Ключевые процессы термической обработки для максимального срока службы пресс-форм

Краткое содержание

Термическая обработка матриц — это важный многоэтапный металлургический процесс, предназначенный для улучшения механических свойств инструментальных сталей. Он включает точную последовательность контролируемых циклов нагрева и охлаждения, в том числе ключевые этапы, такие как отжиг, аустенизация, закалка и отпуск. Основная цель этих процессов термической обработки матриц — достижение оптимальной твердости, повышенной прочности и большей долговечности, что обеспечивает способность инструмента выдерживать значительные нагрузки при производственных операциях, таких как штамповка и литье.

Основные процессы термической обработки: объяснение

Понимание термической обработки инструментальных сталей требует детального рассмотрения конкретных металлургических превращений, происходящих на каждом этапе. Каждый процесс выполняет определённую задачу, в совокупности обеспечивая конечные эксплуатационные характеристики и срок службы матрицы. Эти процессы не являются изолированными операциями, а представляют собой часть интегрированной системы, где успешное выполнение одного этапа зависит от правильного завершения предыдущего. Основная цель заключается в управлении микроструктурой стали для получения сочетания твёрдости, вязкости и стабильности, оптимально подходящего для конкретного применения матрицы.

Этот процесс начинается с операций, предназначенных для подготовки стали к закалке. Отжигание включает нагрев стали до определённой температуры с последующим очень медленным охлаждением, что приводит к смягчению металла, улучшению структуры зерна и снятию внутренних напряжений, возникших на предыдущих этапах производства. Это облегчает механическую обработку стали и подготавливает её к равномерному реагированию на последующие закалочные операции. После этого Предварительный нагрев является важным этапом для минимизации термического шока перед тем, как сталь будет подвергнута высоким температурам, необходимым для закалки. Постепенное повышение температуры инструмента до промежуточного уровня (обычно около 1250°F или 675°C) значительно снижает риск коробления или растрескивания, особенно при сложных формах матриц.

Фаза закалки включает два ключевых этапа: аустенизацию и закалку. Аустенизация , или нагрев при высокой температуре, представляет собой процесс, при котором сталь нагревается до критической температуры (от 1450°F до 2375°F, или от 790°C до 1300°C, в зависимости от сплава), чтобы преобразовать её кристаллическую структуру в аустенит. Продолжительность и температура должны точно контролироваться для растворения карбидов без чрезмерного роста зерна. Непосредственно после этого Отжиг заключается в быстром охлаждении стали в среде, такой как масло, вода, воздух или инертный газ. Такое быстрое охлаждение фиксирует атомы углерода, превращая аустенит в мартенсит — чрезвычайно твёрдую, но хрупкую микроструктуру. Выбор среды для закалки имеет решающее значение и зависит от прокаливаемости стали.

После закалки матрица слишком хрупкая для практического использования. Увлажнение является окончательным обязательным процессом, который включает повторный нагрев закаленной матрицы до более низкой температуры (обычно между 350°F и 1200°F, или 175°C и 650°C) с выдержкой в течение определенного времени. Данный процесс снижает хрупкость, снимает закалочные напряжения и повышает вязкость, сохраняя при этом значительную часть твердости. Многие высоколегированные инструментальные стали требуют нескольких циклов отпуска для обеспечения полной микроструктурной стабильности. Связанный процесс, Снятие напряжений , может выполняться перед окончательной механической обработкой или после таких процессов, как электроэрозионная обработка (EDM), чтобы устранить внутренние напряжения, которые в противном случае могут привести к деформации в процессе эксплуатации.

Пошаговое руководство по циклу термообработки штампов

Успешная термообработка штампа заключается не в выполнении отдельных процессов изолированно, а в реализации тщательно спланированной последовательности. Каждый этап базируется на предыдущем, и любое отклонение может нарушить конечную целостность инструмента. Типичный цикл обеспечивает постепенное и контролируемое изменение свойств стали. Современная термообработка зачастую выполняется в строго контролируемых условиях, например, в вакуумных печах, чтобы предотвратить загрязнение поверхности, такое как окисление и обезуглероживание.

Весь процесс требует точности и высокой квалификации, поскольку конечное качество матрицы напрямую влияет на эффективность производства и качество деталей. Для отраслей, зависящих от высокопроизводительного инструмента, таких как автомобилестроение, овладение этим циклом имеет решающее значение. Например, ведущие производители специализированных штампов для автомобильной промышленности, такие как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. , используют глубокие знания в области материаловедения и термообработки для изготовления компонентов, отвечающих строгим требованиям оригинальных производителей и поставщиков первого уровня. Их успех зависит от точного выполнения циклов, подобных описанному ниже.

