Stal narzędziowa P20 w formach do tworzyw sztucznych i zastosowaniach odlewania ciśnieniowego

Szacowany czas czytania: 9 minut

Stal narzędziowa P20 Stal niskostopowa P20 znajduje szerokie zastosowanie w produkcji form i odlewnictwie ciśnieniowym. Ta stal niskostopowa jest zazwyczaj dostarczana w stanie wstępnie utwardzonym (twardość około 30-40 HRC), co umożliwia bezpośrednią obróbkę skomplikowanych form bez dodatkowej obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze, minimalizując w ten sposób odkształcenia i zmiany wymiarów. Oferuje doskonałą obrabialność skrawaniem, polerowalność i odporność na zużycie. Główne zastosowania obejmują gniazda form wtryskowych z tworzyw sztucznych i różne elementy narzędzi, a także nadaje się do form odlewniczych ze stopów cynku i innych stopów o niskiej temperaturze topnienia. Niniejszy artykuł zawiera kompleksową analizę stali narzędziowej P20, szczegółowo opisując jej właściwości metalurgiczne, główne zalety i praktyczne zastosowania w obróbce plastycznej i odlewnictwie ciśnieniowym.

Stal narzędziowa P20: przegląd

Typowy skład chemiczny stali P20 (ułamki masowe) obejmuje: węgiel (C): od 0,28% do 0,40%. siarkę (S): ≤ 0,030%, krzem (Si): od 0,20% do 0,80%. mangan (Mn): od 0,60% do 1,00%. chrom (Cr): od 1,40% do 2,00%. molibden (Mo): od 0,30% do 0,55%. fosfor (P): ≤ 0,030%.

Stal P20 jest zazwyczaj dostarczana w stanie wstępnie utwardzonym, o twardości zazwyczaj od 30 do 40 HRC. Jest to jedna z najłatwiej obrabialnych stali na formy. Jej skrawalność wynosi około 65% w porównaniu do wyżarzanej stali narzędziowej hartowanej w wodzie W1, której skrawalność wynosi 100%. Stal P20 oferuje również doskonałe właściwości polerujące i jest spawalna w celu naprawy lub modyfikacji, co czyni ją odpowiednim wyborem do form do tworzyw sztucznych i odlewów ciśnieniowych.

Stal narzędziowa P20 w formach wtryskowych do tworzyw sztucznych

Stal narzędziowa P20 to podstawowy materiał w branży formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, wysoko ceniony ze względu na równowagę między opłacalnością, trwałością i właściwościami przetwórczymi.

Dlaczego P20 jest najlepszym wyborem

• Opłacalność dla szerokiego zakresu zastosowań. Stale te są zazwyczaj dostarczane w stanie wstępnie utwardzonym, często o twardości około 32 HRC (około 300 HB), co umożliwia bezpośrednią obróbkę mechaniczną gniazd form bez konieczności późniejszej obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze. Eliminuje to potencjalne odkształcenia i kosztowne operacje wykończeniowe po obróbce cieplnej, takie jak szlifowanie, co znacząco przyczynia się do obniżenia całkowitych kosztów produkcji. Stosunkowo oszczędna konstrukcja stopów stali P20 przekłada się na niższe koszty materiałów, stanowiące zazwyczaj zaledwie 10-20% całkowitego kosztu formy, przy czym większość wydatków przypada na obróbkę mechaniczną i inne etapy produkcji. 
• Trwałość i odporność na pleśń. P20 zapewnia wystarczającą trwałość dla serii produkcyjnych o średniej długości. Jego odporność na zużycie można dodatkowo poprawić poprzez różne procesy obróbki końcowej. Azotowanie lub hartowanie płomieniowe miejscowych śladów zużycia lub wgnieceń może zwiększyć odporność P20 na zużycie. W zastosowaniach wymagających wyższej twardości powierzchni i odporności na zużycie, formy P20 można poddać nawęglaniu, uzyskując twardość powierzchni przekraczającą 55 HRC.
• Stabilność wymiarowa. Kolejną zaletą materiału P20 jest jego stabilność wymiarowa w procesie produkcji form. Ponieważ jest on dostarczany w stanie wstępnie utwardzonym, unika się intensywnej obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze po obróbce gniazd formy, minimalizując w ten sposób odkształcenia i niepożądane zmiany wymiarów. Ta naturalna stabilność, w połączeniu z jednolitą strukturą, jest kluczowa dla uzyskania przewidywalnych i dokładnych wymiarów w gotowej formie, co przekłada się bezpośrednio na jakość formowanych elementów z tworzywa sztucznego.

