TL;DR

A megfelelő sabanyag kiválasztása az AHSS kihúzáshoz alapvető változást igényel a hagyományos szerszámozási stratégiáktól. Az 590 MPa feletti szilárdságú speciális nagy szilárdságú acélok (AHSS) esetén a szabványos D2 szerszámacél gyakran nem elegendő a megfelelő ütésállóság és a karbid szálakhoz hasonló mikroszerkezeti inkonzisztenciák miatt. Az ipar széleskörűen elfogadott álláspontja, hogy át kell térni Poralvasztással előállított szerszámacélok (például Vanadis 4E vagy CPM 3V), amelyek egységes szemcseszerkezettel rendelkeznek, így képesek magas ütésigénybevételt elviselni repedés nélkül.

Az alapanyag azonban csak a felének számít. Az AHSS jellemző extrém abrasív kopás és ragadás leküzdéséhez az optimális PM alapanyagot speciális felületi bevonattal kell kombinálni – általában PVD (Fizikai Gőzleválasztás) pontos karbantartás céljából TD (hődifúzió) a felszíni keménység maximális szintjéhez. A sikeres kiválasztási stratégia közvetlenül a lemezvonó erősségét az anyag rugalmasságával és a bevonat kopásálló képességével korrelálja.

A AHSS kihívása: Miért buknak meg a hagyományos szerszámcsalak

A fejlett nagyszilárdságú acél (AHSS) nyomtatása exponenciálisan magasabb erőket vezet be, mint a enyhe acél formálásában. Míg a enyhe acél viszonylag alacsony érintkezési nyomást igényelhet, az AHSS-minőségek, különösen a duplafázisú (DP) és a martensitikus (MS) acélok óriási tömörítőfeszültséget gyakorolnak a formázó felületén. Ez a formálás során a lapanyag gyors keményedéséhez vezet, ami olyan forgatókönyvet teremt, amelyben a nyomtatott alkatrész majdnem olyan kemény lesz, mint maga az eszköz.

A hagyományos hidegmunka szerszámacélok, mint például az AISI D2 esetében a mikroszerkezet jelenti az elsődleges gyenge pontot. A hagyományos öntvény acélokban a karbidok nagy, szabálytalan hálózatokká, úgynevezett "csíkokká" alakulnak. Amikor ezek nagy ütési terhelésnek vannak kitéve, például amikor 980 MPa vagy 1180 MPa szilárdságú acélt törnek el, a csíkok feszültségkoncentrátorként működnek, ami katasztrofális forgácsolás vagy repedés . Ellentétben az enyhén acélból készült sajtolással, ahol a kopás fokozatos, az AHSS anyagoknál a meghibásodás gyakran hirtelen és szerkezeti jellegű.

Továbbá a nagy felületi nyomás jelentős hőt generál, amely lerontja a szokványos kenőanyagokat, és ragadásnak (tapadási kopáshoz) vezet. Ekkor a lemez anyaga szó szerint rászegeződik a szerszám felületére, apró darabokat tépve ki az állítóból. AHSS Insights megjegyzi, hogy 980 MPa feletti húzószilárdságú anyagminőségeknél a meghibásodás módja a egyszerű abrazív kopástól a komplex fáradási törésekig változik, így a szabványos D2 anyagot magas sorozatszámú gyártásra alkalmatlanná teszi.

Alapanyag típusok: D2 vs. PM vs. Karbid

Az állványanyag kiválasztása költség, szívósság (repedésállóság) és kopásállóság közötti kompromisszumot jelent. AHSS alkalmazások esetén a hierarchia egyértelmű.

Hagyományos szerszámacélok (D2, A2)

A D2 marad a mérsékelt szilárdságú acélok bélyegzésének alapvonala alacsony költsége és elfogadható kopásállósága miatt. Azonban durva karbid szerkezete korlátozza szívósságát. AHSS alkalmazások esetén a D2-t általában prototípuskészítésre vagy alacsonyabb fokozatú AHSS (590 MPa alatt) alacsony mennyiségű gyártására korlátozzák. Ha magasabb fokozatokhoz használják, gyakori karbantartást igényel, és gyakran korai fáradási meghibásodás lép fel.

Porometallurgiai (PM) Acélok

Ez a modern AHSS-termelés szabványa. A PM acélokat úgy állítják elő, hogy az olvadt fémet finom porrá porlasztják, majd forró izosztatikus sajtolással nagy hőmérsékleten és nyomáson összekötik. Ez az eljárás egyenletes mikroszerkezetet hoz létre finom, egyenletesen elosztott karbidokkal. Olyan márkák, mint a Vanadis 4E , CPM 3V , vagy K340 biztosítja a nagy ütésálló szívósságot, amely megakadályozza a repedést, miközben kiváló nyomószilárdságot tart fenn. Egy által idézett tanulmány A gyártó kimutatta, hogy míg a D2-es készülékek akár 5000 ciklus után is meghibásodhatnak egy lengőkar alkatrésznél, a PM-acélból készült készülékek jól működtek 40 000 cikluson túl is.

