TL;DR

Het kiezen van het juiste matrijsmateriaal voor AHSS-ponsen vereist een fundamentele verschuiving ten opzichte van conventionele gereedschapsstrategieën. Voor Geavanceerde Hoogwaardige Staal (AHSS) met een sterkte boven de 590 MPa, faalt standaard D2 gereedschapsstaal vaak door onvoldoende taaiheid en microstructurele inconsistenties zoals carbide stringers. De industrieadvies is om over te stappen op Gereedschapsstaal op basis van poedermetaalurgie (PM) (zoals Vanadis 4E of CPM 3V), die een uniform korrelstructuur bieden die bestand is tegen hoge schokbelasting zonder af te brokkelen.

De substraatmateriaal is echter slechts de helft van de strijd. Om de extreme slijtage en galling typisch voor AHSS te bestrijden, moet u het juiste PM-substraat combineren met een geavanceerde oppervlaktecoating—meestal PVD (fysische dampafzetting) voor precisieonderhoud of TD (Thermische Diffusie) voor maximale oppervlaktehardheid. Een succesvolle selectiestrategie koppelt de treksterkte van het plaatstaal direct aan de taaiheid van het matrijsmateriaal en de slijtvastheid van de coating.

De AHSS-uitdaging: waarom conventionele gereedschapsstalen falen

Het ponsen van Advanced High-Strength Steel (AHSS) brengt krachten met zich mee die exponentieel hoger zijn dan die bij het vormgeven van zacht staal. Terwijl zacht staal relatief lage contactdruk vereist, zorgen AHSS-kwaliteiten—met name Dual Phase (DP) en Martensitische (MS) stalen—voor enorme compressiespanningen op het matrijsoppervlak. Dit leidt tot snel werkverharden van het plaatmateriaal tijdens de vorming, waardoor het gepoonste onderdeel bijna net zo hard wordt als de matrijs zelf.

Het primaire tekortkomingpunt van conventionele koudewerkt gereedschapsstaalsoorten zoals AISI D2 is hun microstructuur. Bij traditionele in het zand gegoten stalen vormen carbiden grote, onregelmatige netwerken die bekendstaan als "stringers". Wanneer deze worden blootgesteld aan de hoge slagimpact van doorsnijden van 980 MPa of 1180 MPa staal, fungeren deze stringers als spanningsconcentraties, wat leidt tot catastrofale afbrokkelen of barsten . In tegenstelling tot het stansen van zachtstaal, waar slijtage geleidelijk optreedt, is AHSS-falen vaak plotseling en structureel.

Bovendien genereert de hoge contactdruk aanzienlijke warmte, wat standaard smeermiddelen degradeert en leidt tot galling (adhesieve slijtage). Dit is het moment dat het plaatstaal letterlijk aan het gereedschap lasseert, waarbij microscopisch kleine stukjes uit de matrijs worden gerukt. AHSS Inzichten merkt op dat voor staalsoorten met treksterktes boven de 980 MPa, de faalmode verschuift van eenvoudige abrasieve slijtage naar complexe vermoeiingsbreuken, waardoor standaard D2 verouderd is voor productielopende series.

Kernmateriaalklassen: D2 vs. PM vs. Carbide

Het kiezen van het stansmateriaal is een afweging tussen kosten, taaiheid (weerstand tegen brokken) en slijtvastheid. Voor AHSS-toepassingen is de hiërarchie duidelijk.

Conventionele gereedschapsstaalsoorten (D2, A2)

D2 blijft de standaard voor het stansen van zachte staalsoorten vanwege de lage kosten en redelijke slijtvastheid. Echter, de grove carbide-structuur beperkt de taaiheid. Voor AHSS-toepassingen is D2 over het algemeen beperkt tot prototyping of kleine series van lagere kwaliteit AHSS (onder 590 MPa). Indien gebruikt voor hogere kwaliteiten, vereist het frequente onderhoud en treedt vaak vroegtijdig vermoeilingsfalen op.

Poedermetallurgie (PM) staal

Dit is de standaard voor moderne AHSS-productie. PM-staalsoorten worden geproduceerd door het verfijnen van gesmolten metaal tot een fijn poeder, dat vervolgens onder hoge temperatuur en druk wordt samengeperst (Hot Isostatic Pressing). Dit proces creëert een uniforme microstructuur met fijne, gelijkmatig verdeelde carbiden. Kwaliteiten zoals Vanadis 4E , CPM 3V , of K340 biedt de hoge impacttaaieigenschap die nodig is om brokkelvorming te voorkomen, terwijl het uitstekende druksterkte behoudt. Een door De fabrikant aangehaald onderzoek toonde aan dat terwijl D2 malen na 5.000 cycli kunnen uitvallen bij een dwarslegeronderdeel, PM-staal malen goed presteren tot ver voorbij 40.000 cycli.

