Выбор стали для литейных форм: марки, термическая обработка и стоимость за выстрел

Сталь для формы — это статья расходов, которая кажется небольшой частью стоимости инструмента и ведет себя как большая часть стоимости детали. Изделие из неправильной марки стали будет хорошо производить детали первые 20 000 выстрелов, а затем начнет показывать линии тепловых трещин на каждой косметической поверхности, прилипать к глубоким ребрам и отклоняться по размерам, которые измеряет ваш заказчик. К тому времени, когда это проявится, форма уже оплачена, а программа запущена, что является именно неправильным моментом для обнаружения того, что увеличение стоимости стали на 12 процентов могло бы обеспечить увеличение срока службы формы на 40 процентов.

Эта статья — практическое руководство по выбору: марки, важные в алюминиевом литии, окна термической обработки, соответствующие каждой, компромисс между твердостью и проводимостью, который влияет на большинство решений, поверхностные обработки и их окупаемость, вставки против сплошной конструкции и как все это влияет на стоимость за выстрел.

Что на самом деле разрушает литейную форму

Перед выбором стали укажите тип отказа, против которого вы проектируете, потому что нет марки, которая оптимальна для всех них.

• Тепловые трещины (термическая усталость): основной тип отказа. Поверхность формы циклически нагревается примерно до 180-250°C и до 450-550°C и обратно, при каждом выстреле, 40-60 раз в час. Поверхностный слой поддается сжатию при пиковых температурах и переходит в растяжение при охлаждении. Сетчатые трещины начинают появляться при 3000-15000 выстрелов на твердой форме и становятся заметными на детали задолго до того, как форма полностью выйдет из строя.
• Эрозия и вымывание: металл высокой скорости у расплава. Скорость у расплава в традиционном HPDC составляет 30-60 м/с; при скорости 50 м/с и толщине расплава 2 мм поток механически и за счет растворения удаляет материал. Области расплава и ядра, расположенные прямо в потоке, — это места, где это видно.
• Пайка и прилипание: алюминий химически атакует железо. Там, где поверхность формы лишена смазки или работает в горячем режиме, алюминий сварится со сталью и вытягивает материал при извлечении. Обычно это глубокие ребра, тонкие ядра и области с плохим распылением.
• Грубые трещины: обычно связаны с проблемами термической обработки или проектирования — недостаточная закалка, слишком высокая твердость, острые внутренние углы или ядро, которое не может расширяться.
• Коррозия и ржавчина при хранении: недооценены и дорогостоящие. Формы, оставленные влажными, развивают ржавчинные пятна, которые становятся точками инициации тепловых трещин в следующей кампании.

Сравнение марок

Некоторые заметки по чтению этой таблицы. Числа твердости — это рабочая твердость после отпускания, а не после закалки. Показатели проводимости варьируются в зависимости от источника и температуры; важен именно рейтинг. “Относительная стоимость материала” — это только стоимость покупки стали — на типичной штамповке сталь составляет 20-35 процентов от общей стоимости штамповки, поэтому удвоение стоимости стали увеличивает цену штамповки примерно на 20-30 процентов, а не на 100.

H13: Стандартный, с оговоркой

H13 (1.2344, AISI H13, примерно 0.38 C, 5.2 Cr, 1.3 Mo, 1.0 V) — рабочая марка. Она отпускается до 44–48 HRC с хорошей горячей прочностью и достаточной твердостью. Оговорка в том, что “H13” в заказе означает очень мало без указания метода плавки. Обычный H13 имеет зональную структуру и содержит неметаллические включения, которые являются начальной точкой для трещин тепловых проверок и крупного разрушения. Премиум H13, произведённый электрошлаковой переплавкой (ESR) или вакуумной дуговой переплавкой (VAR), содержит значительно меньше включений и имеет более однородную структуру, а также обеспечивает в два-три раза больший срок службы при тепловых проверках.

