TL;DR

Triar els materials adequats per als motlles en l'embolicació d'AHSS requereix un canvi fonamental respecte a les estratègies convencionals d'eines. Per a acers d'altes prestacions (AHSS) superiors a 590 MPa, l'acer d'eina estàndard D2 sovint falla a causa d'una tenacitat insuficient i inconsistències microestructurals com ara fileres de carburs. El consens de la indústria és actualitzar a Acer per eines de metallúrgia de pols (PM) (com ara Vanadis 4E o CPM 3V), que ofereixen una estructura granular uniforme capaç de suportar xocs d'impacte elevats sense esquerdar-se.

Tanmateix, el material del substrat només representa la meitat de la batalla. Per fer front al desgast abrasiu extrem i a la gripatge típics de l'AHSS, cal combinar el substrat PM adequat amb un revestiment superficial avançat, normalment PVD (Deposició de Vapor Física) per a manteniment de precisió o TD (Difusió Tèrmica) per a la màxima duresa superficial. Una estratègia de selecció exitosa correlaciona directament la resistència a la tracció del full metàl·lic amb la tenacitat del material de l'estampadora i la resistència al desgast del recobriment.

El repte de l'AHSS: Per què fallen els acers eines convencionals

L'estampació de l'acer avançat d'alta resistència (AHSS) introdueix forces exponencialment superiors a les presents en la conformació d'acer suau. Mentre que l'acer suau pot requerir una pressió de contacte relativament baixa, les qualitats d'acer AHSS —especialment els acers bifàsics (DP) i martensítics (MS)— exerceixen un enorme esforç compressiu sobre la superfície de l'estampadora. Això provoca un ràpid endureïment per deformació del material del full durant la formació, creant una situació en què la peça estampada arriba a ser gairebé tan dura com l'eina mateixa.

El punt principal de fallada per a les cuines d'acer tradicionals per treball a fred, com l'acer AISI D2, és la seva microestructura. En els acers tradicionals colats en lingot, els carburs formen xarxes grans i irregulars conegudes com "stringers". Quan es sotmeten a l'alt impacte del tall d'acers de 980 MPa o 1180 MPa, aquests stringers actuen com concentradors de tensió, provocant fissures o esquerdes catastròfiques esquerdament o fissuració . A diferència de l'estampació en acer suau, on el desgast és gradual, la fallada en AHSS és sovint sobtada i estructural.

A més, l'alta pressió de contacte genera una quantitat important de calor, la qual degrada els lubrificants estàndard i provoca micosis (desgast adhesiu). Això succeeix quan la xapa es solda literalment a la superfície de l'eina, arrencant trossos microscòpics de la matriu. Perspectives AHSS s'indica que per a graus amb resistències a la tracció superiors a 980 MPa, el mode de fallada canvia d'un simple desgast abrasiu a fallades complexes per fatiga, fet que fa que l'acer D2 estàndard quedi obsolet per a produccions d'alta volumetria.

Classes de materials nucli: D2 vs. PM vs. Carbur

Seleccionar el material de la matriu és un equilibri entre cost, tenacitat (resistència a l'esquerdat) i resistència al desgast. Per a aplicacions AHSS, la jerarquia és diferent.

Aceros d'eina convencionals (D2, A2)

El D2 continua sent la referència per embutició d'acers temperats degut al seu baix cost i una resistència al desgast acceptable. Tanmateix, la seva estructura de carburs gruixuts limita la seva tenacitat. Per a aplicacions AHSS, el D2 generalment es limita a prototips o produccions de baix volum d'acers AHSS de qualitat inferior (inferiors a 590 MPa). Si s'utilitza per a qualitats superiors, requereix un manteniment freqüent i sovint pateix fallades prematures per fatiga.

