TL;DR

Parenu formu materiālu izvēle AHSS štampēšanai prasa būtisku pāreju no parastajām rīku stratēģijām. Attiecībā uz Augstas izturības tēraudiem (AHSS), kuru stiprums pārsniedz 590 MPa, standarta D2 instrumenta tērauds bieži vien neiztur, jo tam trūkst pietiekamas izturības un mikrostruktūras viendabīguma, piemēram, karbīdu pavediņi. Nozares vienošanās ir pāriet uz Pulvermetallurģijas (PM) rīka tēraudi (piemēram, Vanadis 4E vai CPM 3V), kas piedāvā vienmērīgu graudu struktūru, spējīgu izturēt lielas trieciena slodzes, nepļēvoties.

Tomēr pamatmateriāls ir tikai puse kaujas. Lai cīnītos ar ārkārtīgo abrazīvo nodilumu un pielipšanu, kas raksturīgi AHSS, jāizmanto parens PM pamatmateriāls kopā ar modernu virsmas pārklājumu — parasti PVD (fizikālā tvaika nogulsnēšana) precizitātes uzturēšanai vai TD (termiskā difūzija) maksimālai virsmas cietībai. Veiksmīga izvēles stratēģija saista loksnes metāla stiepes izturību tieši ar formas materiāla izturību un pārklājuma nodilumizturību.

AHSS izaicinājums: kāpēc parastie rīka tērauļi neder

Attīstīto augstas stiprības tēraudu (AHSS) stampēšana rada spēkus, kas eksponenciāli lielāki nekā maiga tērauda formēšanā. Kamēr maigais tērauds var prasīt salīdzinoši zemu kontaktspiedienu, AHSS klases — it īpaši Divfāžu (DP) un Martensīta (MS) tēraudi — uzliek milzīgu kompresijas slodzi formas virsmai. Tas noved pie straujas loksnes materiāla cietēšanas procesā, radot situāciju, kurā iestampētais izstrādājums kļūst gandrīz tikpat ciets kā pats rīks.

Galvenais kļūmes punkts tradicionālajiem aukstās apstrādes instrumentu tērauļiem, piemēram, AISI D2, ir to mikrostruktūra. Tradicionālos ingotu liešanas tēraudos karbīdi veido lielas, neregulāras tīkla struktūras, kas pazīstamas kā "stringeri". Kad tie tiek pakļauti augsta spēka triecienam, pārtraucot 980 MPa vai 1180 MPa tēraudu, šie stringeri darbojas kā sprieguma koncentratori, izraisot katastrofālu šķeldošana vai plaisāšana . Atšķirībā no maiga tērauda stampēšanas, kur nodilums ir pakāpenisks, AHSS kļūme bieži ir pēkšņa un strukturāla.

Turklāt lielsis kontakta spiediens rada ievērojamu siltumu, kas pasliktina standarta smērvielas un izraisa materiāla pielipšanas (adhezīvo nodilumu). Šeit loksnes metāls faktiski savienojas ar rīka virsmu, noraujot diezgan mazus veidņa gabaliņus. AHSS ievērojumi norāda, ka tādiem tērauda pakāpēm ar stiepes izturību virs 980 MPa, kļūmes veids mainās no vienkārša abrazīva nodiluma uz sarežģītiem noguruma bojājumiem, padarot standarta D2 neefektīvu augsta apjoma ražošanai.

Serdes materiālu klases: D2 pret PM pret Karbīdu

Izstrādājuma materiāla izvēle ir kompromiss starp izmaksām, izturību (pretestību skaldīšanās) un nodilumizturību. Attiecībā uz AHSS pielietojumu hierarhija ir skaidri noteikta.

Parastās rīka tēraudes (D2, A2)

D2 joprojām ir bāze mīksto tēraudu stampēšanai, jo tai ir zemas izmaksas un pieņemamas nodilumizturības īpašības. Tomēr tās rupjā karbīdu struktūra ierobežo tās izturību. AHSS pielietojumiem D2 parasti tiek ierobežota prototipu vai zema apjoma ražošanai ar zemākas kvalitātes AHSS (zem 590 MPa). Ja to izmanto augstākas kvalitātes AHSS, nepieciešams biežs uzturējums, un bieži rodas agrīna noguruma sabrukšana.

Pulvermetallurģijas (PM) tēraudi

Šis ir standarts mūsdienu AHSS ražošanai. PM tēraudes tiek ražotas, šķidro metālu atomizējot pulverī, pēc tam saspiežot augstā temperatūrā un spiedienā (karstā izostatiskā prešēšana). Šis process rada vienmērīgu mikrostruktūru ar smalkiem, vienmērīgi sadalītiem karbīdiem. Tādas markas kā Vanadis 4E , CPM 3V , vai K340 nodrošina lielu triecienizturību, kas nepieciešama, lai novērstu šķembu veidošanos, saglabājot teicamu spiedes izturību. Pētījums, ko citē Ražotājs parādīja, ka, kamēr D2 matricas var sabrukt pēc 5 000 cikliem pie balsta roktura daļas, PM tērauda matricas turpina darboties labi pāri par 40 000 cikliem.