Укажите это явно: премиум ESR H13, согласно стандарту North American Die Casting Association (NADCA) #207 или эквивалент, с сертификатом, показывающим рейтинг микроструктуры и отпускную твердость. На штампе, который будет работать 150 000 выстрелов на косметической детали, это единственный самый важный показатель в целом комплекте.

H11: Когда важна ударная вязкость

H11 (1.2343) имеет меньшее содержание ванадия и немного меньшую горячую твердость, чем H13, но обладает большей ударной вязкостью. Используйте его там, где риск — это крупные трещины, а не тепловое растрескивание: крупные тонкие ядра, штампы с тяжелыми изменениями сечения и любые штампы, которые уже один раз треснули в месте, где нельзя изменить конструкцию.

Сплавы с высокой теплопроводностью

Это интересные материалы для тонкостенных изделий. Механизм прост: растрескивание тепловым растрескиванием вызывается колебаниями температуры на поверхности, и сталь, которая быстрее отводит тепло, снижает пиковую температуру поверхности при заданной температуре металла и цикле. Типичные горячие рабочие марки с содержанием меди достигают 45-60 Вт/м·К при 400°C, тогда как H13 — 27 Вт/м·К.

Недостаток в том, что они мягче, обычно 38-42 HRC, поэтому имеют меньшую стойкость к эрозии у входа и меньшую устойчивость к механическим повреждениям. Правильное применение — это не весь штамп; это локальная вставка:

• Тонкостенные ребра и выступы, которые работают при высокой температуре и застревают.
• Ядра, окруженные металлом со всех сторон, без маршрута охлаждающей линии.
• Области, где время цикла ограничено локальной затвердеванием, а не самой толстой частью.

Мы видели сокращение времени цикла на 20-30% благодаря одной вставке с высокой теплопроводностью в глубокий карман, что при цикле в 45 секунд стоит больше всей стоимости вставки за несколько недель.

Марганцевая сталь для мелких вставок

Марганцевая сталь 18Ni (группа 300 или 350) закаливается при 480-500°C до 50-54 HRC с почти полным отсутствием деформации и исключительной ударной вязкостью. Используется для мелких вставок, направляющих, штифтов и износных пластин, а также для любых мелких компонентов, где трещина теплового растрескивания могла бы стать катастрофой для инструмента. Не подходит для штампов для алюминия, поскольку теряет прочность при температуре выше примерно 500°C и обладает плохой теплопроводностью.

Термическая обработка: важные окна

Марка стали и термическая обработка — это одно решение. Премиум ESR H13, аустенитизированный слишком горячо или закаленный слишком слабо, будет работать хуже, чем стандартный H13, обработанный правильно.

• Отпуск после грубой обработки: снятие напряжений при 650-680°C, выдержка 2 часа на 25 мм сечения, охлаждение в печи. Пропуск этого этапа — частая причина искажения при термообработке.
• Аустенитизация: 1020-1050°C для H13. Повышение температуры выше 1060°C увеличивает размер зерен аустенита, что заметно снижает ударную вязкость и ускоряет растрескивание тепловым растрескиванием. Стандартная вакуумная печь с газовым охлаждением при 4-6 бар; стремитесь к быстрому охлаждению через 850-500°C, чтобы избежать осаждения карбидов на границах зерен.
• Закалка: не охлаждайте до комнатной температуры. Прерванное охлаждение до 150-250 °C, затем выравнивание и отпуск сразу. Держание незакаленного блока H13 при комнатной температуре — это как трещины в матрице возникают до того, как их вставляют в машину.
• Отпуск: минимум два отпуска, обычно три, при температуре 560-620 °C в зависимости от целевой твердости. Каждое удержание при температуре — минимум 2 часа, и деталь должна остыть до ниже 60 °C между отпусками для завершения преобразования удерживаемой аустенита.

Одно правило, которое стоит ясно изложить: превышение 50 HRC на полости штампа H13 почти всегда является ошибкой. Краткосрочная выгода — лучшее сопротивление эрозии у зазора. Стоимость — резкое снижение сопротивления тепловому усталостному разрушению, и штамп начинает трещать при 10 000–20 000 отливках вместо 60 000–100 000.

