Porównanie materiałów do metalowych form!

Wybór metalu do wykonania twojego formiera to jedna z kluczowych decyzji wstępnych, które wpłyną na produkcję pracy, jakość części, trwałość narzędzi oraz koszty. Optymalny wybór zależy od znajomości właściwości charakterystycznych różnych materiałów i ich dopasowania do wymagań zastosowania. Porównajmy teraz główne alternatywy.

1. Stale narzędziowe: Pracowite workhorses

Właściwości: Słyną ze skrajnej twardości, wybitnej odporności na zużycie i wykazują umiarkowaną wytrzymałość na ściskanie. Dzięki obróbce cieplnej te właściwości są znacząco poprawiane. Zachowują stabilność kształtu pod wysokim ciśnieniem i temperaturą.
Zalety: Niezrównana długoterminowa trwałość przy dużych partiach produkcji, nadają się do pracy z materiałami ściernymi, odpowiednie do skomplikowanych geometrii, długich serii oraz przypadków wymagających wysokiej precyzji. Wiele gatunków cechuje się dobrą obrabialnością przed hartowaniem.
Wady: Wyższy koszt niż u metali nieżelaznych. Przewodność cieplna jest średnia lub niska, co może wymagać bardziej zaawansowanego projektu kanałów chłodzenia. Zmniejszona odporność na pękanie przy bardzo dużej twardości.
Najlepiej nadaje się do: form wtryskowych do produkcji większej liczby wstawek, odlewania pod ciśnieniem (szczególnie rdzenie i wnęki), form do wydmuchiwania, form do prasowania oraz trudnych matryc do tłoczenia i kucia.

2. Stopy aluminium: królowie szybkości i przewodności

Właściwości: Znacznie lżejsze niż stal. Posiadają wysoką przewodność cieplną (zwykle 4-5 razy większą niż stal narzędziowa) oraz łatwe obrabianie (również w stanach utwardzonych). Stale narzędziowe charakteryzują się niższą odpornością na zużycie i twardością.
Zalety: Znacznie skraca czas realizacji i obniża koszty, ponieważ obróbka i polerowanie są szybsze. Im lepsze odprowadzanie ciepła, tym krótszy czas cyklu i potencjalnie lepsza jakość detalu (mniej odkształceń, osiadania). Łatwiejsze modyfikacje i naprawy.
Wady: Są mniej twarde, co oznacza, że mogą się zużywać, ścierać i ulegać uszkodzeniom – nie nadają się do bardzo ściernych materiałów ani ekstremalnie dużych objętości. Powoduje to zmniejszenie siły docisku oraz ogranicza rozmiar/złożoność elementu w przypadkach niskiej wytrzymałości.
Najlepiej nadaje się do: prototypowania, produkcji małej i średniej serii, elementów wymagających wyjątkowo dobrego wykończenia powierzchni, wkładów, gdzie chłodzenie części jest skomplikowane, formowania termoplastycznego, RIM (formowania przez wtrysk reakcyjny), zastosowań wymagających szybkiego przygotowania narzędzi.

3. Stopy miedzi (bezberylowe): Specjaliści od przewodnictwa cieplnego

Właściwości: Posiadają najlepszą przewodność cieplną spośród wszystkich powszechnie stosowanych metali formierskich (często 2–3 razy większą niż aluminium i 8–10 razy większą niż stal narzędziowa). Dobre odporności na korozję oraz odpowiednia twardość (możliwość hartowania cieplnego).
Zalety: Niezrównane możliwości odprowadzania ciepła, bardzo przydatne podczas kontrolowania problematycznych miejsc o wysokiej temperaturze w formach. Umożliwia znacznie krótsze czasy produkcji i większą dokładność elementów. Dobre potencjalne wykończenie powierzchni. Niska podatność na zaciskanie.
Wady: Większa twardość i zużycie w porównaniu ze stalami narzędziowymi ograniczają przydatność w obszarach narażonych na intensywne zużycie. Znacznie droższy niż aluminium. Może być trudniejszy w obróbce skrawaniem niż aluminium. Ma dużą gęstość.
Najlepszy do: Zasadniczo jako wkłady (rdzenie, detale wnęki, igły wybijakowe) w strefach form stalowych wymagających intensywnego odprowadzania ciepła, szczególnie w formowaniu wtryskowym oraz w odlewnictwie pod ciśnieniem. Kluczowy przy realizacji trudnych do schłodzenia geometrii lub materiałów wrażliwych na ciepło.

