Какие материалы используются для изготовления алюминиевых форм для литья под давлением?

Литье алюминия под давлением является одним из краеугольных камней современного производства, ответственным за производство миллионов легких и высокоточных компонентов для таких отраслей, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, электроника и телекоммуникации. В основе этого процесса лежит форма для литья под давлением — инструмент, который должен выдерживать экстремальные температуры, давление и повторяющиеся термические циклы, когда расплавленный алюминий (около 660 °C / 1220 °F) впрыскивается снова и снова.

Поэтому выбор правильного материала формы имеет решающее значение. Это напрямую влияет на срок службы матрицы, качество отливки и общую стоимость производства.

Отраслевой стандарт: инструментальные стали для горячей обработки

Почти все формы для литья под давлением алюминия изготавливаются из инструментальных сталей, предназначенных для горячей обработки, — класса материалов, специально разработанных для сохранения прочности, твердости и стабильности размеров при высоких температурах. Эти стали противостоят основным причинам выхода из строя штампа — термической усталости (термическая проверка), эрозии и пайке (когда расплавленный алюминий прилипает к поверхности штампа).

Инструментальная сталь H13: эталонный материал

Среди инструментальных сталей для горячей обработки AISI H13 (также известный как DIN 1.2344 или JIS SKD61) является наиболее подходящим материалом для изготовления алюминиевых форм для литья под давлением. Его широкое применение обусловлено идеальным балансом основных свойств:

• Выдающаяся стойкость к термической усталости:
  во время литья штампы подвергаются многократному нагреву от расплавленного алюминия и охлаждению с помощью распыления или водяных каналов. Эти термические циклы вызывают поверхностное напряжение, которое может привести к образованию мелких трещин (тепловая проверка). Легирующие элементы H13 — хром, молибден и ванадий — придают ему замечательную устойчивость к этим термическим нагрузкам.

• Отличная жаропрочность и твердость:
  даже при высоких температурах H13 сохраняет свою механическую целостность, обычно работая в диапазоне твердости 42–52 HRC. Это предотвращает деформацию при высоком давлении впрыска.

• Хорошая прочность и пластичность:
  эти свойства гарантируют, что матрица может поглощать ударные и термические нагрузки без разрушения, что является ключом к предотвращению катастрофического отказа.

• Удовлетворительная обрабатываемость и полируемость:
  хотя H13 и не самый простой в обработке, он обеспечивает точную геометрию формы и высококачественную отделку поверхности, подходящую для сложных задач литья.

При правильной термообработке и охлаждении формы H13 могут достигать срока службы от 50 000 до более 200 000 выстрелов, что делает их надежной рабочей лошадкой в ​​области литья под давлением.

За пределами H13: высококачественные и модифицированные инструментальные стали

Хотя H13 служит большинству целей, для крупносерийных или требовательных применений, таких как крупное автомобильное конструкционное литье (Giga Castings), требуются стали с улучшенными свойствами. Инструментальные стали премиум-класса часто получают из химического состава H13, но очищают с помощью передовых производственных процессов, таких как электрошлаковый переплав (ESR), для улучшения чистоты, консистенции и усталостной прочности.

Высокопроизводительные варианты H13

Собственные марки, такие как DAC P, ExELL™ H13 PREMIUM или DAC Magic, представляют собой улучшенные версии стандарта H13. Эти варианты обеспечивают:

• Более высокая чистота и структурная однородность:
  процесс ESR сводит к минимуму примеси и включения, увеличивая как ударную вязкость, так и срок службы при термической усталости.

• Улучшенная теплопроводность:
  некоторые марки разработаны для более эффективного рассеивания тепла, уменьшая температурные градиенты, которые способствуют растрескиванию поверхности.

• Превосходная термостойкость:
  повышенная стабильность при повышенных рабочих температурах продлевает твердость поверхности и продлевает срок службы штампа.

Другие стали для горячей обработки

Помимо H13, при литье алюминия под давлением иногда используются несколько родственных сталей:

• H11: Аналогичен H13, но со слегка пониженным содержанием ванадия, обеспечивает хорошую прочность, но немного более низкое сопротивление термической усталости.

