ZKRATKA

Výber vhodných materiálov die na tvárnenie AHSS vyžaduje zásadnú zmenu voči tradičným stratégiám nástrojov. Pre pokročilé ocele s vysokou pevnosťou (AHSS) s pevnosťou vyššou ako 590 MPa často zlyhávajú bežné nástrojové ocele D2 kvôli nedostatočnej húževnatosti a mikroštrukturálnym nekonzistentnostiam, ako sú reťazce karbidov. Priemyselný konsenzus odporúča prejsť na Práškové nástrojové ocele (napr. Vanadis 4E alebo CPM 3V), ktoré ponúkajú rovnomernú zrnitú štruktúru schopnú odolať vysokým rázovým zaťaženiam bez odlamovania.

Materiál substrátu je však len polovicou úspechu. Na potlačenie extrémneho abrazívneho opotrebovania a priľnavosti typického pre AHSS je nutné správny PM substrát skombinovať s pokročilým povrchovým povlakom – zvyčajne PVD (fyzikálna depozícia z pary) pre presnú údržbu alebo TD (termálna difúzia) pre maximálnu povrchovú tvrdosť. Úspešná straténa výberu koreluje medzi pevnosťou plechu v ťahu priamo s húževnatosťou materiálu nástroja a odolnosťou povlaku proti opotrebeniu.

Výzva AHSS: Prečo konvenčné nástrojové ocele zlyhávajú

Priesťahovanie pokročilých vysokopevnostných ocelí (AHSS) zavádza sily, ktoré sú exponenciálne vyššie ako sily vznikajúce pri tvárnení mäkkej ocele. Zatiaľ čo tvárnenie mäkkej ocele môže vyžadovať relatívne nízky kontaktový tlak, AHSS triedy – najmä Dual Phase (DP) a Martenzitické (MS) ocele – pôsobia obrovský tlakový tlak na povrch nástroja. To vedie k rýchlemu tvrdnutiu plechu počas tvárnenia, čo vytvára situáciu, keď je priesťahovaná súčasť takmer rovnako tvrdá ako nástroj samotný.

Hlavným miestom zlyhania konvenčných nástrojových ocelí pre studené spracovanie, ako je AISI D2, je ich mikroštruktúra. V tradičných oceľach odliatych v ingotoch sa karbidy tvoria vo veľkých, nepravidelných sieťach známych ako „pásky“. Keď sú tieto pásky vystavené vysokému rázovému zaťaženiu pri strihaní ocele s pevnosťou 980 MPa alebo 1180 MPa, pôsobia ako koncentrátory napätia, čo vedie k katastrofálnemu sekanie alebo praskanie . Na rozdiel od strihu mäkkej ocele, kde opotrebovanie je postupné, zlyhanie AHSS je často náhle a štrukturálne.

Ďalej vysoký kontaktový tlak generuje významné teplo, ktoré degraduje štandardné mazadlá a spôsobuje zaškratovania (lepivé opotrebovanie). Ide o jav, pri ktorom sa plech doslova privaruje k povrchu nástroja a odtrháva mikroskopické kúsky formy. Poznatky o AHSS uvádza, že u tried s pevnosťou v ťahu vyššou ako 980 MPa sa režim zlyhania posúva od jednoduchého abrazívneho opotrebenia k zložitým únavovým poruchám, čo robí štandardnú oceľ D2 zastaralou pre vysoké objemy výroby.

Základné triedy materiálov: D2 vs. PM vs. Karbid

Výber materiálu pre dies je kompromis medzi nákladmi, húževnatosťou (odolnosťou voči lupaniu) a odolnosťou proti opotrebovaniu. Pre aplikácie AHSS je hierarchia zrejmá.

Konvenčné nástrojové ocele (D2, A2)

D2 zostáva základom pre tvárnenie mäkkých ocelí vďaka nízkym nákladom a slušnej odolnosti proti opotrebovaniu. Avšak jeho hrubá karbidová štruktúra obmedzuje jeho húževnatosť. Pre aplikácie AHSS sa D2 zvyčajne obmedzuje na prototypovanie alebo malé série nízkoakostných AHSS (pod 590 MPa). Ak sa používa pre vyššie triedy, vyžaduje častú údržbu a často trpí predčasným únavovým zlyhaním.

