Непрерывный рост производства и потребления изделий из полимерных материалов (ПМ) в мире привел к тому, что примерно одна треть всех производимых в мире инструментальных сталей используется именно в данной отрасли для изготовления формообразующих деталей технологической оснастки.

Это обстоятельство делает эту область очень важной для производителей инструментальных сталей, которые обращают на нее все большее внимание и стремятся обеспечить рынок необходимыми материалами. В первую очередь речь идет об инструментальных сталях для изготовления деталей форм для наиболее распространенного метода формования изделий из ПМ — литья под давлением.

К подобным сталям предъявляется ряд требований и критериев оценки, основные из которых можно разбить на три группы:

1) коммерческие требования (цена, сроки поставки, доступность на рынке);

2) требования производителей инструмента (обрабатываемость, полируемость, прокаливаемость, свариваемость, фотохимическая травимость, возможность нанесения покрытий, стабильность размеров при термообработке, равномерность структуры, отсутствие внутренних дефектов в стали и высокая степень ее чистоты);

3) эксплуатационные требования к инструменту (твердость, износостойкость, прочность на сжатие, вязкость, высокая теплопроводность, коррозионная стойкость).

В отдельных случаях эти требования имеют противоречивый характер. Например, при повышении твердости стали снижается, как правило, ее вязкость, а при повышении вязкости ухудшаются обрабатываемость и полируемость. Повышение содержания серы улучшает обрабатываемость, но снижает полируемость и ударную вязкость.

В настоящее время производители сталей предлагают обширную номенклатуру их марок для производителей литьевых форм. Одни из этих сталей являются уже давно известными и достаточно зарекомендовали себя, другие, сравнительно новые марки сталей, еще широко не известны. Однако, несмотря на большой ассортимент производимых сталей, далеко не всегда удается легко найти на рынке и быстро получить необходимый материал как по марке стали, так и по необходимым типоразмерам заготовки. Как правило, на складах поставщиков сталей в наличии представлены марки, которые наиболее широко применяются и тем самым гарантируют им сбыт и снижают риски по «замораживанию» средств из-за скапливающегося на складах готового материала. Поэтому в отдельных случаях производителям инструмента приходится идти на компромисс и покупать не ту марку стали, которая им лучше подходит, а тот материал, который имеется в наличии или может быть быстро поставлен.

При выборе конкретной марки стали необходимо принимать во внимание возможности инструментального производства по механической обработке и по термообработке. Если возможности оборудования по механической обработке ограничены, то производитель может столкнуться с трудностями в обработке некоторых марок предварительно улучшенных сталей, например, 1.2311 или 1.2711. Недостатки в управлении процессом термообработки и несоблюдение рекомендованного ее режима могут привести к трещинообразованию у сталей с низкой вязкостью, например марок 1.2379 или 1.2190. Поэтому при выборе стали необходимо учитывать возможности инструментального производства и тем самым снижать риск возникновения дефектов в производимом инструменте.

Следует заметить, что данный обзор не содержит полный список сталей, применяемых для изготовления форм. В нем не представлены некоторые марки сталей, используемые, например, для производства ряда элементов форм (втулок или выталкивателей).

1. Марки сталей для производства литьевых форм и их химический состав

Поскольку в зависимости от назначения литьевых форм требования к сталям могут сильно отличаться, то в данной области также нашли применение их различные марки, которые традиционно относятся к группам сталей для холодного и горячего деформирования, и даже быстрорежущие и порошковые стали. Поэтому, даже несмотря на высокую рыночную значимость, стали для обработки ПМ технически не выделяют в отдельную группу инструментальных сталей. В табл. 1 представлен химический состав марок сталей, которые широко используются как в Европе, так и в других регионах мира, в табл. 2 — их основные свойства, в табл. 3 — преимущественные области их применения.

2. Свойства сталей и их применение

Все марки сталей, используемых для изготовления технологической оснастки и инструмента, классифицированы по их свойствам и способам применения на 7 основных групп:

1) Цементируемые стали.

2) Предварительно улучшенные стали.