Cementált karbíd

A legextrémebb alkalmazásokhoz, vagy olyan speciális betétekhez, mint az üregek és kivágóbetétek, a keményfém kiválóbb kopásállóságot nyújt. Ugyanakkor rendkívül rideg. Bár ellenállása az abrazív kopásnak minden acélnál jobb, az AHSS törésáthajtásánál jellemző ütés terhelések hatására darabokra törhet. Legjobb, ha olyan magas kopásnak kitett területekre tartogatják, ahol az ütés terhelése kezelt, vagy olyan alacsony húzószilárdságú, de abrazív anyagok alakításához használják.

A bevonatok kritikus szerepe: PVD, CVD és TD

Mivel az AHSS annyira abrazív, még a legjobb PM-acél is végül elhasználódik. A bevonatok elengedhetetlenek, hogy kemény, alacsony súrlódású gátat biztosítsanak a ragadás megelőzésére.

Fizikai gőzülepítés (PVD) gyakran előnyben részesítik az olyan precíziós sablonoknál, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten történő alkalmazást igényelnek, így megőrizve az alapanyag hőkezelését és méretpontosságát. Ideális olyan vágóéleknél, ahol a geometria élességének megtartása kritikus.

Termikus diffúzió (TD) rendkívül kemény (3000+ HV) vanádium-karbid réteget hoz létre, amely arany standard a ragadás elleni védelemhez nehéz alakító műveletek során. Mivel az eljárás az ausztenitizálási hőmérsékleten zajlik, az esztergács acél szolgál széndioxid-forrásként, és újrahőkezelésre van szükség. Ez méretbeli elmozduláshoz vezethet, ezért a TD kockázatos lehet szoros tűrésekkel rendelkező alkatrészeknél, hacsak nem kezelik körültekintően.

Szelekciós keretrendszer: Anyaghoz illesztés AHSS fokozathoz

Az anyag kiválasztásának döntése a lemez acél specifikus húzószerelesség alapján történjen. Ahogy az anyagfokozat növekszik, a szerszámmal szal szembeni igény egy egyszerű kopásállóságból ütésállóvá válik.

• 590 MPa - 780 MPa: Hagyományos D2 acél használható alacsonyabb darabszámoknál, de hosszabb futások esetén biztonságosabb módosított hidegmunkaacél (pl. 8% Cr) vagy alapvető PM fokozat használata. PVD bevonat (pl. TiAlN vagy CrN) ajánlott a súrlódás csökkentésére.
• 980 MPa - 1180 MPa: Ez a döntő pont. A D2 túlnyomórészt nem biztonságos. Erősen tartós PM acél használata szükséges (pl. Vanadis 4 Extra vagy egyenértékű). Olyan alakítási szekcióknál, melyek ragadásra hajlamosak, a TD bevonat rendkívül hatékony. Vágóélek esetén a PM alaphoz PVD bevonat segíti az él megtartását, miközben ellenáll a töredezésnek.
• 1180 MPa felett (Martensites/Melegen hengerelt): Kizárólag a legmagasabb szintű tartós PM fokozatok vagy speciális mátrix gyorsacélok használhatók. A felület előkészítése kritikus, és duplex bevonat (nitridálás, majd PVD) gyakran alkalmazzák a szélsőséges felületi terhelések támogatására.

Fontos továbbá felismerni, hogy az anyagválasztás csupán a termelési ökoszisztéma egyik eleme. Azok számára a gyártók számára, akik prototípusról tömeggyártásra váltanak, elengedhetetlen olyan sajtoló partner kiválasztása, amely rendelkezik a megfelelő felszereléssel ezeknek az anyagoknak a feldolgozásához. Olyan vállalatok, mint a Shaoyi Metal Technology nagy tonnású sajtókat (akár 600 tonnásig) és IATF 16949 tanúsítvánnyal rendelkező folyamatokat használnak az anyagjellemzők és a sikeres alkatrészgyártás közötti rés áthidalására, biztosítva, hogy a kiválasztott sabancsúnya-anyagok a termelési körülmények között a tervezett módon működjenek.

Ajánlott eljárások hőkezeléshez és felület-előkészítéshez

Még a legdrágább PM-acél is meghibásodik prémium bevonattal, ha az alapanyag nincs megfelelően előkészítve. Gyakori hibamód az „tojáshéj-hatás”, amikor kemény bevonatot visznek fel puha alapanyagra. Nyomás hatására az alapanyag alakváltozást szenved, ami miatt a rideg bevonat megreped és lepattogzik.

