TL;DR

La scelta del materiale corretto per gli stampi nello stampaggio AHSS richiede un cambiamento fondamentale rispetto alle strategie convenzionali per utensili. Per gli acciai ad alta resistenza (AHSS) superiori a 590 MPa, l'acciaio per utensili D2 standard spesso non è adeguato a causa di una tenacità insufficiente e di incoerenze microstrutturali come i carburi allineati. Il consenso dell'industria è quello di passare ad Acciai da utensile da metallurgia delle polveri (PM) (ad esempio Vanadis 4E o CPM 3V), che offrono una struttura granulare uniforme in grado di sopportare elevate sollecitazioni d'urto senza scheggiature.

Tuttavia, il materiale del substrato rappresenta solo metà della sfida. Per contrastare l'usura abrasiva estrema e il grippaggio tipici degli AHSS, è necessario abbinare il substrato PM corretto a un rivestimento superficiale avanzato, tipicamente PVD (Deposizione Fisica da Vapore) per la manutenzione di precisione o TD (Thermal Diffusion) per massima durezza della superficie. Una strategia di selezione efficace correla direttamente la resistenza a trazione della lamiera alla tenacità del materiale della stampa e alla resistenza all'usura del rivestimento.

La sfida dell'AHSS: perché gli acciai per utensili convenionali non sono adeguati

La stampaggio dell'Acciaio Alto-Resistenza (AHSS) introduce forze esponenzialmente superiori rispetto a quelle riscontrate nella formatura dell'acciaio dolce. Mentre l'acciaio dolce potrebbe richiedere una pressione di contatto relativamente bassa, le qualità di acciaio AHSS—in particolare gli acciai Dual Phase (DP) e Martensitici (MS)—esercitano elevate sollecitazioni di compressione sulla superficie della stampa. Ciò provoca un rapido indurimento per deformazione del materiale della lamiera durante la formatura, creando uno scenario in cui il pezzo stampato diventa quasi altrettanto duro quanto l'utensile stesso.

Il punto principale di cedimento per gli acciai convenzali per utensili a freddo, come l'AISI D2, è la loro microstruttura. Negli acciai tradizionali ottenuti per colata in lingottiera, i carburi formano ampie reti irregolari note come "stringhe". Quando sottoposti all'elevato impatto di taglio su acciai da 980 MPa o 1180 MPa, queste stringhe agiscono da concentratori di tensione, causando cedimenti catastrofici scheggiature o crepe . A differenza della stampaggio in acciaio dolce, in cui l'usura è graduale, il cedimento dell'acciaio AHSS è spesso improvviso e strutturale.

Inoltre, l'elevata pressione di contatto genera calore significativo, che degrada i lubrificanti standard e porta a grippaggio usura adesiva (usura adesiva). In questo caso, la lamiera si salda letteralmente alla superficie dell'utensile, strappando via minuscoli frammenti della foggia. Approfondimenti AHSS indica che per gradi con resistenze a trazione superiori a 980 MPa, la modalità di cedimento passa da un semplice usura abrasiva a cedimenti complessi per fatica, rendendo obsoleto l'uso dello standard D2 per produzioni ad alto volume.

Classi del materiale di base: D2 vs. PM vs. Carburo

La selezione del materiale della punzonatrice rappresenta un compromesso tra costo, tenacità (resistenza alla scheggiatura) e resistenza all'usura. Per le applicazioni AHSS, la gerarchia è ben definita.

Acciai da utensile convenzionali (D2, A2)

D2 rimane il riferimento per la stampaggio di acciai dolci grazie al suo basso costo e alla discreta resistenza all'usura. Tuttavia, la sua struttura carburo grossolana ne limita la tenacità. Per applicazioni AHSS, D2 è generalmente limitato a prototipazione o produzioni in piccoli volumi di AHSS di grado inferiore (inferiori a 590 MPa). Se utilizzato per gradi più elevati, richiede una manutenzione frequente e spesso subisce rotture precoci per fatica.

