Краткое содержание

Выбор подходящих материалов для литья под давлением включает две отдельные категории. Формы, или пресс-формы, изготавливаются из высокопрочных жаропрочных инструментальных сталей, таких как H13 и P20, чтобы выдерживать экстремальные температуры и давление. Детали же формируются путем впрыска расплавленных цветных сплавов — в основном алюминия, цинка и магния — в эти формы. Понимание этого различия имеет решающее значение для успешного производства.

Материалы форм против материалов литья: важное различие

Распространённой причиной путаницы в литье под давлением является разница между материалом, используемым для создания формы, и материалом, из которого изготавливается конечная деталь. Уточнение этого различия — первый шаг к принятию обоснованных инженерных решений. Эти два материала выполняют совершенно разные функции и обладают принципиально различными свойствами. Форма представляет собой прочный, многоразовый инструмент, тогда как литейный материал — это сырьё, из которого получается готовое изделие.

Материал формы должен быть исключительно прочным. Его основная задача — удерживать расплавленный металл при огромном давлении и выдерживать тысячи тепловых циклов без деформации, растрескивания или износа. По этой причине производители используют специальные горячие инструментальные стали. Эти стали разработаны для обеспечения высокой твёрдости, превосходной устойчивости к термоусталости и вязкости при повышенных температурах. Как подробно описано в руководствах от HLC Metal Parts , долговечность и точность всей операции литья под давлением зависят от качества стали формы.

Напротив, материал для литья выбирается исходя из требуемых характеристик конечного изделия. Обычно это цветные сплавы, известные такими свойствами, как высокая текучесть в расплавленном состоянии, низкая температура плавления, малый вес и устойчивость к коррозии. Цель — выбрать сплав, который легко заполняет сложные полости формы, обеспечивая точные геометрические размеры детали, требуемую механическую прочность и качество поверхности. Требования к эксплуатационным характеристикам литейного материала определяются назначением конечного продукта, а не долговечностью производственного инструмента.

Перепутывание этих двух понятий может привести к серьезным ошибкам в проектировании и производстве. Например, использование распространённого литейного сплава для изготовления формы приведёт к немедленному выходу её из строя, поскольку она расплавится при контакте с литейным материалом. В приведённой ниже таблице показано это принципиальное различие на распространённых примерах.

Глубокое погружение: высокопрочные стали для литейных форм под давлением

Материалы, используемые при изготовлении литейных форм под давлением, являются незамеченными героями производственного процесса. Они должны надежно работать в самых сложных промышленных условиях. Основная категория материалов для этой задачи — это инструментальные стали для горячей обработки, класс сплавов, специально разработанных для сохранения прочности, твердости и размерной стабильности при очень высоких температурах. Эти стали необходимы для обеспечения длительного срока службы формы и производства стабильных, высококачественных деталей на протяжении десятков тысяч циклов.

Наиболее широко используемым материалом для литейных форм под давлением является инструментальная сталь H13. Согласно подробному анализу от Neway Precision , H13 обеспечивает исключительный баланс твердости, прочности и сопротивления термоусталости. Его состав, включающий хром, молибден и ванадий, позволяет выдерживать термический удар при многократном заполнении расплавленным металлом. Это делает его предпочтительным выбором для литья алюминиевых и цинковых сплавов. Другим распространенным материалом является сталь P20, которая часто поставляется в предварительно закаленном состоянии. Хотя P20 и не обладает такой же устойчивостью к высоким температурам, как H13, она проще в обработке и является экономически выгодным вариантом для форм, используемых при более низких температурах или для небольших производственных партий.

Выбор конкретной инструментальной стали в значительной степени зависит от области применения. Для особо сложных задач, связанных со сложными геометриями или высокими объёмами производства, производители могут использовать ещё более передовые материалы, такие как стареющие стали или жаропрочные сплавы на никелевой основе, которые обеспечивают превосходную прочность и долговечность по более высокой цене. В автомобильной отрасли, где точность и долговечность имеют первостепенное значение, выбор материала играет критически важную роль. Специализированные производители, такие как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. демонстрируют экспертность в создании высокоточных штампов для автомобильной промышленности — процесса, который опирается на аналогичные прочные инструментальные стали, чтобы обеспечить стабильность деталей и долговечность инструмента для OEM-производителей и поставщиков первого уровня.

