STRESZCZENIE

Wybór odpowiednich materiałów matryc do tłoczenia AHSS wymaga zasadniczej zmiany w stosunku do konwencjonalnych strategii narzędziowych. Dla stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS) przekraczającej 590 MPa, standardowa stal narzędziowa D2 często zawodzi z powodu niewystarczającej odporności na pękanie oraz niejednorodnej struktury mikroskopowej, takiej jak ciągłe wydzieliny karbidów. Konsensus branżowy mówi o przejściu na Stale narzędziowe wytwarzane metodą metalurgii proszkowej (PM) (takie jak Vanadis 4E lub CPM 3V), które charakteryzują się jednolitą strukturą ziarnową, zdolną do wytrzymywania dużych obciążeń udarowych bez łamania się.

Jednak materiał podstawowy to tylko połowa bitwy. Aby zapobiec intensywnemu zużyciu ściernemu i zaciskaniu typowym dla AHSS, należy połączyć odpowiedni podkład PM z zaawansowanym pokryciem powierzchniowym — zazwyczaj PVD (osadzanie parą fizyczną) do precyzyjnego utrzymania TD (dyfuzja termiczna) dla maksymalnej twardości powierzchni. Skuteczna strategia doboru wiąże bezpośrednio wytrzymałość blachy na rozciąganie z odpornością materiału matrycy na pękanie oraz odpornością powłoki na zużycie ścierne.

Wyzwanie AHSS: Dlaczego konwencjonalne stali narzędziowe zawodzą

Ciągnienie stali o zaawansowanych właściwościach wysokiej wytrzymałości (AHSS) generuje siły wielokrotnie większe niż te występujące przy kształtowaniu stali miękkiej. Podczas gdy stal miękka może wymagać stosunkowo niewielkiego ciśnienia kontaktowego, gatunki AHSS – szczególnie stale dwufazowe (DP) i martenzytyczne (MS) – wywierają ogromne naprężenia ściskające na powierzchnię matrycy. Powoduje to szybkie odkształcenie plastyczne materiału blachy podczas procesu formowania, tworząc sytuację, w której wyprodukowany element staje się niemal tak twardy jak sam narzędzie.

Głównym punktem awarii dla konwencjonalnych stali narzędziowych do pracy na zimno, takich jak AISI D2, jest ich mikrostruktura. W tradycyjnych stalach odlewanych w odlewnicach, węgliki tworzą duże, nieregularne sieci znane jako „stringery”. Gdy są narażone na wysokie uderzeniowe obciążenia podczas tnienia stali o wytrzymałości 980 MPa lub 1180 MPa, stringery działają jako koncentratory naprężeń, prowadząc do katastroficznych odpryskiwanie lub pękanie . W przeciwieństwie do tłoczenia ze stali węglowej, gdzie zużycie jest stopniowe, awaria AHSS jest często nagła i strukturalna.

Dodatkowo, wysokie ciśnienie kontaktowe generuje znaczące ciepło, które degraduje standardowe smary i prowadzi do zatarcia (zużycie adhezyjne). To zjawisko, w którym blacha stalowa dosłownie spaja się z powierzchnią narzędzia, odrywając mikroskopijne kawałki matrycy. AHSS Insights zauważa, że dla gatunków o wytrzymałości na rozciąganie powyżej 980 MPa mechanizm uszkodzenia zmienia się z prostego zużycia ścierne go na złożone pękanie zmęczeniowe, co czyni standardową stal D2 przestarzałą dla dużych serii produkcyjnych.

Podstawowe klasy materiałów: D2 vs. PM vs. Karbidy

Wybór materiału matrycy to kompromis między kosztem, odpornością na pękanie (odporność na łuszczenie) oraz odpornością na zużycie. W zastosowaniach AHSS hierarchia jest wyraźna.

Konwencjonalne stali narzędziowe (D2, A2)

D2 pozostaje podstawą w tłoczeniu stali miękkich ze względu na niski koszt i wystarczającą odporność na zużycie. Jednak jego gruboziarnista struktura karbidów ogranicza odporność na pękanie. W zastosowaniach AHSS, D2 jest zazwyczaj ograniczony do prototypowania lub krótkich serii niskogatunkowych AHSS (poniżej 590 MPa). Gdy stosuje się go do wyższych gatunków, wymaga częstej konserwacji i często ulega wcześniejszemu pękaniu zmęczeniowemu.

