Рубрика: Пресс-формы и штампы
Сталь для формообразующих деталей — одно из ключевых решений при проектировании пресс-формы. Она определяет ресурс оснастки, качество поверхности изделия, возможность полировки и текстурирования, стойкость к коррозии и, в конечном счёте, стоимость формы. Ошибка в выборе стоит дорого: либо оснастка изнашивается задолго до окончания тиража, либо заказчик переплачивает за материал, возможности которого никогда не будут использованы. Разберём, какие материалы применяются для пресс-форм и как сделать правильный выбор.
Формообразующие детали работают в непростых условиях. Каждый цикл литья сопровождается нагревом от контакта с расплавом и охлаждением водой, давлением в сотни бар, трением при выталкивании и воздействием газов, выделяющихся из полимера. Поэтому к стали предъявляется целый комплекс требований.
Ни одна сталь не обладает максимальными показателями по всем параметрам одновременно. Выбор — всегда компромисс, который зависит от конкретной задачи.
Плиты корпуса, брусья, плиты толкателей непосредственно с расплавом не контактируют. Для них используют конструкционные стали типа 45 или 40Х, иногда в улучшенном состоянии. Главные требования — прочность, жёсткость и хорошая обрабатываемость. Экономить на материале плит не стоит: недостаточная жёсткость приводит к прогибу и облою.
Стали типа 40ХМ и аналогичные хромоникельмолибденовые поставляются уже термообработанными до твёрдости около 28–36 HRC. Их не нужно закаливать после механической обработки, что исключает поводки и сокращает сроки изготовления. Обрабатываемость хорошая, полируемость — средняя. Применяются для пресс-форм с тиражом до нескольких сотен тысяч отливок при литье ненаполненных полимеров, для крупных форм, где закалка проблематична, и для обойм.
Для больших тиражей и абразивных материалов применяют стали, которые закаливают до 48–56 HRC и выше. Типичные представители — штамповые стали для горячего деформирования типа 4Х5МФС, высокохромистые стали типа Х12МФ. Они обеспечивают ресурс в миллион и более циклов, хорошо сопротивляются износу, но требуют термообработки и последующей финишной обработки, что увеличивает срок изготовления.
Мартенситные нержавеющие стали типа 40Х13 и их модификации с повышенной чистотой содержат около 13 % хрома. Они устойчивы к коррозии от агрессивных газов и влаги, хорошо полируются до оптического качества. Используются для литья ПВХ, медицинских и пищевых изделий, прозрачных деталей и линз, а также для форм, которые долго хранятся между партиями. Могут поставляться как в улучшенном состоянии, так и под закалку.
Бериллиевые и бериллий-свободные бронзы применяют не для всей формы, а для отдельных вставок в зонах, где трудно организовать охлаждение: тонкие пуансоны, сердечники, углы. Их теплопроводность в несколько раз выше, чем у стали, что позволяет выровнять температурное поле и сократить цикл.
Высокопрочные алюминиевые сплавы используются для прототипных и малосерийных форм. Они быстро обрабатываются, хорошо проводят тепло и легче стальных. Ресурс — от нескольких тысяч до десятков тысяч отливок в зависимости от материала изделия. Для серийного производства с наполненными полимерами не подходят.
| Материал | Твёрдость, HRC | Ресурс, циклов | Полируемость | Коррозионная стойкость |
|---|---|---|---|---|
| Алюминиевый сплав | — | до десятков тысяч | Средняя | Средняя |
| Улучшенная сталь типа 40ХМ | 28–36 | сотни тысяч | Средняя–хорошая | Низкая |
| Сталь типа 4Х5МФС закалённая | 48–52 | свыше миллиона | Хорошая | Низкая |
| Сталь типа Х12МФ закалённая | 56–60 | свыше миллиона | Средняя | Невысокая |
| Нержавеющая сталь типа 40Х13 | 30–52 | от сотен тысяч до миллиона | Отличная | Высокая |
| Бериллиевая бронза | около 40 | сотни тысяч (вставки) | Средняя | Хорошая |
Цифры ресурса ориентировочные: реальная стойкость зависит от материала изделия, режимов литья, конструкции и качества обслуживания.
