REZUMAT

Alegerea materialului potrivit pentru matrițe la ambutisarea AHSS necesită o schimbare fundamentală față de strategiile convenționale de realizare a sculelor. Pentru oțelurile înalte rezistență avansate (AHSS) care depășesc 590 MPa, oțelul standard D2 pentru scule eșuează adesea din cauza tenacității insuficiente și a inconsistențelor microstructurale, cum ar fi benzi de carburi. Consensul din industrie este să se treacă la Oțeluri instrumentale din metalurgia pulberilor (PM) (cum ar fi Vanadis 4E sau CPM 3V), care oferă o structură granulară uniformă, capabilă să suporte șocuri intense fără să se ciobească.

Cu toate acestea, materialul de bază al sculei reprezintă doar jumătate din luptă. Pentru a combate uzura extremă prin abraziune și griparea tipică pentru AHSS, trebuie să asociați substratul PM corect cu un strat de suprafață avansat — în mod tipic PVD (Depunere Fizică din Fază de Vapori) pentru întreținere precisă sau TD (Difuzie Termică) pentru duritate maximă la suprafață. O strategie de selecție reușită corelează direct rezistența la tracțiune a tablei cu tenacitatea materialului matriței și rezistența la uzură a stratului de acoperire.

Provocarea AHSS: De ce eșuează oțelurile obișnuite pentru scule

Ambutisarea oțelului avansat de înaltă rezistență (AHSS) implică forțe exponențial mai mari decât cele întâlnite în formarea oțelului moale. În timp ce oțelul moale poate necesita o presiune de contact relativ scăzută, categoriile de oțel AHSS—în special oțelurile bifașă (DP) și martensitice (MS)—exercită tensiuni compresive enorme asupra suprafeței matriței. Acest lucru conduce la o îmbătrânire rapidă prin deformare a materialului tablei în timpul formării, creând un scenariu în care piesa ambutisată devine aproape la fel de dură ca și scula însăși.

Punctul principal de cedare pentru oțelurile convenionale pentru scule la rece, precum AISI D2, este microstructura lor. În oțelurile tradiționale turnate în lingouri, carburile formează rețele mari și neregulate cunoscute sub denumirea de „benzi”. Atunci când sunt supuse șocului de înaltă impact generat la tăierea oțelului de 980 MPa sau 1180 MPa, aceste benzi acționează ca concentratori de tensiune, ducând la cedări catastrofale ciobirea sau crăparea . Spre deosebire de ambutisarea oțelului moale, unde uzura este progresivă, cedarea oțelului înalt rezistent (AHSS) este adesea bruscă și structurală.

În plus, presiunea de contact ridicată generează o cantitate semnificativă de căldură, care degradează lubrifianții standard și duce la găurilor (uzură adezivă). Acesta este momentul în care tabla se sudă literalmente de suprafața sculei, smulgând fragmente microscopice din matriță. Informații AHSS se menționează că pentru calitățile cu rezistențe la întindere peste 980 MPa, modul de cedare se schimbă de la uzura abrazivă simplă la cedări complexe prin oboseală, ceea ce face ca oțelul D2 standard să devină învechit pentru producția în mare volum.

Clasele de materiale pentru miez: D2 vs. PM vs. Carbide

Selectarea materialului matriței reprezintă un compromis între cost, tenacitate (rezistența la ciupire) și rezistența la uzură. Pentru aplicațiile AHSS, ierarhia este distinctă.

Oțeluri clasice pentru scule (D2, A2)

D2 rămâne standardul de referință pentru ambutisarea oțelurilor moi datorită costului redus și rezistenței decente la uzură. Totuși, structura sa cu carburi grosolane îi limitează tenacitatea. Pentru aplicațiile AHSS, D2 este în general limitat la prototipare sau serii mici de oțeluri AHSS de calitate inferioară (sub 590 MPa). Dacă este utilizat pentru calități superioare, necesită întreținere frecventă și suferă adesea de rupere prematură prin oboseală.

Oțeluri din metalurgia pulberilor (PM)

Acesta este standardul pentru producția modernă AHSS. Oțelurile PM sunt produse prin atomizarea metalului topit într-o pulbere fină, urmată de consolidarea acesteia la temperatură și presiune înalte (Presare Izostatică Caldă). Acest proces creează o microstructură uniformă, cu carburi fine și distribuite omogen. Marci precum Vanadis 4E , CPM 3V , sau K340 oferă tenacitatea înaltă necesară pentru a preveni ciupirea, menținând în același timp o excelentă rezistență la compresiune. Un studiu citat de Fabricantul a demonstrat că, deși matrițele din oțel D2 ar putea eșua după 5.000 de cicluri la o piesă de braț de suspensie, matrițele din oțel pulberi continuau să funcționeze bine după peste 40.000 de cicluri.