3) Закаливаемые коррозионно-стойкие стали.

4) Предварительно улучшенные коррозионно-стойкие стали.

5) Закаливаемые стали.

6) Азотируемые стали.

7) Мартенситно-твердеющие стали.

2.1. Цементируемые стали

Поверхность цементируемых сталей упрочняется науглероживанием, благодаря чему они обладают высокой поверхностной твердостью (~ 62 HRC) в комбинации с вязкостью в центральной зоне. Стали обладают высокой полируемостью, но из-за технологических проблем при термообработке и науглероживании применяются эти стали в большей мере при производстве небольших форм, вставок и направляющих.

Сталь марки 1.2162 обладает высокой износостойкостью науглероженной поверхности и пригодна к холодной высадке в отоженном состоянии.

Сталь 1.2764 — это легированная никелем цементируемая сталь, которая обладает по сравнению со сталью 1.2162 более высокой твердостью в центральной зоне (=38 HRC) при одновременно высокой вязкости. Закаливается на воздухе, при этом изменение размеров очень малы. Применяется для литьевых форм с высокими требованиями.

2.2. Предварительно улучшенные стали

Постоянное увеличение производства крупногабаритных деталей из ПМ связано с трудностями при термообработке литьевых форм. Для того чтобы минимизировать проблемы, связанные с возможными изменениями размеров и возникновением микротрещин, применяются предварительно улучшенные«стали, которые поставляются в термообработанном состоянии с твердостью от 280 до 400 НВ (~ 29 — 43 HRC) после проведения у их производителя закалки и отпуска. При этой твердости стали хорошо обрабатываются и обладают хорошей износостойкостью и высокой прочностью. Основным преимуществом применения данных сталей является то, что нет необходимости закалки после механической обработки.

Сталь 1.2311 является стандартной маркой этой группы, производится с низким содержанием серы, но обладает хорошей обрабатываемостью. Твердость при поставке: 280 — 325НВ. Отличается хорошей полируемостью, азотируемостью, свариваемостью, прочностью и фотохимической травимостью, имеет средний уровень износостойкости. Ее прокаливаемость ограничена толщиной порядка 400 мм. Применяется в основном для изготовления литьевых форм и плит.

Сталь 1.2312 благодаря содержанию серы (0,05 %) имеет лучшую обрабатываемость по сравнению со сталью марки Thyroplast 2311. Хорошо азотируется, но имеет ограниченную фотохимическую травимость и полируемость. Применение аналогично стали 1.2311. но наиболее часто используется при производстве плит. Твердость при поставке: 280 — 325 НВ.

Сталь 1.2738 является дальнейшим развитием стали марки Thyroplast 23 И и имеет лучшую прокаливаемость, чем у стали 1.2311. 1%-ное содержание никеля повышает прокаливаемость до 1000 мм. Имеет высокую прочность в центральной зоне. Благодаря переплаву и микролегированию отличается хорошей обрабатываемостью, полируемостью и фотохимической травимостью. Используется для изготовления больших литьевых и выдувных форм. Твердость при поставке: 280 — 325 НВ.

Сталь 1.2711 благодаря повышенному содержанию легирующих элементов имеет более высокую прочность, твердость (около 370 НВ, или 40 HRC) и вязкость по сравнению с вышеназванными марками, хорошо хромируется и полируется, обладает высокой фотохимической травимостью. Используется при производстве крупногабаритных форм при повышенных требованиях к пределу прочности и к износостойкости. Обладает хорошей полируемостью. Твердость при поставке: 355 -400 НВ для плит и квадратов, 370 -410 НВ для кругов.

Сталь 1.2798 (2738 ЕНТ PLUS) разработана на основе успешно зарекомендовавших себя марок 1.2311 и 1.2378. Имеет очень высокую прокаливаемость, что обеспечивает высокую твердость в центральной зоне. Хорошо обрабатывается, азотируется, имеет улучшенную полируемость и фотохимическую травимость. По сравнению с остальными сталями отличается высокой свариваемостью и высокой теплопроводностью. Применяется для изготовления деталей больших и сложных литьевых форм с высокими требованиями к качеству поверхности, с глубокой механической обработкой и высокими требованиями к прочности в центральной зоне, например, деталей форм для литья под давлением бамперов, крыльев, телевизионных корпусов из ПМ и т.п. Твердость при поставке: 310 — 355 НВ, предел прочности: 1050-1200 Н/мм2.