Компромисс между проводимостью и твердостью

Это ключевое инженерное решение, и его стоит озвучить в физических терминах, а не как эмпирическое правило.

Жизнь при проверке теплом управляется диапазоном напряжения, которое испытывает поверхность в каждом цикле. Этот диапазон напряжения пропорционален температурному колебанию, коэффициенту теплового расширения и ограничению, а обратно пропорционален прочности на yielding при температуре. Твердость и горячая прочность на yielding сопротивляются возникновению трещин; проводимость уменьшает температурное колебание, которое в первую очередь вызывает цикл.

• Высокая твердость выигрывает там, где нагрузка механическая: импинджмент на воротах, скользящий износ на сердечниках и направляющих, контакт при извлечении и любые места, где форма физически изнашивается.
• Высокая проводимость выигрывает там, где нагрузка тепловая: тонкие секции, горячие точки и любые места, где температура поверхности превышает примерно 520°C.
• Ударная вязкость выигрывает там, где нагрузка структурная: тонкие сердечники, резкие переходы в сечениях и формы, которые уже трескались ранее.

Большинство форм не однородны, и не должны быть. Правильный ответ обычно — корпус из ESR H13 с твердостью 46 HRC с вставками высокой проводимости в двух горячих точках и вставкой из марей или нитридированной поверхности у ворот. Это дороже в изготовлении и значительно дешевле в эксплуатации.

Обработка поверхности

Практические предостережения, усвоенные на собственном опыте:

• Нитридированный слой толщиной более примерно 0,25 мм на поверхности полости становится ускорителем тепловых трещин. Область соединения хрупкая и трескается, а трещины распространяются прямо в базовую сталь. Указывайте тонкий, контролируемый слой соединения и запрашивайте толщину белого слоя в сертификате.
• Нитрирование повышает эффективную твердость поверхности, но не изменяет объем. Оно не спасет матрицу, если в ядре она слишком мягкая.
• Покрытия PVD не выдерживают острых краев и больших амплитуд тепловых циклов. Не покрывайте острый угол и не ожидайте его долговечности; сначала сделайте радиус 0,3–0,5 мм.
• Поверхностные обработки необходимо повторно наносить. Нитридированная полость, которая дважды обрабатывалась для удаления тепловых трещин, потеряла свой слой. Планируйте повторную обработку при каждом крупном техническом обслуживании или принимайте, что обработка полезна только для первой кампании.
• Ржавчина — враг во время хранения. После любой водной очистки высушите матрицу, нанесите антикоррозийное средство и храните ее с продувкой охлаждающих каналов.

Выбор поверхностной обработки влияет на эстетические требования детали. Матрица, которая дает тепловые трещины, оставляет на поверхности детали трещиноватый узор, и никакая последующая полировка не удалит его без изменения геометрии детали. Если ваша деталь косметическая, руководство по проектированию форм для литья алюминия вопросы расположения распашных систем и теплового баланса должны быть решены до выбора покрытия.

Вставка против сплошной конструкции

Сплошные полости проще, жестче и дешевле в изготовлении для небольших матриц. Вставки стоят дороже по стоимости стали, обработке и монтажу, но они дают вам четыре преимущества:

• Локальный выбор материала. Сталь с высокой теплопроводностью только там, где это необходимо, износостойкая сталь только у распашной системы, прочная сталь только на тонком ядре.
• Заменяемость. Вставка с тепловыми трещинами заменяется за один день; сплошная полость с тепловыми трещинами требует изготовления новой матрицы и недели на выполнение работ.
• Доступ к техническому обслуживанию. Вставки можно снять, обработать, повторно нитридировать и установить без снятия матрицы из рамы.
• Вентиляция. Разделительные линии вставок — естественные пути вентиляции при правильном проектировании, что уменьшает пористость, с которой иначе пришлось бы бороться с вакуумом.