Stale metodą metalurgii proszkowej (PM)

To standard w nowoczesnej produkcji AHSS. Stale PM są wytwarzane przez atomizację stopionego metalu w drobny proszek, a następnie łączenie go pod wysokim ciśnieniem i temperaturą (gorące izostatyczne prasowanie). Ten proces tworzy jednorodną mikrostrukturę z drobnymi, równomiernie rozmieszczonymi karbidami. Gatunki takie jak Vanadis 4E , CPM 3V , czy K340 zapewnia wysoką odporność na pękanie, potrzebną do zapobiegania łuszczoniu, przy jednoczesnym zachowaniu doskonałej wytrzymałości na ściskanie. Badanie cytowane przez Wykonawca wykazało, że podczas gdy matryce ze stali D2 mogą ulec uszkodzeniu po 5 000 cyklach przy elemencie wahacza, matryce ze stali PM nadal dobrze funkcjonowały po przekroczeniu 40 000 cykli.

Złączony twardometal

Dla najbardziej ekstremalnych zastosowań lub dla konkretnych wkładów, takich jak tłoki i guziki matrycy, węgliki spiekane oferują lepszą odporność na zużycie. Są jednak bardzo kruche. Mimo że lepiej niż jakikolwiek stalowy materiał opierają się zużyciu ściernemu, są narażone na pękanie pod wpływkiem udarowych obciążeń typowych dla przebicia AHSS. Najlepiej stosować je w obszarach o dużym zużyciu, gdzie obciążenia udarowe są kontrolowane, lub do kształtowania materiałów o niskiej wytrzymałości, ale silnie ściernych.

Kluczowa rola powłok: PVD, CVD i TD

Ponieważ AHSS jest bardzo ścierny, nawet najlepsza stal PM w końcu ulegnie zużyciu. Powłoki są niezbędne, aby zapewnić twardą, niskotarciającą barierę chroniącą przed zatarciem.

Osadzanie parą fizyczną (PVD) jest często preferowane w przypadku precyzyjnych matryc, ponieważ jest stosowane w niższych temperaturach, zachowując obróbkę cieplną podłoża i dokładność wymiarową. Jest idealne do krawędzi tnących, gdzie kluczowe jest zachowanie ostrej geometrii.

Dyfuzja termiczna (TD) tworzy warstwę karbidu wanadu o niezwykle wysokiej twardości (powyżej 3000 HV), co czyni ją standardem złotym pod względem odporności na zacieranie w ciężkich operacjach kształtowania. Jednak ponieważ proces odbywa się w temperaturach austenityzacji, stal narzędziowa staje się źródłem węgla i musi zostać ponownie uplastycznniona. Może to prowadzić do przesunięć wymiarowych, przez co TD stanowi ryzyko w przypadku elementów o ścisłych tolerancjach, chyba że zostanie odpowiednio kontrolowane.

Ramka wyboru: dopasowanie materiału do gatunku AHSS

Decyzja dotycząca wyboru materiału powinna być kierowana przez konkretną wytrzymałość na rozciąganie blachy metalowej. W miarę wzrostu klasy materiału, wymagania dotyczące narzędzi zmieniają się z prostego odporności na zużycie na odporność udarową.

• 590 MPa - 780 MPa: Konwencjalna stal D2 może być stosowana przy mniejszych partiach, jednak zmodyfikowana stal do pracy na zimno (np. 8% Cr) lub podstawowa stal PM jest bezpieczniejszym wyborem dla dłuższych serii. Zaleca się powłokę PVD (np. TiAlN lub CrN) w celu zmniejszenia tarcia.
• 980 MPa - 1180 MPa: To jest punkt krytyczny. Stal D2 jest zasadniczo niebezpieczna. Należy zastosować wytrzymałą stal PM (np. Vanadis 4 Extra lub równoważną). W przypadku formowania powierzchni narażonych na zacieranie, powłoka TD jest bardzo skuteczna. Dla krawędzi tnących, powłoka PVD na podłożu PM pomaga zachować krawędź przy jednoczesnej odporności na łuskanie.
• Powyżej 1180 MPa (martenzytyczna/odkształcana na gorąco): Należy stosować wyłącznie stale PM o najwyższej odporności lub specjalne stale narzędziowe macierzowe. Przygotowanie powierzchni jest krytyczne, i powłoki duplexowe (azotowanie, a następnie PVD) są często stosowane w celu obsługi ekstremalnych obciążeń powierzchniowych.

Jest również kluczowe, aby rozpoznać, że wybór materiału to tylko jeden element ekosystemu produkcji. Dla producentów przechodzących od prototypu do produkcji seryjnej, nawiązanie współpracy z tłocznikiem posiadającym sprzęt umożliwiający obróbkę tych materiałów jest kluczowe. Firmy takie jak Shaoyi Metal Technology wykorzystują prasy o dużej nośności (do 600 ton) oraz procesy certyfikowane zgodnie z IATF 16949, aby zapełnić lukę między specyfikacją materiału a pomyślnym wytworzeniem części, zapewniając, że wybrane materiały formierskie działają zgodnie z założeniami w warunkach produkcji.

