Stal narzędziowa na formy do odlewania ciśnieniowego: właściwości i dobór stali

Stale narzędziowe na formy stanowią fundament nowoczesnej produkcji form do odlewania ciśnieniowego. Materiały te wyróżniają się na tle standardowych stali narzędziowych, ponieważ łączą w sobie odpowiednią twardość, udarność i odporność termiczną.

Niniejszy wpis stanowi przewodnik, który pomoże Ci poznać właściwości i zasady doboru stali narzędziowych na formy. Dzięki temu lepiej zrozumiesz proces wytwarzania realizowany przez Twojego dostawcę i będziesz mógł skuteczniej komunikować się na etapie projektowania oraz produkcji.

Stale narzędziowe do pracy na gorąco w odlewaniu ciśnieniowym

Mówiąc najprościej, stal narzędziowa na formy to rodzaj stali przeznaczonej do wytwarzania matryc i form, które muszą zachowywać swój kształt mimo działania dużych sił, tarcia i wysokiej temperatury. Można je podzielić na gatunki do pracy na zimno, do pracy na gorąco oraz do form wtryskowych do tworzyw sztucznych. Wśród nich stale narzędziowe do pracy na gorąco są ściśle związane z formami do odlewania ciśnieniowego.

Stale narzędziowe do pracy na gorąco wytrzymują wielokrotne narażenie na wysokie temperatury i obciążenia mechaniczne. Znajdują zastosowanie w matrycach kuźniczych, formach do odlewania ciśnieniowego oraz narzędziach do wyciskania na gorąco.

Popularne stale narzędziowe do pracy na gorąco stosowane w formach do odlewania ciśnieniowego

W procesie odlewania ciśnieniowego aluminium i cynku najczęściej stosowaną stalą do pracy na gorąco jest gatunek H13, ponieważ zapewnia on korzystne połączenie wytrzymałości w wysokich temperaturach, udarności oraz podatności na obróbkę mechaniczną, co jest istotne w przypadku złożonych form i wkładek.

Warianty i odpowiedniki (takie jak 1.2344 czy SKD61) oferują zbliżone właściwości użytkowe, zależnie od lokalnych norm i dostępności materiału. W przypadku bardzo trudnych warunków eksploatacji lub narzędzi o wydłużonej trwałości często wybiera się gatunki H13 klasy premium lub modyfikowane, charakteryzujące się wyższą czystością i lepszą udarnością.

Właściwości stali narzędziowych i ich znaczenie dla produkcji form

Stale narzędziowe przeznaczone na formy do odlewania ciśnieniowego muszą sprawdzać się w ekstremalnych warunkach pracy. Ich wartość wynika z szerokiego wachlarza właściwości przydatnych w rzeczywistym procesie produkcyjnym.

Twardość i odporność na zużycie w procesie odlewania ciśnieniowego

W przypadku form do odlewania ciśnieniowego, twardość Ma to kluczowe znaczenie dla ograniczenia zużycia elementów i poszczególnych stref formy. Odpowiednio obrobione cieplnie stale do pracy na gorąco, takie jak H13, osiągają zazwyczaj twardość rzędu 46–52 HRC w przypadku form do odlewania ciśnieniowego aluminium, przy czym w narzędziach produkcyjnych najczęściej spotyka się wartości 48–50 HRC. Jest to poziom wystarczający, by ograniczyć erozję powodowaną przez szybko przepływający ciekły metal w trakcie procesu produkcji.

Wysoka odporność na zużycie pomaga formie wytrzymać:

• Erozję w strefach szybkiego przepływu metalu (wlewach, kanałach dolotowych, kieszeniach przelewowych)
• Kontakt z ciekłym aluminium lub cynkiem, które mają tendencję do przywierania do powierzchni formy
• Wielokrotne zamykanie i zwieranie formy podczas usuwania gotowych odlewów

Powłoki węglikowe (tworzone przez węgiel, chrom i wanad) spowalniają ubytek materiału z powierzchni rozgrzanej formy. Gładka, dobrze wypolerowana powierzchnia oraz odpowiednia powłoka dodatkowo zmniejszają tarcie i zjawisko przywierania stopu do formy, co wydłuża żywotność formy i zapewnia stabilność wymiarową odlewów.

Udarność i wytrzymałość na obciążenia udarowe podczas wtrysku

Udarność jest w procesie odlewania ciśnieniowego równie ważna jak twardość. Główna różnica polega na tym, że twardość określa odporność na zużycie powierzchniowe i wgniecenia, podczas gdy udarność oznacza odporność na pękanie i łamanie pod wpływem uderzenia. Cecha ta jest szczególnie istotna w przypadku:

• Cienkie elementy formy oraz obszary narażone na wysokie ciśnienie wtrysku
• Obszary poddawane powtarzalnym obciążeniom mechanicznym i uderzeniom (w pobliżu wypychaczy i linii podziału formy)

Wysoka udarność zmniejsza ryzyko nagłego pęknięcia w przypadku niewspółosiowości formy, skoków ciśnienia metalu lub szoku termicznego spowodowanego nierównomiernym nagrzewaniem i chłodzeniem.