Для дальнейшего повышения производительности поверхности форм часто подвергаются специальной обработке. Например, азотирование создает очень твердый поверхностный слой, устойчивый к износу и эрозии от расплавленного металла. Для повышения твердости поверхности и облегчения извлечения детали может также применяться покрытие твердым хромом. Такая обработка может значительно продлить срок службы пресс-формы, защищая значительные инвестиции, вложенные в ее создание. Ниже приведено сравнение распространенных инструментальных сталей, используемых для пресс-форм литья под давлением.

Руководство по распространенным сплавам для деталей литья под давлением

Если форма задает конфигурацию, то литой сплав придает готовой детали ее сущность и функциональность. Подавляющее большинство деталей, полученных под давлением, изготавливаются из трех основных групп цветных сплавов: алюминия, цинка и магния. Каждый из них обладает уникальным набором свойств, что делает их пригодными для различных применений. Выбор сплава — это важное проектное решение, влияющее на массу, прочность, долговечность и стоимость детали.

Алюминиевые сплавы

Алюминий является наиболее распространенным материалом в литье под давлением, ценится за превосходное соотношение прочности к массе, устойчивость к коррозии и теплопроводность. Как подробно описано в руководстве Ксометрия , такие сплавы, как A380, отличаются исключительной универсальностью и используются в широком ассортименте продукции — от автомобильных блоков цилиндров до корпусов электроники и электроинструментов. Другой распространенный сорт, ADC12, известен превосходной литейной технологичностью, позволяющей заполнять сложные формы с тонкими стенками. Алюминиевые сплавы обеспечивают экономически эффективное решение для производства легких, но прочных компонентов.

Цинковые сплавы

Цинковые сплавы, в частности сплавы семейства Zamak (например, Zamak 3 и Zamak 5), являются еще одним ключевым элементом индустрии литья под давлением. К их основным преимуществам относятся очень низкая температура плавления, что снижает энергозатраты и продлевает срок службы пресс-форм, а также исключительная текучесть. Благодаря этой текучести можно изготавливать детали с очень мелкими элементами и очень тонкими стенками, часто с высококачественной поверхностью, требующей минимальной дополнительной обработки. Цинковые сплавы плотнее алюминия, однако их прочность и твердость делают их идеальными для применения в таких изделиях, как автомобильные ручки дверей, декоративная фурнитура, шестерни и электронные разъёмы.

Магниевые сплавы

Когда требуется минимально возможный вес, конструкторы обращаются к магниевым сплавам. Как самый лёгкий из всех конструкционных металлов, магний обеспечивает наилучшее соотношение прочности к весу. Сплавы, такие как AZ91D, широко используются в областях, где критически важно снижение массы, например, в авиакосмических компонентах, высококачественных автомобильных деталях и портативной электронике, такой как каркасы ноутбуков и корпуса камер. Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с алюминием или цинком, уникальные свойства магния оправдывают его применение в премиальных решениях, где высокая производительность и низкий вес являются обязательными требованиями.

Ключевые критерии выбора: Выбор подходящего материала для вашего применения

Выбор оптимального материала для литейной формы и готовой детали требует тщательного анализа механических, тепловых и экономических факторов. Этот процесс принятия решений заключается не в поиске единственного «наилучшего» материала, а в выборе наиболее подходящего для конкретного применения. Сбалансированный подход обеспечивает соответствие конечного продукта требованиям к эксплуатационным характеристикам при одновременном сохранении экономичности производства.

