Накратко

Избор на оптималния покритие за штамповъчни форми в автомобилната промишленост е критично инженерно решение, което трябва да балансира твърдостта, смазваемостта и температурата на обработка, за да се предотврати повреда на инструмента. Въпреки че PVD (физическо нанасяне чрез изпарение) —по-специално AlTiN и TiAlN—се е превърнало в съвременния стандарт за Високоякостна стомана с висока якост (AHSS) поради ниската температура на обработка (<500°C) и висока устойчивост, по-стари технологии като TD (термично дифузионно) продължават да бъдат златният стандарт за изключителна устойчивост срещу задиране при приложения с неръждаема стомана. За най-изискващите условия при високи натоварвания Дуплексни покрития (плазмено нитриране последвано от PVD) предлагат превъзходна поддръжка, за да се предотврати ефектът „коричка от яйце“. Използвайте това ръководство, за да подберете подходящо покритие според материала на заготовката и обема на производството.

Основни технологии за покрития: PVD срещу CVD срещу TD

В автомобилната штамповъчна индустрия три доминиращи технологии за повърхностна обработка конкурират помежду си. Разбирането на термодинамичните и механични разлики между тях е от съществено значение за прогнозиране на живота на инструмента и размерната стабилност.

1. PVD (физическо нанасяне чрез изпарение)

В момента PVD е най-универсалната технология за прецизни инструменти в автомобилната промишленост. Тя включва кондензация на метални пари (титан, хром, алуминий) върху повърхността на инструмента във вакуум при сравнително ниски температури (обикновено 800°F–900°F / 425°C–480°C). Тъй като тази работна температура е под температурата на отпускане на повечето инструментални стомани (като D2 или M2), PVD запазва твърдостта и размерната точност на основния материал.

Според Айфелер , напреднали варианти на PVD като AlTiN (Алуминиев титанов нитрид) предлагат твърдост над 3000 HV и устойчивост към окисляване до 900°C, което ги прави идеални за високите температури, възникващи при штампиране на AHSS.

2. CVD (химично нанасяне чрез отлагане)

CVD създава покритие чрез химична реакция на повърхността, като обикновено изисква значително по-високи температури (~1900°F / 1040°C). Тази висока температура изисква цикъл на вакуумно термично обработване след покритие, което възстановява основната твърдост на инструмента, като в същото време създава значителен риск от размерни деформации. Въпреки това, CVD осигурява изключителна адхезия и може еднакво да покрие сложни геометрии, включително сляпи отвори, които процесът PVD с линейна видимост може да пропусне.

3. TD (Топлинна дифузия)

Често наричан процес „Тойота дифузия“, TD (или TRD) създава слой ванадиев карбид чрез процес на дифузия в разтопена сол. Както е отбелязано от Производителят , TD покритията постигат изключителна твърдост (~3000–4000 HV) и са химически инертни, което ги прави практически имунни срещу адхезивно износване (залепване) при формоване на неръждаема стомана или дебели високопрочни нисколегирани (HSLA) стомани. Като CVD, високата температура по време на процеса изисква термична обработка след нанасяне на покритието.

Съгласуване на покритията с материала на заготовката

Успехът на щамповъчна операция често зависи от трибологичната съвместимост между покритието и листовия метал. Несъответствието между тях може да доведе до бързо катастрофално повредяване.

Високоякостна стомана с висока якост (AHSS)

Щамповането на AHSS (предел на налягане >980 MPa) създава огромно локализирано налягане и топлина. Стандартните покрития TiN често не издържат в тези условия. Предпочитанието в индустрията е PVD AlTiN oR TiAlN . Добавянето на алуминий формира твърд слой от алуминиев оксид на повърхността по време на употреба, което всъщност подобрява термостойкостта. AHSS Guidelines данните показват, че докато хромирането може да издържи 50 000 удара, правилно подбрани PVD или Duplex покрития могат да удължат живота на инструмента до над 1,2 милиона удара.

Алуминиеви сплави (серия 5xxx/6xxx)

Алуминият е известен с "адхезивното износване", при което мекият алуминий се залепва за повърхността на инструмента (феномен, известен като студено заваряване). AlTiN е лош избор в този случай, защото алуминият в покритието има склонност към взаимодействие с алуминиевия лист. Вместо това посочете DLC (въглероден слой с диамантоподобни свойства) oR CrN (Хромнирид) . DLC предлага изключително нисък коефициент на триене (0,1–0,15), което позволява на алуминия да се плъзга свободно, без да се залепва.

Оцinkовано желязо

Събирането на цинк е основен вид повреда при штамповане на галванизирани листове. Стандартните PVD покрития понякога могат да влошат това, ако техната повърхностна грапавина е твърде висока. Йонно нитриране или специално полирани CrN покрития се препоръчват, за да се осигури съпротива срещу химична реакция със слоя цинк.

