Какие материалы используются для пресс-форм литья под давлением из алюминия?

Литье под давлением из алюминия — это популярный производственный процесс для точного изготовления металлических деталей со сложной геометрией, гладкими поверхностями и высокой размерной точностью. При литье под давлением расплавленный алюминий под высоким давлением впрыскивается в многоразовые формы, называемые пресс-формами, для формирования желаемой формы детали.

Материал, используемый для изготовления пресс-формы, имеет решающее значение для достижения оптимального качества, долговечности и производительности при литье под давлением из алюминия. В этой статье рассматриваются наиболее распространенные и подходящие материалы для пресс-форм, требуемые свойства, ключевые соображения при выборе материала пресс-формы, используемые поверхностные покрытия и обработки, а также этапы механической обработки пресс-форм.

Пресс-формы для литья под давлением, также называемые штампами, должны выдерживать высокое давление, температуры и циклы термической усталости, присущие процессу литья под давлением. Использование материалов с подходящими свойствами имеет решающее значение для достижения хорошего срока службы и производительности пресс-формы. В этой статье рассматриваются распространенные марки, механические свойства, термостойкость, твердость и ожидаемый срок службы пресс-формы для различных инструментальных сталей, горячештамповых сталей, мартенситно-стареющих сталей, кобальтовых и никелевых сплавов, используемых для литья под давлением. Ключевые соображения при выборе материала пресс-формы, используемые поверхностные покрытия и обработки, а также этапы механической обработки пресс-форм.

Желаемые свойства для пресс-форм литья под давлением

Интенсивные условия высокого давления и тепла при литье под давлением из алюминия предъявляют значительные требования к материалу пресс-формы. Желаемые свойства включают:

- Высокую твердость и термостойкость для сопротивления эрозии и деформации

- Высокую прочность на сжатие и усталостную прочность для выдерживания сил зажима

- Отличную теплопроводность для облегчения охлаждения и затвердевания

- Достаточную вязкость и пластичность для сопротивления растрескиванию и разрушению

- Отличную обрабатываемость и полируемость для создания гладких полостей

- Размерную стабильность при изменениях температуры

- Коррозионную стойкость против горячего алюминия и газов

Распространенные используемые материалы для пресс-форм

Инструментальные стали для литья под давлением

Инструментальные стали обычно используются для пресс-форм литья под давлением благодаря их отличному балансу свойств, обрабатываемости и экономической эффективности. Типичные марки включают:

- A2: Инструментальная сталь воздушной закалки с 5% хрома. Твердость около 60-62 HRC. Хорошая вязкость и стабильность для пресс-форм литья под давлением малого и среднего размера.

- A6: Аналогична A2 с добавлением ванадия для лучшей износостойкости и стабильности. Твердость около 62-64 HRC. Используется для пресс-форм среднего размера.

- D2: Инструментальная сталь для холодной обработки с 12% хрома и 1% молибдена. Достигает твердости до 62 HRC. Более высокая вязкость, чем у A2, но менее стабильна. Используется для небольших пресс-форм литья под давлением.

- H13: Хромомолибденовая горячештамповая инструментальная сталь. Наиболее часто используемая инструментальная сталь для литья под давлением. Твердость около 52-54 HRC. Баланс термостойкости, вязкости и стабильности. Используется для пресс-форм от малых до больших размеров.

Пресс-формы из инструментальной стали могут выдерживать температуры литья под давлением из алюминия примерно до 700-1000°F. Ожидаемый срок службы пресс-формы составляет от 50 000 до 200 000 циклов в зависимости от марки и сложности.

Горячештамповые инструментальные стали

Горячештамповые инструментальные стали выдерживают более высокие температуры литья под давлением, сохраняя прочность и твердость при температурах выше 1000°F. Распространенные марки включают:

- H11: Хромомолибденованадиевый сплав. Твердость около 50-52 HRC. Выдерживает температуры до 1400°F. Используется для пресс-форм из алюминия среднего размера.

