TL;DR

Oikean muovimateriaalin valinta AHSS-värimallaukseen edellyttää perustavanlaatuista siirtymää perinteisistä työkalustrategioista. Edistyneille korkean lujuuden teräksille (AHSS), joiden vetolujuus ylittää 590 MPa, standardi D2-työkaluteräs usein pettää riittämättömän sitkeyden ja mikrorakenteellisten epäjohdonmukaisuuksien, kuten karbidijuostereiden, vuoksi. Teollisuuden yleinen konsensus on päivittää Jauhemetallurgiasta valmistetut työkaluteräkset (kuten Vanadis 4E tai CPM 3V), jotka tarjoavat yhtenäisen rakeen rakenteen, joka kestää suuria iskukuormia säröilemättä.

Kuitenkin substraattimateriaali on vain puolet taistelusta. Torjumiseksi erittäin kovaan kulumiseen ja kiiltoon, joihin AHSS on altis, on oikea PM-substraatti yhdistettävä edistyneeseen pintapäällysteeseen—tyypillisesti PVD (Physical Vapor Deposition) tarkkaa huoltoa varten TD (lämpödiffuusio) suurimman pinnan kovuuden saavuttamiseksi. Onnistunut valintastrategia kytkeyttää levyn vetolujuus suoraan vaivutuksen kestävyyteen ja pinnoitteen kulumiskestävyyteen.

AHSS-haaste: Miksi perinteiset teräslajit epäonnistuvat

Edistyneiden korkealujuusterästen (AHSS) vaivutus aiheuttaa merkittävästi suurempia voimia kuin matalalujuusterästen muotoilu. Vaikka matalalujuusteräs saattaa vaatia suhteellisen alhaisen kosketuspaineen, AHSS-laatujen – erityisesti Dual Phase (DP) ja martensiittisten (MS) terästen – aiheuttama puristusjännite vaivutuksen pinnalle on valtava. Tämä johtaa levymateriaalin nopeaan kovettumiseen muotoilun aikana, luoden tilanteen, jossa vaivutettu osa on melkein yhtä kova kuin työkalu itse.

Perinteisten kylmätyöterästen, kuten AISI D2:n, keskeinen heikkous on niiden mikrorakenne. Perinteisissa harkkuvalluissa teräksissä karbidit muodostavat suuria, epäsäännöllisiä verkkoja, joita kutsutaan "stringereiksi". Kun näihin kohdistuu suuri iskukuorma, kun leikataan 980 MPa:n tai 1180 MPa:n terästä, nämä stringerit toimivat jännitekeskittymiä, johtaen katastrofaaliseen halkeilu tai halkeilu toisin kuin kohtalaisen teräksen vaivannossa, jossa kulumo on hitaista, AHSS:n rikkoutuminen on usein äkillistä ja rakenteellista.

Lisäksi suuri kosketuspaine synnyttää merkittävää lämpöä, joka heikentää tavallisia voiteluaineita ja johtaa naarmuuntumisesta (adhesiiviseen kulumoon). Tässä levyteräs hitsautuu käytännössä työkalupintaan, repien pois mikroskooppisen pieniä palasia muotista. AHSS-tiedot huomaa, että lujuudeltaan yli 980 MPa:n luokissa vauriomuoto siirtyy yksinkertaisesta abraasioisesta kulumisesta monimutkaisiin väsymisvaurioihin, mikä tekee D2:sta vanhentuneen suurten sarjojen käytössä.

Ydinteräsluokat: D2 vs. PM vs. Karbidit

Työkalun materiaalin valinta on kompromissi kustannusten, sitkeyden (säröytymisvastuksen) ja kulumisvastuksen välillä. AHSS-sovelluksissa prioriteettijärjestys on selkeä.

Perinteiset työteräkset (D2, A2)

D2 pysyy perustasona muiden terästen stampaamisessa sen alhaisen hinnan ja kohtalaisen kulumisvastuksen vuoksi. Sen karkea karbidirakenne rajoittaa kuitenkin sen sitkeyttä. AHSS-sovelluksissa D2:ta käytetään yleensä vain prototyppien tai alhaisemman luokan AHSS:n (alle 590 MPa) pienoisjulisteissa. Jos sitä käytetään korkeammissa luokissa, se vaatii usein huoltoa ja kärsii usein ennenaikaisesta väsymisesta.

Jauhetehosteiset teräkset (PM)

Tämä on nykyaikaisen AHSS-tuotannon standardi. PM-teräkset valmistetaan atomisoimalla sulanut metalli hienoksi jauheeksi, jonka jälkeen se sidotaan korkeassa lämmössä ja paineessa (lämpöisostaattinen puristus). Tämä prosessi luo yhtenäisen mikrorakenteen, jossa on hienoja, tasaisesti jakautuneita karbideja. Tällaisia laatuja ovat Vanadis 4E , CPM 3V , tai K340 tarjoavat suuren iskunkestävyyden, joka tarvitaan lohkeamisen estämiseksi samalla kun säilytetään erinomainen puristuslujuus. Tutkimus, johon viitataan Valmistaja osoitti, että vaikka D2-teräksisistä työkaluista saattaa tulla rikki 5 000 syklin jälkeen ohjaustangon osassa, PM-teräksiset työkalut toimivat moitteettomasti yli 40 000 sykliä.