Ocele z práškovej metalurgie (PM)

Toto je štandard pre modernú výrobu AHSS. PM ocele sa vyrábajú atomizáciou roztavenej kovovej hmoty na jemný prášok, ktorý sa následne viaže za vysokého tepla a tlaku (horúce izostatické lisovanie). Tento proces vytvára rovnomernú mikroštruktúru s jemnými, rovnomerne rozptýlenými karbidmi. Medzi takéto druhy patria Vanadis 4E , CPM 3V , alebo K340 zabezpečujú vysokú odolnosť voči nárazom potrebnú na zabránenie odlučovaniu sa častíc, pričom udržiavajú vynikajúcu tlakovú pevnosť. Štúdia uvádzaná Výrobca demonštrovala, že kým dies z ocele D2 môžu zlyhať po 5 000 cykloch pri ramene riadenia, dies z práškovej ocele pokračovali vo výkone dobre nad 40 000 cyklov.

Hrdé karbídy

Pre najextrémnejšie aplikácie alebo pre špecifické vložky ako sú puncovacie nástroje a matrice je cementovaný karbid najvhodnejší vďaka vynikajúcej odolnosti proti opotrebeniu. Avšak je veľmi krehký. Hoci odoláva abrazívnemu opotrebeniu lepšie ako akákoľvek oceľ, má sklon rozpadnúť sa pod nárazovým zaťažením typickým pre prepnutie AHSS. Najlepšie ho používať v oblastiach s vysokým opotrebením, kde je náraz kontrolovaný, alebo pri tvárnení materiálov s nižšou pevnosťou v ťahu, no abrazívnymi.

Kľúčová úloha povlakov: PVD, CVD a TD

Keďže AHSS je veľmi abrazívny, dokonca aj najlepšia prášková oceľ sa postupne opotrebúva. Povlaky sú nevyhnutné na poskytnutie tvrdej bariéry s nízkym trením, ktorá bráni zasekaniu.

Fyzikálna depozícia z plynnej fázy (PVD) je často uprednostňovaný pre presné matrice, pretože sa aplikuje pri nižších teplotách, čím sa zachováva tepelné spracovanie a rozmerná presnosť podkladu. Je ideálny pre rezné hrany, kde je kritické udržanie ostrého tvaru.

Termálna difúzia (TD) vytvára vrstvu karbidu vanádu, ktorá je nesmierne tvrdá (3000+ HV), čo ju robí referenčným štandardom pre odolnosť proti zasekávaniu pri ťažkých tvárniacich operáciách. Avšak keďže proces prebieha pri austenitizačných teplotách, nástrojová oceľ slúži ako zdroj uhlíka a musí byť znova zahŕňaná. To môže viesť k rozmerným posunom, čo robí TD riskantným pri súčiastkach s tesnými toleranciami, pokiaľ sa s tým nepojde opatrne.

Rámec výberu: Priradenie materiálu k triede AHSS

Rozhodnutie o použitom materiáli by malo byť založené na špecifickej pevnosti v ťahu plechu. So zvyšovaním triedy materiálu sa požiadavky na nástroje posúvajú od jednoduchej odolnosti proti opotrebeniu k odolnosti voči nárazovému zaťaženiu.

• 590 MPa - 780 MPa: Pre nižšie objemy možno použiť konvenčnú oceľ D2, no pre dlhé prevádzkové časy je bezpečnejšia modifikovaná oceľ na studené spracovanie (napr. 8 % Cr) alebo základná PM trieda. Odporúča sa PVD povlak (napr. TiAlN alebo CrN) na zníženie trenia.
• 980 MPa - 1180 MPa: Toto je kritický bod. Oceľ D2 je väčšinou nebezpečná. Musíte použiť húževnatú PM oceľ (napr. Vanadis 4 Extra alebo ekvivalent). Pre tvárnenie častí náchylných na zadrhávanie je veľmi účinný povlak TD. Pre strihanie hrán pomôže PVD povlak na PM podložke udržať ostrie a zároveň odolávať odštiepaniu.
• Vyššie ako 1180 MPa (martenzitická / horúco tvarovaná): Mali by sa použiť iba najodolnejšie PM triedy alebo špecializované matricové rýchlorezné ocele. Príprava povrchu je kritická, a duplexné nátery (nitridácia nasledovaná PVD) sa často používajú na podporu extrémnych povrchových zaťažení.

Je tiež nevyhnutné uvedomiť si, že výber materiálu je len jednou časťou výrobného ekosystému. Pre výrobcov, ktorí prechádzajú od prototypu ku hromadnej výrobe, je životne dôležité spolupracovať so štancovňou, ktorá má vybavenie na manipuláciu s týmito materiálmi. Spoločnosti ako Shaoyi Metal Technology využívajú lisovacie zariadenia s veľkým zdvihom (až do 600 ton) a procesy certifikované podľa IATF 16949, čím prekonávajú priepasť medzi špecifikáciou materiálu a úspešnou výrobou dielov, a zabezpečujú, že zvolené materiály na formy budú v prevádzkových podmienkach fungovať podľa očakávaní.

