ANÁLISE DE FALHAS COMO FERRAMENTA PARA MELHORIA DE QUALIDADE EM MOLDES E MATRIZES

ANÁLISE DE FALHAS COMO FERRAMENTA PARA MELHORIA DE QUALIDADE EM MOLDES E MATRIZES Prof. Dr. Rafael A. Mesquita Universidade Nove de Julho Mestrado em Engenharia de Produção Linha de Pesquisa em Qualidade 1º Congresso de Inovação, Tecnologia e Sustentabilidade Agosto de 2010

AGENDA 1. INTRODUÇÃO 1.1 Falhas em Aços Ferramenta x Aplicações Estruturais e de Mecânicas 1.2 Tipos de Aços Ferramenta 1.3 Solicitações em Aços Ferramenta 2.FALHAS EM AÇOS PARA TRABALHO A FRIO 2.1 Tipos de Aços e Propriedades 2.2 Falhas Relativas ao Projeto 2.3 Retífica e Eletroerosão 2.4 Procedimento Incorreto 2.5 Revenimento Curto 2.6 Austenita Retida 3. FALHAS EM AÇOS PARA TRABALHO A QUENTE 3.1 Tipos de Aços e Propriedades 3.2 Temperatura e Tempos Incorretos 3.3 Excesso de Dureza 3.4 Resfriamento Lento na Têmpera 3.5 Aquecimento Excessivo 3.6 Nitretação 4. FALHAS EM AÇOS MOLDES DE PLÁSTICO 4.1 Pirâmide de Valor 4.2 Eletroerosão 4.3 Corrosão 4.4 Polimento 4.5 Texturização 5. CONCLUSÕES

1. INTRODUÇÃO

1.1 Falhas em Aços A Ferramenta x Aplicações Estruturais e de Mecânicas Mississippi River Bridge Collapse Minneapolis, 2007 Die-Casting Die after Failure Qual a Semelhança? Qual a Diferença? FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

1.2 Tipos de Aços A Ferramenta Moldes para Plástico Moldes para Fundição Moldes para Forjamento Ferramentas de Extrusão Ferramentas de Conformação a Frio Ferramentas de Corte e Usinagem FONTE: www.villaresmetals.com.br

1.3 Solicitações em Aços A Ferramenta Trabalho a Quente Resistência a Quente Resistência ao Revenido Tenacidade Condutividade Térmica Temperabilidade Resposta ao Tratamento Térmico Resistência à Fadiga Térmica Resistência ao Desgaste Usinabilidade + Outros fatores: Isotropia e Custo FONTE: MESQUITA, R. A. HADDAD, P. T. Propriedades Fundamentais dos Aços Ferramenta para Matrizes de Forjamento. In: 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento, 2009, Porto Alegre. 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento. Porto Alegre, 2009. v. 1. p. 55-66.

1.3 Solicitações em Aços A Ferramenta Trabalho a Frio Resistência Mecânica (Dureza) Resistência ao Desgaste Adesivo Resistência ao Desgaste abrasivo Tenacidade Resposta ao Tratamento Térmico Retificabilidade Usinabilidade + Custo FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Avaliação das propriedades de desgaste e tenacidade em aços para trabalho a frio. Tecnologia em Metalurgia e Materiais (São Paulo. Impresso), v. 2, p. 12-18, 2005.

1.3 Solicitações em Aços A Ferramenta Moldes para Plástico Resistência Mecânica + Temperabilidade Usinabilidade Polibilidade Resposta à Texturização Soldablildade Condutividade Térmica Resposta à Tratamentos de Superfície Facilidade Eletroerosão + Custo FONTE: HIPPENSTIEL, FRANK. Haddbook of Plastic Mould Steels, editado por Edelstahlwerke Buderus AG, 2001. p. 18.

