Накратко

Изборът на подходящи материали за матрици при штамповане на AHSS изисква фундаментален преход от конвенционалните стратегии за инструменти. За високопрочни стомани (AHSS) с якост над 590 MPa, стандартната инструментална стомана D2 често не издържа поради недостатъчна твърдост и микроструктурни несъответствия като карбидни нишки. Индустриалният консенсус е да се премине към Инструментални стомани от прахова металургия (PM) (като Vanadis 4E или CPM 3V), които предлагат равномерна зърнеста структура, способна да поема високи ударни натоварвания без образуване на люспи.

Въпреки това, основният материал е само половината от битката. За борба с екстремното абразивно износване и заклиняване, типично за AHSS, трябва да комбинирате правилния PM основен материал с напреднало повърхностно покритие — обикновено PVD (физическо нанасяне чрез изпарение) за прецизно поддържане или TD (термично дифузионно) за максимална твърдина на повърхността. Успешната стратегия за избор корелира директно тегловната якост на ламарината с устойчивостта на материала на матрицата и устойчивостта на покритието срещу износване.

Предизвикателството на AHSS: Защо конвенционалните инструментални стомани се провалят

Щанцоването на напреднали високоякостни стомани (AHSS) води до силите, които са експоненциално по-високи от тези при формоване на обикновена стомана. Докато обикновената стомана може да изисква сравнително ниско контактно налягане, AHSS класове — особено Двойна фаза (DP) и Мартензитни (MS) стомани — упражняват огромно компресиращо напрежение върху повърхността на матрицата. Това води до бързо упрочняване на листовия материал по време на формоване, създавайки ситуация, при която щанцованият продук е почти толкова твърд, колкото инструментът самия.

Основната точка на повреда при обикновените инструментални стомани за студена работна операция, като AISI D2, е тяхната микроструктура. При традиционните стомани, получени чрез отливане в кюп, карбидите образуват големи, неравномерни мрежи, известни като "нишки". Когато се подложат на висок ударен шок при пречупване на стомана с якост 980 MPa или 1180 MPa, тези нишки действат като концентратори на напрежение, което води до катастрофално отчупване или пукнатини . За разлика от штамповката на мека стомана, при която износването е постепенно, повредата при AHSS често е внезапна и структурна.

Освен това, високото контактно налягане генерира значително количество топлина, което деградира стандартните смазочни материали и води до заледяване (адхезивно износване). Това е моментът, в който листовият метал буквално се заварява към повърхността на инструмента, откъсвайки микроскопични парченца от матрицата. AHSS Insights бележи, че при класове с якости на опън над 980 MPa, начина на повреда се променя от просто абразивно износване към сложни уморни повреди, което прави стандартния D2 остарял за серийни производствени серии.

Основни класове материали: D2 срещу PM срещу Карбид

Изборът на материала за матрицата е компромис между цена, якост (устойчивост на надрусване) и устойчивост на износване. За приложения с AHSS йерархията е ясно очертана.

Конвенционални инструментални стомани (D2, A2)

D2 остава основата за щанцоване на меки стомани поради ниската си цена и задоволителната устойчивост на износване. Въпреки това, грубата карбидна структура ограничава неговата якост. За приложения с AHSS, D2 обикновено се използва само за прототипи или сериите с нисък обем от AHSS с по-ниско качество (под 590 MPa). Ако се използва за по-високи класове, изисква често поддържане и често страда от ранно уморно разрушаване.

Стомани от порошковата металургия (PM)

Това е стандартът за съвременното производство на AHSS. PM стоманите се произвеждат чрез атомизация на разтопения метал в фин прах, последвано от спояване при висока температура и налягане (Хот Изостатично Пресоване). Този процес създава равномерна микроструктура с фини, равномерно разпределени карбиди. Марки като Vanadis 4E , CPM 3V , или K340 осигурява висока устойчивост на ударни натоварвания, необходима за предотвратяване на отчупвания, като същевременно запазва отлична якост на натиск. Проучване, цитирано от Производителят показа, че докато матриците от D2 могат да се повредят след 5000 цикъла при производство на лост за управление, матриците от PM стомана продължават да работят добре след над 40 000 цикъла.

Спаян карбид

За най-екстремните приложения или за специфични вставки като пуансоны и матрични бутони, циментираният карбид предлага превъзходна устойчивост на износване. Въпреки това, той е изключително крехък. Макар да е по-устойчив на абразивно износване от всяка стомана, той има склонност да се раздробява под ударните натоварвания, типични за пробиването на AHSS. Най-добре е да се използва в области с високо износване, където ударните натоварвания са контролирани, или за оформяне на материали с ниска якост, но абразивни по характер.

Ключовата роля на покритията: PVD, CVD и TD

Тъй като AHSS е толкова абразивен, дори и най-добрата PM стомана в крайна сметка ще се износи. Покритията са задължителни, за да осигурят твърда бариера с ниско триене, която предотвратява залепване.

Физическо утайване от парна фаза (PVD) често се предпочита за прецизни матрици, тъй като се нанася при по-ниски температури, запазвайки топлинната обработка и размерната точност на основния материал. Идеален е за режещи ръбове, където запазването на острата геометрия е от решаващо значение.

Топлинно дифузионен метод (TD) създава слой от ванадиев карбид с изключително висока твърдост (над 3000 HV), което го прави „златен стандарт“ за предпазване от залепване при тежки формовъчни операции. Тъй като процесът протича при аустенизационни температури, инструменталната стомана служи като източник на въглерод и трябва да бъде повторно затвърдена. Това може да доведе до промени в размерите, което прави TD рисков метод за компоненти с тесни допуски, освен ако не се прилага внимателно.