Сталь 1.2796 РН 42 SUPRA — дисперсионно-твердеющая марка, которая разработана для деталей небольших и средних размеров форм и вкладышей. Эта сталь обладает хорошей обрабатываемостью и, уже при поставке, высокой твердостью — порядка 40 HRC (1250 Н/мм2). Производится только с электрошлаковой переплавкой (ЭШП), благодаря чему имеет хорошую полируемость. Азотируется и сваривается. Имеет улучшенную прочность при сжатии за счет более высокой твердости по сравнению с традиционными сталями того же назначения. Применяется для изготовления деталей с особыми требованиями к прочности, например, высоконагруженных форм.

2.3. Закаливаемые коррозионно-стойкие стали

К этой группе сталей относятся известные марки, которые широко применяются в течение длительного времени. Эти марки поставляются в отожженном состоянии и после механической обработки подвергаются закалке с отпуском.

Сталь 1.2083 является аналогом отечественной стали 40×13 и поставляется как в обычном состоянии, так и после переплава при повышенных требованиях к полируемости. После закалки достигается твердость до 56 HRC. Сталь имеет высокую теплопроводность, применяется для изготовления коррозионно-стойких литьевых форм.

Сталь 1.2190 поставляется обычно после ЭШП. Имеет более высокую полируемость по сравнению с маркой 1.2083, применяется для изготовления коррозионно-стойких литьевых форм.

Сталь 1.2361 используется при высоких требованиях к твердости и износостойкости. Ограниченная полируемость. Применяется для производства как формообразующих деталей литьевых форм, так и частей клапанов и сопел материальных цилиндров литьевых машин. Закаливается до твердости 59 HRC.

2.4. Предварительно улучшенные коррозионно-стойкие стали

Как и предварительно улучшенные обычные стали, коррозионно-стойкие стали, прошедшие перед поставкой закалку с отпуском, поставляются с твердостью от 30 до 42 HRC, что дает оптимальный компромисс между обрабатываемостью, прочностью и износостойкостью.

Сталь 1.2085 объединяет высокую коррозионную стойкость с хорошей обрабатываемостью, которая выше, чем, например, у стали 1.2316. Имеет ограниченные полируемость и фотохимическую травимость, используется для производства деталей форм, формообразующих деталей, но наиболее часто применяется для производства плит. Твердость при поставке составляет около 300 НВ.

Сталь 1.2316, производимая с переплавом, благодаря высокому содержанию хрома имеет улучшенную коррозионную стойкость по сравнению с марками 1.2083 и 1.2361. Имеет хорошую полируемость, фотохимическую травимость, обрабатываемость и свариваемость. Применяется как для формообразующего инструмента для экструзии, литья, выдувных форм, так и для вставок в формы, для сопел. Широко используется при работе с агрессивными ПМ. Поставляется при твердости порядка 300 НВ.

Марка 1.2294 — это нержавеющая сталь с низким содержанием углерода, которая имеет самую лучшую обрабатываемость по сравнению с другими сталями, что минимизирует затраты при механической обработке. Высокая, по сравнению с другими сталями, теплопроводность. Высокая коррозионная стойкость к конденсату и охлаждающей воде. Вязкость и сохранение размеров из-за низких собственных напряжений после механической обработки. Хорошая свариваемость. Используется для плит и формообразующего инструмента для всех видов вызывающих коррозию пластмасс, если нет особых требований к полируемости. Применяется также для производства выдувных форм. Поставляется при твердости ~ 320 НВ.