Idealne zastosowania w formowaniu tworzyw sztucznych

P20 to niezwykle wszechstronny materiał, odpowiedni do szerokiego spektrum zastosowań w formowaniu tworzyw sztucznych, w tym do form wtryskowych i tłocznych ogólnego przeznaczenia, nawet do dużych narzędzi. Znajduje on również zastosowanie w cynkowych matrycach odlewniczych oraz jako bloki mocujące. Chociaż P20 nie jest zazwyczaj przeznaczony do ekstremalnie odpornych na zużycie ani do wysoce polerowanych elementów optycznych, jego zmodyfikowane gatunki stanowią obecnie największą ilość stali na formy do tworzyw sztucznych wykorzystywanych w przemyśle. W przypadku form o dużej intensywności obróbki, gdzie powierzchnie nie będą polerowane, na przykład w przypadku elementów męskich stykających się z niewidocznymi obszarami części, P20 jest również praktycznym wyborem.

P20 kontra aluminium

Formy aluminiowe są wybierane głównie do produkcji niskoseryjnej, prototypowania lub gdy głównym czynnikiem są najniższe możliwe koszty oprzyrządowania. Są łatwe w obróbce i oferują korzyści związane z szybkim prototypowaniem, ale ich niższa twardość sprawia, że są podatne na zarysowania, wgniecenia i ogólnie krótszą żywotność. Podczas gdy niektóre specjalistyczne narzędzia aluminiowe pozwalają na produkcję nawet 50 000 części z tworzywa sztucznego, P20 znacznie przewyższa aluminium pod względem wytrzymałości i odporności na zużycie. To sprawia, że P20 jest znacznie bardziej wytrzymałym wyborem w przypadku dłuższych serii produkcyjnych, gdzie stała jakość części i rzadsze konserwacje formy mają kluczowe znaczenie przez cały okres jej eksploatacji.

Stal narzędziowa P20 w zastosowaniach odlewania ciśnieniowego

Stal narzędziowa P20 jest cenionym materiałem w branży produkcji form, a jej zrównoważone właściwości i zalety obróbki sprawiają, że jest szeroko stosowana w odlewnictwie ciśnieniowym. Jej wybór często zależy od temperatury topnienia odlewanego metalu i specyficznych wymagań danego cyklu produkcyjnego.

Przydatność do odlewania ciśnieniowego cynku

P20 to idealny wybór do odlewania ciśnieniowego stopów o niskiej temperaturze topnienia, takich jak stopy cynku, których temperatura topnienia wynosi zazwyczaj około 400°C (750°F). Formy do metali o niskiej temperaturze topnienia rzadko ulegają uszkodzeniu z powodu zmęczenia cieplnego. P20 jest zazwyczaj dostarczany w stanie wstępnie utwardzonym o twardości około 300 HB (Rockwell C 32). Pozwala to na bezpośrednią obróbkę mechaniczną gniazd formy, bez późniejszej obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze. Eliminuje to konieczność kosztownych operacji obróbki cieplnej, jednocześnie zmniejszając ryzyko odkształceń podczas procesu obróbki cieplnej.