4. Stopy miedzi (alternatywy bezberylowe):

Właściwości: Projektowane tak, aby zapewniać znaczną przewodność cieplną (osiągającą poziom tradycyjnej miedzi-berylu), bez ryzyka dla zdrowia związanego z berylem. Takie stopy to m.in. miedź-nikiel-krzem, miedź-chrom-cyrkon.
Zalety: Doskonała przewodność cieplna w połączeniu ze zwiększoną twardością, wytrzymałością i odpornością na zużycie w porównaniu do tradycyjnych stopów miedzi o wysokiej zawartości. Bezpieczniejsze przetwarzanie i obsługa.
Wady: ogólnie nieco niższa przewodność cieplna, która jest mniejsza w porównaniu ze stopami miedzi czystej lub miedzi-berylu. Może być drogie. Dostępność różnych gatunków może się różnić.
Najlepsze zastosowanie: Wkładki termiczne tam, gdzie wymagane jest bezpieczeństwo bez berylu, przy jednoczesnym konieczności zachowania równowagi między przewodnością, wytrzymałością a odpornością na zużycie.

5. Stale narzędziowe premium (metallurgia proszkowa – PM):

Właściwości: Wyprodukowane dzięki bardziej jednorodnej i drobniejszej mikrostrukturze możliwej do uzyskania zaawansowaną metodą metallurgii proszkowej. Umożliwia to osiągnięcie większej twardości oraz znacznie lepszą odporność udarową i na zużycie w porównaniu ze stalami narzędziowymi przetwarzanymi metodami konwencjonalnymi.
Zalety: Doskonała równowaga twardości, odporności na pękanie i zużycie. Wysoka szlachetność powierzchni oraz odporność na odłamki lub pęknięcia, szczególnie przy szczegółowych pracach lub w warunkach dużych naprężeń. Poprawiona izotropowość (jednakowe właściwości we wszystkich kierunkach).
Wady: Koszt materiału jest najwyższy w porównaniu z innymi opcjami. Utrwalana stal PM może być trudniejsza do obróbki i może wymagać bardziej specjalistycznego narzędzia.
Najlepszy dla: Precyzyjnych, trudnych do obróbki form stosowanych do wytwarzania produktów ściernych, bardzo długich serii produkcyjnych, form z małymi detalami narażonymi na zużycie lub pękanie, skomplikowanych rdzeni i wnęk w odlewnictwie pod ciśnieniem.

Główne czynniki wyboru:

Objętość produkcji: Duża objętość wymaga stali narzędziowej lub stali PM. Mała objętość sprzyja aluminium.
Materiał części: Wypełnione szkłem, minerały (ścierne) wymagają dużej odporności na zużycie (stal narzędziowa/PM). Wysoka przewodność (wkładki miedziane / aluminiowe) jest korzystna dla materiałów wrażliwych na ciepło.
Geometria i złożoność części: Wstawki o wysokiej przewodności są skomplikowane w chłodzeniu. Wymagana jest duża odporność na polerowanie (stal narzędziowa/PM) dla drobnych detali.
Wymagania dotyczące czasu cyklu: Maksymalizacja liczby cykli/godz. prowadzi do zastosowania materiałów o wysokiej przewodności (miedź/aluminium w wstawkach).
Budżet: Aluminium będzie najtańsze pod względem kosztów początkowych, natomiast stal PM będzie najdroższa. Należy podjąć decyzję w oparciu o całkowity koszt posiadania (koszt materiału, obróbki, trwałości, liczby cykli).

Wnioski:

Jeśli chodzi o idealny metal na formę, to z pewnością nie jest nim aluminium. Stale narzędziowe zapewniają niezrównaną trwałość w długim okresie. Aluminium ma przewagę pod względem szybkości (obróbki i chłodzenia) przy prototypach i małych partiach. Wkładka – gwiazda zarządzania termicznego: stopy miedzi (szczególnie bezberylowe). Najlepsze stale narzędziowe pozwalają wyjść poza granice w najbardziej wymagających zastosowaniach: precyzyjne narzędzia o ekstremalnej twardości. Zrównoważ priorytety swojego projektu – konkretnie objętość, materiał, stopień skomplikowania i wymagania chłodzenia w stosunku do budżetu – biorąc pod uwagę te podstawowe właściwości materiałów, aby podjąć najlepszą decyzję pod kątem trwałości formy, jakości wyrobów i efektywności produkcji.