Liimattu karbidi

Erittäin vaativiin sovelluksiin tai tiettyihin insertteihin, kuten nuihin ja kuviin, sementoitu karbidi tarjoaa parhaan kulumiskestävyyden. Se on kuitenkin erittäin haurasta. Vaikka se kestää hankausta paremmin kuin mikä tahansa teräs, se on altis rikkoutumiselle AHSS:n tyypillisten iskukuormien vaikutuksesta. Sitä tulisi käyttää lähinnä kohdissa, joissa kulumista esiintyy paljon ja iskut on hallittu, tai muovaamiseen matalalujuksisista mutta kulumista aiheuttavista materiaaleista.

Pinnoitteiden keskeinen rooli: PVD, CVD ja TD

Koska AHSS on niin hankalaa, jopa paras PM-teräs kuluttaa ajan mittaan. Pinnoitteet ovat välttämättömiä luodakseen kovan, alhaisen kitkan esteen, joka estää tarttumisen.

Höyrytyksellä tehty pinnoitus (PVD) on usein suositeltava vaihtoehto tarkkuustyökaluihin, koska sitä sovelletaan alhaisemmalla lämpötilalla, mikä säilyttää pohjamateriaalin karkaisun ja mittojen tarkkuuden. Se on ideaali leikkausreunoille, joissa geometrian terävyys on kriittistä.

Termal Diffuusio (TD) luo vanadiumkarbidikerroksen, joka on erittäin kova (3000+ HV), tehdessä siitä kullankestävyyden kultastandardin raskaisiin muovaussovelluksiin. Kuitenkin, koska prosessi tapahtuu austeniittisessa lämpötilassa, työkaluteräs toimii hiililähteenä ja sen on oltava uudelleen kovautettu. Tämä voi johtaa mittojen muutoksiin, mikä tekee TD:stä riskin tarkkuuskomponenteille, ellei sitä hallita huolellisesti.

Valintakehys: Materiaalin yhdistäminen AHSS-luokkaan

Käytettävän materiaalin valinta tulisi perustua levymetallin ominaiseen vetolujuuteen. Kun materiaaliluokka nousee, työkalujen vaatimukset siirtyvät yksinkertaisesta kulumiskestävyydestä iskunkestävyyteen.

• 590 MPa - 780 MPa: Perinteistä D2-terästä voidaan käyttää pienemmissä volyymeissä, mutta pitkille tuotantosarjoille turvallisempi vaihtoehto on muokattu kylmätyöteräs (esim. 8 % Cr) tai perusluokan PM-teräs. PVD-pinnoite (kuten TiAlN tai CrN) suositellaan kitkan vähentämiseksi.
• 980 MPa - 1180 MPa: Tässä kohtaa tilanne kääntyy. D2-teräs ei ole enää riittävän turvallinen. On käytettävä kestävää PM-terästä (esim. Vanadis 4 Extra tai vastaavaa). Muovausosissa, joissa on taipumus sileikkymiseen, TD-pinnoite on erittäin tehokas. Leikkausreunoissa PVD-pinnoite PM-alustalla auttaa säilyttämään terävyyden samalla kun se kestää sirpiloitumista.
• Yli 1180 MPa (martensiittinen/kuumamuovattu): Vain korkeimman iskunkestävyyden omaavia PM-laatuja tai erikoisia matriksikorkean nopeuden teräksiä tulisi käyttää. Pinnan esikäsittely on kriittisen tärkeää, ja duplex-pinnosteet (nitridointi, jota seuraa PVD) käytetään usein tukeutumaan äärimmäisiin pintakuormiin.

On myös tärkeää ymmärtää, että materiaalivalinta on vain yksi osa tuotantoympäristöä. Valmistajille, jotka siirtyvät prototypoinnista massatuotantoon, on elintärkeää tehdä yhteistyötä sellaisen leikkaajan kanssa, jolla on tarvittavat laitteet näiden materiaalien käsittelyyn. Yritykset kuten Shaoyi Metal Technology käyttävät suuritehoisia puristimia (jopa 600 tonniin asti) ja IATF 16949 -sidosryhmävarmennettuja prosesseja sulkeakseen aukon materiaalimääritysten ja onnistuneen osien valmistuksen välillä, varmistaen että valitut muovausmateriaalit toimivat suunnitellusti tuotanto-olosuhteissa.

