Применяемые материалы

Для формообразующих деталей форм применяют цементируемые, азотируемые, объемно заливаемые и никель кобальтовые стали.

Цементируемые стали обладают высокими поверхностной твердостью и износостойкостью, однако тонкие детали, толщиной меньше 4 мм прокаливаются насквозь, поэтому обладают значительной хрупкостью, что приводит к сколам и трещинам формующих вставок. Особое преимущество цементируемых сталей заключается в том, что, имея высокую поверхностную твердость и вязкую прочную сердцевину, они обладают высокой стойкостью к воздействию ударных нагрузок. В связи с этим цементируемые стали можно применять в условиях, при которых объемно закаливаемые стали разрушаются.

Другое важное преимущество цементируемых сталей – пониженная деформация по сравнению с инструментальными углеродистыми сталями. Вследствие этого они допускают минимальные припуски (0,05-0,15 мм) на доработку после термообработки, однако предъявляют высокие требования к технологии термической обработки. Толщину цементированного слоя выбирают от 0,6 до 1,2 мм (меньшие значения для тонких ребер и выступов). Во избежание сквозной прокаливаемости и, как следствие, образования сколов не рекомендуется изготавливать из этих сталей формообразующие детали (ФОД) с ребрами толщиной менее 4 мм. Из этого класса наиболее часто применяют сталь 10 или сталь 20.

Азотируемые стали отличаются тем, что без последующей термообработки имеют весьма высокую твердость поверхностного слоя. Изготовленные из этих сталей детали почти не деформируются. В отличие от процессов цементации, азотированию подвергают ФОД, прошедшие термообработку улучшением (закалка с высоким отпуском) и детали, доведенные до окончательных размеров. Рекомендованная глубина азотируемого слоя 0,15-0,20 мм. Применяемые стали – 5ХГМ, 4ХМФС, 4Х5МФС.

Объемно закаливаемые стали имеют высокую твердость и, как следствие, хорошую износостойкость, хорошо полируются и обрабатываются электроэрозионным методом. Однако они имеют пониженную вязкость, более склонны к деформациям, короблению и образованию трещин по сравнению с цементируемыми или улучшенными сталями, поэтому их в основном используют для изготовления формующих элементов (ФОД) простой формы и небольших размеров. Наиболее широко применяемые стали: У8А (ГОСТ 1435-74 – СТ СЭВ 2883-М), Х12М, 4Х5МФС.

Для изготовления крупногабаритных ФОД сложной конфигурации с высокой износостойкостью применяют стали Х12Ф1, Х12М (ГОСТ 5950-73), отличающееся высокой прокаливаемостью (на глубину более 200-300 мм) и воспринимающие закалку не только в масле, но и на воздухе, претерпевая при этом минимальные объемные изменения. Сталь Х12Ф1 несколько превосходит сталь Х12М по пластичности и вязкости, но немного уступает ей по твердости.

Обычно ФОД хромируют для повышения износостойкости и коррозионной стойкости. Если срок службы лимитируется качеством и толщиной хромового покрытия, то применяют коррозионностойкие стали 12Х13, 20Х13, ЗОХ13, 40Х13, 4Х13, 95Х18 (ГОСТ 5632-72).

В большинстве случаев это необходимо при переработке химически агрессивных пластмасс, оказывающих коррозионное воздействие па ФОД, а также при необходимости получения сложных рельефов с узкими пазами, когда невозможно получить равномерное, защитное хромовое покрытие.

В ряде случаев для упрощения и удешевления изготовления средне- и крупногабаритных форм, особенно в мелкосерийном производстве, используют улучшенные металлы, сталь 45, 40Х, 5ХГМ, 4ХМФС, 4Х5МФС. Заготовки, изготовленные из этих сталей можно обрабатывать, т.к. окончательная термическая обработка позволяет полностью исключать изменения размеров и формы (коробление), возникающие при термической обработке готовых ФОД. Недостатки этих сталей – меньшие износостойкость, прочность и низкая полируемость. Однако в крупно серийном и массовом производстве эти недостатки можно уменьшить азотированием и хромированием. В табл. 1 даны рекомендации по применению сталей для изготовления форм.

Некоторые особенности имеются при выборе материалов для ФОД, получаемых методами холодного и полугорячего выдавливания и электроэрозионной обработки. Наряду с традиционным методом механической обработки все более широко применяют для изготовления стальных формообразующих деталей форм методы холодного и горячего выдавливания и электроэрозионную обработку. Для правильного выбора стали необходимо знать основные особенности этих методов.

Холодное выдавливание - метод обработки давлением, в результате которого пластическим деформированием без предварительного нагрева заготовкам мастер-пуансоном под прессом придают заданную форму. Метод позволяет получать матрицы высокой точности (в пределах 9 -11 го квалитета) и малой шероховатости (до Rа = 0,1 мкм).

Полугорячее выдавливание (ПГВ) отличается от холодного выдавливания тем, что деформируемую заготовку предварительно нагревают до температуры в интервале между нижней критической и температурой рекристаллизации. Скорость деформирования, в этом случае высокая, около 2…8 мм/с. Метод ПГВ позволяет получать глубокие и точные полости формообразующих деталей из трудно деформируемых сталей (40Х, 12ХНЗЛ, 12Х13, 20Х13, 40Х13, Х12М, Х12Ф1, 4Х5МФС, У8А и др.). Стойкость ФОД при этом по сравнению с холодным выдавливанием повышается в
1,5 - 2 раза. Максимально допустимая относительная глубина выдавливания, δ = 1.0 ... 1,2.

Метод электроэрозионной обработки позволяет изготавливать ФОД из любых сталей, особенно предпочтителен при обработке высокопрочных, труднообрабатываемых сталей и допускает при необходимости обрабатывать предварительно закаленные до высокой твердости заготовки, обеспечивая получение деталей с высокой точностью без деформаций и коробления.

Таблица 1

Никель-кобальтовые сплавы (материалы) предназначены для изготовления ФОД методом гальваноплавки. Этот метод позволяет достичь 7…9-го квалитета точности при шероховатости Ra 0,2…0,05 мкм и исключить дополнительную механическую доработку формообразующих поверхностей, термообработку и хромирование. Получаемая твердость поверхности HRCэ 51 – 53. К недостаткам метода следует отнести большую продолжительность процесса осаждения (5 - 15 суток), высокую стоимость солей никеля и кобальта, недостаточную механическую прочность из-за мягкого каркасного слоя металла (медь). В связи с этим изготовленные таким методом ФОД применяют в основном при литье термопластов, когда получение формообразующих деталей другим методом невозможно или неэффективно. Примерами таких ФОД могут служить матрицы для изготовления тонких длинных изделий, таких как корпус авторучки, гильзы, т.е. изделий со сложным рельефом, когда необходима полная имитация структуры дерева, кожи, чего невозможно достичь другими методами. Таким методом получают формующие полости для литья косозубых, конических, особенно мелкомодульных шестеренок, шкалы с углубленными буквами, изделий с криволинейными поверхностями типа лопасти вентиляторов.