Cementētais karbīds

Visekstrēmākajiem pielietojumiem vai konkrētiem ieguldījumiem, piemēram, izstiepšanas un matricu pogām, saknes karbīds nodrošina pārāku nodiluma izturību. Tomēr tas ir ārkārtīgi trausls. Lai gan tas labāk iztur abrazīvu nodilumu nekā jebkurš tērauds, tas ir tendēts sadalīties šķembās pie AHSS pēkšņa caursitiena raksturīgajām triecienvastīm. To vislabāk izmantot augsta nodiluma zonās, kur triecieni tiek kontrolēti, vai formas veidošanai no zemākas izturības, bet abrazīviem materiāliem.

Pārklājumu būtiskā loma: PVD, CVD un TD

Tā kā AHSS ir tik abrazīvs, pat labākais PM tērauds beigās nolietosies. Pārklājumi ir būtiski, lai nodrošinātu cienu, zemu berzi radošu barjeru, kas novērš saplūšanu.

Fizikālā tvaika nogulsnēšana (PVD) bieži tiek izvēlēts precīzijas matricēm, jo to uzklāj zemākās temperatūrās, saglabājot pamatmateriāla termoapstrādi un dimensiju precizitāti. Tas ir ideāls griešanas malām, kur ir būtiski saglabāt asu ģeometriju.

Termiskā difūzija (TD) veido vanādija karbīda slāni, kas ir ārkārtīgi ciets (vairāk nekā 3000 HV), tādējādi kļūstot par zelta standartu pret iegriešanos smagās veidošanas operācijās. Tomēr, tā kā process notiek austenitizācijas temperatūrās, instrumenta tērauds darbojas kā oglekļa avots un tam jābūt pārkaltētam. Tas var izraisīt dimensiju izmaiņas, tādējādi padarot TD riskantu komponentiem ar šaurām pieļaujamām novirzēm, ja to neievēro rūpīgi.

Izvēles rāmis: materiāla sakņušanās ar AHSS klasi

Lēmums par to, kuru materiālu izmantot, jābūt balstītam uz metāllapas specifisko stiepes izturību. Palielinoties materiāla klasei, prasības pret veidni mainās no vienkāršas nodilumizturības uz triecienu izturību.

• 590 MPa - 780 MPa: Parastu D2 var izmantot zemākam apjomiem, taču ilgtermiņa darbam drošāk ir izmantot modificētu aukstā darba tēraudu (piemēram, 8% Cr) vai pamata PM klasi. Ir ieteicams izmantot PVD pārklājumu (piemēram, TiAlN vai CrN), lai samazinātu berzi.
• 980 MPa - 1180 MPa: Šis ir pagrieziena punkts. D2 lielākoties nav drošs. Jāizmanto izturīgs PM tērauds (piemēram, Vanadis 4 Extra vai līdzvērtīgs). Formēšanas sekcijām, kas pakļautas saplēšanās riskam, TD pārklājums ir ļoti efektīvs. Griešanas malām PVD pārklājums uz PM bāzes palīdz saglabāt asumu un vienlaikus noturēt saplaisāšanu.
• Virs 1180 MPa (martensīts/karsti velmēts): Jāizmanto tikai augstākās izturības PM klases vai specializēti matricas augstkalpotspējas tēraudi. Virsmas sagatavošana ir kritiski svarīga, un duplāksa pārklājumi (nitrēšana, kam seko PVD) bieži tiek izmantota, lai nodrošinātu ekstremālas virsmas slodzes.

Ir arī ļoti svarīgi saprast, ka materiālu izvēle ir tikai viena ražošanas ekosistēmas daļa. Ražotājiem, kuri pāriet no prototipa uz masveida ražošanu, ir būtiski sadarboties ar apstampinga uzņēmumu, kuram ir aprīkojums, kas spējīgs apstrādāt šos materiālus. Uzņēmumi, piemēram, Shaoyi Metal Technology izmanto augsta tonnāžas preses (līdz 600 tonnām) un IATF 16949 sertificētus procesus, lai aizpildītu atstarpi starp materiālu specifikāciju un veiksmīgu detaļu izgatavošanu, nodrošinot, ka izvēlētie matricu materiāli darbojas paredzētajā veidā ražošanas apstākļos.