Навигирането през тези комбинации от материали изисква не само правилното покритие, но и производствен партньор, способен да изпълнява целия производствен цикъл с прецизност. За автомобилни проекти, изискващи стриктно спазване на глобални стандарти, компании като Shaoyi Metal Technology използват процеси, сертифицирани по IATF 16949, за управление на всичко от бързо прототипиране до стапане в голям обем, осигурявайки реализирането на теоретичните предимства на тези напреднали покрития в действителното производство.

„Ефектът яйчена черупка“ и избор на основа

Често срещано заблуждение е, че по-твърдо покритие поправя мек инструмент. В действителност нанасянето на свръхтвърдо покритие (3000 HV) върху стандартна мека инструментална стомана (като нетермообработена D2) води до „Ефекта яйчена черупка“. При високите контактни натоварвания при автомобилно штампиране меката основа се деформира еластично, което кара крехкото, твърдо покритие отгоре да се напука и разпадне — подобно на яйчена черупка, която се пуква, когато се стиска яйцето вътре.

Решението: Дюплексни покрития.
За да се предотврати това, инженерите посочват „дуплексно“ третиране. Този процес започва с йонно азотиране в плазма за оголване на повърхността на инструменталната стомана до дълбочина от около 0,1–0,2 мм, като се създава поддържащ градиент. Върху него след това се нанася PVD покритие. Този оговен подслой поддържа покритието, което му позволява да издържи на екстремните ударни натоварвания, типични за високоскоростно щамповане.

Освен това стандартната инструментална стомана D2 съдържа големи карбидни структури, които могат да служат като точки на пукане. За инструменти с покритие MetalForming Magazine препоръчва се преход към Стомани от порошковата металургия (PM) (като CPM M4 или Vanadis). По-финото и равномерно разпределение на карбидите в праховите метали осигурява превъзходна основа за покритията и значително подобрена якост.

Показатели за производителност и анализ на повреди

Да се определят как инструментът се поврежда е първата стъпка към избора на правилната корекция чрез покритие. MISUMI инженерни проучвания сочат три различни начина на повреда:

• Абразивно износване: Повърхността на инструмента е физически одраскана или износена. Решение: Увеличаване твърдостта на покритието (преход от TiN към AlTiN или TD).
• Адхезивно износване (залепване): Материалът на заготовката се заварва към инструмента. Решение: Увеличаване на смазваемостта/намаляване на триенето (преход към DLC или добавяне на върхово покритие от суха смазка WS2).
• Разчупване/пукане: Покритието или ръбът на инструмента се напукват. Решение: Покритието може да е прекалено дебело, а основата — твърде крехка. Превключете към по-еластично покритие (с по-ниско съдържание на алуминий) или към дуплексно третиране върху по-здрава основа от PM стомана.

Оптимизиране за продължителност на живот на инструмента

Няма едно единствено "най-добро" покритие за всички автомобилни матрици. Оптималният избор винаги зависи от начина на отказ, който се опитвате да предотвратите, и от материала, който се оформя. За обща щамповане на AHSS, PVD AlTiN върху основа от PM стомана е индустриален стандарт. При крайни проблеми с галване при неръждаема стомана, TD остава ненадминато. Като системно съпоставяте свойствата на покритието — твърдост, коефициент на триене и топлинна стабилност — с конкретните производствени променливи, можете да превърнете живота на инструмента от главоболие при поддръжката в конкурентно предимство.

Често задавани въпроси

1. Какво е най-доброто покритие за щанцоване на AHSS?

За повечето приложения с високоякостна стомана (AHSS) AlTiN (Алуминиев титанов нитрид) oR TiAlN Предпочитани са PVD покрития. Те предлагат висока твърдост (~3400 HV) и отлична термична стабилност. За най-тежките приложения (стомани 1180 MPa+), се препоръчва Дуплексно покритие (нитриране + PVD) върху основа от PM инструментална стомана, за да се предотврати разрушаване на основата.

2. Колко дебело трябва да бъде PVD покритието за щанци?

Стандартните PVD покрития за щанцоване обикновено се нанасят с дебелина от 3 до 5 микрона (0,0001–0,0002 инча). По-дебелите покрития имат риск от отделяне поради високи вътрешни компресионни напрежения, докато по-тънките могат преждевременно да се износват. Многослойните покрития понякога могат да бъдат нанесени малко по-дебели, без да се компрометира адхезията.

3. Може ли да се нанесе повторно покритие върху щанц без пълно отстраняване на старото?

Като цяло, не. Старото покритие трябва да бъде химически отстранено, преди да се нанесе нов слой, за да се осигури правилно залепване и точни размери. Нанасянето на PVD върху старо, износено покритие често води до люспене и лоша производителност. Въпреки това, повечето PVD покрития могат да бъдат химически премахнати, без да се повреди основата от инструментална стомана, което позволява многократни експлоатационни цикли.