2. FALHAS EM AÇOS A PARA TRABALHO A FRIO

2.1 Aços A e Propriedades Aços Empregados (composição Química) FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.1 Aços A e Propriedades Microestruturas e Resposta ao Tratamento Térmico D6 D2 FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355. 8%Cr 01

2.1 Aços A e Propriedades Resistência ao Desgaste Abrasivo Exemplo: desgaste por partícula abrasiva. 50 HRC 60 HRC 60 HRC Desejado: matriz de alta dureza e carbonetos primários não dissolvidos FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Aços Aplicados em Ferramentas de Corte e Ferramentas de Conformação a Frio, Cintec, Sociesc, 2004, Chapecó. FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Powder Metallurgy and Spray Formed 10%V Cold Work Tool Steels, A Comparison. In: PM 2004 - Powder Metallurgy World Congress & Exhibition, 2004, Vienna. Proceedings of Euro PM 2004, 2004. v. 5. p. 53-64.

2.1 Aços A e Propriedades Resistência ao Desgaste Adesivo Depende da dureza da matriz e carbonetos primários de alta dureza. Propriedade fundamental do aço ferramenta: processo muito utilizado. Depende da tenacidade (microlascamentos) Abrasão Aço ferramenta chapa FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Aços Aplicados em Ferramentas de Corte e Ferramentas de Conformação a Frio, Sintec, 2004, Chapecó. Adesão FONTE: Steels for Cold Work Tooling, Datasheets, Uddeholm Tooling, Hagfors, Sweden, 2002.

2.2 Falhas Relativas ao Projeto Fragilidade Intrínseca 16 Charpy V-notched Impact, J 14 12 10 8 6 4 2 HRC: 0 O2 60 D3 61,5 D2 60 A2 61 H13 47,5 S7 56,5 FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.2 Falhas Relativas ao Projeto Exemplos de Falhas FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.3 Falhas por Retífica e Eletroerosão Alta Dureza Após Têmpera Comparação... * Aço A o 1.2738 (P20): ~ 0,4 %C ~ 60 HRC * Aço A o 1.2711: ~ 0,6 %C 64 HRC * VP100 ~ 0,29 %C 45 HRC (menor dureza, gerando melhor soldabilidade) FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.3 Falhas por Retífica e Eletroerosão Exemplos de Falhas Retífica FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.3 Falhas por Retífica e Eletroerosão Exemplos de Falhas Eletro-Erosão Procedimento: remoção por polimento + novo revenimento FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.4 Falhas por Procedimento Incorreto Dureza não é condição de bom desempenho! FONTE: MESQUITA, R. A. ; LEIVA, D. R. ; BARBOSA, C. A.. Estudos de Tratamento Térmico nos Aços Ferramenta VH13ISO e VF800AT. In: 3o Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes, 2005, São Paulo. Anais do 3o Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes, 2005. p. 30-40-CDROM

2.5 Falhas por Revenimento Curto ou Inexistente FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.6 Falhas por Excesso de Austenita Retida O que é Austenita Retida? Austenita Retida FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

2.6 Austenita Retida Falhas em Aços para Trabalho a Frio FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355. Também causa instabilidade dimensional

3. FALHAS EM AÇOS A PARA TRABALHO A QUENTE

3.1 Aços A e Propriedades Aços Empregados (composição Química) FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

3.1 Aços A e Propriedades Resposta ao Tratamento Térmico Hardness (HRC) 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 H13 DIN 1.2714 (~6F3 or L6) H11 VHSUPER H21 400 450 500 550 600 650 Tempering Temperature ( C) FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

3.1 Aços A e Propriedades Resistência ao Revenido 47 550ºC 45 Dureza (HRC) 43 41 39 37 TENAX 300 AISI H11 AISI H13 600ºC 35 33 0,1 1 10 100 Tempo (h) Importante: parâmetro de revenimento (T e t); Elementos importantes: Mo/W e V. FONTE: MESQUITA, R. A. HADDAD, P. T. Propriedades Fundamentais dos Aços Ferramenta para Matrizes de Forjamento. In: 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento, 2009, Porto Alegre. 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento. Porto Alegre, 2009. v. 1. p. 55-66.