Acciai da metallurgia delle polveri (PM)

Questo è lo standard per la produzione moderna di AHSS. Gli acciai PM sono prodotti atomizzando metallo fuso in una polvere fine, quindi compattandolo ad alta temperatura e pressione (pressione isostatica a caldo). Questo processo crea una microstruttura uniforme con carburi fini ed equamente distribuiti. Gradi come Vanadis 4E , CPM 3V , o K340 forniscono l'elevata tenacità all'impatto necessaria per prevenire scheggiature, mantenendo un'eccellente resistenza alla compressione. Uno studio citato da Il Produttore ha dimostrato che mentre gli stampi in acciaio D2 potrebbero rompersi dopo 5.000 cicli su un componente come un braccio di controllo, gli stampi in acciaio PM continuano a funzionare bene oltre i 40.000 cicli.

Carbonio tungsteno

Per le applicazioni più estreme, o per inserti specifici come punzoni e bottoni dello stampo, il metallo duro cementato offre una superiore resistenza all'usura. Tuttavia, è estremamente fragile. Sebbene resista all'usura abrasiva meglio di qualsiasi acciaio, è soggetto a frantumarsi sotto i carichi d'urto tipici del snap-through degli AHSS. È preferibile utilizzarlo in aree ad alto usura dove l'urto è controllato o per la formatura di materiali con bassa resistenza a trazione ma abrasivi.

Il ruolo fondamentale dei rivestimenti: PVD, CVD e TD

Poiché gli AHSS sono molto abrasivi, anche il miglior acciaio PM si logorerà inevitabilmente. I rivestimenti sono essenziali per fornire una barriera dura e a basso attrito che previene il grippaggio.

Deposizione fisica da vapore (PVD) è spesso preferito per gli stampi di precisione perché viene applicato a temperature più basse, preservando il trattamento termico del substrato e la precisione dimensionale. È ideale per i taglienti dove è fondamentale mantenere una geometria affilata.

Diffusione Termica (TD) crea uno strato di carburo di vanadio estremamente duro (3000+ HV), rendendolo lo standard di riferimento per la resistenza allo strisciamento nelle operazioni di formatura pesante. Tuttavia, poiché il processo avviene a temperature di austenitizzazione, l'acciaio per utensili funge da fonte di carbonio e deve essere ri-temprato. Ciò può provocare spostamenti dimensionali, rendendo il processo TD rischioso per componenti con tolleranze strette, a meno che non sia gestito con attenzione.

Quadro di Selezione: Abbinamento del Materiale al Grado di AHSS

La scelta del materiale da utilizzare deve basarsi sulla specifica resistenza a trazione della lamiera. Con l'aumentare del grado del materiale, le esigenze sulle attrezzature passano dalla semplice resistenza all'usura alla tenacità agli urti.

• 590 MPa - 780 MPa: Per volumi ridotti è possibile utilizzare un D2 convenzionale, ma per cicli prolungati è più sicuro adottare un acciaio legato al freddo modificato (ad esempio con 8% Cr) o un acciaio base PM basilare. Si raccomanda un rivestimento PVD (come TiAlN o CrN) per ridurre l'attrito.
• 980 MPa - 1180 MPa: Questo è il punto critico. L'uso del D2 è in gran parte sconsigliato. È necessario utilizzare un acciaio PM tenace (ad esempio Vanadis 4 Extra o equivalente). Per le operazioni di formatura soggette a grippaggio, un rivestimento TD è particolarmente efficace. Per il taglio dei bordi, un rivestimento PVD su substrato PM aiuta a mantenere il filo resistendo al scheggiamento.
• Oltre 1180 MPa (Martensitico/Stampato a Caldo): Devono essere utilizzati esclusivamente acciai PM con la massima tenacità o acciai speciali matriciali ad alta velocità. La preparazione superficiale è fondamentale, e rivestimenti duplex (nitrurazione seguita da PVD) sono spesso utilizzate per supportare i carichi superficiali estremi.

È inoltre fondamentale riconoscere che la selezione del materiale rappresenta solo una parte dell'ecosistema produttivo. Per i produttori che passano dal prototipo alla produzione di massa, è essenziale collaborare con uno stampatore dotato di attrezzature in grado di gestire questi materiali. Aziende come Shaoyi Metal Technology utilizzano presse ad alta tonnellaggio (fino a 600 tonnellate) e processi certificati IATF 16949 per colmare il divario tra la specifica del materiale e la fabbricazione efficace del componente, garantendo che i materiali del punzone scelti funzionino come previsto nelle condizioni di produzione.

