امروزه استفاده از قالب های فولادی در قالب سازی پلاستیک امری مهم و اساسی به حساب می‌آید. این قالب فولادی دقیقاً همان الگوی ثابت است که سبب می‌شود قالب سازی پلاستیک یک روش محبوب در بین دیگر روش‌های ساخت قطعه به حساب بیاید. یکی از روش‌های قالب سازی پلاستیک که قالب فولادی و کیفیت آن در فرایند ساخت قطعات اثر دارد قالب تزریق پلاستیک است. از آن جایی که فولادها انواع مختلف دارند و جنس فولاد در کیفیت ساخت قالب و فرایند قالب تزریق پلاستیک اثر دارد در این مقاله قصد داریم به صورت اختصاصی راجع به فولاد مناسب برای قالب تزریق پلاستیک صحبت کنیم.
قالب سازی پلاستیک و تأثیر نوع فولاد بر آن
المان‌ها و عناصر تشکیل دهنده مختلفی در یک آلیاژ فولادی وجود دارد، که برای استحکام ساختاری فلز حائز اهمیت است. اما روش و چگونگی قالب سازی نیز دارای اهمیت بالایی می‌باشد. یعنی از چه روشی برای ساخت قالب استفاده شود هم مهم است. راه و روش‌های مختلف، و پیشرفته‌ای مانند ذوب مجدد فولاد در محیط خلأ و متالوژی پودری، می‌توانند موجب پدیده شکل‌گیری ساختار بسیار پیوسته از فولاد شوند. یعنی قالب با کیفیت‌تری تولید شود، اما به طبع هزینه ساخت قالب از این روش‌ها بیشتر خواهد شد.
برای کسب اطلاعات بیشتر راجع به این موضوع می‌توانید با واحد فروش شرکت قالب سازی فن آور پلاستیک تماس بگیرید.
انتخاب فولاد قالب تزریق پلاستیک
شاید برایتان سؤال باشد که چرا اصلاً از قالب در فرایند ساخت قطعات پلاستیکی استفاده می‌شود؟ مهمترین و اصلی‌ترین علت آن این است که پلاستیک قابلیت چکش‌خواری یا فرم دهی ندارد، به همین دلیل آن را ذوب می‌کنند و به درون قالب تزریق می‌کنند تا شکل قطعه موردنظر را، پیدا کند. از این رو نیاز به قالب ها جهت انجام این پروسه، احساس می‌شود. این قالب ها چون در تولید انبوه استفاده می‌شوند باید از نظر مقاومت در برابر اصطکاک و دمای بالا، مقاوم باشند. یکی از فلزات که این ویژگی‌ها را می‌تواند به قالب بدهد فولاد است به همین جهت به این فولادها، فولاد قالب پلاستیکی می‌گویند. قالب های فولادی معمولاً دارای کیفیت سطح بالا بوده و کیفیت قطعه تولیدی را تضمین می‌کنند.
کیفیت طراحی و ساخت قالب برای یک شرک قالب سازی بسیار پر اهمیت است چرا که انتخاب قالبی با حداکثر بازدهی و طول عمر، بر میزان تولیدات و روند بی وقفه تولید، تأثیر مستقیم خواهد داشت. بهتر است در زمینه انتخاب فولاد برای ساخت قالب با دقت کافی و بررسی کامل عمل کرد و تصمیم نهایی را گرفت. چرا که قالب‌های فولاد پلاستیکی، انواع مختلف با قیمت‌های متفاوتی دارند.
برای انتخاب فولاد مناسب برای ساخت قالب تزریق پلاستیک عوامل مختلفی را در نظر می‌گیرند تا کیفیت ساخت قالب و کیفیت فرایند تزریق پلاستیک در حداکثر میزان خود باشد. در اینجا مهمترین عواملی که در انتخاب فولاد تأثیرگذارند عبارت‌اند از:
- مواد اولیه و انواع پلاستیک ها
طراحی قالب و شکل هندسی قالبمیزان سایش قالب در هر دوره از قالب تزریق پلاستیک- قابلیت پولیش قالب (این ویژگی در کیفیت محصول نهایی بسیار اثرگذار است)
- طراحی قطعه و کاربرد آن
- تعداد قطعات تولیدی توسط قالب
- طراحی و شکل داده حفره های قالب
- روش عملیات حرارتی که بر روی قالب انجام می‌شود
برای بررسی تک تک این عوامل نیاز به یک مقاله جداگانه است در اینجا دو عامل مهم یعنی مواد اولیه و طراحی و ساخت قالب را موردبررسی قرار می‌دهیم.