3.1 Aços A e Propriedades Tenacidade Segurança (contra ruptura catastrófica ou lascamentos) Trincamentos Grosseiros Possibilitar Dureza Resistência à Fadiga Térmica. TENACIDADE Qualidade do Aço Ferramenta FONTE: MESQUITA, R. A. HADDAD, P. T. Propriedades Fundamentais dos Aços Ferramenta para Matrizes de Forjamento. In: 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento, 2009, Porto Alegre. 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento. Porto Alegre, 2009. v. 1. p. 55-66.

3.2 Falhas Relativas a Temperaturas e Tempos Incorretos Unnotched Impact Toughness (J) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 350 J 44,5 HRC 208 J 1 2 Hard. 1020ºC Temp. 610ºC 42 HRC Hard. 890ºC Temp. 250ºC Impact Strength Hardness after Aging 35 J 3 Hard. 1150ºC Temp. 640ºC 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 Hardness After 10h at 550ºC (HRC) (initial hardness = 45 HRC) FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

3.3 Falhas por Dureza Excessivamente Alta FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

3.4 Falhas por Resfriamento Lento (Têmpera) +600% FONTE: MESQUITA, R. A. HADDAD, P. T. Propriedades Fundamentais dos Aços Ferramenta para Matrizes de Forjamento. In: 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento, 2009, Porto Alegre. 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento. Porto Alegre, 2009. v. 1. p. 55-66.

3.5 Falhas por Aquecimento Excessivo Exemplo de Falha FONTE: MESQUITA, R. A. HADDAD, P. T. Propriedades Fundamentais dos Aços Ferramenta para Matrizes de Forjamento. In: 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento, 2009, Porto Alegre. 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento. Porto Alegre, 2009. v. 1. p. 55-66.

3.5 Falhas por Aquecimento Excessivo Resistência ao Revenido 800 700 Dureza núcleo 53 HRC 600 FONTE: MESQUITA, R. A. HADDAD, P. T. Propriedades Fundamentais dos Aços Ferramenta para Matrizes de Forjamento. In: 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento, 2009, Porto Alegre. 29º Senafor e 13º Conferência Internacional de Forjamento. Porto Alegre, 2009. v. 1. p. 55-66. Dureza (HV) 500 400 300 ~ 42 HRC 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Distância da Superfície (mm)

3.6 Nitretação Exemplo de Falha FONTE: MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A.. Failure Analysis in Tool Steels. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. Ohio: Material Park - ASM, 2008, v., p. 311-355.

3.6 Nitretação Exemplo de Melhoria FONTE: MESQUITA, R. A. Relatório RT 04/2010 RAF CONSULTORIA

4. FALHAS EM AÇOS A PARA MOLDES

4.1 Pirâmide de Valor - Conformação de polímeros termoplásticos. - Importância dos Aspectos Superficiais. - Aplicações típicas: Injeção, Extrusão e Sopro. - Propriedades Importantes= Propriedades de Manufatura: * Usinabilidade * Polibilidade * Resp. Trat. Térmico Outras: Resposta a Nitretação, Reparo por Solda, Resistência à Corrosão, FONTE: MESQUITA, R. A. ; Desenvolvimentos em Aços Ferramenta para Moldes de Plástico, Cintec 2006 Plásticos, Sociesc, Joinville.

4.2 Falhas por Eletroerosão FONTE: HIPPENSTIEL, FRANK. Haddbook of Plastic Mould Steels, editado por Edelstahlwerke Buderus AG, 2001. 294 p.

4.2 Falhas por Eletroerosão FONTE: HIPPENSTIEL, FRANK. Haddbook of Plastic Mould Steels, editado por Edelstahlwerke Buderus AG, 2001. 294 p.

4.3 Corrosão FONTE: HIPPENSTIEL, FRANK. Haddbook of Plastic Mould Steels, editado por Edelstahlwerke Buderus AG, 2001. 294 p.

