343.
Como exemplo, há o material HTCS 130, da empresa Rovalma, cuja condutibilidade térmica em temperaturas elevadas é próxima daquela do ferro puro.
Já os materiais à base de tungstênio ou molibdênio têm condutividade térmica superior à dos materiais ferrosos.
A figura 1 compara as con dutividades térmicas dos materiais 1.2343, HTCS 130 e D185.
Um fato particularmente marcante é que a condutibilidade térmica do material D185 não é apenas superior àquela dos materiais à base de ferro, mas também permanece quase constante em toda a faixa de temperatura. Por esse motivo, este material foi examinado de modo mais detalhado neste trabalho, com o auxílio de testes de bancada.

Ensaios experimentais

Testes de bancada

Para o teste das propriedades de transporte de calor em diferentes conceitos de resfriamento na fundição sob pressão, foi desenvolvida uma bancada de testes que possibilita a determinação do efeito de resfriamento de diferentes meios, conduções de fluxo e materiais para matrizes.
Os testes com o material D185 na bancada de teste de termorregulagem foram realizados dentro do contexto de uma série maior de testes, com diferentes materiais para matrizes.
O corpo de prova consistia em um bloco com simetria rotacional. Ele foi aquecido até 260°C, por meio de termorregulagem a óleo.
Seis cartuchos elétricos de aquecimento reproduziram a entrada de calor pelo banho fundido.
No centro do corpo de prova havia uma furação, que servia para a condução do agente de resfriamento (óleo ou água) através de diferentes componentes condutores de fluxo.
O bloco de teste estava equipado ainda com furos para um total de 18 termoelementos, que mediam a temperatura em diversas posições e distâncias da superfície do furo.
A evolução do teste é dividida em cinco fases:

  1. Preaquecimento do corpo de prova a 260°C, por meio da termorregulagem a óleo
  2. Aquecimento do corpo de prova até 350°C, por meio da termorregulagem a óleo e cartuchos de aquecimento
  3. Ligação do resfriamento interno com cartuchos de aquecimento ligados, até o alcance de uma temperatura de equilíbrio estacionária
  4. Desligamento do resfriamento interno e reaquecimento até 350°C (de modo análogo a 2)
  5. Desligamento dos cartuchos de aquecimento e ligação do resfriamento interno, até o resfriamento

A figura 2 ilustra as fases de teste individuais, assim como a curva de temperatura correspondente.
A partir da temperatura de equilíbrio (Tequ ) e da inclinação k, é da fase de teste 5 para o resfriamento em água (figura 3) e em óleo (figura 4), sempre com duas distâncias diferentes da furação para o resfriamento.

Fig. 5 Distribuição da temperatura calculada após o final da solidificação para os materiais 1.2343 (à esquerda) e D165 (à direita)

O material Densimet 185 apresentou a maior velocidade de resfriamento para ambos os agentes.
Isso pode ser atribuído à sua condutividade térmica mais elevada, em comparação com os materiais à base de ferro.
O calor é transportado mais rapidamente pelo material e transferido para o agente de resfriamento.
O efeito é tanto maior quanto o for a capacidade de dissipação de calor do agente de resfriamento. Isso porque a influência limitadora do material se torna mais perceptível quanto maior possível tirar conclusões sobre a capacidade de dissipação de calor.
Quanto menor for a temperatura de equilíbrio ou quanto maior for o valor de k, maior será a dissipação de calor.

Resultados dos testes de bancada

As figuras 3 e 4 apresentam os resultados dos testes na bancada.
Os diagramas mostram as velocidades de resfriamento (valores-k) for a diferença entre a quantidade de calor dissipada por convecção e transportada por condução.
Portanto, existe uma diferença maior entre os materiais com resfriamento em água, em comparação com aqueles com resfriamento em óleo.

Simulação Tensões térmicas em ferramentas de fundição sob pressão

Fig. 6 Material D185; tensão no sentido da superfície no final da solidificação da peça fundida (à esquerda) e após o final da pulverização (à direita)

Após a confirmação das melhores propriedades de dissipação de calor do material D185 nos testes de bancada, foi efetuado o modelamento do comportamento térmico e das tensões térmicas resultantes no processo de fundição sob pressão, por meio da simulação do princípio.
Para os materiais D185 e 1.2343, foi necessário demonstrar até que ponto as diferentes condutividades térmicas influenciam a solicitação termomecânica da matriz.
Tendo isso em vista, foi criado um modelo simples com a ferramenta de simulação Ansys Workbench 14.5.
O modelo consistia no recorte simétrico bidimensional de uma matriz de fundição sob pressão, no qual foi aplicado um banho fundido com 6 mm de espessura.
A furação de resfriamento tinha 12,5 mm de diâmetro.
Inicialmente, foi realizado um cálculo térmico transiente do campo de temperatura.
Foi utilizada uma liga modelo de alumínio.
Também foram criados dois modelos de conjuntos de dados para os materiais da matriz 1.2343 e D185.

Fig. 7 Comparação da evolução da temperatura e da tensão para os materiais 1.2343 e D185, no desenvolvimento do ciclo

As temperaturas iniciais homogêneas do banho fundido e da matriz alcançaram 650°C e 210°C, respectivamente.
A figura 5 mostra a distribuição da temperatura calculada sempre após o final da solidificação. Nas isotermas desta ilustração, é evidente que a dissipação de calor pelo material D 185 foi significativamente melhor. Isso também se manifesta no tempo de solidificação reduzido.
Em seguida, foi realizado o cálculo da tensão.
Com vistas a isso, os campos de temperatura dos passos temporais individuais da simulação térmica foram transferidos como cargas térmicas, para a simulação da tensão. Para tanto, assumiu-se um comportamento elástico linear do material.
A figura 6 mostra a tensão no final da solidificação e da pulverização para o material D185, em paralelo à superfície da matriz. A mesma ficou submetida a grandes tensões de compressão no final da solidificação, de acordo com a aplicação da temperatura na superfície.
Após a ejeção e pulverização subsequente, houve uma reversão do gradiente de temperatura e também do estado de tensão.
A superfície da matriz apresentou fortes tensões de tração.
A figura 7 compara as evoluções da temperatura e da tensão para os materiais 1.2343 e D185.
Ao analisá-la, fica evidente que o material D185 apresentou picos de temperatura atenuados, em comparação com o material 1.2343, tanto na solidificação como após a pulverização. Como consequência disso, os picos de tensão também ficaram menores.

Conclusões

Em virtude da condutibilidade térmica maior do material Densimet 185, em comparação com o aço, o seu transporte de calor foi melhor durante o resfriamento. Os seus picos de temperatura e de tensão também foram menores durante o ciclo de fundição sob pressão.
Os trabalhos realizados permitiram as seguintes conclusões:

É importante observar que não foi possível estabelecer uma previsão direta da avaria da matriz e da sua vida útil a partir da simulação da tensão, pois os diferentes comportamentos de fadiga termomecânicos dos materiais não foram levados consideração.
No entanto, é possível esperar uma influência positiva, devido aos picos de tensão atenuados.