Come applicare le leghe ad alta-temperatura nella produzione di stampi?

一, Adattare correttamente le qualità fisiche delle leghe ad alta-temperatura alle esigenze dello stampo
Le leghe ad alta-temperatura sono metalli costituiti da ferro, nichel e cobalto che possono durare a lungo in situazioni con temperature elevate e molto stress, come temperature superiori a 600 gradi. Tre dimensioni mostrano i suoi principali vantaggi:
Le leghe ad alta temperatura-a base di nichel- possono ancora mantenere un limite di snervamento di oltre 600 MPa a 800 gradi Celsius, ovvero tre volte più resistente dell'acciaio per stampi H13 standard. Gli stampi in lega a base di nichel-K403 possono sopravvivere all'impatto delle billette in lega di titanio a 1200 gradi durante la forgiatura dei dischi delle turbine dei motori aeronautici. La durata di vita di un singolo stampo è aumentata da 200 volte per i materiali tradizionali a 1500 volte.
Resistenza alla fatica termica: le leghe ad alta-temperatura possono generare uno speciale rivestimento di ossido "auto-riparante" modificando le dimensioni e la distribuzione della fase (Ni ∝ (Al, Ti)). Negli stampi in lega a base di ferro GH2135-utilizzati negli stampi per pressofusione dei collettori di scarico automobilistici-dopo 5.000 cicli termici sono presenti solo 1/5 delle crepe superficiali rispetto agli stampi in acciaio 5CrNiMo.
Resistenza alla corrosione: lo strato di ossido composito Cr ₂ O3/Al ₂ O3 che si forma sulla superficie delle leghe ad alta temperatura- può bloccare efficacemente il passaggio degli ioni cloruro quando i tecnopolimeri con ritardanti di fiamma si rompono. Negli stampi a iniezione con connessione elettronica, gli stampi realizzati in lega Inconel 718 durano 8 volte di più dell'acciaio per stampi DC53 e la superficie del prodotto non presenta punti di corrosione.
2, Progressi tecnologici nelle impostazioni delle applicazioni comuni
1. Aerospaziale: copia di strutture in circostanze operative molto difficili
Quando si realizzano connessioni leggere per droni in materiale PEEK, lo stampo deve essere in grado di gestire una temperatura di fusione di 380 gradi e una pressione di iniezione di 150 MPa. In queste condizioni di lavoro, l'acciaio per stampi tradizionale mostra molto scorrimento, tuttavia gli stampi realizzati in lega ad alta temperatura-a base di cobalto HS-21 non:
Migliorando il design della topologia, lo spessore della parete centrale è passato da 12 mm a 6 mm, riducendo il peso del 55%.
Il rivestimento TiAlN realizzato mediante deposizione fisica in fase di vapore (PVD) ha una durezza superficiale di HV3200.
Nella produzione reale, le modifiche dimensionali inferiori a 0,02 mm devono avvenire entro 500.000 cicli di iniezione.
2. Il settore dei veicoli a nuova energia: trovare un equilibrio tra lunga durata ed alta efficienza
Quando si realizzano tubi dell'acqua di raffreddamento del pacco batteria con stampaggio a compressione PA66+GF30, la fibra di vetro si consuma sullo stampo a una velocità di 0,03 mm ogni mille ripetizioni. Stampi in leghe ad alta temperatura-a base di nichel-realizzati utilizzando il processo di metallurgia delle polveri:
La durezza dello strato di lavoro può raggiungere HRC58 producendo materiali funzionali a gradiente (FGM), mentre la matrice rimane tenace a HRC42.
Invece della lavorazione con elettroerosione standard, utilizza il taglio a getto d'acqua ad altissima- pressione per rendere la superficie della cavità meno ruvida, passando da Ra1,6 μm a Ra0,4 μm.
Nella vita reale, la durata dello stampo è passata da 80.000 a 400.000 utilizzi e il costo per pezzo è diminuito del 65%.