Первый вопрос — сколько изделий предполагается выпустить за весь срок службы формы. Для опытных партий и проверки рынка разумны алюминий или улучшенная сталь. Для стабильного серийного выпуска средних объёмов — улучшенная сталь с азотированием или закаливаемая сталь средней твёрдости. Для массового выпуска с перспективой многолетней работы — закалённые инструментальные стали, иногда с износостойким покрытием.
Материал изделия влияет на износ и коррозию. Ненаполненные полипропилен и полиэтилен мягко обходятся с оснасткой. Полиамиды и поликарбонаты, наполненные стекловолокном, — сильный абразив: здесь нужны закалённые стали с высокой твёрдостью, особенно в зоне впуска, где скорость течения максимальна. ПВХ и огнестойкие композиции выделяют при переработке коррозионно-активные газы — требуется нержавеющая сталь или защитное покрытие.
Для оптических и глянцевых деталей нужна сталь высокой чистоты, полученная переплавом, с минимальным количеством включений, — иначе при полировке проявятся точечные дефекты. Для текстурированных поверхностей важна однородность структуры, чтобы рисунок травления получился равномерным. Для технических деталей с нелицевой поверхностью требования ниже.
Крупные формы трудно закаливать без поводок, а их стоимость сильно зависит от цены материала. Для них часто выбирают улучшенную сталь, а в зонах повышенного износа устанавливают закалённые вставки. Для сложных форм с тонкими рёбрами важна вязкость стали, иначе возможны сколы.
Улучшенная сталь дешевле в обработке и позволяет сократить сроки за счёт отказа от закалки. Закаливаемая требует больше времени и затрат, но многократно окупается на больших тиражах.
Свойства стали в готовой форме определяются не только маркой, но и термообработкой. Закалка с правильным нагревом, выдержкой и охлаждением, а затем многократный отпуск дают нужное сочетание твёрдости и вязкости. Нарушение режимов приводит к трещинам, повышенной хрупкости или недостаточной твёрдости. Мы выполняем термическую обработку формообразующих деталей на собственном производстве, что позволяет контролировать результат.
Дополнительно применяют поверхностное упрочнение:
Рациональная конструкция редко делается из одной стали. Плиты корпуса — из конструкционной стали, обоймы — из улучшенной, формообразующие вставки — из закалённой или нержавеющей, отдельные знаки в проблемных по охлаждению зонах — из бронзы. Зоны интенсивного износа, например впускные литники при литье стеклонаполненных материалов, выполняют сменными вставками из особо твёрдых сталей. Такой подход даёт оптимальное соотношение цены и ресурса и упрощает будущий ремонт.
Крупная лицевая деталь с текстурой, тираж — сотни тысяч штук. Рациональный выбор — улучшенная сталь высокой однородности для матрицы, чтобы текстура легла равномерно и не потребовалась закалка крупной детали. Пуансон с рёбрами и бобышками — из той же стали, а глубокие знаки — с бронзовыми вставками для охлаждения.
Мелкая точная деталь, массовый тираж, абразивный материал. Формообразующие вставки — из закаливаемой стали с твёрдостью около 54–58 HRC, впуск — сменная вставка повышенной твёрдости. Зубчатый венец выполняется электроэрозией по закалённой стали, что обеспечивает точность профиля.
Требуется оптическая чистота поверхности. Вставки — из нержавеющей стали переплава с последующей закалкой и зеркальной полировкой. Любые неметаллические включения проявились бы на изделии, поэтому экономия на материале здесь недопустима.
Агрессивные газы при переработке. Все формообразующие детали — из коррозионностойкой стали, литниковая система рассчитана без зон застоя. Каналы охлаждения дополнительно защищены от коррозии.
Правильный материал пресс-формы выбирается под конкретные условия: тираж, полимер, требования к поверхности, размер формы и бюджет. Улучшенные стали хороши для средних тиражей и крупной оснастки, закаливаемые — для массового производства и абразивных материалов, нержавеющие — для агрессивных сред и оптических деталей, медные сплавы — для локального интенсивного охлаждения. Специалисты «ВМС» подберут материал и упрочнение под вашу задачу и изготовят оснастку под ключ — подробности на странице пресс-форм и штампов.