Ograniczenia w odlewaniu ciśnieniowym

• Nie nadaje się do stopów wysokotemperaturowych. Pomimo licznych zalet, stal narzędziowa P20 generalnie nie nadaje się do stopów wysokotemperaturowych, takich jak odlewy ciśnieniowe z aluminium, magnezu czy mosiądzu. Metale te charakteryzują się znacznie wyższą temperaturą topnienia niż cynk. Intensywne cykle termiczne, charakterystyczne dla stopów wysokotemperaturowych, często prowadzą do pękania zmęczeniowego na powierzchniach form, znanego jako „pękanie na gorąco”. Stal P20 wykazuje słabą odporność na mięknięcie w wysokich temperaturach, co czyni ją podatną na takie warunki. Ta podatność może prowadzić do szybkiego pogorszenia jakości i skrócenia żywotności formy.
• Porównanie z Stal H13. W wymagających zastosowaniach odlewania ciśnieniowego z udziałem aluminium, magnezu lub mosiądzu, preferowanym materiałem jest stal narzędziowa H13 do pracy na gorąco. H13 to chromowa stal narzędziowa 5% do pracy na gorąco, specjalnie zaprojektowana do zastosowań w wysokich temperaturach, oferująca doskonałą odporność na ciepło, zużycie i zmęczenie mechaniczne. W przeciwieństwie do P20, H13 zachowuje wysoką twardość i wytrzymałość w podwyższonych temperaturach oraz charakteryzuje się dobrą odpornością na odpuszczanie. Wyższa zawartość wanadu prowadzi do większego rozproszenia twardych węglików wanadu, co przyczynia się do lepszej odporności na zużycie. H13 charakteryzuje się również wysoką hartownością, co pozwala na hartowanie w powietrzu, co skutkuje minimalnymi naprężeniami szczątkowymi po hartowaniu i mniejszymi odkształceniami. Te właściwości sprawiają, że H13 znacznie lepiej nadaje się do wytrzymywania dużych naprężeń termicznych i mechanicznych występujących podczas odlewania stopów o wyższej temperaturze topnienia, gdzie kluczowe znaczenie mają stała wydajność i dłuższa żywotność narzędzia. Północnoamerykańskie Stowarzyszenie Odlewnictwa Kosmicznego (NADCA) oferuje nawet szczegółowe zalecenia dotyczące stosowania stali narzędziowej H13 w odlewach ciśnieniowych najwyższej jakości.

Praca ze stalą narzędziową P20: praktyczne wskazówki

Stal narzędziowa P20 jest szeroko stosowana w takich zastosowaniach jak formy wtryskowe do tworzyw sztucznych oraz cynkowe matryce do odlewów ciśnieniowych ze względu na swoje zrównoważone właściwości. Efektywne wykorzystanie stali P20 wymaga przestrzegania najlepszych praktyk w zakresie obróbki skrawaniem, obróbki cieplnej, spawania i polerowania, aby zapewnić optymalną wydajność i żywotność narzędzia.

Obróbka P20 Stal narzędziowa

Stal P20 charakteryzuje się doskonałą skrawalnością, osiągając zazwyczaj twardość 300 HB lub 32 HRC w stanie wstępnie utwardzonym. Umożliwia to bezpośrednią obróbkę wnęk, spełniając podstawowe wymagania dotyczące twardości bez dodatkowej obróbki cieplnej. Metoda obróbki polega na zastosowaniu wysokiej prędkości obrotowej i niskich posuwów.

Obróbka cieplna (w razie potrzeby)

Chociaż P20 jest często stosowany w stanie wstępnie utwardzonym (około 36-38 HRC po typowej obróbce cieplnej), dodatkowe obróbki powierzchni mogą poprawić jego właściwości w przypadku konkretnych, wymagających zastosowań.

• NawęglanieNawęglanie jest powszechnie stosowane w formach P20 w zastosowaniach związanych z formowaniem tworzyw sztucznych, co znacznie zwiększa twardość powierzchni i odporność na zużycie. Proces ten polega na nagrzewaniu stali w atmosferze bogatej w węgiel, zazwyczaj utrzymywanej w temperaturze od 870 do 925°C (1600 do 1700°F) przez 2 do 24 godzin, a czas trwania zależy od wymaganej głębokości nawęglania. Nawęglane formy P20 charakteryzują się doskonałą odpornością na zużycie, wytrzymałością i polerowalnością. Należy jednak pamiętać, że temperatury nawęglania przekraczające 870°C (1600°F) mogą niekorzystnie wpłynąć na polerowalność.
• Azotowanie:Inny korzystny proces obróbki powierzchni stali P20 zwiększa twardość powierzchni, poprawia odporność na korozję oraz zmniejsza tarcie i zatarcia.
• Łagodzący stres:Po dalszym przetwarzaniu P20 musi zostać poddany zabiegowi odprężającemu.