3. Packaging per semiconduttori: una garanzia-duratura di precisione a livello micrometrico
La spaziatura dei perni negli stampi per imballaggi QFN è di soli 0,3 mm, quindi il coefficiente di dilatazione termica (CTE) dello stampo deve essere molto vicino a tale distanza. Stampo in lega ad alta temperatura-a cristallo singolo a base di nichel-realizzato mediante il processo di solidificazione direzionale:
Il CTE viene abbassato a 12 × 10⁻⁶/grado regolando l'orientamento dei cristalli e la compatibilità con i materiali di riempimento in ceramica viene migliorata del 40%.
Il canale conformato dell'acqua di raffreddamento realizzato con tecnologia di fusione selettiva laser (SLM) rende la temperatura dello stampo più uniforme, passando da ± 15 gradi a ± 3 gradi.
Nella produzione reale, il tasso di deformazione del prodotto è sceso dallo 0,5% allo 0,15% e il tasso di rendimento è salito al 99,8%.
3, I modi nuovi e migliorati di fare le cose
1. La produzione additiva utilizzata in modi che cambiano le cose
Il solito problema di realizzare oggetti con stampi metallici in grado di resistere alle alte temperature viene risolto dalla tecnologia di stampa 3D:
Progettazione per l'ottimizzazione della topologia: utilizzando il software Altair OptiStruct, abbiamo reso il progetto più leggero, riducendo il peso di un determinato stampo per pale di motori aeronautici da 1,2 tonnellate a 680 kg e rendendolo più rigido del 25%.
Struttura con gradiente funzionale: la tecnica LPBF (laser Powder Bed Melting) crea una zona di transizione del gradiente di durezza tra lo strato di lavoro dello stampo e lo strato di substrato per eliminare la concentrazione di stress.
Un sistema di raffreddamento casuale: l'utilizzo del software Magics per migliorare l'architettura del corso d'acqua ha reso il raffreddamento di uno stampo di copertura di grandi dimensioni più efficiente del 40% e ha ridotto il tempo di ciclo del 35%.
2. Un grande passo avanti nella tecnologia per il rinforzo delle superfici
Spruzzo di fiamme a velocità supersonica (HVOF): la superficie della cavità dello stampo è rivestita con WC-12Co, che ha una durezza fino a HV1400 ed è cinque volte più resistente all'usura rispetto al materiale del substrato.
La nitrurazione al plasma è un processo che utilizza il plasma per rendere le cose più difficili. La nitrurazione profonda (0,3 mm) aumenta la durezza superficiale dello stampo fino a HV1100 mantenendo la stessa tenacità del nucleo.
Riparazione con rivestimento laser: la polvere di lega Inconel 625 viene utilizzata per riparare l'area usurata e la forza legante tra lo strato di riparazione e il substrato è superiore a 400 MPa.
4, Tendenze dell'economia e dell'industria
All'inizio-gli stampi in lega per alte temperature costano da 3 a 5 volte di più rispetto agli stampi normali, ma il vantaggio in termini di costi dell'intero ciclo di vita è notevole:
Nell'industria automobilistica, l'utilizzo di leghe ad alta-temperatura per lo stampo del paraurti di un determinato modello di automobile costa 800.000 yuan in più per ogni set di stampi, ma fa risparmiare 12 milioni di yuan in costi di produzione annuali perché il tempo di ciclo è stato ridotto del 25% e il tasso di rendimento è aumentato del 12%.
Nel campo aerospaziale: l'utilizzo di una lega a base di cobalto-nello stampo di forgiatura di un certo tipo di disco della turbina del motore ha prolungato la durata dello stampo da 50 pezzi a 300 pezzi e ha ridotto i costi di produzione di un pezzo del 78%.
La tecnologia Digital Twin ha consentito di anticipare il ciclo di manutenzione degli stampi in lega ad alta temperatura- con una precisione di ± 50 ore. Ha inoltre aumentato l'efficienza complessiva delle apparecchiature (OEE) a oltre l'85%. Si prevede che il mercato globale degli stampi in leghe ad alta-temperatura varrà più di 4,5 miliardi di dollari entro il 2028, con un tasso di crescita annuo composto del 12,3%. Gli stampi per la produzione additiva costituiranno oltre il 30% di questo mercato.