- H13: Самая известная горячештамповая сталь. 5% хрома с добавками молибдена и ванадия. Твердость около 52-54 HRC. Сохраняет прочность до 1500°F. Отличный баланс свойств для широкого спектра пресс-форм литья под давлением.

- H19: Высококачественная вольфрамомолибденованадиевая сталь. Твердость 55-57 HRC. Сопротивляется разупрочнению до 1500°F. Используется для сложных отливок с тонкими стенками и сложной геометрией.

- H21: Модифицированный сплав 4Cr-2Mo-V. Более высокая твердость 55-58 HRC с термостойкостью, аналогичной H13. Улучшенная износостойкость, но меньшая вязкость. Используется для требовательных применений.

Горячештамповые стали обеспечивают срок службы пресс-формы от 200 000 до 500 000 циклов для типичных применений литья под давлением из алюминия. Термостойкость позволяет литье сплавов с более высокой температурой плавления.

Мартенситно-стареющие стали

Мартенситно-стареющие стали — это сверхвысокопрочные мартенситные стали, которые достигают замечательных механических свойств за счет интерметаллического дисперсионного упрочнения. Марки включают:

- 250: Сплав 17Ni-8Co-4Mo-Ti, состаренный до 50-55 HRC. Прочность до 300 ksi. Выдерживает свыше 2000°F. Используется для высоконагруженных пресс-форм.

- 300: Сплав 18Ni-8Co-5Mo-Ti, состаренный до 52-56 HRC. Прочность до 350 ksi. Аналогичная термостойкость. Известна для высоконагруженных, сложных пресс-форм литья под давлением.

- 350: Сплав 18.5Ni-8.5Co-4.8Mo-Ti, состаренный до 54-58 HRC. Прочность до 400 ksi. Сопротивляется температурам, превышающим 2100°F. Используется для очень требовательных применений.

Мартенситно-стареющие стали обеспечивают срок службы пресс-формы свыше 500 000-1 000 000 циклов. Сверхвысокая прочность позволяет минимизировать размер и вес пресс-формы. Однако высокое содержание легирующих элементов делает мартенситно-стареющие стали дорогими.

Кобальтовые сплавы

Кобальтовые сплавы предлагают отличное сочетание высокой твердости при нагреве, стойкости к термической усталости и термостойкости. Марки включают:

- Stellite 6B: Кобальтохромовый сплав с вольфрамом, молибденом и углеродом. Твердость около 52 HRC. Прочность сохраняется за пределами 1600°F. Сопротивляется термическому удару и эрозии металла. Ниже стоимость по сравнению с никелевыми сплавами. Используется для умеренно сложных пресс-форм.

- Stellite 20: Кобальтохромовый сплав, модифицированный вольфрамом и углеродом. Твердость около 40-50 HRC. Выдерживает свыше 2000°F. Лучшая стойкость к эрозии, но меньшая прочность по сравнению с Stellite 6B. Используется для пресс-форм длительных производственных циклов.

- Stellite 21: Кобальтоникельхромовый сплав, состаренный до 50-54 HRC. Самый прочный кобальтовый сплав с термостойкостью до 1800°F. Используется для сложных форм и тонких стенок.

Сплав Stellite обеспечивает срок службы пресс-формы от 250 000 до более 500 000 циклов в типичных условиях литья под давлением из алюминия. Высокое содержание вольфрама обеспечивает отличные термические свойства.

Никелевые жаропрочные сплавы

Никелевые жаропрочные сплавы предлагают максимальную термостойкость и высокую прочность для применений литья под давлением, связанных с экстремальными условиями, сложной геометрией или агрессивными сплавами. Марки включают:

- Inconel 718: Упрочненный сплав Ni-Cr-Fe-Nb, состаренный до 36-45 HRC. Предел прочности на растяжение свыше 200 ksi до 1300°F. Выдерживает свыше 2000°F. Высокая вязкость. Используется для требовательных применений литья алюминия.