Aceros de Metallúrgia de Pols (PM)

Aquest és l'estàndard per a la producció moderna d'acers AHSS. Els acers de metallurgia de pols es produeixen atomitzant metall fos en forma de pols fina, que després es compacta mitjançant calor i pressió elevades (prensat isostàtic calent). Aquest procés crea una microestructura uniforme amb carburs fins i distribuïts de manera homogènia. Qualitats com Vanadis 4E , CPM 3V , o K340 proporcionar la tenacitat d'alt impacte necessària per evitar esquerdades mentre es manté una excel·lent resistència a la compressió. Un estudi citat per El Fabricant va demostrar que, mentre els motlls D2 podrien fallar després de 5.000 cicles en una peça d'una suspensió, els motlls d'acer PM van continuar funcionant bé més enllà de les 40.000 cicles.

Carbó sinteritzat

Per a les aplicacions més extremes, o per a inserts específics com punçons i botons de motlles, el carbur metal·lúrgic ofereix una resistència al desgast superior. Tanmateix, és extremadament fràgil. Tot i que resisteix millor el desgast abrasiu que qualsevol acer, és propens a trencar-se sota les càrregues de xoc típiques del trencament de l’AHSS. És millor reservar-lo per a zones d’alt desgast on es controla el xoc o per a conformar materials de menor resistència a la tracció però abrasius.

El paper clau dels recobriments: PVD, CVD i TD

Com l’AHSS és tan abrasiu, fins i tot l’acer PM més resistent acabarà desgastant-se. Els recobriments són essencials per proporcionar una barrera dura i de baixa fricció que eviti el gripat.

Deposició física en fase vapor (PVD) sovint és preferit per a motlles de precisió perquè s'aplica a temperatures més baixes, conservant el tractament tèrmic del suport i la seva precisió dimensional. És ideal per a vores de tall on és crític mantenir una geometria neta.

Difusió Tèrmica (TD) crea una capa de carbure de vanadi increïblement dura (3000+ HV), convertint-la en el referent per resistir l'adherència en operacions pesades de conformació. Tanmateix, com que el procés té lloc a temperatures d'austenització, l'acer per eines actua com a font de carboni i ha de ser revenat. Això pot provocar moviment dimensional, cosa que fa que la TD sigui arriscada per a components amb toleràncies estretes llevat que es gestionin amb cura.

Marc de selecció: Ajustar el material a la qualitat d'acer AHSS

La decisió sobre quin material utilitzar ha d'estar guiada per l'esforç específic a la tracció de la xapa metàl·lica. A mesura que augmenta la qualitat del material, la exigència sobre l'eina passa de la simple resistència a l'abrasió a la tenacitat davant els impactes.

• 590 MPa - 780 MPa: Es pot utilitzar D2 convencional per volums baixos, però és més segur utilitzar un acer de treball en fred modificat (com l'acer amb 8% Cr) o una qualitat bàsica de PM per llargs lots de producció. Es recomana un recobriment PVD (com TiAlN o CrN) per reduir la fricció.
• 980 MPa - 1180 MPa: Aquest és el punt crític. D2 és gairebé insegur. Cal utilitzar un acer PM de gran tenacitat (per exemple, Vanadis 4 Extra o equivalent). Per seccions de conformació susceptibles de gripat, un recobriment TD és molt efectiu. Per vores de tall, un recobriment PVD sobre un substrat de PM ajuda a mantenir la vora mentre resisteix l'esquerdament.
• Per sobre de 1180 MPa (martensític/estampat en calent): Només s'han d'utilitzar qualitats PM de màxima tenacitat oacers especialitzats de matriu d'acer ràpid. La preparació de la superfície és crítica, i recobriments Duplex (nitratge seguit de PVD) són sovint utilitzats per suportar les càrregues superficials extremes.

També és crucial reconèixer que la selecció del material és només una part de l'ecosistema de producció. Per als fabricants que passen des del prototip a la producció massiva, associar-se amb un estampador que disposi de l'equipament necessari per manejar aquests materials és vital. Empreses com Shaoyi Metal Technology utilitzen prenses d'alta tonelada (fins a 600 tones) i processos certificats segons la IATF 16949 per tancar la llacuna entre l'especificació del material i la fabricació exitosa de peces, assegurant que els materials seleccionats per al motlle funcionin tal com es pretén en les condicions de producció.

