RESUMO

Elixir os materiais axeitados para matrices no estampado de AHSS require un cambio fundamental respecto das estratexias convencionais de ferramentas. Para os aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) superiores a 590 MPa, o aco para ferramentas D2 estándar adoita fallar debido a unha tenacidade insuficiente e inconsistencias microestruturais como cordóns de carburo. O consenso na industria é pasar a Acos ferramenta de metalurxia en pó (como Vanadis 4E ou CPM 3V), que ofrecen unha estrutura de grao uniforme capaz de soportar choques de alto impacto sen esfarelarse.

Non obstante, o material do substrato é só metade da batalla. Para combater o desgaste abrasivo extremo e o agarrotamento típicos do AHSS, débese combinar o substrato PM axeitado cun revestimento superficial avanzado—normalmente PVD (Deposición de Vapor Física) para mantemento de precisión ou TD (Difusión Térmica) para lograr a dureza máxima da superficie. Unha estratexia de selección exitosa correlaciona directamente a resistencia á tracción do chapa metálica coa tenacidade do material da punzón e coa resistencia ao desgaste do revestimento.

O reto dos AHSS: Por que fallan os aceros para ferramentas convencionais

Estampar aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) introduce forzas exponencialmente superiores ás que se atopan no conformado de aceros suaves. Mentres que o acero suave poida requiren unha presión de contacto relativamente baixa, os graos de AHSS —en particular os aceros de Dúplex (DP) e os aceros Martensíticos (MS)—exercen unha inmensa tensión de compresión sobre a superficie do punzón. Isto leva a un endurecemento rápido por deformación do material da chapa durante o conformado, creando un escenario no que a peza estampada se volve case tan dura como a propia ferramenta.

O punto principal de fallo para os aceros convencionais para ferramentas de frío, como o AISI D2, é a súa microestrutura. Nos aceros tradicionais fundidos en lingote, os carburos forman redes grandes e irregulares coñecidas como "filamentos". Cando se someten ao choque por impacto elevado de corte de aceros de 980 MPa ou 1180 MPa, estes filamentos actúan como concentradores de tensión, provocando un afiado ou fisuración catastrófica afiado ou fisuración . Ao contrario que no punzonado de acero suave, onde o desgaste é progresivo, o fallo do AHSS adoita ser repentino e estrutural.

Ademais, a alta presión de contacto xera calor considerable, o que degrada os lubricantes estándar e provoca agarrotamento (desgaste adhesivo). Isto ocorre cando a chapa solda literalmente á superficie da ferramenta, arrincando pequenos fragmentos microscópicos da matriz. Perspectivas AHSS indica que, para graos con resistencias á tracción superiores a 980 MPa, o modo de fallo cambia do desgaste abrasivo simple a fallos complexos por fatiga, o que fai obsoleto o D2 estándar para producións de alta volume.

Clases de materiais centrais: D2 vs. PM vs. Carburo

A selección do material do troquelado é un equilibrio entre custo, tenacidade (resistencia ao ciscado) e resistencia ao desgaste. Para aplicacións de AHSS, a xerarquía é clara.

Acenos Convencionais para Ferramentas (D2, A2)

O D2 segue sendo o punto de referencia para embutición de aceros suaves debido ao seu baixo custo e resistencia ao desgaste aceptable. Non obstante, a súa estrutura de carburos groseira limita a súa tenacidade. Para aplicacións de AHSS, o D2 está xeralmente limitado a prototipos ou series pequenas de AHSS de calidade inferior (por debaixo de 590 MPa). Se se usa para graos superiores, require frecuentes mantementos e adoita sufrir roturas prematuras por fatiga.

Acos de metalurxia do pobo (PM)

Este é o estándar para a produción moderna de AHSS. Os aceros PM prodúcense atomizando metal fundido nun pobo fino, e logo aglomerándoo baixo alta temperatura e presión (Prensado Isostático en Quente). Este proceso crea unha microestrutura uniforme con carburos finos e ben distribuídos. Graos como Vanadis 4E , CPM 3V , ou K340 proporcionan a tenacidade de alto impacto necesaria para evitar o desprendemento de lascar mentres se mantén unha excelente resistencia á compresión. Un estudo citado por O Fabricante demostrou que, mentres que as matrices D2 poderían fallar despois de 5.000 ciclos nun brazo de control, as matrices de acero PM seguiñan funcionando correctamente máis aló dos 40.000 ciclos.

