Как выбрать материалы для инструментов и пресс-форм?

Оснастка — основа любой операции прецизионного литья или формования. Независимо от того, выпускаете ли вы миллионы деталей литья под давлением или малосерийные прототипы, выбор материалов для пресс-форм и штампов напрямую влияет на качество продукции, ресурс инструмента, длительность цикла и экономическую эффективность. В Neway наши услуги по изготовлению оснастки и штампов подбираются под ваш объём производства, литейный материал и требования к характеристикам.

В этом руководстве рассматриваются ключевые факторы, влияющие на выбор инструментальных сталей и специальных материалов для пресс-форм: термостойкость, износостойкость, вязкость, обрабатываемость, полируемость и ресурс в реальных производственных условиях.

Почему важен выбор материалов для оснастки

Материалы пресс-форм и штампов должны выдерживать механические нагрузки, высокие температуры и химическое воздействие на протяжении всего срока службы. Неправильный выбор приводит к трещинообразованию, ускоренному износу, потере размеров и ухудшению качества поверхности отливок. Правильно подобранный материал обеспечивает:

• стабильность размеров для высокоточных деталей

• увеличенный ресурс инструмента (100 000+ циклов при высоконапорном литье алюминия)

• минимизацию переделок, простоев и снижение стоимости детали

• повышение производительности и повторяемости

Ключевые требования к материалам пресс-форм и штампов

Стойкость к термической усталости

При литье под давлением расплавленный алюминий (~660°C), цинк (~420°C) или медь (~1085°C) многократно впрыскиваются в стальные формы. Оснастка должна сопротивляться «сетке трещин» (heat checking), термоударам и окислению. Например, высокопроизводительные инструменты должны сохранять целостность более 100 000 циклов впрыска для алюминия и не менее 10 000 циклов для латуни или бронзы.

Износостойкость и твёрдость

Инструментальные стали должны иметь твёрдость 44–52 HRC (после термообработки) для алюминиевого литья под давлением или до 60 HRC для штампов холодной штамповки. Это обеспечивает стойкость к абразивному износу, кавитации и эрозии потоком расплава.

Ударная вязкость

Вязкость защищает от сколов и трещин при термоциклировании и механических ударах. Для вставок (инсертов) часто желательны значения ударной вязкости по Шарпи (Charpy V-notch) выше 20 Дж, особенно для сложных по геометрии пресс-форм.

Обрабатываемость и полируемость

Полости пресс-форм должны обрабатываться на ЧПУ и полироваться с высокой точностью (±0,01 мм) и качеством поверхности (Ra < 0,4 мкм для декоративных деталей). Материалы с хорошей обрабатываемостью сокращают сроки изготовления инструмента и улучшают стабильность качества поверхности.

Размерная стабильность

После термообработки важны материалы с минимальными деформациями, чтобы сохранить точность сложных полостей. Обычно допустима объёмная усадка ниже 0,3% после закалки для прецизионной оснастки.

Обзор распространённых материалов для оснастки

Neway предлагает широкий выбор материалов для оснастки, подходящих для различных объёмов производства, литейных сплавов и условий эксплуатации.

Инструментальная сталь H13

• Твёрдость после закалки: 44–52 HRC

• Рабочая температура: до 600°C

• Теплопроводность: ~24 W/m·K

• Ударная вязкость по Шарпи: ~22–26 Дж

• Применения: алюминиевое литьё под давлением, цинковое литьё под давлением, литьё пластмасс под давлением

H13 — наиболее распространённая горячеработающая инструментальная сталь благодаря отличному балансу прочности, вязкости и жаростойкости. Это отраслевой стандарт для форм под алюминий и цинк.

Инструментальная сталь P20

• Предзакалённая до: 28–32 HRC

• Отличная обрабатываемость и полируемость

• Использование: прототипные пресс-формы, полиуретановое литьё, оснастка для коротких серий

• Рабочая температура: ниже 400°C

P20 — экономичный выбор для форм средней твёрдости и литьевых пресс-форм, где максимальная твёрдость и термостойкость не являются критичными.