Siltumapstrādes un virsmas sagatavošanas labākās prakses

Pat dārgākais PM tērauds ar augstas klases pārklājumu izdosies, ja pamatne nav pareizi sagatavota. Bieža izgāšanās forma ir „olovas čaumalas efekts”, kad ciets pārklājums tiek uzklāts uz mīkstas pamatnes. Spiediena ietekmē pamatne deformējas, izraisot trauslā pārklājuma plaisāšanu un nolupšanu.

Lai to novērstu, pamatni jāapstrādā ar siltumu līdz pietiekamai cietībai (parasti 58–62 HRC PM tēraļiem), lai atbalstītu pārklājumu. Trīskārtēja atkausēšana bieži vien ir nepieciešama, lai pārveidotu palikušo austēnītu un nodrošinātu izmēru stabilitāti. Turklāt virsmas apdarē pirms pārklājuma uzklāšanas kompromisa nav. Rīka virsmai jābūt pulētai līdz virsmas raupjuma vidējam rādītājam (Ra) aptuveni 0,2 µm vai labākam. Jebkādas slīpēšanas svītras vai skrāpējumi uz rīka kļūst par sprieguma koncentratoriem, kas var izraisīt plaisas vai negatīvi ietekmēt pārklājuma saistīšanos.

Visbeidzot, jāpielāgo apkopes stratēģijas. Jūs nevarat vienkārši noslīpēt pārklātu rīku, lai to asinātu, nepņemot nost pārklājumu. PVD pārklātiem rīkiem bieži vien pārklājums jānoņem ķīmiski, rīks jāasinā un jāpulē, pēc tam jāuzklāj jauns pārklājums, lai atjaunotu pilnu veiktspēju. Šos dzīves cikla izmaksas jāņem vērā jau sākotnējā matricas materiāla izvēlē.

Optimizācija ilgtermiņa ražošanai

Pāreja uz AHSS prasa vispārēju pieeju rīkojumam. Nav vairs pietiekami balstīties uz iepriekšējiem „drošajiem“ izvēles veidiem. Inženieriem jāuzskata veidņu kā saliktā sistēmas, kurā pamatne nodrošina strukturālo integritāti un pārklājums nodrošina triboloģisko veiktspēju. Savienojot PM tērauda izturību ar mūsdienu pārklājumu nodilumizturību, ražotāji var pārvērst augststiprīgu materiālu stampēšanas izaicinājumu par stabili ienesīgu procesu. Augstākās sākotnējās izmaksas ar premium materiāliem gandrīz vienmēr tiek atgūstamas caur samazinātām pārtraukumu laikām un zemākām būrza likmēm.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kāds ir labākais veidņu materiāls AHSS stampēšanai?

Lielākajām AHSS lietojumprogrammām virs 590 MPa kā labāko izvēli uzskata Pulmet (PM) instrumentu tēraudu, piemēram Vanadis 4E, CPM 3V vai līdzīgas markes. Atšķirībā no konvencionālā D2, PM tēraudiem raksturīga smalka, vienmērīga mikrostruktūra, kas nodrošina nepieciešamo izturību pret šķembēm, saglabājot augstu spiedes izturību.

2. Kāpēc D2 rīkotēra tērauds iziet no ierindas ar AHSS?

D2 iziet no ierindas galvenokārt tā mikrostruktūras dēļ, kas satur lielas "karbīda strēmeles". Kad tiek pakļauts AHSS stampēšanas augstajiem triecienu un kontaktspiedieniem, šīs strēmeles darbojas kā sprieguma koncentrācijas punkti, kas izraisa plaisas un drupas. D2 trūkst arī nepieciešamā izturīguma, lai izturētu augstas izturības materiālu radītās pēkšņās slodzes.

3. Kāda ir atšķirība starp PVD un CVD pārklājumiem stampēšanas formām?

Galvenā atšķirība ir pielietošanas temperatūra. PVD (Fizikālā tvaika nogulsnēšana) tiek uzklāts zemākās temperatūrās (~500°C), kas novērš rīkotēra tērauda mīkstināšanos vai deformāciju. CVD (Ķīmiskā tvaika nogulsnēšana) un TD (Termiskā difūzija) tiek uzklāti daudz augstākās temperatūrās (~1000°C), kas rada stiprāku metalurģisko saiti un biezāku pārklājumu, taču prasa rīku pārkaltēt, radot dimensiju izkropļojumu risku.

4. Kad jāizmanto pulvera metālurgijas (PM) tērauds stampēšanai?

Jums vajadzētu pāriet uz PM tēraudu, kad jūs spiežat plāksni ar izturību pret velkšanu virs 590 MPa vai ilgstošai zemākas stiprības materiālu ražošanai, kad uzturēšanas izmaksas ir svarīgs faktors. PM tērauds ir nepieciešams arī jebkuram pielietojumam, kurā ir sarežģītas matricas ģeometrijas un augsts plaisāšanas risks.