Odporność na korozję

Choć formy odlewnicze nie wymagają pełnej odporności na korozję charakterystycznej dla stali nierdzewnej, umiarkowana odporność na korozję korzystnie wpływa na codzienną eksploatację i konserwację. Zawartość chromu w stalach do pracy na gorąco pomaga ograniczyć powstawanie rdzy w przerwach między cyklami produkcyjnymi, podczas przechowywania oraz w środowisku wilgotnym lub przy kontakcie z wodą chłodzącą.

Korozja objawia się początkowo wżerami lub przebarwieniami na powierzchniach gniazd, suwakach i rdzeniach. Wady te mogą przenosić się na odlewy, utrudniając ich wyjmowanie z formy i wydłużając czas czyszczenia. Dlatego też, oprócz wyboru odpowiedniej stali narzędziowej, kluczowe znaczenie dla utrzymania jakości powierzchni i ograniczenia nieplanowanych przestojów serwisowych mają również właściwe czyszczenie, stosowanie olejów antykorozyjnych oraz kontrolowane warunki przechowywania.

Stabilność wymiarowa i termiczna

Stabilność wymiarowa ma kluczowe znaczenie dla zachowania ścisłych tolerancji wymiarowych w formach do odlewania ciśnieniowego. Stale stosowane na formy muszą zachowywać swój kształt zarówno po obróbce cieplnej, jak i w trakcie całego okresu eksploatacji.

Do kluczowych aspektów stabilności w procesie odlewania ciśnieniowego należą:

• Niewielkie odkształcenia podczas obróbki cieplnej, dzięki czemu wymiary gniazda formy mieszczą się w granicach naddatków obróbczych
• Dobra odporność na odpuszczanie, co zapewnia stabilność twardości i wytrzymałości w temperaturach roboczych formy
• Odporność na zmęczenie cieplne, ograniczająca powstawanie siatki pęknięć cieplnych i pęknięć powierzchniowych w trakcie wielu cykli odlewania

Stale narzędziowe do pracy na gorąco o dobrej stabilności cieplnej zapobiegają mięknięciu, odkształceniom i nadmiernemu wzrostowi wymiarów formy pod wpływem wielokrotnego nagrzewania i chłodzenia. Stabilność ta pozwala zachować szczelność linii podziału, utrzymuje powierzchnie odcinające oraz zapewnia właściwe wzajemne położenie rdzeni i wkładek, co bezpośrednio przekłada się na powtarzalną dokładność odlewów i wydłużoną żywotność formy.

Wpływ właściwości stali narzędziowej na formę do odlewania ciśnieniowego i proces produkcji

Jeśli powyższe szczegóły techniczne wydają się zbyt złożone, poniższa tabela wyjaśnia, w jaki sposób właściwości te wpływają na poprawę jakości produktu i wydajności produkcji:

Najczęściej zadawane pytania

Co decyduje o wyborze najlepszego rodzaju stali narzędziowej na matryce do konkretnego zastosowania?

Kluczową rolę odgrywa temperatura pracy. Procesy obróbki na gorąco, takie jak odlewanie ciśnieniowe, wymagają stali zachowującej wytrzymałość w wysokich temperaturach, podczas gdy w przypadku obróbki na zimno priorytetem jest odporność na zużycie.

Istotny jest również rodzaj obciążenia. Praca wiążąca się z dużymi udarami wymaga stali o wysokiej ciągliwości, natomiast przy długich seriach produkcyjnych lepiej sprawdzają się gatunki charakteryzujące się dużą odpornością na zużycie i stabilnością wymiarową.

W jaki sposób właściwości stali narzędziowej wpływają na jej przydatność jako materiału na matryce?

Odporność na zużycie decyduje o tym, jak długo matryca zachowuje swój kształt. Wysoka odporność na zużycie ogranicza zaokrąglanie krawędzi i uszkodzenia powierzchni podczas powtarzających się cykli pracy.

Udarność ogranicza ryzyko pękania i wykruszania się materiału. Odporność termiczna pozwala matrycy zachować twardość w warunkach wysokich temperatur procesowych.

Jaki wpływ na trwałość formy do odlewania ciśnieniowego ma twardość materiału?

W procesie odlewania ciśnieniowego wyższa twardość zazwyczaj zwiększa odporność na erozję i zużycie w obszarach formy narażonych na intensywny przepływ materiału, co wydłuża żywotność narzędzia. Jednak nadmierne zwiększenie twardości powoduje spadek udarności, przez co cienkie ścianki lub miejsca poddane dużym naprężeniom stają się bardziej podatne na pękanie. Dobór optymalnego zakresu twardości – w porozumieniu z dostawcą form – pozwala uzyskać długą żywotność narzędzia przy jednoczesnym uniknięciu uszkodzeń wynikających z kruchości materiału.

Jaka stal narzędziowa jest najczęściej stosowana do produkcji form do odlewania ciśnieniowego aluminium i cynku?

Stal H13 oraz jej odpowiedniki (takie jak 1.2344 czy SKD61) to najczęstszy wybór w przypadku form do odlewania ciśnieniowego aluminium i cynku, ponieważ łączą one w sobie wytrzymałość na gorąco, udarność oraz dobrą obrabialność. W przypadku szczególnie wymagających zastosowań można sięgnąć po odmiany stali H13 klasy premium lub inne ulepszone stale do pracy na gorąco, aby zapewnić lepszą odporność na siatkę pęknięć termicznych, erozję i pękanie.