Carbunca presată

Pentru cele mai extreme aplicații sau pentru inserții specifice, cum ar fi poansoane și butoane de matriță, carbura metalică sinterizată oferă o rezistență superioară la uzură. Cu toate acestea, este extrem de casantă. Deși rezistă mai bine la uzura abrazivă decât orice oțel, este predispusă la spargere sub sarcini de oc surprindere tipice trecerii brute prin AHSS. Este recomandată doar pentru zonele cu uzură ridicată unde ocurile sunt controlate sau pentru deformarea materialelor cu rezistență la tracțiune scăzută, dar abrazive.

Rolul esențial al acoperirilor: PVD, CVD și TD

Deoarece AHSS este atât de abraziv, chiar și cel mai bun oțel pulberi se va uza în cele din urmă. Acoperirile sunt esențiale pentru a oferi o barieră dură și cu frecare redusă care previne griparea.

Depunere Fizică din Fază de Vapori (PVD) este adesea preferată pentru matrițele de precizie deoarece este aplicată la temperaturi mai joase, păstrând tratamentul termic al suportului și precizia dimensională. Este ideală pentru muchiile de tăiere unde menținerea unei geometrii ascuțite este esențială.

Difuzie Termică (TD) creează un strat de carbura de vanadiu extrem de dur (3000+ HV), făcându-l standardul de referință pentru rezistența la gripare în operațiile grele de deformare. Cu toate acestea, deoarece procesul are loc la temperaturi de austenitizare, oțelul sculei acționează ca sursă de carbon și trebuie re-călit. Acest lucru poate duce la deplasări dimensionale, făcând ca TD să fie riscant pentru componente cu toleranțe strânse, dacă nu este gestionat cu atenție.

Cadrul de selecție: Potrivirea materialului cu calitatea de OL-AD înaltă rezistență

Decizia privind materialul de utilizat trebuie să fie determinată de rezistența specifică la întindere a tablei. Pe măsură ce calitatea materialului crește, cerințele pentru utilaje trec de la simpla rezistență la uzare la tenacitatea la impact.

• 590 MPa - 780 MPa: Se poate utiliza oțelul convențional D2 pentru volume mai mici, dar un oțel de sculă rece modificat (de exemplu, 8% Cr) sau o calitate PM de bază este mai sigur pentru rulări lungi. Se recomandă un strat PVD (cum ar fi TiAlN sau CrN) pentru a reduce frecarea.
• 980 MPa - 1180 MPa: Aceasta este punctul critic. Oțelul D2 este în general nesigur. Trebuie să utilizați un oțel PM rezistent (de exemplu, Vanadis 4 Extra sau echivalent). Pentru formarea secțiunilor predispuse la gripare, un strat TD este foarte eficient. Pentru muchiile de tăiere, un strat PVD pe un suport PM ajută la menținerea tăietorii, dar rezistă la ciupire.
• Peste 1180 MPa (Martensitic/Foarte rezistent prin amprentare la cald): Trebuie utilizate doar calități PM cu cea mai mare tenacitate sau oțeluri speciale de tip matrix de înaltă viteză. Pregătirea suprafeței este critică, și acoperirile duplex (nitrurare urmată de PVD) sunt frecvent utilizate pentru a susține sarcinile extreme de suprafață.

Este, de asemenea, esențial să recunoaștem că selecția materialelor este doar o parte a ecosistemului de producție. Pentru producătorii care trec de la prototip la producția de masă, colaborarea cu un prestator de servicii de stampare care dispune de echipamentele necesare pentru a prelucra aceste materiale este esențială. Companii precum Shaoyi Metal Technology utilizează prese cu tonaj mare (până la 600 de tone) și procese certificate IATF 16949 pentru a acoperi decalajul dintre specificațiile materialelor și fabricarea reușită a pieselor, asigurându-se că materialele alese pentru matrițe își desfășoară funcția așa cum este intenționat în condițiile de producție.