Инструментальная сталь D2

• Твёрдость: 58–62 HRC

• Высокое содержание хрома (~12%) для износостойкости

• Низкая стойкость к термоусталости и ограниченная вязкость

• Идеально для: холодных штампов, вырубки и обрезных штампов для тонких листов

D2 подходит для высокоабразивных условий, но плохо работает в высокотемпературном литье или инструментах с термоциклированием.

Инструментальная сталь A2

• Твёрдость: 56–60 HRC

• Хорошая размерная стабильность и обрабатываемость

• Умеренная ударная вязкость

• Использование: универсальные штампы, формообразующие инструменты и вставки

A2 является компромиссом между износостойкостью и вязкостью в низкотемпературных применениях.

Бериллиевая медь (BeCu)

• Твёрдость: 35–45 HRC

• Теплопроводность: до 110 W/m·K

• Отличная полируемость и коррозионная стойкость

• Использование: стержни, слайдеры и вставки в литье пластмасс под давлением или цинковом литье

BeCu оптимальна для зон, где требуется быстрое отведение тепла или высокий класс поверхности, особенно при критичной эффективности охлаждения.

Инструментальная сталь S7

• Твёрдость: 54–56 HRC

• Исключительная ударная прочность

• Высокая вязкость без хрупкости

• Применения: обрезные штампы, штамповочный инструмент, оснастка с ударными нагрузками

S7 используют там, где инструмент подвергается повторяющимся ударам и механическим нагрузкам сильнее, чем термоциклированию.

Карбид вольфрама

• Твёрдость: >80 HRC

• Высокая прочность на сжатие и износостойкость

• Низкая вязкость; хрупок при ударе

• Использование: высокоизнашиваемые вставки, обрезные штампы, долговечные режущие инструменты

Карбид лучше всего подходит для экстремально изнашиваемых зон и длительных операций обрезки в серийном производстве.

Inconel 718

• Никелевый суперсплав

• Прочность на растяжение: до 1240 МПа при 700°C

• Отличная стойкость к ползучести и окислению

• Использование: литьё медных сплавов, термонагруженные вставки

Inconel необходим для высокотемпературных применений (медь/латунь), где традиционные стали преждевременно выходят из строя.

Как выбрать подходящий материал оснастки

Следующие критерии помогают подобрать материал при проектировании пресс-форм и штампов:

Инженерная команда Neway анализирует температуру цикла, тепловое расширение, геометрию детали и требуемый ресурс, чтобы выбрать или рекомендовать наиболее подходящий материал для оснастки вашего проекта.

Интегрированная оснастка и производство в Neway

Neway предоставляет полный комплекс решений по оснастке от концепции до серийного выпуска:

• Консультации по проектированию с DFM и имитацией заполнения (mold flow)

• Обработка CNC и EDM с точностью ±0,01 мм

• Термообработка и полировка

• Интеграция инструмента с литейными процессами, включая пост-мехобработку и финишные операции

• Сборка и услуги ремонта/восстановления оснастки для многопроектного использования

Независимо от того, требуется ли вам малосерийное производство или массовое производство, наши системы оснастки спроектированы под надёжность, точность и контроль затрат.

Заключение

Выбор правильного материала для пресс-форм и штампов — ключевой фактор успешного, эффективного и долговечного производства. Согласовав материал инструмента с литейным сплавом, температурным режимом, требуемым ресурсом и геометрией детали, вы существенно снижаете производственные риски и затраты. Благодаря глубокой экспертизе в инструментальных сталях и изготовлении оснастки Neway помогает оптимизировать производство от проектирования до полномасштабного выпуска.

Чтобы получить экспертную рекомендацию или расчёт стоимости оснастки, свяжитесь с Neway сегодня.

FAQs

1. Какая инструментальная сталь лучше всего подходит для пресс-форм алюминиевого литья под давлением?

2. Когда следует выбрать P20 вместо H13 для литейной оснастки?

3. Можно ли использовать бериллиевую медь для вставок при крупносерийном производстве?

4. Как твёрдость инструментальной стали влияет на срок службы пресс-формы?

5. Какие материалы лучше всего подходят для литья под давлением меди и латуни?