Коррозионно-стойкая дисперсионно-твердеющая сталь 1.2892 производится только с переплавом. Высокий уровень ее свойств делает ее маркой класса «Премиум». Обладает очень высоким уровнем нержавеющих свойств (выше, чему стали 1.2316). Отлично полируется и сваривается, имеет превосходную фотохимическую травимость и вязкость при высокой прочности, хорошую обрабатываемость и азотируемость. Особенно эффективно она применяется для производства габаритных и сложных формообразующих деталей оснастки. Отсутствие дополнительной термообработки исключает риск трещинообразования. Широко используется для изготовления автомобильной оптики. Применяется для изготовления выдувных форм и формообразующих головок для экструзии сложных профилей. Поставляется с твердостью около 40 HRC.

2.5. Закаливаемые стали

Марки этой группы традиционно применяются как инструментальные стали для обработки металлов в горячем и холодном состояниях. Комбинация свойств этих сталей, их популярность у производителей инструмента и широкое распространение на рынке не остались незамеченными также и при производстве форм. В настоящее время эти марки широко применяются для производства формообразующего инструмента и деталей форм. Стали поставляются в так называемом состоянии поставки «отжиг» и требуют закалки с отпуском после механической обработки.

Стали для горячего деформирования

Стали марок 1.2343 и 1.2344 являются близкими аналогами сталей 4×5МФС и 4×5МФ1С по ГОСТ 5950-2000, имеют высокие показатели вязкости, прочности, износостойкости и полируемости после ЭШП. Поскольку стали относятся к группе для горячего деформирования, то обладают отпускной стойкостью и пригодны к азотированию. Используются при производстве формообразующих деталей оснастки, а также шнеков при повышенных требованиях к торсионной прочности.

Стали для холодного деформирования

Сталь 1.2379 имеет очень высокую износостойкость и прочность, но низкую вязкость и полируемость. Явля¬ется примерным аналогом стали Х12МФ. Применяется при работе с абразивными и адгезивными ПМ, используется для изготовления литниковых втулок.

Сталь 1.2990 имеет очень высокую износостойкость и прочность, но низкую вязкость и полируемость. Не сваривается и имеет низкую фотохимическую травимость. Применяется при работе с абразивными и адгезивными пластмассами. Используется для производства износостойких форм и направляющих, а также для изготовления втулок литника.

Стали марок 1.2363 и 1.2767 обладают высокой износостойкостью, вязкостью и прочностью, хорошей прокаливаемостью. Используются для изготовления формообразующих деталей форм. Марка 1.2767 имеет высокую полируемость.

Сталь 1.2842 имеет хорошую износостойкость и полируемость, но ограниченную прокаливаемость, обеспечивает сохранение размеров деталей при закалке. Используется для производства мало- и среднегабаритных формообразующих деталей, замков.

Быстрорежущая сталь 1.3343

Является аналогом стали Р6М5 и используется для производства шнеков, а также форм с высокими требованиями к износостойкости.

2.6. Азотируемые стали

Марка 1.2891 представляет собой азотируемую, А1-содержащую сталь. Применяется для изделий больших сечений. Также используется для изготовления деталей экструдеров, экструзионных шнеков, цилиндров, шестеренок и колец.

2.7. Мартенситно-твердеющая сталь 1.2709

Данная сталь характеризуется высокой вязкостью при одновременно высокой твердости, имеет высокие показатели полируемости, фотохимической травимости и свариваемости. Значительным преимуществом этих сталей является их простая термообработка. После механической обработки требуется провести выдержку в течение 6 ч при температуре 490°С, при этом достигается эксплуатационная твердость 55 HRC. Изменение размеров деталей очень незначительно, усадка равномерна и составляет примерно 0,1 %. Пригодна для дальнейшего ремонта сваркой. Главная область применения: высоконагруженные (в центральной зоне) сложные формы и небольшие вставки форм.

В заключение следует заметить, что сравнительная характеристика свойств сталей, приведенная в табл. 2, достаточно условна, так как некоторые показатели (например, полируемость) зависят от способа производства, степени чистоты и термообработки стали.

Материал подготовлен компанией Молдер, Республика Беларусь.