Руководство по выбору материала литьевой формы: P20, H13 или S136

Вы получаете два ценовых предложения на пресс-форму для одной и той же детали. Одно на 40% выше другого. Поставщик объясняет разницу маркой стали: в одном предложении указана P20, в другом — H13. Вам нужно объяснить разницу инженерной команде и обосновать бюджетное решение, не начиная изучение материаловедения с нуля. Это руководство даёт основу, позволяющую с первого раза принять верное решение.

Почему важен выбор материала формы?

Выбор материала формы определяет её ресурс по износу, возможности отделки поверхности, коррозионную стойкость и совокупную стоимость владения, а не только начальную цену оснастки. Выбор более дешёвой стали ради экономии на старте может сократить ресурс формы, увеличить частоту обслуживания и привести к деградации поверхности, из-за которой форму придётся перестраивать до достижения планового объёма выпуска. Полный контекст жизненного цикла оснастки приведён в нашем полном руководстве по литьевым формам.

Три рассмотренные марки — P20, H13 и S136 — охватывают большинство сталей, выбираемых для производственных литьевых форм во всём мире. Они различаются главным образом твёрдостью, полируемостью, коррозионной стойкостью и ценой. Каждая подходит для своего диапазона применений; цель — сопоставить марку с реальными требованиями производства, а не всегда повышать класс ради запаса. Наши профессиональные услуги по изготовлению форм описаны в разделе литьевых форм.

Для чего лучше всего подходит P20?

P20 лучше всего подходит для прототипных форм, переходной оснастки и производственных форм с ожидаемым ресурсом менее 300 000 циклов при работе с неабразивными термопластами¹. Сталь поставляется предварительно закалённой до 28–34 HRC, поэтому её можно обрабатывать без последующей термообработки, что сокращает срок и стоимость изготовления оснастки по сравнению со сталями сквозной закалки.

P20 хорошо работает с ABS, PP, PE, PS и другими стандартными смолами, не содержащими стеклянных, минеральных или иных абразивных наполнителей. Она допускает полирование до отделки SPI B2 или выше для деталей с умеренными требованиями к внешнему виду. Ее ограничение — скорость износа: из-за меньшей твердости абразивные смолы, высокое давление в полости или очень длительные производственные серии изнашивают поверхность полости быстрее, чем H13 или S136.

Практический порог: при ожидаемом объёме менее 200,000–300,000 впрысков и ненаполненном полимере P20 почти всегда даёт лучшую стоимость детали с учётом амортизации оснастки. Выше этого объёма расчёт обычно склоняется к закалённой стали.

Когда следует выбирать H13?

Эта марка — правильный выбор при объёме более 500 000 циклов, переработке стекло- или минералонаполненных полимеров либо температуре цилиндра выше 200°C, необходимой для инженерных пластиков PEEK или PPS. H13² — инструментальная сталь для горячих работ, закаливаемая после обработки до 44–52 HRC; она значительно твёрже P20 и лучше сопротивляется абразивному износу и термической усталости.

Для стеклонаполненных марок нейлона, PBT, PP или ABS, в которых содержание стекла обычно составляет 15–50%, H13 считается минимально допустимой маркой стали для гнезда и знака. Переработка стеклонаполненных полимеров в оснастке из P20 приводит к заметному износу гнезда в течение 50,000–100,000 циклов, проявляющемуся в повышении шероховатости поверхности, отклонении размеров и образовании облоя на линиях разъёма.

H13 также лучше P20 выдерживает циклы при повышенной температуре. Для смол, перерабатываемых выше 300°C (PEEK, PEI, PPS), повторяющиеся тепловое расширение и сжатие в течение цикла формования создают усталостные напряжения в стали полости; в этих условиях стойкость H13 к термической усталости значительно выше, чем у P20.

Когда S136 является лучшим выбором?

