Wie werden Hochtemperaturlegierungen im Formenbau eingesetzt?

一, Richtige Anpassung der physikalischen Eigenschaften von Hochtemperaturlegierungen an die Anforderungen der Form
Hochtemperaturlegierungen sind Metalle aus Eisen, Nickel und Kobalt, die in Situationen mit hohen Temperaturen und starker Belastung, etwa über 600 Grad, lange halten können. Drei Dimensionen zeigen seine Hauptvorteile:
Nickel-basierte Hochtemperaturlegierungen können bei 800 Grad Celsius immer noch eine Streckgrenze von über 600 MPa aufweisen, was dreimal stärker ist als standardmäßiger H13-Formstahl. Formen aus K403-Nickel--Legierung können dem Aufprall von Titanlegierungsbarren bei 1200 Grad beim Schmieden von Turbinenscheiben von Flugzeugtriebwerken standhalten. Die Lebensdauer einer einzelnen Form hat sich von 200-fach bei herkömmlichen Materialien auf 1500-fach verbessert.
Thermische Ermüdungsbeständigkeit: Hochtemperaturlegierungen können eine spezielle „selbstheilende“ Oxidschicht erzeugen, indem sie die Größe und Verteilung der Phase (Ni ∝ (Al, Ti)) ändern. Es gibt nach 5000 thermischen Zyklen nur 1/5 so viele Oberflächenrisse in Gussformen aus GH2135-Eisen--Legierung, die in Druckgussformen für Abgaskrümmer von Kraftfahrzeugen verwendet werden, wie in 5CrNiMo-Stahlformen.
Korrosionsbeständigkeit: Die Cr₂O3/Al₂O3-Mischoxidschicht, die sich auf der Oberfläche von Hochtemperaturlegierungen bildet, kann den Durchgang von Chloridionen wirksam blockieren, wenn technische Polymere mit Flammschutzmitteln zerfallen. Bei Spritzgussformen für elektronische Verbindungen halten Formen aus der Inconel 718-Legierung achtmal länger als DC53-Formstahl, und die Oberfläche des Produkts weist keine Korrosionsflecken auf.
2, Technologische Fortschritte in allgemeinen Anwendungseinstellungen
1. Luft- und Raumfahrt: Kopieren von Strukturen unter sehr rauen Betriebsbedingungen
Bei der Herstellung leichter Verbindungen für Drohnen aus PEEK-Material muss die Form einer Schmelzetemperatur von 380 Grad und einem Einspritzdruck von 150 MPa standhalten. Unter diesen Arbeitsbedingungen weist herkömmlicher Formstahl starkes Kriechen auf, Formen aus der kobalt-basierten Hochtemperaturlegierung HS-21 hingegen nicht:
Durch die Verbesserung des Designs der Topologie wurde die Kernwandstärke von 12 mm auf 6 mm erhöht, was zu einer Gewichtsreduzierung von 55 % führte.
Die durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) hergestellte TiAlN-Beschichtung hat eine Oberflächenhärte von HV3200.
In der realen Produktion müssen Größenänderungen von weniger als 0,02 mm innerhalb von 500.000 Einspritzzyklen auftreten.
2. Die neue Energiefahrzeugindustrie: Finden Sie ein Gleichgewicht zwischen langer Lebensdauer und hoher Effizienz
Bei der Herstellung von Kühlwasserrohren für Batteriepakete mit PA66+GF30-Formpressen verschleißt die Glasfaser alle tausend Wiederholungen an der Form mit einer Geschwindigkeit von 0,03 mm. Hochtemperatur-Legierungsformen auf Nickel--Basis, hergestellt im Pulvermetallurgieverfahren:
Die Härte der Arbeitsschicht kann durch die Herstellung von Gradientenfunktionsmaterialien (FGM) HRC58 erreichen, während die Matrix bei HRC42 zäh bleibt.
Anstelle der standardmäßigen Funkenerosionsbearbeitung verwenden Sie Ultrahochdruck-Wasserstrahlschneiden, um die Oberfläche des Hohlraums weniger rau zu machen, von Ra1,6 μm auf Ra0,4 μm.
In der Praxis hat sich die Lebensdauer der Form von 80.000 auf 400.000 Einsätze erhöht, und die Kosten pro Stück sind um 65 % gesunken.