Carburo cementado

Para as aplicacións máis extremas, ou para insercións específicas como punzones e botóns de corte, o carburo metalizado ofrece unha mellor resistencia ao desgaste. Sen embargo, é extremadamente fráxil. Aínda que resiste mellor o desgaste abrasivo que calquera acero, tende a romperse baixo as cargas de choque típicas do atravesamento repentino de AHSS. É mellor reservalo para áreas de alto desgaste onde o choque está controlado ou para conformar materiais menos resistentes pero abrasivos.

O Papel Clave dos Revestimentos: PVD, CVD e TD

Dado que o AHSS é tan abrasivo, incluso o mellor acero PM acabará desgastándose. Os revestimentos son esenciais para proporcionar unha barrera dura e de baixa fricción que evite o agarrotamento.

Deposición física en fase vapor (PVD) é frecuentemente preferido para matrices de precisión porque se aplica a temperaturas máis baixas, conservando o tratamento térmico e a precisión dimensional do substrato. É ideal para bordes de corte onde é crítico manter a xeometría afiada.

Difusión Térmica (TD) crea unha capa de carburo de vanadio extremadamente dura (3000+ HV), convertendo en estándar ouro para resistir o agarrotamento en operacións pesadas de conformado. Sen embargo, dado que o proceso ten lugar a temperaturas de austenización, o acero da ferramenta actúa como fonte de carbono e debe ser retemprado. Isto pode levar a movementos dimensionais, facendo que TD sexa arriscado para componentes con tolerancias estreitas a menos que se manexe con coidado.

Marco de Selección: Adecuación do Material á Calidade de AHSS

A decisión sobre que material usar debe basearse na resistencia específica á tracción do chapa metálica. Cando aumenta a calidade do material, os requisitos para a ferramenta pasan dunha simple resistencia ao desgaste a unha maior tenacidade ao impacto.

• 590 MPa - 780 MPa: Pode usarse D2 convencional para volumes baixos, pero é máis seguro empregar un acero modificado para traballo en frío (como o 8% Cr) ou unha calidade básica de PM para longas duracións. Recoméndase un recubrimento PVD (como TiAlN ou CrN) para reducir a fricción.
• 980 MPa - 1180 MPa: Este é o punto crítico. O D2 é en gran medida inseguro. Debe usarse un acero PM resistente (por exemplo, Vanadis 4 Extra ou equivalente). Para seccións de conformado propensas ao agarrotamento, un recubrimento TD é moi eficaz. Para recortar bordes, un recubrimento PVD sobre un soporte PM axuda a manter o filo mentres resiste o esfarellamento.
• Por encima de 1180 MPa (martensítico/asentado en quente): Só deben usarse graos PM de máxima tenacidade ou aceros especiais matriciais de alta velocidade. A preparación da superficie é fundamental, e revestimentos Duplex (nitruración seguida de PVD) empréganse a miúdo para soportar as cargas superficiais extremas.

Tamén é fundamental recoñecer que a selección de materiais é só unha parte do ecosistema de produción. Para os fabricantes que pasan de prototipos á produción en masa, asociarse cun estampador que dispoña de equipos capaces de manexar estes materiais é vital. Empresas como Shaoyi Metal Technology utilizan prensas de alta tonelaxe (ata 600 toneladas) e procesos certificados IATF 16949 para salvar a brecha entre a especificación de materiais e a fabricación satisfactoria de pezas, asegurando que os materiais escollidos para as matrices funcionen como se pretende nas condicións de produción.