4.4 Polimento Exemplo de Melhoria O problema predominante no polimento é predominado overpolishing. Overpolishing éo termo utilizado quando a superfície polida se torna pior do que ao longo do polimento. Basicamente dois fenômenos aparecerem quando a superfície é sobre-polida (overpolished): casca de laranja (orange peel) e pites (pitting, pin holes). Overpolishing freqüentemente ocorre em conecção com polimento por máquina. Efeito casca de laranja Orange Peel. A aparência irregular e áspera da superfície, a qual é normalmente chamada de casca de laranja, depende de um grande número de causas. A causa mais comum é o sobre aquecimento ou sobre carburização no tratamento térmico em combinação com alta pressão e prolongado polimento. Um material mais duro pode resistir melhor a uma alta pressão de polimento, enquanto em materiais mais macios o sobre polimento é mais fácil. Estudos têm mostrado que o efeito do sobre polimento ocorre em diferentes tempos de polimento para diferentes durezas. A reação normal de quem observa esta superfície deteriorada é aumentar a pressão de polimento e continuar o processo. Tal ação resultará inevitavelmente no avanço da deterioração da superfície. P20 A2 FONTE: Steels for Molds, Datasheets, Uddeholm Tooling, Hagfors, Sweden, 2002.

4.4 Polimento Pitting de Polimento Pites Pitting. Vários pequenos pontos presentes na superfície polida geralmente resultam de inclusões de escória (não metálicos) em forma de óxidos frágeis e duros, os quais são arrancados da superfície no polimento. Uma das maneiras de minimizar os pites é selecionar aços para moldes com alto grau de pureza, os quais tenham sido submetidos a degasagem a vácuo, refusão a vácuo sob escória eletrocondutora (ESR) e refusão a arco sob vácuo (VAR) durante a produção. O processo de polimento é também importantíssimo, pois o pite formado pela remoção da inclusão pode aumentar significativamente seu tamanho em processos inadequados. FONTE: Polishing Mold Steels, Datasheets, Uddeholm Tooling, Hagfors, Sweden, 2002.

4.5 Texturização Utilizada por efeitos estéticos ou para manuseio das peças plásticas. Avalia a facilidade em realizar a texturização do molde; Importante: homogeneidade de dureza e composição química Fenômeno de corrosão: depende da composição química e da condição microestrutural (tratamento térmico, solda, eletroerosão, encruamento). Também depende do modo de processo de texturização. FONTE: MESQUITA, R. A. ; Desenvolvimentos em Aços Ferramenta para Moldes de Plástico, Cintec 2006 Plásticos, Sociesc, Joinville.

4.5 Texturização Questões Críticas Condição de Ataque (processo texturização) Dureza (ex. H13) Tipo de Aço Sugestão: estabelecer itens de controle do texturizador: ex.: tipo de ácido (ph), procedimento, temperatura, superfície prévia. FONTE: Fauts During Photo-Etching of Mold Steels, Thyssen Edelst. Tech. Ber. Special Issue, 1990, p. 73-81. VP20 ISO 32 HRC, 60 mícrons VH13 TIM 32 HRC, 30 mícrons

4.5 Texturização Texturização e Solda P20 VP50IM

5 CONCLUSÕES Em aços para trabalho a frio, as principais falhas relacionam-se à trincas ou redução na resistência ao desgaste. Em trabalho a quente, o aquecimento tem também grande influência, porém as questões de trincas são igualmente importantes. Para moldes de plásticos, os aspectos de superfície são os mais importantes. Na maioria das situações, o procedimento correto de tratamento térmico é a única garantia de resultados adequados. Em resumo: A análise de falhas pode ser empregada como melhoria do desempenho de ferramentas, moldes e matrizes.

OBRIGADO PELA ATENÇÃO! Prof. Dr. Rafael Mesquita rafael.mesquita@uninove.br