Najlepsze praktyki w zakresie obróbki cieplnej i przygotowania powierzchni

Nawet najdrożew stal PM z powłoką premium ulegnie awarii, jeśli podłoże nie zostanie odpowiednio przygotowane. Typowym trybem uszkodzenia jest tzw. „efekt jajowej skorupki”, gdy twarda powłoka jest naniesiona na miękkie podłoże. Pod wpływem ciśnienia podłoże ulega odkształceniu, co powoduje pękanie i odspajanie kruchej powłoki.

Aby tego uniknąć, podłoże musi być poddane obróbce cieplnej do odpowiedniej twardości (zazwyczaj 58-62 HRC dla stali PM), aby wytrzymać powłokę. Potrójne odpuszczanie jest często wymagane w celu przekształcenia pozostałości austenitu i zapewnienia stabilności wymiarowej. Co więcej, jakość powierzchni przed naniesieniem powłoki jest nieprzemawiająca. Powierzchnia narzędzia musi zostać wypolerowana do średniej chropowatości (Ra) wynoszącej około 0,2 µm lub lepszej. Wszelkie ślady szlifowania lub zadziory pozostawione na narzędziu stają się koncentratorami naprężeń, które mogą inicjować pęknięcia lub naruszać przyczepność powłoki.

Na końcu strategie konserwacji należy dostosować. Nie można po prostu przeszlifować powłoki narzędzia, aby je naostrzyć, bez usunięcia powłoki. W przypadku narzędzi pokrytych metodą PVD, powłokę trzeba często usunąć chemicznie, następnie naostrzyć i wypolerować narzędzie, a potem ponownie je powlec, aby przywrócić pełną wydajność. Koszt cyklu życia należy uwzględnić już na etapie wyboru materiału matrycy.

Optymalizacja dla długoterminowej produkcji

Przejście do AHSS wymaga holistycznego podejścia do narzędzi. Nie wystarczy już polegać na „bezpiecznych” rozwiązaniach z przeszłości. Inżynierowie muszą traktować formę tłoczną jako system kompozytowy, w którym podłoże zapewnia integralność strukturalną, a powłoka zapewnia właściwości tribologiczne. Dopasowując odporność na uszkodzenia stali PM do odporności na zużycie nowoczesnych powłok, producenci mogą zmienić wyzwanie tłoczenia materiałów o wysokiej wytrzymałości w stałą i zyskowną operację. Początkowe koszty wysokiej jakości materiałów są niemal zawsze zwracane poprzez skrócony czas przestojów i niższy poziom odpadków.

Często zadawane pytania

1. Jaki jest najlepszy materiał formy do tłoczenia AHSS?

W przypadku większości zastosowań AHSS powyżej 590 MPa, stale narzędziowe wytwarzane metodami metalurgii proszkowej (PM), takie jak Vanadis 4E, CPM 3V lub podobne gatunki, są uznawane za najlepszy wybór. W przeciwieństwie do konwencjonalnej stali D2, stale PM charakteryzują się drobnoziarnistą, jednorodną mikrostrukturą, która zapewnia niezbędną odporność na odpadanie krawędzi przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej wytrzymałości na ściskanie.

2. Dlaczego stal narzędziowa D2 zawodzi przy AHSS?

Stal D2 zawodzi przede wszystkim ze względu na swoją mikrostrukturę, która zawiera duże „nitki karbidy”. Gdy są narażone na wysokie udarowe i kontaktowe ciśnienia tłoczenia AHSS, te nitki działają jako punkty skoncentrowanego naprężenia, prowadząc do pękania i łuszczania. Stal D2 również nie posiada wystarczającej odporności na siły przebicia generowane przez materiały o wysokiej wytrzymałości.

3. Jaka jest różnica między powłokami PVD i CVD dla matryc tłocznych?

Główna różnica polega na temperaturze nanoszenia. PVD (Osadzanie z fazy par fizycznej) jest stosowane w niższych temperaturach (~500°C), co zapobiega mięczeniu lub odkształceniom stali narzędziowej. CVD (Osadzanie z fazy par chemicznej) oraz TD (Termiczna dyfuzja) są stosowane w znacznie wyższych temperaturach (~1000°C), co tworzy silniejsze wiązanie metalurgiczne i grubsze powłoki, ale wymaga ponownego hartowania narzędzia, co wiąże się z ryzykiem odkształcenia wymiarowego.

4. Kiedy powinienem stosować stal metalurgii proszkowej (PM) do tłoczenia?

Należy przejść na stal PM za każdym razem, gdy tłoczy się blachę o wytrzymałości na rozciąganie powyżej 590 MPa lub w przypadku długoterminowej produkcji materiałów o niższej wytrzymałości, gdzie koszty konserwacji są istotne. Stal PM jest również niezbędna w każdej aplikacji obejmującej złożone geometrie matryc, gdzie istnieje wysokie ryzyko pęknięcia.