Ennek megelőzéséhez az alapanyagot elegendő keménységig kell hőkezelni (általában 58-62 HRC PM-acélok esetén), hogy megtartsa a bevonatot. Háromszori hőkivonás gyakran szükséges a maradék ausztenit átalakításához és a méretstabilitás biztosításához. Továbbá, a bevonat felvitelét megelőző felületminőség kompromisszumok nélkül szükséges. Az eszköz felületét olyan felületi érdességig kell csiszolni, amelynek átlagos érdessége (Ra) körülbelül 0,2 µm vagy annál jobb. A szerszámon maradt csiszolási nyomok vagy karcolások feszültségfókuszálóhelyekké válnak, amelyek repedéseket indíthatnak el vagy csökkenthetik a bevonat tapadását.

Végül, a karbantartási stratégiákat is alkalmazkodni kell. Nem lehet egyszerűen csiszolni egy bevonatos szerszámot élezés céljából anélkül, hogy eltávolítaná a bevonatot. PVD-bevonatos szerszámok esetén a bevonatot gyakran vegyi úton kell eltávolítani, azután az eszközt élezni és csiszolni, majd újra kell vonni, hogy teljes teljesítményt állítsanak vissza. Ezt az élettartam alatti költséget figyelembe kell venni a kiindulási sabooanyag kiválasztásánál.

Hosszú távú termelésre optimalizálás

A AHSS-re való átállás holisztikus megközelítést igényel az eszközkészítéshez. Már nem elég a múlt "biztonságos" választásaira támaszkodni. A mérnököknek a lemezeket olyan összetett rendszerként kell kezelniük, ahol a szubsztrát biztosítja a szerkezeti integritást, a bevonat pedig a tribológiai teljesítményt. A PM acélok merevségének és a modern bevonatok kopásálló képességének összeegyeztetésével a gyártók a nagy szilárdságú anyagok nyomtatásának kihívását következetes, jövedelmező működéssé változtathatják. A prémium minőségű anyagok előzetes költségeit szinte mindig a csökkentett leállási idő és a kisebb romok arány révén fedezik.

Gyakran Ismételt Kérdések

1. A Melyik a legjobb matricák AHSS nyomtatáshoz?

A legtöbb AHSS alkalmazás esetében, amelyek 590 MPa-nál magasabbak, a legjobb választás a porfémészet (PM) szerszámfémek, mint a Vanadis 4E, a CPM 3V vagy hasonló minőségűek. A hagyományos D2-szilárdságú acéloktól eltérően a PM-szilárdságú acélok finom, egyenletes mikroszerkezetűek, amelyek a szükséges merevséget biztosítják a törés ellen, miközben fenntartják a magas tömörítőszilárdságot.

2. Miért hibásodik meg a D2-es szerszámacél az AHSS-nál?

A D2 elsősorban a mikroszerkezete miatt hibásodik meg, amely nagy "karbid szálakat" tartalmaz. Amikor az AHSS lemezek alakítása során fellépő magas ütő- és kontakt nyomásnak van kitéve, ezek a szálak feszültségkoncentrációs pontokká válnak, amelyek repedéshez és hasadáshoz vezetnek. A D2 továbbá nem rendelkezik azon szükséges szívóssággal sem, amely képes lenne elviselni a nagy szilárdságú anyagok által generált áttörési erőket.

3. Mi a különbség a PVD és a CVD bevonatok között kihúzó szerszámoknál?

A fő különbség az alkalmazási hőmérséklet. A PVD (Fizikai Gőzülepítés) alacsonyabb hőmérsékleten (~500°C) kerül felvitelre, amely megakadályozza a szerszámacél puhulását vagy torzulását. A CVD (Kémiai Gőzülepítés) és a TD (Termikus Difúzió) lényegesen magasabb hőmérsékleten (~1000°C) történik, ami erősebb fémkötést és vastagabb bevonatot eredményez, de a szerszám újra kell keményíteni, ami mérettorzulás kockázatával jár.

4. Mikor kell használni Porometallurgiás (PM) acélt kihúzásnál?

PM acélra akkor kell áttérnie, ha 590 MPa feletti szakítószilárdságú lemezanyagot alakít, vagy ha alacsonyabb szilárdságú anyagok hosszú futású gyártása történik, és a karbantartási költségek aggodalomra adnak okot. PM acél elengedhetetlen bármely olyan alkalmazásnál is, amely összetett sablon geometriával rendelkezik, és ahol magas a repedés kockázata.