Gli stampi a iniezione sono strumenti indispensabili nella produzione di prodotti in plastica. Con i progressi tecnologici, gli articoli in plastica che vanno dalle posate ai componenti per auto sono diventati onnipresenti in ogni aspetto della nostra vita. Questi prodotti sono prevalentemente realizzati attraverso il processo di stampaggio a iniezione, che prevede il riscaldamento della plastica fino alla fusione, l'iniezione in uno stampo e quindi il raffreddamento per formare le varie forme e dimensioni di cui abbiamo bisogno.
La qualità dello stampo è direttamente collegata alla qualità dei prodotti in plastica, per cui la scelta di un acciaio per stampi di alta qualità è fondamentale. L'acciaio per stampi di qualità superiore deve resistere:
- Prolungato condizioni di alta pressione,
- L'impatto ad alta velocità della plastica fusa ad alte temperature.
- Inoltre, gli stampi vengono utilizzati ripetutamente, spesso milioni di volte, il che richiede che l'acciaio degli stampi abbia caratteristiche eccezionali. resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, e adeguata durezza.
Cause del danno da stampo a iniezione
Prima di approfondire le caratteristiche richieste all'acciaio per stampi, è importante comprendere come gli stampi si danneggiano tipicamente:
Deformazione dello stampo Gli stampi che operano in condizioni ripetute di alta temperatura e alta pressione tendono a deformarsi nel tempo. Nello specifico, la cavità dello stampo può presentare ammaccature, compromettendo la precisione dimensionale del prodotto stampato e portando potenzialmente alla formazione di bave (materiale in eccesso).
Usura I bordi netti (affilati) dello stampo diventano gradualmente smussati con l'uso prolungato, portando ad angoli arrotondati e superfici depresse. Il risultato più significativo di questa usura è la produzione di bave.
Frattura Dopo un periodo di utilizzo, gli stampi possono sviluppare crepe dovute alla fatica del materiale. Queste crepe tendono ad espandersi nel tempo e con l'uso continuato, il che può eventualmente portare alla frattura di alcune parti dello stampo.
Corrosione Quando si utilizzano materiali plastici acidi o materiali che rilasciano gas corrosivi durante la lavorazione (come PVC e POM), la superficie dello stampo può corrodersi nel tempo. Questa corrosione può creare superfici irregolari note come vaiolature, che possono influire negativamente sull'aspetto del prodotto finale.
Requisiti di base per i materiali in acciaio per stampi
Durezza, resistenza all'usura e tenacità La durezza e la resistenza all'usura dell'acciaio sono cruciali nella produzione degli stampi. Questo perché gli stampi sono soggetti a usura continua da parte della plastica fusa durante il processo di iniezione, soprattutto quando la plastica contiene riempitivi duri come le fibre di vetro, che possono causare maggiori danni. Inoltre, gli stampi subiscono urti durante il funzionamento, richiedendo un certo livello di tenacità per prevenire crepe. Quando si trattano plastiche ad alta temperatura, la richiesta di acciaio resistente all'usura si intensifica, richiedendo l'uso di acciaio per stampi ad alte prestazioni.
Prestazioni di lucidatura Un acciaio per stampi di alta qualità dovrebbe avere un elevato livello di purezza con una struttura fine e uniforme per garantire una superficie dello stampo lucidata in modo impeccabile. La presenza di pori, impurità o altri difetti sulla superficie dello stampo può influire negativamente sull'aspetto del prodotto finale. Ad esempio, l'acciaio S136 è rinomato per le sue eccezionali proprietà di lucidatura.
Saldabilità Gli stampi inevitabilmente subiscono usura e danni accidentali durante l'uso, e talvolta sono necessari aggiustamenti dovuti a cambiamenti di progettazione. La saldabilità dell'acciaio per stampi è quindi estremamente importante in quanto determina la facilità e la fattibilità delle riparazioni e delle modifiche degli stampi.
Resistenza alla corrosione Per gli stampi che lavorano plastiche corrosive, è essenziale l'uso di acciaio resistente alla corrosione. Gli acciai resistenti alla corrosione comuni includono S136, 2316, 420, 2083 e M333. Inoltre, per gli stampi che cambiano frequentemente lotto di produzione, un'ottima resistenza alla corrosione può ridurre la necessità di manutenzione antiruggine.
