Aplicação e desempenho de filme fino de DLC em pinos extratores de molde de injeção de termoplásticos

Abstract

Neste trabalho, pinos extratores de moldes de injeção de polímeros termoplásticos, produzidos originalmente em aço AISI H13 e nitretados a gás, foram revestidos com um filme fino de DLC (Diamond Like Carbon), fazendo par tribológico com buchas extratoras de aços AISI P20 e AISI H13 temperadas e revenidas. O filme fino de DLC foi depositado em uma câmara com sistema PECVD (deposição química a vapor assistida por plasma) com confinamento eletrostático. O filme de DLC apresentou uma camada uniforme, com espessura média de 3,34 μm e ausência de falhas entre o filme e o substrato após a sua deposição. Um dispositivo que simula o sistema de extração de um molde de injeção foi utilizado para testar o comportamento ao desgaste dos pares pino-bucha propostos, em função do aumento do número de ciclos. Diferentes materiais e condições de lubrificação foram testadas, buscando alternativas mais eficientes ao atual sistema que utiliza pinos nitretados a gás e graxa branca para moldes como lubrificante. Microscopia óptica (MO) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foram utilizadas para caracterização microestrutural das amostras e análise da camada de DLC. O desgaste nos pinos foi avaliado quantitativamente por perda de massa e pela medição da espessura de camada em MEV, após 100.000 ciclos. Análises da variação da rugosidade da topografia das amostras por MEV, foram realizadas para verificar os impactos do ensaio de desgaste sobre a superfície das amostras. A dureza e adesão do filme de DLC, foram medidas através de ensaios de nanodureza e nanoscratch test, respectivamente. Complementarmente, as amostras foram analisadas por nanodureza, GDOES (espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente) e o coeficiente de atrito, por ensaio de riscamento. Os resultados da perda de massa mostram que para as amostras sem a utilização de graxa lubrificante a taxa de desgaste foi consideravelmente menor. Os pinos de menor desgaste foram os dos conjuntos PS e HS, ambos sem utilização de graxa, que apresentaram uma perda de massa de 5,400 e 5,467 mg, respectivamente. Tais resultados encontrados comprovam a possibilidade de utilização de pinos com revestimento de DLC sem a utilização de graxa lubrificante em sistemas extratores de moldes de injeção e que isto ainda propicia uma redução considerável na taxa de desgaste. O principal mecanismo de desgaste dos sistemas com DLC e lubrificados foi abrasão, devido à pasta abrasiva criada com partículas de DLC e a graxa. Logo, a condição de pinos com DLC sem a graxa obteve um melhor desempenho nos testes de bancada.

In this work, extractor pins of thermoplastic polymer injection molds, originally produced in AISI H13 steel and gas nitrided, were coated with a thin film of DLC (Diamond Like Carbon), making a tribological pair with extractor bushings of AISI P20 and AISI H13 steels quenched and tempered. The DLC thin film was deposited in a PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) chamber with electrostatic confinement. The DLC film presented a uniform layer, with an average thickness of 3.34 μm and no gaps between the film and the substrate after its deposition. A device that simulates the extraction system of an injection mold was used to test the wear behavior of the proposed pin-bushing pairs, as a function of the increase in the number of cycles. Different materials and lubrication conditions were tested, looking for more efficient alternatives to the current system that uses gas nitrided pins and white grease for molds as a lubricant. Optical microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) were used for the microstructural characterization of the samples and analysis of the DLC layer. Wear on the pins was quantitatively evaluated by mass loss and by measuring the layer thickness in SEM after 100,000 cycles. Analysis of the roughness variation of the topography of the samples by SEM was carried out to verify the impacts of the wear test on the surface of the samples. The hardness and adhesion of the DLC film were measured through nanohardness and nanoscratch tests, respectively. In addition, the samples were analyzed by nanohardness, GDOES (glow-discharge optical emission spectroscopy), and the friction coefficient, by scratching test. The mass loss results show that for the samples without the use of lubricating grease, the wear rate was considerably lower. The pins with the least wear were those of the PS and HS sets, both without the use of grease, which showed a mass loss of 5,400 and 5,467 mg, respectively. These results prove the possibility of using DLC coated pins without the use of lubricating grease in injection mold extractor systems and that this still provides a considerable reduction in the wear rate. The main wear mechanism for DLC and lubricated systems was abrasion, due to the abrasive paste created with DLC particles and the grease. Therefore, the condition of pins with DLC without the grease had a better performance in the bench tests.