S136 — правильный выбор для коррозионно-активных полимеров: PVC, огнестойких марок с галогенными добавками и любых материалов, выделяющих кислые газы при переработке, — а также когда требуется зеркальная оптическая поверхность или соответствие нормам контакта с пищевыми продуктами. Нержавеющая инструментальная сталь S136³ содержит более 13% хрома и после обработки закаливается до 48–52 HRC.

При составлении спецификации важен механизм коррозионной стойкости: стандартные инструментальные стали, включая H13, ржавеют в присутствии кислотных газов, выделяемых PVC или некоторыми антипиренами. Это вызывает точечную коррозию поверхности полости, проявляющуюся дефектами поверхности деталей. Нержавеющий состав S136 противостоит такому разрушению. В медицинских изделиях и изделиях, контактирующих с пищевыми продуктами, S136 также отвечает требованиям к чистоте и химической инертности, которым не соответствуют стандартные углеродистые и легированные стали.

Способность S136 полироваться до зеркальной поверхности SPI A1 значительно выше, чем у P20 или H13. Мелкодисперсная карбидная структура нержавеющей инструментальной стали допускает более тонкую полировку без образования раковин, что критически важно для компонентов оптических линз, прозрачных корпусов и деталей, качество поверхности которых напрямую определяет внешний вид изделия. Для оптически ответственных применений S136 — не дополнительная опция, а техническое требование, которому H13 не соответствует.

Как сравниваются P20, H13 и S136?

В таблице ниже три марки сравниваются по параметрам, определяющим выбор. Используйте её для первичного отбора, а затем уточните у изготовителя пресс-формы спецификацию конкретной марки для смолы и объёма производства вашего применения.

Примечание о стоимости: таблица показывает относительное влияние на стоимость оснастки, а не стоимость детали или амортизированную стоимость. Пресс-форма из H13, которая стоит на 35% дороже, но служит в 3× дольше такой же оснастки из P20, имеет меньшую стоимость впрыска за срок службы. Выбор марки стали всегда следует оценивать относительно ожидаемого объёма производства, а не только первоначального предложения на оснастку.

Как объём и смола влияют на выбор стали для пресс-формы?

Объём производства и тип смолы — два основных исходных параметра выбора стали для пресс-формы: они определяют, какая марка технически достаточна и какая обеспечивает наилучшую амортизированную стоимость. Пороговые объёмы не являются жёсткими пределами; это диапазоны, в которых на практике обычно происходит пересечение затрат.

До 100,000 циклов с ненаполненным полимером: P20 почти всегда выигрывает по совокупным затратам. До 300,000 циклов с ненаполненным полимером: P20 остаётся стандартным выбором, если требования к качеству поверхности или коррозионной стойкости не указывают на S136. Свыше 500,000 циклов с любым полимером: минимум H13; при наличии коррозионных или оптических требований оцените S136. Для любого стекло- или минералонаполненного полимера при любом объёме: минимум H13 независимо от объёма — механизм абразивного износа исключает P20 при любом прогнозируемом числе циклов.

Как тип смолы влияет на скорость износа разных марок стали

Выбор полимера также влияет на частоту обслуживания в рамках выбранной марки стали. Стеклонаполненный нейлон при работе в H13 изнашивает поверхность полости, но при правильном графике обслуживания скорость износа остаётся приемлемой в течение расчётного ресурса формы. Тот же полимер в P20 вызовет измеримый износ полости уже в первые 50 000 циклов. Более широкий контекст взаимодействия полимера и оснастки приведён в нашем полном руководстве по литью под давлением.

Каково самое простое правило выбора стали для пресс-формы?

Если нужно одно правило для большинства случаев: выбирайте P20 для ненаполненных смол и ресурса менее 300,000 впрысков, H13 для абразивных материалов или более 500,000 впрысков, S136 для коррозионных смол либо оптических и пищевых применений независимо от объёма. В зоне пересечения 200,000–500,000 впрысков с ненаполненной смолой полезна консультация изготовителя, поскольку точка перехода зависит от геометрии детали, плана обслуживания и сложности полости.