Рамка за избор: Съпоставяне на материал с клас AHSS

Решението кой материал да се използва трябва да се води от специфичната якост на листовия метал при опън. Когато класът на материала нараства, изискванията към инструменталните стомани се променят – от проста устойчивост на износване към ударна твърдост.

• 590 MPa - 780 MPa: Конвенционалната D2 може да се използва при по-ниски обеми, но за дълги серийни производствени цикли е по-сигурно да се използва модифицирана студеноработна стомана (като 8% Cr) или основен PM клас. Препоръчва се PVD покритие (като TiAlN или CrN), за да се намали триенето.
• 980 MPa - 1180 MPa: Това е критичната точка. Използването на D2 е предимно небезопасно. Задължително трябва да се използва високотвърда PM стомана (напр. Vanadis 4 Extra или еквивалент). За формиращи участъци, склонни към залепване, TD покритието е изключително ефективно. За ръбове при отрязване, PVD покритие върху PM основа помага за запазване на ръба и устойчивост към отчупвания.
• Над 1180 MPa (Мартенситна/горещо оформена): Трябва да се използват само най-високотвърди PM класове или специализирани матрични бързорежещи стомани. Подготовката на повърхността е от решаващо значение и дуплексни покрития (азотиране, последвано от PVD) често се използват, за да поддържат екстремните повърхностни натоварвания.

Също е от решаващо значение да се разбере, че изборът на материал е само една част от производствената екосистема. За производителите, които мащабират от прототип към серийно производство, е от съществено значение да се партнират със стампер, разполагащ с оборудване, подходящо за тези материали. Компании като Shaoyi Metal Technology използват преси с висока тонаж (до 600 тона) и процеси, съответстващи на сертифицираната IATF 16949, за да преодолеят пропастта между спецификацията на материала и успешното изработване на детайла, осигурявайки избраниятите материали за матрици да работят както е предвидено при производствени условия.

Най-добри практики за термична обработка и подготовка на повърхността

Дори най-скъпата PM стомана с премиум покритие ще се провали, ако подложката не е подготвена правилно. Често срещан начин на повреда е „ефектът на яйчена черупка“, при който твърдо покритие се нанася върху мека подложка. Под налягане, подложката се деформира, което причинява крехкото покритие да се напука и отлъщи.

За да се предотврати това, подложката трябва да бъде термично обработена до достатъчна твърдост (обикновено 58-62 HRC за PM стомани), за да може да поддържа покритието. Тройно отпускане често е необходимо, за да се преобразува задържан аустенит и да се осигури размерна стабилност. Освен това крайната обработка на повърхността преди нанасяне на покритието е задължителна. Повърхността на инструмента трябва да бъде полирана до средна грапавост (Ra) от приблизително 0,2 µm или по-добра. Всякакви следи от шлифоване или драскотини, останали на инструмента, стават концентрации на напрежение, които могат да предизвикат пукнатини или да нарушият адхезията на покритието.

Накрая, стратегиите за поддръжка трябва да бъдат адаптирани. Не можете просто да шлифовате покрит инструмент, за да го заточите, без да премахнете покритието. За PVD-покрити инструменти често е необходимо покритието да се премахне химически, след което инструментът да се заточи и полира, и накрая да бъде повторно покрит, за да възстанови пълната си производителност. Тази обща разходна стойност трябва да се вземе предвид при първоначалния избор на материала за матрицата.

Оптимизация за дългосрочна производство

Преходът към AHSS изисква холистичен подход към инструмите. Не е достатълно просто да се разчита на „сигурните“ избори от миналото. Инженерите трябва да третират матрицата като композитна система, където субстратът осигурява структурната цялостност, а покритието осигурява трибологичната производителност. Като съчетават плътността на PM стоманите с устойчивостта срещу износване на съвременните покрития, производителите могат да превърнат предизвикателството при штамповка на високопрочни материали в последователна и печеливша операция. Първоначалните разходи за висококачествени материали почти винаги се възвръщат чрез намалено време на простои и по-ниски нива на отпадъци.

Често задавани въпроси

1. Кой е най-добрият материал за матрица при штамповка на AHSS?

За повечето приложения с AHSS над 590 MPa, инструмални стомани от типа на праховата металургия (PM), като Vanadis 4E, CPM 3V или подобни класове, се считат за най-добрия избор. За разлика от конвенционалната D2, PM стоманите имат фина, равномерна микроструктура, която осигурява необходимата плътност за срещу отчупване, като същевременно запазва висока якост при натиск.

2. Защо D2 инструментална стомана се поврежда при работа с AHSS?

D2 се поврежда предимно поради нейната микроструктура, която съдържа големи „нишки от карбиди“. При високите ударни и контактни налягания при штамповка на AHSS, тези нишки действат като точки на концентрация на напрежение, което води до пукване и отчупване. D2 също притежава недостатъчна твърдост, за да издържи силите от „счупване“ генерирани от високояките материали.

3. Каква е разликата между PVD и CVD покрития за штампови матрици?

Основната разлика е в температурата на нанасяне. PVD (Физическо изпарение) се нанася при по-ниски температери (~500°C), което предпазва инструменталната стомана от размекване или деформация. CVD (Химическо изпарение) и TD (Топлинно дифузно) се нанасят при много по-високи температери (~1000°C), което създава по-силна металургична връзка и по-дебело покритие, но изисква пренареждане на инструма, което носи риск от размерна деформация.

4. Кога трябва да използвам Прашковата металургия (PM) стомана за штамповка?

Трябва да преминете към PM стомана, когато извършвате щамповка на листови метали с якост на опън над 590 MPa или за дългосрочна производство на материали с по-ниска якост, където разходите за поддръжка са от значение. PM стоманата е задължителна и за всякакви приложения със сложна геометрия на матрицата, при които рискът от образуване на пукнатини е висок.