Deformazione minima durante il trattamento termico Durante il trattamento termico, l'acciaio per stampi si indurisce, aumentando la difficoltà di lavorazione e quindi il costo. Per migliorare l'efficienza produttiva e ridurre i costi, è necessario utilizzare materiali in acciaio con strutture interne uniformi che presentino una deformazione minima durante il trattamento termico. Tali materiali non svilupperanno sollecitazioni interne eccessive o deformità, garantendo la precisione e la longevità dello stampo.
In sintesi, la scelta dell'acciaio per stampi appropriato è fondamentale non solo per garantire la qualità dei prodotti in plastica, ma anche per aumentare la durata degli stampi, ridurre i costi di produzione e manutenzione e migliorare l'efficienza e l'economia dell'intera catena produttiva.
Acciaio per stampi pre-temprato vs. acciaio per stampi passante
Perché l'acciaio per stampi pre-temprato?
In genere, gli stampi richiedono una tempra globale o superficiale per raggiungere livelli di durezza compresi tra HRC50 e HRC60. Questo intervallo di durezza aumenta le difficoltà di lavorazione e i costi.
Raggiungere tale durezza richiede un trattamento termico che, specialmente nel caso della tempra completa, comporta un rischio di deformazione e prolunga il ciclo di produzione. Pertanto è stato sviluppato l'acciaio per stampi pre-temprato, che tipicamente presenta una durezza compresa tra HRC30-40 — un intervallo più gestibile in termini di lavorazione ma sufficientemente duro per molti stampi a iniezione di plastica, come PP, PE, ABS e così via.
Acciaio per stampi precompresso
L'acciaio per stampi pre-temprato è un acciaio già temprato prima di lasciare la fabbrica. La sua durezza soddisfa generalmente i requisiti d'uso, il che significa che può essere utilizzato direttamente nella lavorazione e nella produzione di stampi senza la necessità di un ulteriore trattamento termico da parte dell'utente.
Il principale vantaggio di questo tipo di acciaio è la sua convenienza, poiché consente di risparmiare tempo e costi di produzione riducendo il rischio di distorsione dimensionale durante il trattamento termico. L'acciaio per stampi pre-temprato è tipicamente utilizzato per cicli di produzione più brevi e lotti più piccoli o quando le dimensioni dello stampo rendono il trattamento termico poco pratico.
Le gradi comuni di acciaio per stampi pre-temprato includono: P20, 718/718H/718HH, 738H, NAK80, S136H e 2083H.
Acciaio per stampi temprato
Al contrario, acciaio per stampi temprato in tutta la massa è fornito in un stato addolcito e richiede trattamento termico durante o dopo il processo di fabbricazione dello stampo per ottenere la durezza desiderata. La durezza di questo acciaio può essere controllata con precisione attraverso il trattamento termico, con conseguente maggiore resistenza all'usura e tenacità.
L'acciaio per stampi temprato è adatto agli stampi che devono funzionare per lunghi periodi e resistere a un'usura elevata, soprattutto nella produzione di massa di prodotti in plastica identici. Tuttavia, la necessità di un trattamento termico successivo alla produzione può aumentare i costi di produzione e richiede una manipolazione accurata per evitare deformazioni e problemi di stress dovuti a riscaldamento o raffreddamento non uniformi.
Le gradi regolari di acciai per stampi temprati a cuore sono: 2083, S136, H13, SKD61, 8407 e SKD11
In sintesi, sia gli acciai per stampi pre-induriti che quelli passanti presentano vantaggi e svantaggi. La scelta dipende dalle specifiche esigenze di produzione, dalla progettazione dello stampo e dall'efficienza economica. L'acciaio per stampi pre-temprato offre convenienza e velocità, ideale per piccoli lotti o stampi di dimensioni specifiche; mentre l'acciaio per stampi temprato è più adatto per stampi di produzione su larga scala che richiedono un'elevata resistenza all'usura e un utilizzo a lungo termine.
Tipi comuni di acciaio per stampi
Esistono centinaia di tipi di acciaio per stampi, ma quelli elencati di seguito sono tra i più utilizzati.
Le diverse fabbriche di stampi possono preferire alcuni tipi di materiali rispetto ad altri, a seconda della loro familiarità con questi materiali e della disponibilità di fornitori affidabili.
