Краткое содержание

Выбор правильных материалов для штампов при штамповке AHSS требует принципиального отхода от традиционных стратегий инструмов. Для сталей повышенной прочности (AHSS) с пределом прочности свыше 590 МПа стандартная инструментальная сталь D2 зачастую оказывается недостаточной из-за низкой вязкости и неоднородной структуры, например, прослоек карбида. Промышленный консенсус заключается в переходе на Инструментальные стали метода порошковой металлургии (PM) (такие как Vanadis 4E или CPM 3V), которые обеспечивают однородную зернистую структуру, способную выдерживать высокие ударные нагрузки без скалывания.

Однако выбор материала основы — только половина успеха. Для борьбы с сильным абразивным износом и заеданием, типичными для AHSS, необходимо сочетать правильный PM-материал основы с передовым покрытием поверхности — обычно PVD (физическое осаждение из паровой фазы) для точного технического обслуживания или TD (термодиффузионное покрытие) для максимальной твердости поверхности. Успешная стратегия выбора напрямую связывает предел прочности листового металла с вязкостью материала штампа и износостойкостью покрытия.

Вызов AHSS: почему conventionalные инструментальные стали терпят неудачу

Штамповка высокопрочной стали (AHSS) создает усилия, которые экспоненциально выше, чем при формовке углеродистой стали. В то время как углеродистая сталь может требовать относительно низкого контактного давления, марки AHSS — особенно двухфазные (DP) и мартенситные (MS) стали — создают огромное сжимающее напряжение на поверхности штампа. Это приводит к быстрому упрочнению листового материала в процессе формования, создавая ситуацию, при которой штампуемая деталь становится почти такой же твердой, как сам инструмент.

Основная точка отказа традиционных инструментальных сталей для холодной обработки, таких как AISI D2, — это их микроструктура. В традиционных слитках сталь образует крупные нерегулярные сети карбидов, известные как «протяжённые включения». При воздействии высокого ударного усилия при пробивке стали с прочностью 980 МПа или 1180 МПа эти включения действуют как концентраторы напряжений, приводя к катастрофическому сколы или трещины . В отличие от штамповки мягкой стали, где износ происходит постепенно, отказ при обработке сверхвысокопрочной стали (AHSS) зачастую внезапен и носит структурный характер.

Кроме того, высокое контактное давление вызывает значительный нагрев, что приводит к деградации стандартных смазочных материалов и возникновению заедания (адгезионного износа). При этом листовой металл буквально приваривается к поверхности инструмента, вырывая микроскопические частицы матрицы. AHSS Insights отмечает, что для марок с пределом прочности выше 980 МПа механизм отказа изменяется от простого абразивного износа к сложным усталостным разрушениям, что делает стандартную сталь D2 устаревшей для серийного производства.

Основные классы материалов: D2 против ПМ против Карбида

Выбор материала матрицы представляет собой компромисс между стоимостью, вязкостью (устойчивостью к выкрашиванию) и износостойкостью. Для применений AHSS приоритеты выражены особенно чётко.

Традиционные инструментальные стали (D2, A2)

D2 остаётся базовым вариантом для штамповки мягких сталей благодаря низкой стоимости и удовлетворительной износостойкости. Однако его грубая карбидная структура ограничивает вязкость. В применениях AHSS сталь D2, как правило, ограничивается прототипированием или малыми сериями низшего класса AHSS (до 590 МПа). При использовании для более высоких классов требуется частое техническое обслуживание, а также часто возникает преждевременный усталостный излом.

Стали порошковой металлургии (PM)

Это стандарт современного производства изделий из AHSS. Порошковые стали производятся путём распыления расплавленного металла в мелкий порошок, а затем спекания под высокой температурой и давлением (горячее изостатическое прессование). Данный процесс создаёт однородную микроструктуру с мелкими, равномерно распределёнными карбидами. Такие марки, как Vanadis 4E , CPM 3V , или K340 обеспечивают высокую ударную вязкость, необходимую для предотвращения образования сколов, сохраняя при этом отличную прочность на сжатие. Исследование, приведённое Изготовитель показало, что, хотя матрицы из стали D2 могут выйти из строя после 5000 циклов при работе с деталью рычага подвески, матрицы из порошковой стали продолжали надёжно работать свыше 40 000 циклов.