تأثیر مواد اولیه پلاستیکی در انتخاب فولاد
مواد اولیه فرایند تزریق پلاستیک، در طول فرایند ابتدا ذوب می‌شوند سپس تحت فشار و دما به شکل قالب درآمده و سخت می‌شوند و پس از سرد شدن از قالب خارج می‌شوند. تا زمانی که تغییرات فیزیکی و شیمیایی در مواد اولیه و قالب اتفاق نیفتد این سیکل و چرخه تکرار می‌شود.
از جمله مواد اولیه که در این فرایند استفاده می‌شوند عبارت‌اند از:
- ای بی اس (A.B.S)
- اکریلیک (Acrylic )
- سلولزها (Cellulose )
- فلوروکربن (Fluorocarbons )
- اکریلیک Acrylic
- آلکیدها Alkyds
- اپوکسی ها Epoxies
- سیلیکون ها Silicones
- نایلون (Nylon )
- پلی کربنات (polycarbonate )
- پلی اتیلن (Polyethylene)
- پلی پروپیلن (Polypropylene)
- استیرین/پلی استیرین (Polystyrene )
- وینیل/پی وی سی (PVC)
برای هر یک از این مواد اولیه فولاد خاص با ویژگی‌های خاص در نظر می‌گیرند به عنوان مثال برای تولید قطعات از جنس وینیل / پی وی سی، در فرایند سخت قالب از فولاد زد زنگ مانند فولاد DME #6استفاده می‌شود.
تأثیر طراحی قالب در انتخاب فولاد
زمانی که قرار است فولاد مناسب برای ساخت قالب تزریق پلاستیک را انتخاب کنند حتماً به طرح اولیه قالب نیز توجه می‌کنند. شاید برایتان سؤال باشد چرا طرح قالب ممکن است جنس فولاد را تغییر دهد، ابتدا باید بگویم که طرح قالب بر اساس طراحی محصول انجام می‌شود و آنچه به عنوان قالب شناخته می‌شود همان شکل اولیه قالب است. پس این طرح محصول شما است، هر چه این طرح قالب پیچیده‌تر باشد، دارای زوایای مختلف باشد و یا دارای حفره های متعدد باشد، جنس فولاد انتخابی متغیر می‌شود. به عنوان مثال کیفیت سطح در حفره قالب به طور مستقیم بر کیفیت سطح قطعات پلاستیکی تولیدشده تأثیرگذار است. کیفیت سطح قالب بهتر، باعث کیفیت بهتر در سطح قطعات می‌شود.
از طرف دیگر این طراحی قالب است که نوع صیقل دهی و پوشش دهی قالب را تعیین می‌کند. به عنوان مثال پوشش دهی کروم نیاز به فولادی خاص دارد.
از طرفی دیگر این طرح اولیه قالب است که عمر تقریبی آن را تخمین می‌زند. عمر قالب برای تعداد قطعات قابل قبول در یک قالب در انتخاب فولاد بسیار اثرگذار است. این موضوع به‌قدری اهمیت دارد که در بعضی از موارد انتخاب فولاد قالب تزریق پلاستیک ،توسط طراح قالب در نظر گرفته می‌شود. قالبها بر اساس طول عمری که دارند شامل:
قالب کوتاه مدت، این قالب ها چون قرار است سیکل‌های تزریق پلاستیک کمی داشته باشند معمولاً از جنس آلومینیوم ، و فولادهای کم کربن ساخته می‌شوند.
قالب میان مدت، این قالب ها چون بیشتر از گروه قبلی استفاده می‌شوند اما تولید انبوه ندارند باید مقاومت نسبی داشته باشند. به همین دلیل برای این قالب ها فولاد P20 ,P21 و فولادهایی با کربن متوسط پیشنهاد می‌شود.
قالب بلند مدت، دقیقاً قالب است که قرار است بارها و بارها استفاده شود و در تولیدهای انبوه استفاده شود. برای ساخت این قالب ها ورق‌های کرومی ، P20 نیترید شده ،فولاد زد زنگ ، فولادهای ابزار H13,D2,S7 و یا دیگر فولادهای سخت شده با آب و روغن، پیشنهاد می‌شود.
انواع فولاد که در ساخت قالب تزریق پلاستیک استفاده می‌شود
حال که با انواع عوامل مؤثر در انتخاب فولاد آشنا شدیم لازم می‌دانم در اینجای مقاله انواع فولادهایی که در ساخت قالب تزریق پلاستیک استفاده می‌شود را معرفی کنیم و به صورت مختصر برخی از پرکاربردترین‌های آن‌ها را بررسی کنیم.
