Оптимизация работы горячих штамповочных пресс-форм: передовые методы термической и поверхностной обработки

Производительность штамповочной пресс-формы напрямую зависит от технологии термической обработки, поскольку именно термообработка повышает вязкость стали формы, что многократно увеличивает её ресурс. Рабочие условия горячих штамповочных форм крайне суровы и сложны: они непосредственно контактируют с нагретым блоком или жидким металлом, подвергаются многократному циклическому нагреву и охлаждению, а также испытывают ударные нагрузки. Поэтому требования к стали для горячих форм исключительно высоки. Мы можем улучшить показатели производительности формы через термическую и поверхностную обработку, тем самым продлевая её срок службы.

Что такое термическая обработка?

Термическая обработка — это процесс термической обработки металлов. Она заключается в нагреве, выдержке и охлаждении материалов в твердом состоянии для получения требуемой структуры и свойств.

Термическая обработка металлов — один из важнейших процессов в машиностроении. В отличие от других процессов, она, как правило, не меняет форму и общий химический состав заготовки. Термическая обработка придает или улучшает свойства за счет изменения внутренней микроструктуры или химического состава поверхности. Это улучшение внутреннего качества, которое обычно невидимо невооруженным глазом.

Сталь для горячих штамповочных пресс-форм

Сталь для горячих штамповочных форм используется для изготовления форм, деформирующих металлы в нагретом состоянии, включая пресс-формы для горячей штамповки, горячей экструзии, формы для литья под давлением и формы для высокоскоростной штамповки.

Рабочие условия и требования к свойствам стали для горячих форм

Горячая штамповочная форма воспринимает значительные ударные нагрузки, её полость контактирует с высокотемпературным металлом и подвергается повторяющимся циклам нагрева и охлаждения — условия эксплуатации суровы. Для соответствия требованиям сталь для горячих форм должна обладать:

• высокой высокотемпературной прочностью и хорошей вязкостью;
• хорошей износостойкостью и высокой термической стабильностью;
• отличной стойкостью к термической усталоте и высокой закалимостью;
• хорошей теплопроводностью и технологичностью при обработке.

Легирование

Массовая доля углерода в стали для горячих форм обычно поддерживается в диапазоне (0,3–0,6)% C для обеспечения необходимой прочности, твердости, износостойкости и вязкости. При избыточном углероде снижаются вязкость и теплопроводность, при недостаточном — трудно гарантировать прочность, твердость и износостойкость.

Хром повышает закалимость и закалную стабильность. Сочетание никеля и хрома не только улучшает закалимость, но и комплекс механических свойств. Марганец повышает закалимость и прочность, но снижает вязкость. Молибден, вольфрам, ванадий и др. обеспечивают вторичное затвердевание, повышают краснотустоючесть, закальную стабильность, стойкость к термической усталоте и измельчают зерно.

Процесс термической обработки

Процесс термической обработки обычно включает три стадии: нагрев, выдержку и охлаждение, иногда только две — нагрев и охлаждение. Эти этапы неразрывны и не могут прерываться.

Нагрев

Нагрев — один из ключевых этапов термической обработки, методов нагрева множество. Раньше использовали древесный уголь и каменный уголь, позже — жидкое и газообразное топливо. Применение электроэнергии сделало нагрев легко контролируемым и экологически чистым.

При нагреве металла заготовка контактирует с воздухом, что часто приводит к оксидению и декарбуризации, ухудшающим поверхностные свойства после термообработки. Поэтому металл нагревают в контролируемой или защитной атмосфере, в расплаве соли, в вакууме, или защищают покрытиями и упаковкой. Температура нагрева — важнейший технологический параметр, её выбор и контроль — главные вопросы обеспечения качества термообработки.

Выдержка

Температура нагрева зависит от цели термообработки и материала, но обычно она выше температуры фазового превращения для получения высокотемпературной структуры. Превращение требует времени, поэтому когда поверхность заготовки достигает заданной температуры, её выдерживают при этой температуре определенное время для выравнивания внутренней и внешней температур и полного структурного превращения. Это время называется временем выдержки.

Охлаждение

Охлаждение — обязательный этап термической обработки. Способ охлаждения варьируется в зависимости от процесса, главным образом контролируется скорость охлаждения. Обычно скорость охлаждения при отжиге самая низкая, при нормализации — выше, при закалке — максимальная. Но существуют различия в зависимости от стального сорта.

Поверхностная технология обработки стали форм

Основные методы поверхностного упрочнения: химико-термическая обработка, поверхностное упрочнение высокоэнергетичными пучками и физическое или химическое осаждение из паровой фазы.

Распространенные виды химико-термической обработки: цементация, азотирование, борирование и др. Это традиционные процессы с низкой стоимостью и высокой надежностью по сравнению с другими методами, имеющие много вариантов.

Особенности высокоэнергетичного поверхностного упрочнения: высокая скорость нагрева, малая деформация заготовки, отсутствие охлаждающей среды, хорошая управляемость и простота автоматизации. Среди этих технологий наибольшее применение в исследованиях имеет лазерное поверхностное модифицирование. Сейчас исследования лазерной поверхностной обработки в основном используют преимущества хорошей управляемости и малого влияния на основной металл, комбинируя их с другими технологиями для разработки новых процессов.

Осаждение из паровой фазы делится на химическое (CVD) и физическое (PVD) осаждение. Эти методы 주로 используются для формирования керамического покрытия на поверхности формы. Главная проблема керамических покрытий — несовпадение коэффициентов теплового расширения покрытия и матрицы стали формы, что приводит к раннему трещинному разрушению покрытия. Поэтому плазменное азотирование перед нанесением керамического покрытия — эффективный способ улучшения адгезии покрытия с основой, существенно повышающий ресурс горячей штамповочной формы. Однако различные керамические покрытия, будь то однослойные, многослойные или комбинированные с азотированием, неизбежно вызывают разницу в тепловом расширении с матрицей, влияя на термическую усталостную стойкость формы. Следовательно, необходима система композитных покрытий. Композитная система покрытий обеспечивает поверхности литейной формы под давлением функции антисварки, антиэрозии, антиоксидации и износостойкости. Главная особенность — снижение теплопередачи к форме, замедление температурных изменений формы и повышение термической усталостной стойкости стали формы.

JTR предоставляет услуги ЧПУ обработки, штамповки, литья под давлением, 3D-печати, литья под давлением и другие. У нас есть разнообразное высокоточное ЧПУ оборудование и испытательные средства. Мы предлагаем клиентам услуги быстрого прототипирования и серийного производства, и приветствуем внутренних и зарубежных клиентов для консультаций в любое время.