Можно ли-быстрорежущую сталь подвергать литью под давлением?

Короткий ответ: да, но этот процесс требует точности, которая отличает опытные MIM-установки от остальных. Быстрорежущие инструментальные стали-, такие как M2, M4, T15 и M42, успешно производятся методом литья под давлением с конца 1990-х годов, после десятилетий развития порошковой металлургии. Эта технология позволяет производителям производить сложные режущие инструменты, прецизионные шестерни и износостойкие компоненты, которые в противном случае потребовали бы обширной механической обработки из деформируемых прутков.

 Зачем выбирать MIM для быстрорежущей-стали?

Традиционное литье инструментальных сталей в слитки приводит к сегрегации во время затвердевания, что приводит к образованию крупных выделений карбидов, которые образуют продольные бороздки во время горячей обработки. В 1960 году исследователи из Crucible Steel продемонстрировали, что распыление инструментальной стали в порошок и ее консолидация с помощью горячего изостатического прессования (HIP) могут полностью устранить эту сегрегацию. Полученная микроструктура содержала мелкодисперсные карбиды со значительно улучшенной ударной вязкостью по сравнению с литым материалом идентичного состава.

Литье металлов под давлением идет еще дальше, позволяя создавать почти-чистые-геометрические формы, которые было бы непрактично обрабатывать на станке. Компания ABIS Mold Technology применила эту возможность в отраслях, требующих сложных компонентов высокой-твердости, особенно в автомобильной, аэрокосмической и промышленной оснастке. Когда в 2023 году российский клиент посетил наш завод в Шэньчжэне, чтобы оценить производственные линии MIM, дискуссия сосредоточилась именно на этом вопросе: MIM может поставлять детали M4 и T15 с плотностью, превышающей 96% от теоретической, со значениями твердости, достигающими 63-65 HRC после термообработки, и повторяемостью размеров во всех объемах производства.

 Окно спекания

Основная трудность, связанная с-MIM быстрорежущей сталью, заключается в том, что в отрасли называется "окном спекания"-допустимым диапазоном температур, который обеспечивает приемлемую плотность, не вызывая микроструктурного ухудшения. Для стали М2 с содержанием углерода 0,85% это окно составляет примерно 13 градусов (от 1245 до 1258 градусов). За пределами этого диапазона происходит либо недостаточное уплотнение, либо на границах зерен образуется избыточная жидкая фаза, образующая карбидные пленки, которые служат путями распространения трещин под нагрузкой.

Этот узкий допуск требует печных систем с многозонным контролем температуры и точным управлением атмосферой. ABIS использует оборудование для вакуумного спекания с графитовыми -горячими зонами, которые поддерживают углеродный потенциал, необходимый для предотвращения обезуглероживания. Наши процессы сертификации ISO 9001 и IATF 16949 требуют документирования профилей спекания для каждой производственной партии с проверкой содержания углерода в образцах из каждой партии.

Сталь Т15 представляет собой несколько более щадящую ситуацию. Более высокое содержание ванадия (приблизительно 4,6%) приводит к образованию карбидов типа MC-, которые действуют как агенты, закрепляющие границы зерен во время спекания. Исследование, опубликованное Kar et al. (1993) продемонстрировали, что T15 можно спекать в диапазоне температур 55 градусов в атмосфере азота-водорода по сравнению с температурой менее 20 градусов для M2 в аналогичных условиях. Когда клиентам требуется максимальная износостойкость для таких применений, как режущие пластины или штампы, мы часто рекомендуем T15 из-за его стабильности процесса, а также его механических свойств.

 Рекомендации по сырью и удалению связующих

Газо-распыленные-порошки быстрорежущей стали ведут себя аналогично нержавеющей стали 316L и 17-4PH при подготовке сырья. Типичные значения D90, равные 18-24 мкм, допускают загрузку твердых веществ 60-67 % по объему с помощью связующих систем на основе воска-полимера или полиацеталя. Сферическая морфология распыленных газом частиц обеспечивает реологические характеристики, подходящие для тонкостенного впрыска с минимальной струйной очисткой или образованием линий сварки.

Удаление связующих представляет собой наиболее серьезную проблему контроля выбросов углерода. Атмосфера чистого водорода вызывает обезуглероживание, а инертная атмосфера может привести к образованию остаточного углерода в результате неполного выгорания связующего. Промышленная практика пришла к использованию смешанной атмосферы с содержанием водорода 5–25% в азоте, хотя на некоторых предприятиях во время предварительного спекания используются смеси CO/CO₂ или CH₄/H₂ для более строгого контроля выбросов углерода. Термогравиметрический анализ разложения связующего в производственной атмосфере остается важным для определения соответствующих термических профилей.

 Термическая обработка и окончательные свойства

Детали из быстрорежущей стали MIM-можно подвергать термической обработке в тех же условиях, что и материалы, обработанные традиционным способом. Обработка в соляной ванне при температуре 1177-1205 градусов с последующей закалкой до 579-593 градусов приводит к последовательному превращению в мартенсит. Двойной или тройной отпуск при температуре 538-566 градусов уменьшает остаточный аустенит и максимизирует твердость.

 Практическое применение

Экономика производства быстрорежущей-стали MIM благоприятствует средним---объемным применениям со сложной геометрией. На выставке Chinaplas 2023 года в Шэньчжэне, где ABIS продемонстрировала наши решения для точного производства, несколько посетителей интересовались именно компонентами инструментов MIM для автоматизированного сборочного оборудования. Эти приложения обычно включают в себя небольшие детали (менее 50 граммов) с такими особенностями, как внутренние каналы охлаждения, выточки или тонкие сечения, которые требуют нескольких операций обработки твердого материала.

Текущие коммерческие применения включают микросверла для производства электроники, компоненты часов, требующие как эстетической отделки, так и износостойкости, а также прецизионные шестерни для медицинских устройств, где нержавеющая сталь 17-4PH не может соответствовать требованиям по твердости. Повышение стоимости материала по сравнению с MIM из нержавеющей стали компенсируется сокращением вторичной обработки и отказом от использования дорогих инструментальных сталей, которые в противном случае превратились бы в стружку.