Gebonden carbid

Voor de meest extreme toepassingen, of voor specifieke inzetstukken zoals punzen en matrijzenknoppen, biedt geceementeerd carbide superieure slijtvastheid. Het is echter uiterst breekbaar. Hoewel het beter bestand is tegen abrasieve slijtage dan elk staal, is het gevoelig voor breuk onder de schokbelastingen die typisch zijn voor AHSS snap-through. Het is het best gereserveerd voor hoge-slijtage zones waar schok wordt beheerd, of voor het vormen van materialen met lagere treksterkte maar abrasieve eigenschappen.

De Kritieke Rol van Coatings: PVD, CVD en TD

Omdat AHSS zo abrasief is, zal zelfs het beste PM-staal uiteindelijk slijten. Coatings zijn essentieel om een harde, wrijvingsarme barrière te bieden die kleving voorkomt.

Fysische dampafzetting (PVD) wordt vaak verkozen voor precisie-malen omdat het bij lagere temperaturen wordt aangebracht, waardoor de warmtebehandeling en dimensionale nauwkeurigheid van de ondergrond behouden blijven. Het is ideaal voor snijkanten waarbij het behoud van een scherpe geometrie cruciaal is.

Thermische Diffusie (TD) creëert een vanadiumcarbide laag die uitzonderlijk hard is (3000+ HV), waardoor het de goudstandaard is voor het voorkomen van kleving bij zware vormgevingsprocessen. Omdat het proces plaatsvindt bij austeniteringstemperaturen, fungeert het gereedschapsstaal als koolstofbron en moet het opnieuw worden gehard. Dit kan leiden tot dimensionale verplaatsing, waardoor TD risicovol is voor onderdelen met strakke toleranties, tenzij dit zorgvuldig wordt beheerd.

Selectiekader: Materiaal afstemmen op AHSS-kwaliteit

De keuze van welk materiaal te gebruiken, moet worden bepaald door de specifieke treksterkte van het plaatmateriaal. Naarmate de materiaalkwaliteit toeneemt, verandert de eis aan de gereedschapsmaterialen van eenvoudige slijtvastheid naar slagvastheid.

• 590 MPa - 780 MPa: Conventioneel D2 kan worden gebruikt voor lagere volumes, maar een aangepast koudewerkstaal (zoals 8% Cr) of een basis-PM-kwaliteit is veiliger voor lange productielopen. Een PVD-coating (zoals TiAlN of CrN) wordt aanbevolen om wrijving te verminderen.
• 980 MPa - 1180 MPa: Dit is het kantelpunt. D2 is grotendeels onveilig. U moet een slagvast PM-staal gebruiken (bijvoorbeeld Vanadis 4 Extra of gelijkwaardig). Voor vormgevingsgedeelten die gevoelig zijn voor galling, is een TD-coating zeer effectief. Voor het bijsnijden van randen helpt een PVD-coating op een PM-substraat om de snijkant scherp te houden en broskelen te voorkomen.
• Boven 1180 MPa (martensitisch/heetvervaardigd): Alleen PM-kwaliteiten met de hoogste slagvastheid of gespecialiseerde matrix sneldraaistalen mogen worden gebruikt. Oppervlaktevoorbereiding is cruciaal, en duo-coatings (nitreren gevolgd door PVD) worden vaak gebruikt om de extreme oppervlaktebelastingen te ondersteunen.

Het is ook van cruciaal belang om te erkennen dat materiaalkeuze slechts één onderdeel is van het productie-ecosysteem. Voor fabrikanten die schalen van prototype naar massaproductie, is het essentieel om samen te werken met een ponsbedrijf dat beschikt over de apparatuur om deze materialen te verwerken. Bedrijven zoals Shaoyi Metal Technology gebruiken persen met een hoge tonnage (tot 600 ton) en IATF 16949-gecertificeerde processen om de kloof te overbruggen tussen materiaalspecificatie en succesvolle onderdelenfabricage, zodat de gekozen matrijzenmaterialen presteren zoals bedoeld onder productieomstandigheden.