Best Practices per il Trattamento Termico e la Preparazione della Superficie

Anche l'acciaio PM più costoso con un rivestimento premium fallirà se il substrato non è preparato correttamente. Un comune modo di rottura è l'effetto "a guscio", in cui un rivestimento duro viene applicato su un substrato morbido. Sotto pressione, il substrato cede, causando la rottura e lo sfaldamento del rivestimento fragile.

Per evitare ciò, il substrato deve essere sottoposto a trattamento termico fino a raggiungere una durezza sufficiente (tipicamente 58-62 HRC per gli acciai PM) per supportare il rivestimento. Triplo rinvenimento è spesso richiesto per convertire l'austenite residua e garantire la stabilità dimensionale. Inoltre, la finitura superficiale prima del rivestimento è imprescindibile. La superficie dello stampo deve essere lucidata fino a un valore medio di rugosità (Ra) di circa 0,2 µm o inferiore. Eventuali segni di rettifica o graffi lasciati sullo stampo diventano punti di concentrazione di tensione che possono innescare crepe o compromettere l'adesione del rivestimento.

Infine, le strategie di manutenzione devono essere adattate. Non è possibile semplicemente rettificare uno stampo rivestito per affilarlo senza rimuovere il rivestimento. Per gli stampi rivestiti con PVD, il rivestimento deve spesso essere rimosso chimicamente, lo stampo affilato e lucidato, quindi rivestito nuovamente per ripristornare le prestazioni complete. Questo costo di ciclo di vita deve essere considerato nella selezione iniziale del materiale dello stampo.

Ottimizzazione per la produzione a lungo termine

La transizione verso l'AHSS richiede un approccio olistico alla realizzazione degli stampi. Non è più sufficiente affidarsi alle scelte "sicure" del passato. Gli ingegneri devono considerare lo stampo come un sistema composito in cui il substrato garantisce l'integrità strutturale e il rivestimento assicura le prestazioni tribologiche. Abbinando la tenacità degli acciai PM alla resistenza all'usura dei rivestimenti moderni, i produttori possono trasformare la sfida della stampaggio di materiali ad alta resistenza in un'operazione costante e redditizia. Il costo iniziale di materiali premium viene quasi sempre recuperato grazie a una riduzione dei tempi di fermo macchina e a tassi di scarto inferiori.

Domande frequenti

1. Qual è il materiale migliore per gli stampi utilizzati nello stampaggio dell'AHSS?

Per la maggior parte delle applicazioni AHSS superiori a 590 MPa, gli acciai per utensili da metallurgia delle polveri (PM) come Vanadis 4E, CPM 3V o gradi simili sono considerati la scelta migliore. A differenza del D2 convenzionale, gli acciai PM presentano una microstruttura fine e uniforme che offre la necessaria tenacità per resistere all'incrinamento mantenendo un'elevata resistenza a compressione.

2. Perché l'acciaio per utensili D2 fallisce con l'AHSS?

L'acciaio D2 fallisce principalmente a causa della sua microstruttura, che contiene grandi "filari di carburi". Quando sottoposto alle elevate pressioni d'urto e di contatto dello stampaggio AHSS, questi filari agiscono come punti di concentrazione delle sollecuzioni, causando crepe e scheggiature. L'acciaio D2 inoltre manca della necessaria tenacità per resistere alle forze di snap-through generate da materiali ad alta resistenza.

3. Qual è la differenza tra rivestimenti PVD e CVD per stampi da stampaggio?

La differenza principale è la temperatura di applicazione. PVD (Deposito Fisico da Vapore) viene applicato a temperature più basse (~500°C), impedendo all'acciaio per utensili di ammorbidirsi o deformarsi. CVD (Deposito Chimico da Vapore) e TD (Diffusione Termica) vengono applicati a temperature molto più elevate (~1000°C), creando un legame metallurgico più forte e uno strato più spesso, ma richiedono la re-indurimento dello stampo, con il rischio di deformazioni dimensionali.

4. Quando devo utilizzare acciaio da metallurgia delle polveri (PM) per lo stampaggio?

Dovresti passare all'acciaio PM ogni volta che esegui la stampa di lamiere con una resistenza a trazione superiore a 590 MPa, oppure per produzioni a lungo ciclo di materiali con resistenza inferiore, quando i costi di manutenzione sono una preoccupazione. L'acciaio PM è inoltre essenziale per qualsiasi applicazione che coinvolga geometrie complesse dello stampo, dove il rischio di crepatura è elevato.