Комплексный цикл термообработки, как правило, включает следующие последовательные этапы:

1. Отжиг (если требуется): Являясь базовым этапом, исходная инструментальная сталь подвергается отжигу, чтобы обеспечить её мягкое, обезvuженное от напряжений и легко обрабатываемое состояние. Это подготавливает материал к равномерной закалке и особенно важно, если сталь ранее подвергалась механической обработке или сварке.
2. Снятие остаточных напряжений (необязательно, но рекомендуется): Для матриц со сложной геометрией или тех, которые прошли обширную механическую обработку, перед закалкой выполняется операция снятия напряжений, чтобы свести к минимуму риск деформации на более поздних этапах процесса.
3. Предварительный нагрев: Матрица медленно и равномерно нагревается до промежуточной температуры. Этот важный этап предотвращает термический шок при перемещении детали в печь для аустенитизации при высокой температуре, снижая риск коробления или образования трещин.
4. Аустенитизация (высокая температура): Инструмент нагревается до заданной температуры закалки и выдерживается — или «пропаривается» — достаточное время, чтобы всё сечение достигло одинаковой температуры и превратилось в аустенит. Время и температура являются критически важными параметрами, определяемыми маркой стали.
5. Закалка: После аустенизации матрица охлаждается быстро. Метод зависит от типа стали: стали, закаливаемые на воздухе, могут охлаждаться с помощью воздушного потока или инертного газа под высоким давлением, тогда как маслозакаливаемые стали погружаются в масляную ванну с контролируемой температурой. Цель — получить полностью мартенситную структуру.
6. Отпуск: Закалённая матрица, теперь чрезвычайно твёрдая, но хрупкая, должна быть немедленно отпущена, чтобы предотвратить растрескивание. Её повторно нагревают до значительно более низкой температуры, чтобы снять напряжения, уменьшить хрупкость и достичь окончательного требуемого баланса между твёрдостью и вязкостью. Высоколегированные стали зачастую требуют двух или даже трёх циклов отпуска для обеспечения полной металлургической стабильности.

Дополнительные аспекты для крупных и гигантских матриц

Хотя основные принципы термической обработки применимы ко всем матрицам, с увеличением размера сложности значительно возрастают. Крупные матрицы, и особенно «гигаматрицы» (Giga Dies), используемые в современном автомобилестроении для литья крупных конструкционных деталей, создают уникальные металлургические трудности. Их массивные поперечные сечения затрудняют равномерный нагрев и охлаждение, что увеличивает риск возникновения температурных градиентов, внутренних напряжений, деформации и неполной закалки. Стандартные процедуры зачастую оказываются неадекватными для таких применений, поэтому требуются специализированное оборудование и модифицированные процессы для обеспечения успеха.

Одной из основных задач является обеспечение постоянной скорости охлаждения по всему объему пресс-формы в процессе закалки. Поверхность охлаждается значительно быстрее, чем сердцевина, что может привести к неоднородной микроструктуре и свойствам. Для решения этой проблемы передовые отраслевые практики, такие как рекомендации Североамериканской ассоциации литья под давлением (NADCA), зачастую требуют использования современных вакуумных печей, оснащённых системами газовой закалки под высоким давлением (HPGQ). Эти системы используют инертные газы, такие как азот или аргон, под высоким давлением для более эффективного и равномерного отвода тепла по сравнению с неподвижным воздухом, обеспечивая контролируемую закалку, которая минимизирует деформацию, одновременно достигая необходимой твёрдости на большой глубине инструмента.

Кроме того, процесс отпуска для крупных и гига-матриц является более сложным. Из-за огромных внутренних напряжений, возникающих при закалке такой большой массы, одного отпуска недостаточно. Для гига-матриц стандартной практикой считается не менее двух циклов отпуска, причем матрица охлаждается до комнатной температуры между каждым циклом. Такой многоэтапный подход обеспечивает более полное превращение остаточного аустенита в стабильную структуру отпущенного мартенсита, что имеет решающее значение для достижения необходимой вязкости и размерной стабильности. Эти передовые методики — не просто рекомендации; они являются обязательными требованиями для производства инструментов, способных выдерживать экстремальные давления и термоциклирование, присущие операциям литья под давлением в крупных масштабах.

Часто задаваемые вопросы о термообработке матриц

1. Какие бывают 4 типа процессов термообработки?

Хотя существует множество конкретных процедур, четыре основных типа процессов термической обработки, как правило, считаются отжигом, закалкой, отпуском и снятием напряжений. Отжиг делает металл мягче, закалка повышает его прочность, отпуск уменьшает хрупкость и улучшает вязкость, а снятие напряжений устраняет внутренние напряжения, вызванные производственными процессами.

2. Что такое термическая обработка при литье под давлением?

В контексте литья под давлением термическая обработка относится к процессам, применяемым к самим стальным пресс-формам или формам, а не к отливаемым деталям (которые также могут подвергаться термообработке). Цель заключается в улучшении физических и механических свойств пресс-формы, таких как твердость, прочность и сопротивление термической усталости. Это обеспечивает способность пресс-формы выдерживать высокие давления и тепловые удары при многократном впрыске расплавленного металла, максимально продлевая срок её эксплуатации.

3. Каков процесс закалки инструментальной стали?

Процесс закалки инструментальной стали включает два основных этапа. Первый — аустенитизация, при которой сталь нагревается до высокой критической температуры (обычно между 760–1300 °C или 1400–2375 °F), чтобы изменить её кристаллическую структуру. Сразу за этим следует закалка — процесс быстрого охлаждения с использованием среды, такой как вода, масло или воздух. Такое быстрое охлаждение фиксирует твёрдую мартенситную микроструктуру, обеспечивая стали высокую прочность и износостойкость.