Если применение находится на границе выбора, попросите поставщика рассчитать стоимость одного цикла для обеих марок при прогнозируемом объёме. Стоимость перехода на более качественную сталь, делённая на разницу в количестве циклов между марками, часто даёт число, которое делает решение очевидным. Подробные инженерные рекомендации по материалам, характеристикам и проектированию пресс-форм приведены в нашем полном руководстве по литьевым пресс-формам.

Если вам нужна рекомендация марки стали для конкретной детали и производственной программы, обратитесь к нашей команде инженеров по оснастке для анализа материала формы.

Часто задаваемые вопросы: какую сталь для пресс-формы выбрать?

В чём разница между сталями для форм P20, H13 и S136?

P20 — предварительно закалённая сталь (28–34 HRC), подходящая для оснастки малой и средней серийности с ненаполненными полимерами. H13 — инструментальная сталь для горячей обработки, закаливаемая после механической обработки до 44–52 HRC и обеспечивающая повышенную износостойкость при абразивных полимерах и крупносерийном производстве. S136 — нержавеющая инструментальная сталь с содержанием хрома более 13%, стойкая к коррозионно-активным полимерам и полируемая до зеркального блеска для оптических применений.

Когда следует переходить со стали P20 на H13?

Переходите на H13, если ожидаемый объём производства превышает 300,000–500,000 впрысков, если смола содержит стеклянные, минеральные или иные абразивные наполнители в любой концентрации либо если температура переработки превышает 200°C. Абразивный износ от наполненных стекловолокном смол делает H13 техническим требованием, а не просто возможным улучшением: при любом объёме производства с абразивными материалами P20 износится раньше расчётного срока службы инструмента.

Всегда ли S136 дороже H13?

Сталь S136 обычно на 15–25% дороже H13 по массе материала, а стоимость оснастки с обработкой и термообработкой обычно на 40–60% выше P20. Однако для применений, где S136 технически необходима, включая коррозионные смолы, оптические детали и контакт с пищей, нет сопоставимой по цене альтернативы, соответствующей спецификации.

Можно ли использовать P20 для стеклонаполненного нейлона?

Нет. Стеклонаполненный нейлон и другие абразивные полимеры вызывают ускоренный износ поверхности гнезда в пресс-формах из P20, обычно приводя к заметному увеличению шероховатости в течение 50,000–100,000 циклов. Минимальная спецификация для стеклонаполненных полимеров — H13 (44–52 HRC). Переработка стеклонаполненных полимеров в оснастке из P20 не позволяет сэкономить: пресс-форма не достигает расчётного ресурса и требует преждевременной замены или восстановления.

От чего зависит выбор S136 или H13?

S136 требуется, когда смола выделяет при переработке коррозионные газы (PVC, галогенированные антипирены), когда необходимо соответствие требованиям пищевого контакта или медицинского класса либо когда спецификация поверхности требует зеркальной отделки SPI A1. Для всех остальных массовых применений с некоррозионными смолами и полукосметической отделкой подходит H13.

Как марка стали влияет на срок изготовления формы?

P20 поставляется предварительно закалённой и не требует термообработки после механической обработки, что сокращает сроки. H13 и S136 требуют закалки после черновой обработки, обычно добавляя 2–4 недели к графику изготовления. Эта разница важна для срочных программ, но не должна приводить к выбору стали с недостаточной износостойкостью для требуемого объёма.

Источники

1. ASM International. Инструментальные стали, 5-е изд. (1998). Характеристики предварительно закалённых сталей серии P (P20: 28–34 HRC); составы инструментальных сталей серии H для горячих работ.
2. SPI (Общество индустрии пластмасс). Руководство по технологии форм. Пороговые объёмы производства и рекомендации по типам полимеров для выбора P20, H13 и нержавеющей инструментальной стали.
3. Machinery’s Handbook, 31-е изд. Раздел о материалах для литьевых пресс-форм: относительные надбавки к стоимости оснастки (+20–35% для H13, +40–60% для S136 по сравнению с P20) и расчетные сроки термообработки (2–4 недели).