Стоимость вставок — это посадка. Каждая вставка добавляет поверхность посадки, которую необходимо шлифовать, и каждый зазор — это место появления вспышки. Мы рекомендуем вставки, когда размер штампа превышает примерно 400 x 400 мм, когда ожидаемый срок службы превышает 80 000 ударов или когда есть известные зоны износа или горячие точки. Ниже этого обычно подходит сплошной материал.

Как выбор стали влияет на стоимость за удар

Вот расчет, который должен определить решение, применяемое к программе на 62 000 ударов в год на среднеразмерном корпусе для косметических изделий.

Премиальный штамп стоит на 14 000 USD дороже в производстве и экономит 232 000 USD при 300 000 выстрелов, при этом доминирующий фактор — не оснастка, а косметический брак, вызванный переносом теплового контроля на поверхность класса А. Это число большинство покупателей обычно не учитывают, потому что брак проявляется в отделе отделки, а решение о выборе оснастки принимается в отделе закупок.

Второй способ выразить это: стоимость за выстрел только на оснастку, при более чем 300 000 выстрелов, составляет 0,34 USD для стандартного штампа и 0,30 USD для премиального штампа. Добавляя разницу в брак, реальная стоимость за выстрел составляет 1,77 USD против 0,99 USD.

Что писать в спецификации штампа

Положите эти строки в заказ на покупку, а не в электронное письмо:

• Класс и маршрут плавки: премиум ESR H13 по стандарту NADCA #207 или эквивалент, с сертификатом микроструктуры.
• Диапазон целевой твердости и количество отпусков.
• Максимальная температура аустенитизации и запрет на однократные циклы отпуска.
• Спецификация нитридирования, включая толщину соединительного (белого) слоя, или явное указание “без нитридирования на поверхностях полостей”.”
• Материал вставки и твердость для каждого выявленного горячего пятна или зоны износа.
• Процедура ремонта штампа сваркой, включая предварительный нагрев и отпуск после сварки. Штамп, сваренный без предварительного нагрева и повторного отпуска, — это штамп, который трескается в месте ремонта.
• Интервал обслуживания и критерий приемки глубины теплового контроля, при которой полость будет исправлена (0,15 мм — распространенный порог для косметических штампов).

Если вы также указываете интервал инспекции и критерий окончания срока службы до изготовления штампа, вы превращаете инструмент в капитальный актив в план обслуживания.

Где линия отделки видит разницу

Последствия проблемы с инструментальной сталью штампа на выходе очень специфичны. Это косметический дефект, который появляется постепенно, ухудшается в течение смены по мере нагрева штампа и улучшается после охлаждения или исправления штампа. Линии течения и перенос тепловых трещин на поверхности класса А, следы застревания на глубоких ребрах и следы линии разделения, увеличивающиеся с количеством выстрелов, — все это условия поверхности штампа, а не условия полировки.

Это важно, потому что обычная реакция — добавление полировки. Это работает некоторое время, а затем перестает, и к тому времени шаг полировки уже включил в стоимость решение о выборе инструмента. Лучший подход — обнаружить отклонение на ранней стадии, и одним из аргументов в пользу автоматической отделки является автоматическая роботизированная ячейка: она удаляет постоянное количество материала по запрограммированному пути и давлению, поэтому при изменении поверхности отливки результат обработки меняется измеримо, а не за счет оператора, который подсознательно нажимает сильнее.

Если вы хотите понять, как косметические требования распространяются от штампа до линии отделки, Стандарты отделки поверхности литых деталей обсуждение образцов лимитных и целей по шероховатости является естественным дополнением к этой статье, а руководство по инструментам для алюминиевого литейного производства рассматривает структуру стоимости инструмента более подробно.

DZ Machinery разрабатывает роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки для литых деталей и фурнитуры для кранов, и мы указываем процесс отделки исходя из фактического состояния входящего отливка, а не по номинальному чертежу. Если вы планируете новую программу косметической обработки и хотите учитывать срок службы штампа, уровень брака и стоимость отделки вместе, отправьте нам чертежи деталей и ваш годовой объем, и наша инженерная команда проработает модель стоимости за выстрел вместе с вами.