Boas Prácticas para o Tratamento Térmico e a Preparación Superficial

Incluso o acero PM máis caro cun recubrimento premium fallará se o substrato non está preparado correctamente. Un modo común de fallo é o "efecto casca de ovo", no que se aplica un recubrimento duro sobre un substrato blando. Baixo presión, o substrato cede, facendo que o recubrimento fráxil se rache e desprenda.

Para previr isto, o substrato debe ser tratado termicamente ata alcanzar unha dureza suficiente (normalmente 58-62 HRC para os aceros PM) para soportar o recubrimento. Triplo revenido é a miúdo necesario para converter a austenita retrasada e asegurar a estabilidade dimensional. Ademais, o acabado superficial antes do recubrimento é imprescindible. A superficie da ferramenta debe ser pulida ata unha rugosidade media (Ra) de, aproximadamente, 0,2 µm ou mellor. Calquera marca de rectificado ou raiño que quede na ferramenta convértese nun concentrador de tensións que pode orixenar fisuras ou comprometer a adherencia do recubrimento.

Finalmente, deben adaptarse as estrategias de mantemento. Non se pode simplemente retificar unha ferramenta recuberta para afilalas sen eliminar o recubrimento. Para ferramentas con recubrimento PVD, o recubrimento a miúdo debe ser eliminado quimicamente, a ferramenta afilada e pulida, e despois recuberta de novo para restaurar o seu rendemento completo. Este custe ao longo do ciclo de vida debe ser considerado na selección inicial do material da punceira.

Optimización para a produción a longo prazo

A transición cara aos AHSS require unha aproximación global ás ferramentas. Xa non é suficiente confiar nas eleccións "seguras" do pasado. Os enxeñeiros deben tratar o troquel como un sistema composto no que o substrato proporciona a integridade estrutural e o recubrimento proporciona o rendemento tribolóxico. Ao combinar a tenacidade dos aceros PM coa resistencia ao desgaste dos recubrimentos modernos, os fabricantes poden converter o reto de embutir materiais de alta resistencia nunha operación constante e rendible. O custo inicial dos materiais premium recupérase case sempre grazas ao menor tempo de inactividade e a taxas máis baixas de refugo.

Preguntas frecuentes

1. Cal é o mellor material para troqueis na embutición de AHSS?

Para a maioría das aplicacións AHSS por encima de 590 MPa, considéranse a mellor opción os aceros para ferramentas de Metalurxia de Polvos (PM) como o Vanadis 4E, CPM 3V ou graos similares. Á diferenza do D2 convencional, os aceros PM teñen unha microestrutura fina e uniforme que proporciona a tenacidade necesaria para resistir o esfarellamento mantendo unha alta resistencia á compresión.

2. Por que falla o acero ferramenta D2 co AHSS?

O D2 falla principalmente debido á súa microestrutura, que contén grandes "cordóns de carburos". Cando se somete a presións de choque e contacto elevadas do estampado de AHSS, estes cordóns actúan como puntos de concentración de tensión, provocando fisuración e descascarillado. O D2 tamén carece da tenacidade necesaria para soportar as forzas de atravesamento repentino xeradas por materiais de alta resistencia.

3. Cal é a diferenza entre os recubrimentos PVD e CVD para matrices de estampado?

A diferenza principal é a temperatura de aplicación. O PVD (Deposición Física en Vapor) aplícase a temperaturas máis baixas (~500 °C), o que evita que o acero ferramenta se ablande ou deforme. O CVD (Deposición Química en Vapor) e o TD (Difusión Térmica) aplícanse a temperaturas moito máis altas (~1000 °C), o que crea unha unión metalúrxica máis forte e un recubrimento máis grosiño, pero require que a ferramenta sexa reendurecida, o que supón un risco de deformación dimensional.

4. Cando debo empregar acero de metalurxia de pó (PM) para o estampado?

Deberías cambiar ao acero PM sempre que esteas punzando chapa metálica cunha resistencia á tracción superior a 590 MPa, ou para producións prolongadas de materiais de menor resistencia onde os custos de mantemento sexan unha preocupación. O acero PM tamén é esencial para calquera aplicación que implique xeometrías de troquel complexas onde o risco de fisuración sexa alto.