Techniki polerowania

Stal P20 charakteryzuje się doskonałą polerowalnością, szczególnie w stanie nawęglanym, co jest kluczową właściwością dla form do tworzyw sztucznych. Jednak zbyt wysokie temperatury nawęglania (powyżej 870°C / 1600°F) mogą negatywnie wpływać na uzyskanie dobrego, polerowanego wykończenia. Podczas polerowania należy unikać nadmiernego nacisku, który może powodować lokalne odkształcenia plastyczne, znane jako „skórka pomarańczowa” lub wżery, jeśli nacisk przekroczy granicę plastyczności stali. Wysokiej jakości materiały P20, często wytwarzane w procesie przetopu,

Typowe wyzwania i jak je pokonać

Formy wykonane ze stali narzędziowej P20 są zwykle narażone na zużycie i wady powierzchni.

Zużycie formy jest poważnym problemem, często wynikającym ze ściernego działania twardych cząstek lub włókien dodawanych do mieszanek tworzyw sztucznych. Wysokie naciski kontaktowe i tarcie między formą a przepływającym materiałem mogą powodować zużycie adhezyjne i ścierne. Reakcje chemiczne z agresywnymi tworzywami sztucznymi również przyczyniają się do degradacji materiału. Niedostateczne lub niewłaściwe smarowanie dodatkowo pogarsza zużycie.

Wady powierzchni form, takie jak zarysowania, wżery i nierównomierne wykończenie, bezpośrednio przekładają się na wady formowanych elementów. Nadmierne polerowanie może prowadzić do zjawiska znanego jako „skórka pomarańczowa”, negatywnie wpływającego na jakość powierzchni. Obróbka elektroerozyjna (EDM), jeśli nie zostanie wykonana prawidłowo, może pozostawić kruche białe warstwy i mikropęknięcia, które utrudniają polerowanie i pogarszają wygląd produktu końcowego.

Aby złagodzić te problemy, niezbędne jest połączenie strategii. Prawidłowa konserwacja obejmuje rutynowe czyszczenie i ponowne smarowanie, aby zapobiec gromadzeniu się materiału i zmniejszyć tarcie. Regularne odprężanie lub odpuszczanie może wydłużyć żywotność narzędzia poprzez redukcję naprężeń wewnętrznych. Kluczowe są prawidłowe parametry operacyjne, w tym optymalizacja prędkości wtrysku, temperatury formy i ciśnienia, aby zminimalizować lokalne nagrzewanie i naprężenia mechaniczne na powierzchniach formy. Regularne kontrole są kluczowe dla wczesnego wykrywania i usuwania zużycia lub wad. Ponadto, wybór wysokiej jakości stali narzędziowych o doskonałej jednorodności oraz zastosowanie odpowiedniej obróbki powierzchni, takiej jak azotowanie lub chromowanie, może znacznie zwiększyć odporność na zużycie i polerowalność.

Powiązane linki

• Stal narzędziowa P20 | 1.2311 | 3Cr2Mo
• Zalety stosowania stali P20 w formach
• Stal h13 vs. p20: Jaka jest różnica między stalą H13 a stalą P20?
• Stal P20 kontra 4140: Zrozumienie kluczowych różnic
• Czy stal P20 jest stalą hartowaną? Tak, zazwyczaj wstępnie hartowaną.

Jeśli masz jakiekolwiek pytania dotyczące stali P20 lub chcesz ją kupić, skontaktuj się z nami. Jako producent z ponad 20-letnim doświadczeniem w branży stali narzędziowych, jesteśmy przekonani, że możemy zapewnić Ci profesjonalne usługi i produkty.