La tabella seguente elenca i tipi di acciaio per stampi più frequenti.
| Nome | Trattamento termico | Durezza | Breve descrizione | Origine standard |
|---|---|---|---|---|
| P20 | Pre-indurito | HRC28-32 | Acciaio per stampi in plastica della serie Cr-Mo a medio tenore di carbonio, con eccellenti prestazioni di lavorazione e lucidatura, conveniente, adatto a prodotti con requisiti ridotti e piccole produzioni. | AISI USA |
| 718 | Pre-indurito | HRC30-34 | Acciaio per stampi della serie Cr-Ni-Mo, una versione migliorata del P20 (corrispondente al grado americano P20+Ni), con una migliore temprabilità, in grado di realizzare stampi più grandi. La durata dello stampo è 2-3 volte superiore a quella del P20. | Assab Svezia |
| 718H | Pre-indurito | HRC34-38 | Il 718H ha una durezza superiore e una migliore lucidatura a specchio rispetto al 718. La differenza principale tra i due è il contenuto di manganese e molibdeno. | Assab Svezia |
| 718HH | Pre-indurito | HRC36-40 | La durezza del 718HH è superiore a quella del 718H. | Assab Svezia |
| 738(1.2738) | Post-trattato termicamente | HRC48-52 raccomandato | Il 738 ha contenuti più elevati di Mn, Cr, Ni rispetto al 718, con buone caratteristiche di temprabilità e tenacità. È l'abbreviazione dello standard tedesco 1.2738, mentre il 718 prende il nome dallo standard svedese Assab. | DIN Germania |
| 2344（1.2344） | Post-trattato termicamente | HRC50-54 consigliato | Acciaio per stampi della serie Cr-Ni-Mo, corrispondente al grado americano P20+Ni e 718, con una migliore temprabilità, in grado di realizzare stampi più grandi. | DIN Germania |
| S136 | Post-trattato termicamente | HRC48-52 raccomandato | Con un contenuto di cromo di 13,6%, ha un'elevata resistenza alla corrosione e presenta una struttura pura e fine, eccellenti prestazioni di lucidatura, nonché resistenza all'usura, lavorabilità e buona stabilità dimensionale durante la tempra. | Assab Svezia |
| S136H | Pre-indurito | HRC30-35 | Materiale precompresso di S136, non richiede un successivo trattamento termico. | Assab Svezia |
| 2083(1.2083) | Post-trattato termicamente | HRC50-54 consigliato | Norma DIN tedesca, abbreviazione di 1.2083, con un contenuto di cromo di 12,5-14,5%, corrisponde a S136. Possiede buone caratteristiche di resistenza alla corrosione, resistenza all'usura, temprabilità e lavorabilità per gli acciai per stampi per materie plastiche. | DIN Germania |
| 2083H | Pre-indurito | Materiale precompresso di 2083. | DIN Germania | |
| 420 | Post-trattato termicamente | HRC50-52 consigliato | Con un contenuto di cromo di 13,5%, corrisponde al grado S136. Ha una buona resistenza alla corrosione, all'usura, alla tempra e alla lavorabilità per l'acciaio per stampi per materie plastiche. | AISI USA |
| NAK80 | Pre-indurito | HRC37-43 | Aggiunta di Ni-Al-Cu, buona lavorabilità e prestazioni di lavorazione a scarica elettrica, eccellente saldabilità, dopo la nitrurazione a gas la durezza superficiale raggiunge i 750HV, ottenendo una lunghissima durata dello stampo. | Diado Giappone |
| 8407 | Post-trattato termicamente | HRC48-52 raccomandato | Contiene acciaio per stampi in lega Cr-Mo-V per lavori a caldo, con buona resistenza all'usura, tenacità e duttilità, lavorabilità e lucidabilità stabili, eccellente resistenza alle alte temperature e alla fatica termica, buona temprabilità e minima deformazione da trattamento termico. | Assab Svezia |
| H13 | Post-trattato termicamente | HRC50-54 consigliato | Contiene acciaio per stampi legato al Cr-Mo-V per lavorazioni a caldo, il grado corrispondente all'8407. | AISI USA |
| SKD61 | Post-trattato termicamente | HRC50-54 consigliato | Contiene acciaio per stampi da lavoro a caldo di media lega Si-Cr-Mo-V, il grado corrispondente all'8407. | Diado Giappone |
| Vichingo | Post-trattato termicamente | HRC52-54 | Buona stabilità dimensionale nel trattamento termico; buona lavorabilità e resistenza alla rettifica; eccellente tenacità e resistenza all'usura. | Assab Svezia |
| 2316（1.2316） | Post-trattato termicamente | HRC32-36 | Contiene acciaio per stampi Cr-Ni-Mo, materiale in acciaio plastico pre-indurito altamente resistente alla corrosione e ad alta lucidatura, con buone caratteristiche di lavorabilità e lucidabilità. | DIN Germania |
Metodi comuni di trattamento termico e superficiale dell'acciaio per stampi
Oltre agli acciai per stampi pre-induriti, la maggior parte degli altri acciai per stampi richiede una qualche forma di trattamento termico o superficiale per migliorare le proprie caratteristiche prestazionali, come la resistenza, la durezza, la resistenza all'usura e la resistenza alla corrosione. Questi trattamenti assicurano che lo stampo sia in grado di resistere alle alte pressioni, alle temperature e agli ambienti corrosivi che si incontrano durante il processo di stampaggio a iniezione, soprattutto se lo stampo viene utilizzato per produrre grandi quantità di prodotti.