Parhaat käytännöt lämpökäsittelyssä ja pinnoituksen esikäsittelyssä

Vaikka käytettäisiin kalliinta PM-terästä ja premium-pinnoitetta, se epäonnistuu, jos alusta ei ole oikein valmisteltu. Yleinen vauriomuoto on "kananmunavaikutelma", jossa kova pinnoite sovelletaan pehmeälle alustalle. Paineen alla alusta myötää, jolloin hauras pinnoite halkeilee ja irtoaa.

Estääkseen tämän, substraatin on oltava lämpökäsitelty riittävän kovaksi (tyypillisesti 58-62 HRC PM-teräksille) tukemaan päällystettä. Triple tempering usein vaaditaan jäätyneen austeniitin muuntamiseksi ja mitallisen vakauden varmistamiseksi. Lisäksi pinnoitteen ennen pinnan viimeistely on ehdoton. Työkalun pinnan on oltava hiottu karkeuskeskiarvoon (Ra) noin 0,2 µm tai parempaan. Kaikki työkalulle jääneet hiontajäljet tai naarmut toimivat jännityskeskittymiin, jotka voivat aiheuttaa halkeamista tai heikentää pinnoitteen adheesiota.

Lopuksi huoltotaktikoiden on oltava sopeutettava. Et voi yksinkertaisesti hioa pinnoitettua työkalua terävöittääksesi sitä poistamatta pinnoitetta. PVD-pinnoitetuille työkaluille pinnoite usein on poistettava kemiallisesti, työkalu terävöityvä ja hiottava, ja sen jälkeen se on pinnoitettava uudelleen palauttaakseen täyden suorituskyvyn. Tämän elinkaaren kustannukset on otettava huomioon alussa valittaessa muottimateriaalia.

Optimointi pitkäaikaiseen tuotantoon

Siirtyminen AHSS-materiaaleihin edellyttää koko prosessia koskevaa lähestymistapaa työkaluissa. Menneisyyden "varmoista" valinnoista ei enää ole riittävästi hyötyä. Insinöörien on kohdeltava muottia yhdistelmäjärjestelmänä, jossa pohjamateriaali tarjoaa rakenteellisen lujuuden ja pinnoite taas tribologisen suorituskyvyn. Yhdistämällä PM-terästen sitkeyden nykyaikaisten pinnoitteiden kulumiskestävyyteen valmistajat voivat muuttaa korkealujuisten materiaalien syvävetokäsittelyn haasteen tasaiseksi ja kannattavaksi toiminnoksi. Korkealaatuisten materiaalien alkuinvestointi palautuu lähes aina vähentyneen käyttökatkon ja matalampien hylkäysmäärien kautta.

Usein kysytyt kysymykset

1. Mikä on paras muottimateriaali AHSS-syvävedossa?

Useimmille AHSS-sovelluksille, joissa lujuus on yli 590 MPa, jauhemetallurgisesta valmistetuilla (PM) työkaluteräksillä, kuten Vanadis 4E, CPM 3V tai vastaavilla arvoilla, pidetään parhaana vaihtoehtona. Toisin kuin perinteinen D2-teräs, PM-teräkset omaavat hienon ja yhtenäisen mikrorakenteen, joka tarjoaa tarvittavan sitkeyden lohkeamisen estämiseksi samalla kun säilytetään korkea puristuslujuus.

2. Miksi D2-työkaluteräs epäonnistuu AHSS:n kanssa?

D2 epäonnistuu ensisijaisesti sen mikrorakenteen vuoksi, joka sisältää suuria "karbidijuovia". Kun niitä käytetään AHSS:n muovauksessa korkeissa iskussa ja kosketuspaineissa, nämä juovat toimivat jännityskeskittymiä, joista seuraa halkeilua ja lohoutumista. D2:lla puuttuu myös tarvittava sitkeys kohdatakseen korkean lujuuden materiaalien aiheuttamat katkeamisvoimat.

3. Mikä on ero PVD- ja CVD-pinnoitteiden välillä muovauskuuressa?

Pääero on soveltamislämpötila. PVD (Physical Vapor Deposition) sovelletaan matalammassa lämpötilassa (~500 °C), mikä estää työkaluteräksen pehmenevän tai vääristymästä. CVD (Chemical Vapor Deposition) ja TD (Thermal Diffusion) sovelletaan paljon korkeammassa lämpötilassa (~1000 °C), mikä luo vahvemman metallisen sidoksen ja paksumman pinnoitteen, mutta vaatii työkalun uudelleenkarkaamisen, mikä aiheuttaa riskin mittojen vääristymiselle.

4. Milloin tulisi käyttää jauhemetallurgiasta (PM) terästä muovaamiseen?

Sinun tulisi vaihtaa PM-teräkseen aina kun leikkautat levyä, jonka vetolujuus on yli 590 MPa, tai pitkässä tuotannossa heikommista materiaaleista, jolloin huoltokustannukset ovat huolta. PM-teräs on myös välttämätön kaikissa sovelluksissa, joissa muottigeometriat ovat monimutkaisia ja murtumariski on korkea.