- Inconel X-750: Дисперсионно-твердеющий никельхромовый сплав с добавками титана и алюминия. Состарен до 40-50 HRC. Прочность превышает 200 ksi при 1500°F. Сопротивляется температурам свыше 2200°F. Используется для сложной геометрии и отливок.

- Waspaloy: Закаленный сплав Ni-Cr-Co с отличной прочностью до 1300°F. Состарен примерно до 38-53 HRC в зависимости от обработки. Сопротивление термической усталости превосходит нержавеющую сталь. Используется для сложных отливок с тонкими стенками.

Пресс-формы из никелевых сплавов обеспечивают самый длительный срок службы, часто свыше 1 000 000 циклов. Однако как стоимость сплава, так и сложность механической обработки чрезвычайно высоки. Их применение обычно ограничивается самыми сложными задачами литья под давлением.

Вставки

Вставки из твердых сплавов, керамики, такой как карбид кремния, или композитов на основе алмаза могут быть добавлены в зоны высокого износа. Это сочетает экономичность стальной пресс-формы с исключительной твердостью или термостойкостью в критических точках.

Соображения по выбору материала пресс-формы

Факторы, влияющие на оптимальный выбор материала пресс-формы, включают:

- Алюминиевый сплав — сплавы с более высокой температурой плавления требуют лучшей термостойкости

- Размер детали — более крупные тяжелые отливки оказывают большее напряжение на пресс-формы

- Геометрия детали — тонкие или конформные детали оказывают большее давление на пресс-форму

- Объем производства — более высокие объемы амортизируют стоимость премиальных материалов пресс-формы

- Вес детали — более тяжелые отливки требуют более прочной пресс-формы

- Чистота поверхности — более полированные поверхности требуют большей твердости и износостойкости

- Температурные запасы — более требовательные применения требуют более широких запасов

- Экономические факторы — стоимость материала пресс-формы должна соответствовать объему производства и стоимости детали

Производители оборудования тесно сотрудничают с литейщиками для проведения этих анализов с целью определения наиболее подходящего и экономически эффективного материала пресс-формы.

Поверхностные обработки пресс-форм

В дополнение к выбору основного материала пресс-формы, различные поверхностные обработки могут продлить срок службы пресс-формы:

- Азотирование — образует тонкий твердый нитридный слой для сопротивления износу и эрозии

- Борирование — аналогично создает более твердый боридный слой на поверхности пресс-формы

- Твердое хромирование — сопротивляется износу за счет более твердого хромового покрытия

- Полировка — поверхность пресс-формы высоко полируется для уменьшения трения и прилипания

- Графитирование — графитовое покрытие минимизирует адгезию горячего алюминия

- Оксидирование — создает оксидный слой для уменьшения прилипания и облегчения извлечения

- Лазерные обработки — лазерное воздействие улучшает микроструктуру поверхности и твердость

Оптимальные поверхностные обработки зависят от конкретного алюминиевого сплава, материала пресс-формы и условий литья.

Процесс изготовления пресс-формы

Качественные пресс-формы для литья под давлением из алюминия производятся через точные производственные этапы:

1. CAD пресс-формы — 3D CAD-проектирование на основе геометрии детали

2. ЧПУ обработка — черновое формирование полости пресс-формы с использованием фрезерных и сверлильных станков с ЧПУ

3. Термическая обработка — закалка и отпуск пресс-формы до желаемых свойств

4. Чистовая обработка на ЧПУ — точная обработка на ЧПУ для достижения окончательной формы пресс-формы

5. Полировка — ручная или машинная полировка с постепенно более мелкими абразивами

6. Поверхностные обработки — нанесение специальных покрытий и обработок

7. Сборка — сборка двух половин пресс-формы в окончательный комплект

8. Тестирование — пробное литье для проверки требуемого качества перед полным производством

Точная обработка на ЧПУ, термическая обработка, полировка и улучшение поверхности необходимы для создания долговечных пресс-форм с длительным сроком службы для качественного, стабильного производства литья под давлением из алюминия.