Odporúčané postupy pri tepelnom spracovaní a príprave povrchu

Aj najdrahší práškový oceľ s prémiovým povlakom zlyhá, ak nie je substrát správne pripravený. Bežným režimom zlyhania je „efekt vejce“, keď sa tvrdý povlak aplikuje na mäkký substrát. Pod tlakom sa substrát deformuje, čo spôsobuje praskanie krehkého povlaku a jeho odlupovanie.

Aby sa tomu zabránilo, musí sa nosná vrstva tepelne spracovať na dostatočnú tvrdosť (zvyčajne 58–62 HRC pre práškové ocele), aby mohla podporiť povlak. Trojité popúšťanie je často vyžadované na premenu zadržanej austenitu a zabezpečenie rozmerovej stability. Ďalej je pred povlakovaním nevyhnutný dokonalý povrchový úprav. Povrch nástroja musí byť leštený na strednú drsnosť (Ra) približne 0,2 µm alebo lepšiu. Akékoľvek brúsne stopy alebo riasy poľahnuté na nástroji sa stanú miestami koncentrácie napätia, ktoré môžu spustiť vznik trhlín alebo ohroziť priľnavosť povlaku.

Nakoniec je potrebné prispôsobiť aj stratégiu údržby. Nie je možné jednoducho brúsiť povlakovaný nástroj za účelom jeho ostrenia, aniž by ste odstránili povlak. U PVD-povlakov musí byť často povlak chemicky odstránený, nástroj naostrý a leštený a potom znovu povlakovaný, aby sa obnovil plný výkon. Tieto náklady životného cyklu je potrebné zohľadniť už pri výbere materiálu pre formu.

Optimalizácia pre dlhodobú výrobu

Prechod na AHSS vyžaduje komplexný prístup k nástrojom. Už nie je postačujúce sa spoľahnúť na „bezpečné“ voľby z minulosti. Inžinieri musia považovať liatinu za kompozitný systém, pri ktorom základný materiál zabezpečuje štrukturálnu pevnosť a povlak zabezpečuje tribologický výkon. Spojením húževnatosti PM ocelí s opotrebovanej odolnosťou moderných povlakov môžu výrobcovia zmeniť výzvu tvarovania materiálov s vysokou pevnosťou na stabilnú a ziskovú prevádzku. Počiatočné náklady na kvalitnejšie materiály sa takmer vždy vrátia znížením výpadkov a nižšími mierami odpadu.

Často kladené otázky

1. Aký je najlepší materiál pre liatiny pri tvárnení AHSS?

Pre väčšinu aplikácií AHSS nad 590 MPa sa za najvhodnejšiu voľbu považujú práškové nástrojové ocele (PM), ako napríklad Vanadis 4E, CPM 3V alebo podobné triedy. Na rozdiel od konvenčnej ocele D2 majú PM ocele jemnú, rovnomernú mikroštruktúru, ktorá poskytuje potrebnú húževnatosť na odolanie lámaniu a zároveň zachováva vysokú tlakovú pevnosť.

2. Prečo zlyháva nástrojová oceľ D2 pri AHSS?

D2 zlyháva hlavne kvôli svojej mikroštruktúre, ktorá obsahuje veľké „karbidové nitkovité výrastky“. Keď sú tieto výrastky vystavené vysokému rázu a kontaktným tlakom pri lisení AHSS, pôsobia ako miesta koncentrácie napätia, čo vedie k praskaniu a lomeniu. Oceľ D2 tiež nemá potrebnú húževnatosť na odolanie silám prelomenia generovaným materiálmi s vysokou pevnosťou.

3. Aký je rozdiel medzi povlakmi PVD a CVD pre lisovacie matrice?

Hlavný rozdiel je teplota aplikácie. PVD (fyzikálna depozícia z plynnej fázy) sa aplikuje pri nižších teplotách (~500 °C), čo bráni zmäkčeniu alebo deformácii nástrojovej ocele. CVD (chemická depozícia z plynnej fázy) a TD (tepelná difúzia) sa aplikujú pri omnoho vyšších teplotách (~1000 °C), čo vytvára silnejšie metalurgické spojenie a hrubší povlak, ale vyžaduje opätovné kalenie nástroja, čo prináša riziko rozmerných deformácií.

4. Kedy by som mal použiť práškovú oceľ (PM) pre lisenie?

Mali by ste prejsť na PM oceľ vždy, keď tlmíte plech s pevnosťou v ťahu vyššou ako 590 MPa, alebo pri dlhodobej výrobe materiálov s nižšou pevnosťou, kde sú náklady na údržbu dôležitým faktorom. PM oceľ je tiež nevyhnutná pre akékoľvek aplikácie zahŕňajúce komplexné geometrie matríce, pri ktorých je vysoké riziko praskania.