3. Verpackungen für Halbleiter: eine langanhaltende Garantie für Genauigkeit im Mikrometerbereich
Der Stiftabstand in QFN-Verpackungsformen beträgt nur 0,3 mm, daher muss der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der Form sehr nahe daran liegen. Einkristall-Hochtemperaturlegierungsform auf Nickel--Basis, hergestellt durch das gerichtete Erstarrungsverfahren:
Der CTE wird durch Regulierung der Kristallorientierung auf 12 × 10⁻⁶/Grad gesenkt und die Kompatibilität mit keramischen Packungsmaterialien wird um 40 % verbessert.
Der konforme Kühlwasserkanal mit Laser-selektiver Schmelztechnologie (SLM) sorgt für eine gleichmäßigere Formtemperatur von ± 15 Grad auf ± 3 Grad.
In der realen Produktion sank die Produktverzugsrate von 0,5 % auf 0,15 % und die Ausbeute stieg auf 99,8 %.
3, Die neuen und verbesserten Möglichkeiten, Dinge herzustellen
1. Additive Fertigung wird auf eine Weise eingesetzt, die Dinge verändert
Das übliche Problem bei der Herstellung von Dingen aus Metallformen, die hohen Temperaturen standhalten, wird durch die 3D-Drucktechnologie gelöst:
Design zur Topologieoptimierung: Mit der Altair OptiStruct-Software haben wir das Design leichter gemacht, das Gewicht einer bestimmten Flugzeugtriebwerksschaufelform von 1,2 Tonnen auf 680 kg gesenkt und sie um 25 % steifer gemacht.
Struktur mit einem Funktionsgradienten: Die LPBF-Technik (Laser-Pulverbettschmelzen) erzeugt eine Übergangszone mit Härtegradienten zwischen der Formarbeitsschicht und der Substratschicht, um Spannungskonzentrationen zu beseitigen.
Ein zufälliges Kühlsystem: Der Einsatz der Magics-Software zur Verbesserung der Architektur der Wasserstraße hat die Kühlung einer großen Abdeckform um 40 % effizienter gemacht und die Zykluszeit um 35 % verkürzt.
2. Ein großer Fortschritt in der Technologie zur Oberflächenverstärkung
Flammensprühen mit Überschallgeschwindigkeit (HVOF): Die Oberfläche des Formhohlraums ist mit WC-12Co beschichtet, das eine Härte von bis zu HV1400 aufweist und fünfmal verschleißfester ist als das Trägermaterial.
Beim Plasmanitrieren handelt es sich um ein Verfahren, bei dem Plasma zum Härten eingesetzt wird. Durch Tiefennitrieren (0,3 mm) wird die Oberflächenhärte der Form auf HV1100 erhöht, während die Zähigkeit des Kerns gleich bleibt.
Reparatur mit Laserauftragschweißen: Zur Fixierung des verschlissenen Bereichs wird Inconel 625-Legierungspulver verwendet, und die Bindungsfestigkeit zwischen der Reparaturschicht und dem Substrat beträgt mehr als 400 MPa.
4, Trends in der Wirtschaft und der Branche
Formen aus Hochtemperaturlegierungen kosten anfangs drei- bis fünfmal mehr als normale Formen, aber ihr Kostenvorteil über den gesamten Lebenszyklus hinweg ist enorm:
In der Automobilindustrie kostete die Verwendung einer Hochtemperaturlegierung für die Stoßfängerform eines bestimmten Automodells 800.000 Yuan mehr pro Formsatz, aber es wurden 12 Millionen Yuan an jährlichen Produktionskosten eingespart, da die Zykluszeit um 25 % verkürzt und die Ausbeute um 12 % erhöht wurde.
Im Bereich der Luft- und Raumfahrt: Durch die Verwendung einer kobaltbasierten Legierung im Schmiedegesenk einer bestimmten Art von Triebwerksturbinenscheiben wurde die Lebensdauer der Gussform von 50 auf 300 Teile verlängert und die Kosten für die Herstellung eines Teils um 78 % gesenkt.
Durch die digitale Zwillingstechnologie ist es möglich, den Wartungszyklus von Formen aus Hochtemperaturlegierungen mit einer Genauigkeit von ± 50 Stunden vorherzusagen. Außerdem wurde die Gesamtanlageneffizienz (OEE) auf über 85 % gesteigert. Der weltweite Markt für Formen aus Hochtemperaturlegierungen wird bis 2028 voraussichtlich einen Wert von mehr als 4,5 Milliarden US-Dollar haben, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 12,3 %. Additive Fertigungsformen werden mehr als 30 % dieses Marktes ausmachen.