Классификация,характеристики и разрушение материалов для литья металлов в формы

В процессе производства металлического литья выбор материалов для литья металлов в формы имеет решающее значение, от их характеристик зависит долговечность формы и точность литого изделия. Однако из-за длительного воздействия высокой температуры, высокого давления и механических ударов материалы форм подвержены термической усталости, износу, коррозии и другим проблемам.

Поэтому глубокое изучение классификации, свойств и механизма разрушения материалов для литья металлов в формы имеет большое значение для повышения производительности и продления срока службы формы.

1. основные типы материалов для литья металлов в формы

В настоящее время материалов для литья металлов в формы в основном включают следующие категории:

(1) Сталь

1) Сталь для горячей обработки пресс-форм (например, сталь H13, сталь SKD61):

Обладая хорошей термостойкостью и высокой термоусталостной прочностью, она подходит для высокотемпературного литья, такого как литье под давлением и гравитационное литье.

2) Сталь для холодной обработки пресс-форм (например, сталь D2, сталь Cr12MoV):

В основном используется в низкотемпературных условиях литья, имеет лучшую износостойкость, но плохую жаропрочность.

3) Нержавеющая сталь:

Подходит для специальных процессов литья, таких как литье по выплавляемым моделям, для повышения коррозионной стойкости и точности форм.

(2) Чугун

1) Серый чугун:

Хорошие технологические характеристики, низкая стоимость, подходит для простых форм для литья под низким давлением.

2) Ковкий чугун:

Более высокая прочность и жаростойкость по сравнению с серым чугуном, подходит для более сложных процессов литья.

(3) Медные сплавы

1) Бериллиевая медь (BeCu):

Обладая отличной теплопроводностью и износостойкостью, он широко используется в формах для литья под давлением для повышения эффективности охлаждения и срока службы формы.

2) Латунь:

Хорошая коррозионная стойкость, но более низкая механическая прочность, обычно используется для форм для литья при низких температурах.

(4) Другие сплавы

1) Сплавы на основе никеля:

Чрезвычайно высокая термостойкость и устойчивость к окислению для экстремальных высокотемпературных процессов литья, например, при производстве деталей для аэрокосмической промышленности.

2) Сплавы на основе кобальта:

Обладая хорошей износостойкостью и термоусталостной прочностью, она подходит для высокопрочного и высокотемпературного литья.

2. Основные эксплуатационные требования к материалов для литья металлов в формы

Различные типы процессов литья предъявляют разные требования к материалам форм, но в целом идеальный материалов для литья металлов в формы должен обладать следующими свойствами:

(1) Высокотемпературная прочность и термостойкость

Пресс-формы работают в течение длительного времени в условиях высокой температуры и должны обладать достаточной прочностью, чтобы предотвратить размягчение или деформацию во время использования.

Например, сталь для горячих форм H13 обладает хорошей высокотемпературной прочностью и широко используется в процессах высокотемпературного литья.

(2) Износостойкость и коррозионная стойкость

Износостойкость материала формы определяет срок ее службы, особенно в процессе высокоскоростного литья под высоким давлением, когда форма часто контактирует с расплавленным металлом и подвержена износу.

В то же время некоторые материалы для литья (например, алюминиевые сплавы) могут разъедать форму, поэтому материал формы должен обладать определенной коррозионной стойкостью.

(3) Термическая стабильность и устойчивость к термической усталости

Поскольку в процессе эксплуатации пресс-формы постоянно подвергаются циклам нагрева и охлаждения, они подвержены растрескиванию из-за термической усталости, что, в свою очередь, влияет на срок службы. Поэтому для продления срока службы пресс-форм необходимы отличная термостабильность и устойчивость к термической усталости.

Например, сплавы на основе никеля демонстрируют отличную устойчивость к термической усталости в высокотемпературных средах.

(4) Хорошая теплопроводность и технологичность

Материалы для форм с хорошей теплопроводностью позволяют ускорить охлаждение, улучшить качество литья и сократить время производственного цикла. Например, сплав бериллиевой меди широко используется в формах для литья под давлением благодаря своей отличной теплопроводности.