Millors pràctiques per al tractament tèrmic i la preparació superficial

Fins i tot l'acer PM més car amb un recobriment premium fallarà si el substrat no està preparat correctament. Un mode comú de fallada és l'efecte "closca d'ou", on un recobriment dur s'aplica sobre un substrat tou. Sota pressió, el substrat cedeix, provocant que el recobriment fràgil es fissuri i s'escampeixi.

Per evitar això, el substrat s'ha de tractar tèrmicament fins a una duresa suficient (típicament 58-62 HRC per als acers PM) per suportar el recobriment. Triple revenat sovint és necessari per convertir l'austenita retinguda i assegurar l'estabilitat dimensional. A més, l'acabat superficial abans del recobriment és inexcusable. La superfície de l'eina s'ha de polir fins a una rugositat mitjana (Ra) d'aproximadament 0,2 µm o millor. Qualsevol marca de rectificació o ratlladura que quedi a l'eina es converteix en un concentrador de tensió que pot iniciar fissures o comprometre l'adherència del recobriment.

Finalment, les estratègies de manteniment s'han d'adaptar. No es pot simplement rectificar una eina revestida per afuar-la sense eliminar el recobriment. Per a eines amb recobriment PVD, sovint cal eliminar químicament el recobriment, afuar i polir l'eina i després tornar a aplicar el recobriment per restablir el rendiment complet. Aquest cost al llarg del cicle de vida s'ha d'incloure en la selecció inicial del material de la matriu.

Optimització per a producció a llarg termini

La transició cap a l'AHSS requereix una aproximació holística a l'eina. Ja no és suficient confiar en les opcions "segures" del passat. Els enginyers han de tractar el motlle com un sistema compost on el substrat proporciona la integritat estructural i el recobriment proporciona el rendiment tribològic. Aparellant la tenacitat de les metalls PM amb la resistència a l'abrasió dels recobriments moderns, els fabricants poden convertir el repte de l'estampació de materials d'alta resistència en una operació consistent i rendible. El cost inicial de materials premium gairebé sempre es recupera mitjançant una reducció de les aturades i taxes inferiors de rebuig.

Preguntes freqüents

1. Quin és el millor material per al motlle en l'estampació d'AHSS?

Per a la majoria d'aplicacions d'AHSS superiors a 590 MPa, els metalls per metallúrgia de pols (PM) com el Vanadis 4E, CPM 3V o graus similars són considerats la millor opció. A diferència del D2 convencional, els metalls PM tenen una microestructura fina i uniforme que proporciona la tenacitat necessària per resistir l'esquerdament mantenint una alta resistència a compressió.

2. Per què falla l'acer eina D2 amb AHSS?

El D2 falla principalment a causa de la seva microestructura, que conté grans "fileres de carburs". Quan es sotmet a les altes pressions de xoc i contacte del punxonatge d'AHSS, aquestes fileres actuen com a punts de concentració de tensió, provocant fissures i esquerdes. A més, al D2 li falta la tenacitat necessària per suportar les forces de ruptura generades per materials d'alta resistència.

3. Quina és la diferència entre els recobriments PVD i CVD per motlles de punxonatge?

La diferència principal és la temperatura d'aplicació. El PVD (Depòsit en Fase Vapor física) s'aplica a temperatures més baixes (~500°C), cosa que evita que l'acer eina s'endureixi o es deformi. El CVD (Depòsit en Fase Vapor química) i el TD (Difusió Tèrmica) s'apliquen a temperatures molt més elevades (~1000°C), cosa que crea un enllaç metal·lúrgic més fort i un recobriment més gruixut, però requereix tornar a endurir l'eina, amb el risc de distorsió dimensional.

4. Quan hauria d'utilitzar acer de Metallúrgia de Pols (PM) per al punxonatge?

Hauríeu de passar a l'acer PM sempre que estampigueu xapa metàl·lica amb una resistència a la tracció superior a 590 MPa, o per a produccions prolongades de materials de menor resistència on els costos de manteniment siguin un problema. L'acer PM també és essencial per a qualsevol aplicació que impliqui geometries complexes del motlle on el risc de fissuració sigui elevat.