انواع این فولاد عبارت‌اند از:
AISI- P21
- H13
- A2
- A4
- A6
- A8
- ۴۱۴۰
- ۴۱۵۰
- ۱٫۲۳۱۲ – P20- M200
- P2
- ۰۱
- ۰۲
- S7
- 2083
- 2311
- 2738
- MO40
کاربرد فولاد قالب پلاستیکی محدود به قالب های تزریق پلاستیک نیست و در قالب سازی آلومینیوم نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولاد H13 و H11 دو فولادی هستند که در قالب سازی آلومینیوم مورد استفاده قرار می‌گیرند.
فولاد زد زنگ کلاس ۴۱۴ و ۴۲۰
یکی از پرکاربردترین و بهترین فولادهایی که در ساخت قالب تزریق استفاده می‌شود فولادهای سری 414 و 420 هستند که بارزترین ویژگی‌شان ضد زنگ بودن آن‌ها است.
این فولادها به علت اینکه دارای کیفیت بالایی هستند به‌خوبی پولیش می‌شوند. در این فولادها عیوبی مانند موک ، تخلخل ،تفکیک شدگی کاربید ، و دیگر موارد یا اصلاً ندیده نمی‌شود یا به ندرت دیده می‌شود.
فولاد ۱٫۲۳۱۲
فولاد ۱٫۲۳۱۲ را در اندازه‌های مختلف با کیفیت سطح آینه‌ای و قابلیت براده برداری مناسب در ساخت قالب های تزریق پلاستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فولاد معمولاً در ساخت قالب‌هایی که کار می‌رود که قرار است در صنایع غذایی و بهداشتی استفاده شود.
فولاد ۱٫۲۳۱۲ دارای حدود ۰٫۴ درصد کربن، ۰٫۳ تا ۰٫۵ درصد سیلیسیم و حدود ۱٫۵ درصد منگنز است. عناصر کلیدی در آنالیز فولاد قالب پلاستیک،کروم و مولیبدن هستند که با توجه به درصد این عناصر، یک فولاد آلیاژی به نام فولاد قالب پلاستیک با خاصیت پولیش پذیری و سطح صیقلی قابل قبول تولید و در صنایع مربوطه مورد مصرف قرار می‌گیرد. چون این فولاد دارای 4 درصد کربن است. لذا نمی‌توان آن از آن انتظار داشت در روغن سخت شود. پدیده کوئنچ کردن نیز بعد از رسیدن به دمای ۸۳۰ درجه سلسیوس انجام می‌شود.
تسمه فولاد قالب پلاستیک ۱٫۲۳۱۲ با ابعاد ۲۶۰*۹۰ – ۳۶۰*۹۰ – ۳۸۰*۹۰ – ۴۰۰*۹۰ – ۵۰۰*۹۰ – ۲۱۰*۱۲۰ – ۱۵۰*۴۰ و سایر ابعاد تولید می‌شود و میلگرد ۱٫۲۳۱۲ از ضخامت ۳۰۰ میلی‌متر به بالا موجود است. این فولاد را با این نامه‌ای دیگری اعم از؛ M200، ۷۱۸، GS 3،MOULREXA و P20 نیز می‌شناسند.
این فولاد شباهت زیادی به فولاد 41XX دارد. از فولاد 41XX برای مصارف فضایی استفاده می‌شود. این فولاد به سبب خاصیت چکش‌خواری، کاربردهای زیادی دارد. در دمای ۷۸۰۰ درجه سانتی‌گراد به حالت خمیری شکل می‌رسد. این فولاد توسط هوا سرد و در دماهای پایین نیز نرم می‌باشد.
فولاد 1.2738 (M238)
این فولاد، یکی دیگر از انواع فولاد قالب پلاستیکی می‌باشد که با نام M238 در بازار شناخته می‌شود. از خصوصیات M238 می‌توان به قابلیت ماشین‌کاری خوب و استفاده در برخی از صنایع به عنوان فولاد گرمکار، اشاره کرد. از جمله ویژگی‌های تخصصی این فولاد M238 دمای فورجینگ 850-1050 ، دمای آنیلینگ 720-740 درجه سانتی‌گراد و درجه سختی برینل 300HB است.