Metodi di trattamento termico dell'acciaio per stampi
I principali metodi di trattamento termico per l'acciaio per stampi includono tempra (seguiti da uno o due cicli di rinvenimento per alleviare le tensioni, ottenendo un'elevata durezza complessiva mantenendo un certo grado di tenacità), e rinvenimento (una combinazione di tempra e rinvenimento ad alta temperatura, che si traduce in una migliore resistenza e tenacità complessive, sebbene la durezza sia inferiore alla tempra). Tuttavia, il rinvenimento non è frequentemente utilizzato per gli stampi a iniezione poiché questi tipicamente non subiscono forze d'urto significative.
Non tutti gli acciai per stampi possono essere sottoposti a tempra e la durezza richiesta dopo la tempra varia a seconda del tipo di acciaio. La durezza ideale per la tempra di diversi tipi di acciaio è riportata nella tabella precedente, ma i requisiti specifici dipendono da ogni applicazione e dalle raccomandazioni fornite dal fornitore di acciaio per stampi.
Metodi di trattamento superficiale dell'acciaio per stampi
I trattamenti superficiali offrono una vasta gamma di opzioni, tra cui placcatura, nitrurazione, cementazione, carbonitrurazione, PVD (Deposizione Fisica da Vapore), CVD (Deposizione Chimica da Vapore), e tempra laser localizzata. Tra questi, la nitrurazione è il più comunemente utilizzato.
Che cos'è la nitrurazione?
La nitrurazione è un trattamento superficiale in cui atomi o ioni di azoto vengono introdotti nello strato superficiale del metallo, formando nitruri. Questo migliora la durezza, la resistenza all'usura e la resistenza alla corrosione del materiale. Elementi come alluminio, cromo, vanadio e molibdeno aiutano a formare nitruri stabili e uniformi. Pertanto, gli acciai adatti alla nitrurazione tipicamente contengono questi elementi.
Durezza e profondità di nitrurazione
La durezza dello strato nitrurato supera in genere i 400 HV, con una profondità che di solito non supera gli 0,5 mm, poiché la penetrazione in profondità diventa sempre più impegnativa.
Ad esempio, l'acciaio P20 nitrurato a una temperatura di 510°C per 80 ore, con un tasso di dissociazione dell'ammoniaca di 30-40%, produce una profondità di nitrurazione di 0,3-0,5 mm e una durezza superficiale di 650-700 HV.
L'acciaio H13, invece, dopo la tempra e due cicli di rinvenimento seguiti dalla nitrurazione superficiale, può raggiungere una durezza superficiale di circa 1000 HV con una profondità dello strato di nitrurazione di circa 0,24 mm. Tuttavia, questa durezza elevata è più comunemente utilizzata per gli stampi per estrusione di alluminio ed è meno frequentemente applicata agli stampi a iniezione.
Conclusione
In conclusione, la scelta del giusto tipo di acciaio per stampi è fondamentale per garantire una produzione di alta qualità, durevole ed economica nel settore dello stampaggio a iniezione di materie plastiche. La comprensione delle caratteristiche, delle applicazioni e dei tipi più comuni di acciaio per stampi consente ai produttori di prendere decisioni informate che soddisfino le loro esigenze specifiche e migliorino l'efficienza produttiva complessiva.
Con l'evolversi della tecnologia, si evolve anche la gamma di acciai per stampi disponibili, che promette una precisione e una durata ancora maggiori per le sfide produttive future.