Цементированный карбид

Для наиболее экстремальных применений или для конкретных вставок, таких как пуансоны и матричные втулки, цементированный карбид обеспечивает превосходную износостойкость. Однако он чрезвычайно хрупкий. Хотя он лучше сопротивляется абразивному износу, чем любая сталь, он склонен к разрушению под динамическими нагрузками, типичными для пробивки высокопрочных сталей. Его лучше использовать в зонах с высоким износом, где ударные нагрузки контролируются, либо для формовки материалов с низким пределом прочности, но обладающих абразивными свойствами.

Ключевая роль покрытий: PVD, CVD и TD

Поскольку высокопрочные стали обладают высокой абразивностью, даже самая качественная порошковая сталь со временем изнашивается. Покрытия необходимы для создания твёрдого барьера с низким коэффициентом трения, предотвращающего заедание.

Физическое парообразное осаждение (PVD) часто предпочтительнее для прецизионных матриц, поскольку наносится при более низких температурах, сохраняя термообработку основы и размерную точность. Идеально подходит для режущих кромок, где критически важно сохранение острой геометрии.

Термодиффузия (TD) создает слой карбида ванадия, который отличается исключительной твердостью (3000+ HV), что делает его эталоном по устойчивости к заеданию при тяжелых операциях формования. Однако, поскольку процесс происходит при аустенитизирующих температурах, инструментальная сталь служит источником углерода и должна быть повторно закалена. Это может привести к изменению размеров, что делает метод TD рискованным для компонентов с жесткими допусками, если он не контролируется должным образом.

Фреймворк выбора: Соответствие материала марке AHSS

Выбор материала должен основываться на конкретной прочности листового металла при растяжении. По мере повышения класса материала требования к инструмальной оснастке меняются от простой износостойкости к ударной вязкости.

• 590 МПа - 780 МПа: Для небольших объёмов можно использовать традиционную сталь D2, однако для длительных производственных циклов безопаснее применять модифицированную сталь для холодной обработки (например, с 8% хрома) или базовую марку измельчённой стали (PM). Рекомендуется использовать PVD-покрытие (например, TiAlN или CrN) для снижения трения.
• 980 МПа - 1180 МПа: Это критический порог. Сталь D2 в большинстве случаев небезопасна. Необходимо использовать вязкую сталь PM (например, Vanadis 4 Extra или эквивалентную). Для формовочных участков, склонных к заеданию, TD-покрытие является высокоэффективным решением. Для режущих кромок PVD-покрытие на основе PM помогает сохранить остроту кромки и устойчивость к скалыванию.
• Выше 1180 МПа (Мартенсит/горячего штампования): Должны применяться только марки PM с наивысшей вязкостью или специализированные матричные стали быстрорежущего типа. Подготовка поверхности имеет критическое значение, и дуплексные покрытия (нитрирование с последующим PVD) часто используются для обеспечения экстремальных поверхностных нагрузок.

Также важно понимать, что выбор материала — это лишь одна часть производственной экосистемы. Для производителей, переходящих от прототипов к массовому производству, критически важно сотрудничать с производителем штамповки, который обладает оборудованием, способным работать с этими материалами. Компании, такие как Shaoyi Metal Technology используют прессы с высоким усилием (до 600 тонн) и процессы, сертифицированные по IATF 16949, чтобы преодолеть разрыв между спецификацией материала и успешным изготовлением деталей, гарантируя, что выбранные материалы для матриц будут работать в соответствии с ожиданиями в условиях производства.