Practici recomandate pentru tratamentul termic și pregătirea suprafeței

Chiar și cel mai scump oțel PM cu un strat de acoperire premium va eșua dacă substratul nu este pregătit corect. Un mod frecvent de defectare este efectul „coajă de ou”, atunci când un strat dur este aplicat peste un substrat moale. Sub presiune, substratul cedează, determinând stratul fragil de acoperire să se crăpeze și să se desprindă.

Pentru a preveni acest lucru, substratul trebuie tratat termic la o duritate suficientă (în mod tipic 58-62 HRC pentru oțelurile PM) pentru a susține acoperirea. Tratarea termică triplă este adesea necesară pentru a converti austenita reținută și pentru a asigura stabilitatea dimensională. În plus, calitatea finisării suprafeței înainte de acoperire este obligatorie. Suprafața sculei trebuie lustruită la o rugozitate medie (Ra) de aproximativ 0,2 µm sau mai bună. Orice urme de rectificare sau zgârieturi rămase pe sculă devin concentratori de tensiune care pot iniția fisuri sau pot compromite aderența acoperirii.

În final, strategiile de întreținere trebuie adaptate. Nu puteți pur și simplu rectifica o sculă acoperită pentru a o ascuți fără a îndepărta acoperirea. Pentru sculele acoperite PVD, acoperirea trebuie adesea îndepărtată chimic, scula ascuțită și lustruită, apoi reacoperită pentru a-și restabili performanța completă. Această costurie a ciclului de viață trebuie luată în considerare la alegerea inițială a materialului matriței.

Optimizarea pentru producția pe termen lung

Trecerea la AHSS necesită o abordare holistică a echipamentelor. Nu mai este suficient să te bazezi pe alegerile "sigure" din trecut. Inginerii trebuie să considere matrița ca un sistem compozit în care materialul de bază asigură integritatea structurală, iar stratul de acoperire oferă performanțe tribologice. Potrivind tenacitatea oțelurilor PM cu rezistența la uzură a straturilor de acoperire moderne, producătorii pot transforma provocarea aplicării materialelor înalte rezistență într-o operațiune constantă și profitabilă. Costul inițial al materialelor premium este aproape întotdeauna recuperat prin reducerea timpului de staționare și a ratelor mai mici de rebut.

Întrebări frecvente

1. Care este cel mai bun material pentru matrițe la ambutisarea AHSS?

Pentru majoritatea aplicațiilor AHSS peste 590 MPa, oțelurile pentru scule din metalurgia pulberilor (PM), precum Vanadis 4E, CPM 3V sau calități similare, sunt considerate cea mai bună alegere. Spre deosebire de D2 convențional, oțelurile PM au o microstructură fină și uniformă care oferă tenacitatea necesară pentru a rezista ciobirii, menținând în același timp o înaltă rezistență la compresiune.

2. De ce eșuează oțelul D2 cu AHSS?

Oțelul D2 eșuează în primul rând din cauza microstructurii sale, care conține „benzi de carburi” mari. Atunci când este supus presiunilor ridicate de șoc și contact specifice ambutisării AHSS, aceste benzi acționează ca puncte de concentrare a tensiunii, ducând la fisurarea și ciupirea materialului. De asemenea, oțelul D2 nu are tenacitatea necesară pentru a rezista forțelor de rupere generate de materialele înalte rezistență.

3. Care este diferența dintre acoperirile PVD și CVD pentru matrițele de ambutisare?

Diferența principală constă în temperatura de aplicare. PVD (Depunere Fizică din Fază de Vapor) se aplică la temperaturi mai scăzute (~500°C), ceea ce previne îmblânzirea sau deformarea oțelului sculei. CVD (Depunere Chimică din Fază de Vapor) și TD (Difuzie Termică) se aplică la temperaturi mult mai ridicate (~1000°C), ceea ce creează o legătură metalurgică mai puternică și un strat mai gros, dar necesită recalirea sculei, implicând riscul unei distorsiuni dimensionale.

4. Când ar trebui să folosesc oțel de Metalurgie Pulverulentă (PM) pentru ambutisare?

Ar trebui să treceți la oțelul PM ori de câte ori realizați tăierea tablelor cu o rezistență la tracțiune peste 590 MPa, sau pentru producții pe termen lung din materiale cu rezistență mai mică, acolo unde costurile de întreținere reprezintă o problemă. Oțelul PM este esențial și în orice aplicație care implică geometrii complexe ale matrițelor, acolo unde riscul de fisurare este ridicat.