Факторы выбора материала формы

Выбор инструментальной стали для формы в первую очередь определяется условиями литья и производственными требованиями. Основные аспекты, изложенные экспертами компании Ace Mold включает:

• Температура сплава для литья: Чем выше температура плавления литейного сплава (например, алюминий по сравнению с цинком), тем более жаропрочным должен быть материал формы. Именно поэтому H13 является стандартом для алюминия, тогда как P20 может быть достаточен для цинка.
• Объем производства: Для серийных производств большого объема, исчисляемых сотнями тысяч единиц, разумно инвестировать в более прочную и дорогостоящую инструментальную сталь, поскольку она прослужит дольше и сократит простои. Для прототипов или мелкосерийного производства более экономичным может оказаться менее прочная, но лучше обрабатываемая сталь.
• Сложность деталей: Сложные геометрические формы с тонкими стенками могут создавать участки с высоким напряжением в форме. Для предотвращения преждевременного растрескивания и выхода из строя необходима более прочная сталь с высокой усталостной стойкостью.

Факторы выбора сплава для литья

При выборе сплава для самой детали основное внимание уделяется условиям эксплуатации и требованиям к эксплуатационным характеристикам. Основные факторы, которые следует учитывать:

• Механические свойства: Будет ли деталь подвергаться высоким нагрузкам, ударам или износу? Цинковые сплавы обеспечивают отличную твердость и ударную прочность, тогда как алюминий обеспечивает лучший баланс для конструкционных элементов.
• Окружающая среда: Будет ли деталь подвергаться воздействию влаги, химикатов или экстремальных температур? Естественная коррозионная стойкость алюминия делает его идеальным для использования в различных наружных или агрессивных условиях. Магний может требовать защитных покрытий.
• Требования к весу: Является ли минимизация веса основной задачей проектирования? Магний — бесспорный лидер для применений, таких как авиакосмическая отрасль и портативная электроника, за ним следует алюминий.
• Бюджет: Стоимость детали является ключевым фактором. Сплавы цинка и алюминия, как правило, более экономичны по сравнению с магнием. Сложность детали и необходимые операции по отделке также играют важную роль в конечной стоимости.

Для руководства этим процессом проектировщику следует задать ряд вопросов до окончательного выбора материала. Приведенный ниже контрольный список может служить практической отправной точкой для любого проекта литья под давлением.

• Каков ожидаемый общий объем производства этой детали?
• Какими будут максимальные и минимальные рабочие температуры, которым будет подвергаться деталь?
• Какие структурные нагрузки или воздействия должен выдерживать деталь в течение срока службы?
• Является ли вес детали критическим конструктивным ограничением?
• Какой уровень устойчивости к коррозии требуется?
• Каковы требования к отделке поверхности и внешнему виду конечного продукта?
• Какова целевая стоимость одной детали?

Часто задаваемые вопросы

1. Из какого материала изготавливаются пресс-формы для литья под давлением?

Пресс-формы для литья под давлением в основном изготавливаются из высококачественных инструментальных сталей, в частности горячих инструментальных сталей. Наиболее распространённым и универсальным вариантом является сталь H13, которая обеспечивает отличное сочетание прочности, износостойкости и устойчивости к термической усталости. Для применений при более низких температурах или при коротких производственных циклах также часто используется сталь P20.

2. Какой материал наиболее подходит для литья под давлением?

Наиболее подходящий материал для отливаемой детали полностью зависит от требований применения. Сплавы алюминия, такие как A380, являются наиболее популярными благодаря отличному сочетанию прочности, лёгкости, устойчивости к коррозии и стоимости. Однако сплавы цинка лучше подходят для деталей, требующих высокой детализации и большой ударной прочности, а магний — лучший выбор, когда минимальный вес является главным приоритетом.

3. Какой из следующих материалов обычно используется при изготовлении пресс-формы для литья под давлением?

Среди распространённых материалов инструментальные стали являются стандартом для изготовления пресс-форм литья под давлением. Марки, такие как H13 и P20, специально разработаны для выдерживания высокого давления и термических ударов, неизбежных в процессе литья под давлением. Эти материалы обеспечивают долговечность формы и точность геометрических размеров на протяжении многих тысяч циклов литья.