Beste praktijken voor warmtebehandeling en oppervlaktevoorbereiding

Zelfs het duurste PM-staal met een premium coating zal falen als de ondergrond niet correct is voorbereid. Een veelvoorkende faalmode is het 'eierschaaleffect', waarbij een harde coating op een zachte ondergrond wordt aangebracht. Onder druk geeft de ondergrond mee, waardoor de brosse coating barst en afbladdert.

Om dit te voorkomen, moet de ondergrond voldoende worden warmtebehandeld tot een vereiste hardheid (meestal 58-62 HRC voor PM-stalen) om de coating te kunnen dragen. Drievoudig temperen is vaak vereist om de aangehouden austeniet om te zetten en dimensionale stabiliteit te waarborgen. Bovendien is de oppervlakteafwerking vóór de coating van essentieel belang. Het gereedschapsoppervlak moet worden gepolijst tot een gemiddelde ruwheid (Ra) van ongeveer 0,2 µm of beter. Eventuele slijpsporen of krassen op het gereedschap worden spanningsconcentraties die scheuren kunnen initiëren of de hechting van de coating kunnen verzwakken.

Tot slot moeten onderhoudsstrategieën worden aangepast. U kunt een gecoat gereedschap niet zomaar slijpen om het te verscherpen zonder de coating te verwijderen. Voor PVD-gecoate gereedschappen moet de coating vaak chemisch worden verwijderd, waarna het gereedschap wordt geslepen en gepolijst en vervolgens opnieuw wordt gecoat om de volledige prestaties te herstellen. Deze levenscycluskosten moeten worden meegenomen bij de keuze van het matrijsmateriaal.

Optimaliseren voor langdurige productie

De overgang naar AHSS vereist een holistische aanpak van gereedschappen. Het is niet langer voldoende om te vertrouwen op de 'veilige' keuzes uit het verleden. Ingenieurs moeten de mal behandelen als een samengesteld systeem waarbij de ondergrond de structurele integriteit levert en de coating de tribologische prestaties waarborgt. Door de taughed van PM-staal te combineren met de slijtvastheid van moderne coatings, kunnen fabrikanten de uitdaging van het ponsen van hoogsterktematerialen omzetten in een consistente, winstgevende operatie. De initiële kosten van hoogwaardige materialen worden bijna altijd terugverdiend via verminderde stilstandtijd en lagere afvalpercentages.

Veelgestelde Vragen

1. Wat is het beste mal materiaal voor het ponsen van AHSS?

Voor de meeste AHSS-toepassingen boven 590 MPa worden Poedermetallurgie (PM) gereedschapsstaalsoorten zoals Vanadis 4E, CPM 3V of vergelijkbare kwaliteiten als de beste keuze beschouwd. In tegenstelling tot conventioneel D2, hebben PM-staalsoorten een fijn, uniforme microstructuur die de nodige taughed biedt om brokken te voorkomen, terwijl ze hoge drukvastheid behouden.

2. Waarom faalt D2-slijtvast staal bij AHSS?

D2 faalt voornamelijk vanwege zijn microstructuur, die grote 'carbide slierten' bevat. Wanneer deze worden blootgesteld aan de hoge schok- en contactdrukken bij het stansen van AHSS, fungeren deze slierten als spanningsconcentratiepunten, wat leidt tot scheuren en afbreken. D2 beschikt ook niet over de nodige taaiheid om de doorslagkrachten van hoogsterktematerialen te weerstaan.

3. Wat is het verschil tussen PVD- en CVD-coatings voor stansmatrijzen?

Het belangrijkste verschil is de toepassingstemperatuur. PVD (Physical Vapor Deposition) wordt aangebracht bij lagere temperaturen (~500 °C), waardoor het gereedschapsstaal niet verzacht of vervormt. CVD (Chemical Vapor Deposition) en TD (Thermal Diffusion) worden aangebracht bij veel hogere temperaturen (~1000 °C), wat een sterke metallurgische binding en een dikkere coating oplevert, maar vereist dat het gereedschap opnieuw wordt gehard, met het risico van dimensionale vervorming.

4. Wanneer moet ik gebruik maken van poedermetallurgisch (PM) staal voor stansen?

U dient over te stappen naar PM-staal wanneer u plaatstaal met een treksterkte boven 590 MPa spoedt, of bij langdurige productie van materialen met een lagere sterkte waarbij onderhoudskosten een punt van zorg zijn. PM-staal is ook essentieel voor toepassingen met complexe matrijvormen waar het risico op barvorming hoog is.