Рекомендованные практики термообработки и подготовки поверхности

Даже самая дорогая порошковая сталь с премиальным покрытием выйдет из строя, если основа не будет правильно подготовлена. Распространённый тип отказа — «эффект яичной скорлупы», когда твёрдое покрытие наносится на мягкий субстрат. Под давлением субстрат деформируется, вызывая растрескивание хрупкого покрытия и его отслоение.

Для предотвращения этого основу необходимо подвергнуть термообработке до достаточной твёрдости (обычно 58–62 HRC для порошковых сталей), чтобы обеспечить поддержку покрытия. Тройная отпускка часто требуется для преобразования остаточного аустенита и обеспечения размерной стабильности. Кроме того, качество поверхности перед нанесением покрытия является обязательным. Поверхность инструмента должна быть отполирована до среднего значения шероховатости (Ra) примерно 0,2 мкм или лучше. Любые следы шлифовки или царапины, оставшиеся на инструменте, становятся концентраторами напряжений, которые могут вызвать образование трещин или ухудшить сцепление покрытия.

Наконец, стратегии обслуживания должны быть скорректированы. Вы не можете просто шлифовать покрытый инструмент для его заточки, не удалив при этом покрытие. Для инструментов с PVD-покрытием покрытие зачастую необходимо химически удалить, затем заточить и отполировать инструмент и после этого нанести покрытие заново, чтобы восстановить его полные эксплуатационные характеристики. Эти расходы в течение всего жизненного цикла должны учитываться при первоначальном выборе материала матрицы.

Оптимизация для долгосрочного производства

Переход к АНЛС требует комплексного подхода к инструментам. Больше нельзя полагаться на «безопасные» решения прошлого. Инженеры должны рассматривать штамп как композитную систему, где основа обеспечивает структурную целостность, а покрытие — трибологические характеристики. Комбинируя вязкость порошковых сталей с износостойкостью современных покрытий, производители могут превратить задачу штамповки высокопрочных материалов в стабильный и прибыльный процесс. Первоначальные затраты на высококачественные материалы почти всегда окупаются за счёт сокращения простоев и снижения уровня брака.

Часто задаваемые вопросы

1. Какой материал штампа наилучшим образом подходит для штамповки АНЛС?

Для большинства применений АНЛС выше 590 МПа наилучшим выбором считаются порошковые инструментальные стали (PM), такие как Vanadis 4E, CPM 3V или аналогичные марки. В отличие от традиционной стали D2, порошковые стали обладают мелкой и однородной микроструктурой, которая обеспечивает необходимую вязкость для предотвращения выкрашивания при сохранении высокой прочности на сжатие.

2. Почему инструментальная сталь D2 терпит неудачу при работе с AHSS?

D2 терпит неудачу в первую очередь из-за своей микроструктуры, содержащей крупные «карбидные полосы». При воздействии высоких ударных и контактных давлений при штамповке AHSS эти полосы действуют как точки концентрации напряжений, что приводит к образованию трещин и сколов. Сталь D2 также не обладает необходимой вязкостью для противостояния усилиям прорыва, создаваемым высокопрочными материалами.

3. В чем разница между покрытиями PVD и CVD для штампов?

Основное различие заключается в температуре нанесения. PVD (физическое паровое осаждение) наносится при более низких температурах (~500°C), что предотвращает размягчение или деформацию инструментальной стали. CVD (химическое паровое осаждение) и TD (термическая диффузия) наносятся при значительно более высоких температурах (~1000°C), что обеспечивает более прочную металлургическую связь и более толстое покрытие, но требует перетермической обработки инструмента, что создает риск размерной деформации.

4. Когда следует использовать сталь из порошковой металлургии (PM) для штамповки?

Вам следует перейти на порошковую сталь, если вы штампуете листовой металл с пределом прочности выше 590 МПа, или при длительном производстве материалов с более низкой прочностью, когда вопросы стоимости обслуживания имеют значение. Порошковая сталь также необходима для любых применений со сложной геометрией матриц, где высок риск растрескивания.