کاربردهای فولاد M238 می‌توان به استفاده در فرایندهای :
- ریخته گری تحت فشار (دایکست)
- ساخت ابزارهای هیدروفرمینگ
- ساخت قالب‌های صفحه اجاق گاز
- میز و صندلی پلاستیکی
- انواع لوازم پلاستیکی مانند: بطری مواد غذایی و شیمیایی همچون نوشابه
اشاره کرد.
فولاد 1.2083 (M310)
این فولاد نیز به دلیل داشتن دمای فورجینگ 1050-850، دمای آنیلینگ 780-730، دمای سختی پذیری 1000 – 1050، دمای برگشت 100 – 200 درجه سانتی‌گراد و داشتن محیط خنک کردن روغن به یکی از پرکاربردترین فولادها در ساخت قالب تزریق پلاستیک تبدیل شود.
فولاد MO40– ۱٫۷۲۲۵
فولاد۱٫۷۲۲۵ که با نام تجاری MO40 بکار می‌رود، یک نوع فولاد قالب پلاستیکی به حساب می‌آید و در بین انواع فولاد قالب پلاستیکی، از دیگر فولادهای موجود از اهمیت بیشتری برخوردار است. چرا که این فولاد از ترکیب شیمیایی crmo4 تولید می‌شود. برخی از ویژگی‌های فولاد MO40 عبارت‌اند از:
دمای آنیلینگ 800-850
دمای تمپر 875-900
استاندارد‌های فولاد MO40 در برخی از کشور‌های دنیا، عبارت‌اند از:
آلمان DIN 1.7225
سوئد 42CRMO4
ایالات متحده آمریکا AISI 4140
فولاد mo40 بسته به میزان سختی در دمای ۲۰۵-۶۴۹ درجه سانتی‌گراد تمپر می‌شود. تمپر فولاد در دمای پایین باعث افزایش سختی آن می‌شود. به عنوان مثال، اگر در۳۱۶ درجه سانتی‌گراد تمپر شود، استحکام کششی آن برابر با ۲۲۵ksi می‌باشد.
حال اگر فولاد MO40 در ۵۳۸ درجه سانتی‌گراد تمپر شود، استحکام کششی آن برابر با ۱۳۰ksi خواهد بود. جوشکاری این نوع فولاد با استفاده از تمامی روش‌ها، ممکن است اما اگر در شرایط عملیات حرارتی جوش داده شود، ویژگی‌های مکانیکی آن دچار ضعف خواهد شد. بنابراین در چنین شرایطی، فولاد عملیات حرارتی دچار مشکل می‌شود.
کاربرد مهم فولاد mo40 می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
- شاتون‌های صنعتی
- محور خودرو‌های سواری
- دنده و فرمان خودرو‌ها
- پیچ های مختلف مانند: استد بولت و انکر بولت
- توربین‌های مختلف در صنایع مختلف
- غلطک‌های صنایع سیمان‌سازی
- صنایع هوا و فضا
- غلطک‌های صنایع فولاد
- ظروف تحت فشار در صنایع شیمیایی
معایب استفاده از فولاد در ساخت قالب تزریق پلاستیک
تا به اینجای مقاله راجع به ویژگی‌ها و فوایدی که انواع فولاد در ساخت قالب تزریق پلاستیک دارد صحبت کردیم اما فولاد نیز در کنار ویژگی‌های مثبتی که دارد معایبی نیز دارد از جمله این موارد می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
- زمان ماشین کاری فولادها متغیر است و هر چه سختی فولادها بیشتر شود زمان افزایش پیدا می‌کند
- سختی فولادها از سطح به عمق کم می‌شود و به همین دلیل قالب‌هایی که با فولاد ساخته می‌شوند دارای سختی یکنواخت نیستند.
- همچنین فولادها برای ماده اولیه‌های از جنس رزین که بسیار ساینده یا دارای دمای پروسه بسیار بالا هستند ، مناسب نیستند
قیمت فولاد قالب تزریق پلاستیک
در انتخاب فولاد یکی از مهمترین عواملی که تأثیرگذار است قیمت فولاد است. قیمت فولادها نیز به عوامل زیادی بستگی دارد، از جمله این موارد می‌توانیم به، درصد آلیاژهای موجود در فولاد – نوع گرید مناسب برای ساخت قالب پلاستیکی – نوع عملیات سطحی انجام شده بر روی فولاد انجام می‌شود – قیمت قراضه آهن و نرخ ارز اشاره کنیم.
میزان عناصر مختلف کروم، مولیبدن و کربن در گرید قالب پلاستیکی، تفاوت‌هایی را در ابعاد بزرگ ایجاد می‌کند که بایستی قبل از خرید آن‌ها را در نظر گرفت.