• H10, H19, H21: содержат более высокие уровни вольфрама или молибдена для повышения твердости в горячем состоянии, хотя обычно за счет обрабатываемости или ударной вязкости. Они менее распространены в основных областях применения алюминия.

Специализированные материалы для экстремальных условий

Поскольку производители стремятся повысить производительность и увеличить срок службы пресс-форм, для изготовления компонентов штампов, подвергающихся особо высоким нагрузкам, используются более специализированные материалы.

Стареюще-стареющие стали

Стареюще-староносные стали (такие как марки 300 или 350) представляют собой никель-кобальт-молибденовые сплавы, известные своей сверхвысокой прочностью, достигаемой за счет старения.

• Преимущества: Исключительная прочность, термостойкость и усталостная долговечность, иногда превышающая 500 000 циклов литья. Их высокий предел текучести также может уменьшить массу формы.

• Недостатки: высокие затраты на материалы и термообработку ограничивают их использование в длительных или сложных штампах с высокими нагрузками, где долговечность компенсирует затраты.

Вставки и вторичные материалы: карбид вольфрама и медные сплавы

Не все компоненты пресс-формы должны быть стальными. Критические зоны износа или нагрева часто армируются вставками из других материалов:

• Карбид вольфрама:
  используется для участков с повышенным износом, таких как ворота, направляющие и углы, подверженные агрессивному потоку металла. Обеспечивает непревзойденную твердость и устойчивость к эрозии.

• Медные сплавы:
  такие сплавы, как CuBe (медь-бериллий) или CuNiSiCr (медь-никель-кремний-хром), ценятся за свою исключительную теплопроводность. Они идеально подходят для стержней или вставок, где необходимо быстрое локальное охлаждение для сокращения времени цикла и минимизации теплового контроля.

Обработка поверхности: продление срока службы штампа

Даже стали премиум-класса значительно выигрывают от обработки поверхности, предназначенной для упрочнения и защиты поверхности формы от термического и химического воздействия.

• Азотирование:
  азот вводится на поверхность штампа для образования твердого, износостойкого слоя. Он повышает стойкость к эрозии и пайке, но его необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать хрупкости, которая может ухудшить термопроверку.

• Покрытия PVD (физическое осаждение из паровой фазы).
  Тонкие покрытия, такие как TiN, TiAlN или CrN, создают сверхтвердую инертную поверхность, устойчивую к прилипанию и эрозии.

• Контролируемое окисление:
  тонкий оксидный слой может служить барьером и естественным разделительным агентом, повышая долговечность и качество поверхности.

Жизненно важная роль термической обработки

Независимо от выбранной стали, именно термическая обработка действительно определяет ее конечные характеристики. Этот процесс включает в себя несколько тщательно контролируемых стадий — предварительный нагрев, аустенитизацию, закалку и отпуск — для достижения оптимального баланса твердости, прочности и ударной вязкости.
Неправильная термическая обработка может значительно сократить срок службы матрицы, вызывая преждевременное растрескивание или деформацию даже самых лучших сталей.

Заключение

Выбор подходящего материала для алюминиевой формы для литья под давлением не является универсальным решением. Это тщательный баланс между производительностью, стоимостью и производственными потребностями.

Ключевые факторы включают в себя:

• Объем производства: более высокий объем производства оправдывает использование стали премиум-класса или мартенситностареющих материалов.

• Геометрия и сложность детали. Для сложных штампов могут потребоваться медные вставки с высокой проводимостью.

• Бюджетные ограничения: первоначальные затраты на материалы должны быть сопоставлены с ожидаемым сроком службы пресс-формы и затратами на простой.

• Условия процесса: Температура расплавленного алюминия, давление впрыска и время цикла влияют на напряжение материала и его выбор.

Поскольку металлургическая наука и технология поверхности продолжают развиваться, производители теперь могут создавать более долговечные и высокопроизводительные формы, чем когда-либо прежде, гарантируя, что литье алюминия под давлением останется одним из наиболее эффективных и точных методов массового производства в современном производственном мире.