Кроме того, материалов для литья металлов в формы должны обладать хорошей обрабатываемостью, чтобы снизить производственные затраты и повысить производительность.

3. различные типы процесса литья металла по требованиям к материалу формы

(1) Гравитационное литье

Для того чтобы выдерживать воздействие промывки и термоциклирования высокотемпературных металлических жидкостей, требуется хорошая термостойкость материала пресс-формы.

Высокая термоусталостная прочность позволяет эффективно сократить количество трещин в форме и увеличить срок службы.

(2) Инвестиционное литье

Поскольку этот процесс в основном используется для точного литья, материал формы должен обладать высокой точностью и высокой коррозионной стойкостью.

Использование сплавов на основе никеля или нержавеющей стали повышает коррозионную стойкость и качество поверхности формы.

(3) Литье под давлением

Поскольку процесс литья под давлением предполагает заполнение формы под высоким давлением и с высокой скоростью, материал формы должен обладать чрезвычайно высокой прочностью и термостойкостью.

Использование формовочных сталей для горячей обработки (например, H13) или сплавов бериллиевой меди повышает ударопрочность и эффективность охлаждения формы.

(4) Литье под низким давлением

Этот процесс требует высокой устойчивости к тепловым ударам и прочности, чтобы предотвратить растрескивание формы в течение длительного времени.

Выбор ковкого чугуна или стали высокой прочности может эффективно увеличить срок службы пресс-формы.

Ниже в виде таблицы приведены основные требования к различным процессам литья и применяемым материалов для литья металлов в формы:

4. сравнение характеристик различных материалов для литья металлов в формы и анализ применяемых процессов 

5. основные формы разрушения форм для литья металлов

Металлическая литейная форма в процессе длительной эксплуатации, под воздействием высокой температуры расплавленного металла, механических нагрузок и роли химической коррозии, склонна к снижению производительности или даже выходу из строя. К основным формам отказа относятся следующие:

(1) Термические усталостные трещины

Пресс-формы многократно нагреваются и охлаждаются в высокотемпературной среде, что приводит к возникновению напряжений из-за теплового расширения и сжатия, которые при длительном воздействии приводят к появлению трещин от термической усталости. Трещины обычно распространяются вдоль поверхности пресс-формы и в конечном итоге влияют на срок ее службы.

Скорость образования трещин при термической усталости тесно связана с сопротивлением термической усталости материала формы, методом охлаждения и параметрами процесса.

(2) Износ и коррозия

1) Износ:

Поверхность формы в металлической жидкости при высокой температуре истирания и механического трения, будет потеря материала, особенно в высоком давлении, высокоскоростной процесс литья под давлением является более серьезным.

2) Коррозия:

Некоторые металлы (например, алюминий, медные сплавы) склонны к химическим реакциям с материалом формы при высоких температурах, что приводит к окислению и эрозии поверхности формы, ослабляя ее прочность и долговечность.

(3) Пластическая деформация и растрескивание

Когда материалов для литья металлов в формы работает в условиях высокой температуры и высокого давления, при недостаточной прочности может произойти пластическая деформация, что приведет к снижению точности размеров. Кроме того, под воздействием высоких нагрузок в форме могут возникнуть хрупкие трещины, что влияет на безопасность использования.

(4) Разрушение в результате механического удара

Во время литья под высоким или низким давлением форма подвергается сильным механическим ударам, таким как высокоскоростное заполнение легирующей жидкостью или вибрация при открытии формы. Эти удары могут привести к локальным концентрациям напряжений, которые в конечном итоге приводят к разрушению или локальному повреждению формы.

6. основные факторы, приводящие к разрушению материалов для литья металлов в формы

Отказ пресс-формы зависит не только от свойств материала, но и от окружающей среды и технологических параметров. Ниже перечислены основные факторы, приводящие к разрушению пресс-формы:

(1) Высокотемпературное воздействие окружающей среды

●Длительное воздействие высоких температур на пресс-формы может привести к размягчению материала и потере прочности, что ускорит износ и деформацию.

●Частое чередование высоких и низких температур заставляет материал формы многократно расширяться и сжиматься, что легко приводит к возникновению тепловых напряжений, приводящих к образованию и расширению трещин от термической усталости.

●Если система охлаждения спроектирована неправильно, в некоторых областях пресс-формы могут возникать неравномерные температуры, что еще больше увеличивает риск возникновения концентраций тепловых напряжений.

(2) Перегрузка и концентрация напряжений

●Механические нагрузки на пресс-формы, превышающие их расчетную мощность, в процессе эксплуатации могут привести к пластической деформации или разрушению.

●Из-за неоднородности структуры формы в некоторых частях может возникнуть концентрация напряжений, которая легко может стать отправной точкой для возникновения усталостных трещин и ускорить разрушение формы.

●Неправильный монтаж или чрезмерное использование могут увеличить нагрузку на форму и привести к ее преждевременному выходу из строя.

(3) Необоснованные параметры производственного процесса

●Слишком высокая температура металлической жидкости увеличивает тепловой удар по поверхности формы и ускоряет образование трещин термической усталости.

●Чрезмерная скорость заполнения может привести к сильным ударам по форме, увеличению износа и механических повреждений.

●Необоснованная скорость охлаждения может вызвать концентрацию термических напряжений, что приведет к растрескиванию формы.

●Нерегулярная смазка и техническое обслуживание ускоряют износ поверхности пресс-формы и сокращают срок ее службы.

7. Стратегии оптимизации для увеличения срока службы пресс-форм

Продление срока службы пресс-формы помогает повысить производительность и снизить затраты, а оптимизировать его можно следующими способами:

(1) Оптимизация материалов

Для повышения долговечности высокоэффективные материалов для литья металлов в формы, такие как сталь H13 (жаропрочная и износостойкая), сплавы на основе никеля (устойчивые к коррозии и высоким температурам) и бериллиевая медь (высокая теплопроводность).

Сократите риск неудачи, выбрав материал, соответствующий требованиям различных процессов литья.

(2) Оптимизация процесса термообработки

●Закалка + отпуск повышают твердость и износостойкость формы.

●Обработка глубоким охлаждением (-196°C) повышает усталостную прочность и продлевает срок службы.

●Отпуск при высоких температурах снижает остаточные напряжения и уменьшает риск образования трещин при высоких температурах.

(3) Технология укрепления поверхности

●Обработка азотированием (например, газовое азотирование, ионное азотирование) повышает твердость поверхности и улучшает износостойкость.

●PVD-покрытия (например, TiN, CrN) повышают устойчивость к коррозии и высоким температурам.

●Лазерное улучшение поверхности повышает износостойкость и термоусталостную прочность формы.

(4) Проектирование и оптимизация системы охлаждения

●Оптимизированное расположение каналов охлаждения для повышения эффективности отвода тепла и снижения теплового напряжения.

●Равномерная толщина стенок позволяет избежать трещин, вызванных локальным перегревом.

●Используйте материалы с высокой теплопроводностью (например, бериллиевую медь) для изготовления охлаждающих компонентов, чтобы улучшить эффект охлаждения.

(5) Рациональное использование и содержание

●Контролируйте параметры производства, чтобы избежать перегрузки и уменьшить тепловой удар.

●Регулярная очистка и уход удаляют нагар и остатки, предотвращают коррозию и окисление.

8. Резюме

В итоге, при выборе материалов для литья металлов в формы необходимо учитывать его жаропрочность, износостойкость, сопротивление термической усталости и другие ключевые свойства, различные процессы литья по выплавляемым моделям также отличаются по требованиям к материалам формы.

В то же время в процессе длительной эксплуатации пресс-форм под воздействием теплового напряжения, механических ударов, химической коррозии и других факторов могут возникать усталостные трещины, пластическая деформация, износ и другие явления разрушения. Поэтому оптимизация выбора материала, улучшение процесса термообработки и усиление технического обслуживания являются ключом к продлению срока службы пресс-формы и повышению эффективности производства.