POVZETEK

Izbira pravih materialov za orodja pri tiskanju AHSS zahteva osnovni premik od konvencionalnih strategij orodovanja. Pri naprednih visoko trdnih jeklih (AHSS) z več kot 590 MPa standardno orodno jeklo D2 pogosto odpove zaradi nezadostne žilavosti in mikrostrukturnih neenakomernosti, kot so niti karbidov. Strinjanje v industriji kaže na prehod na Orodna jekla iz prašnatega kovinskega materiala (PM) (kot sta Vanadis 4E ali CPM 3V), ki ponujata enakomerno zrnatost strukture, sposobno prenesti visoke udarne obremenitve brez olupljanja.

Vendar je material podlage le polovica bitke. Za boj proti ekstremnemu abrazivnemu obrabljanju in zaleganju, značilnemu za AHSS, morate pravo PM podlago kombinirati z napredno površinsko prevleko—običajno PVD (fizikalno nanos iz pare) za natančno vzdrževanje ali TD (termalna difuzija) za največjo trdoto površine. Uspešna strategija izbire povezuje natezno trdoto pločevine neposredno z udarnostjo orodnega materiala in obratovalno obstojnostjo prevleke.

Izziv AHSS: Zakaj običajni orodni jekla odpovejo

Kovanje naprednih visokotrdih jekel (AHSS) povzroča sile, ki so eksponentno višje kot pri oblikovanju mehkih jekel. Medtem ko mehko jeklo morda zahteva relativno nizki kontakti tlak, izvajajo razredi AHSS – zlasti dvojni fazi (DP) in martenzitična (MS) jekla – ogromni tlačni napetosti na površini orodja. To vodi do hitrega narastanja trdote pločevine med oblikovanjem, kar ustvari stanje, v katerem kovan del postane skoraj tako trd kot orodje samo.

Glavna točka odpovedi pri konvencionalnih orodnih jeklih za hladno obdelavo, kot je npr. AISI D2, je njihova mikrostruktura. Pri tradicionalnih ulitih jeklih se karbidi oblikujejo v velike, nepravilne mreže, znane kot »niti«. Ko so izpostavljene visokemu udarnemu obremenitvam pri prelamanju jekla z trdnostjo 980 MPa ali 1180 MPa, delujejo te niti kot koncentratorji napetosti, kar vodi do katastrofalne krušenje ali razpoke . Za razliko od žaganja mehkega jekla, kjer je obraba postopna, odpoved pri AHSS pogosto nastopi nenadoma in strukturno.

Poleg tega visok kontaktirni tlak ustvarja znatno toploto, ki poslabša standardne mazive in vodi do zlepljenja (lepilne obrabe). To je situacija, ko se lim iz pločevine dejansko zvari na površino orodja in s tem odtrga mikroskopske kosovce kalibrja. Pogledi na AHSS opozarja, da pri sortah z natezno trdnostjo nad 980 MPa odpoved prehaja s preproste abrazivne obrabe na kompleksne utrujene odpovedi, zaradi česar standardno D2 postane zastarelo za visokovolumske serije.

Osnovni razredi materialov: D2 proti PM proti Karbid

Izbira materiala orodja je kompromis med stroški, žilavostjo (upornost proti olomu) in obratovalno odpornostjo. Pri uporabah AHSS je hierarhija razločna.

Konvencionalni orodni jekli (D2, A2)

D2 ostaja osnova za žiganje blagog jekla zaradi nizkih stroškov in primernega upora proti obrabi. Njegova groba karbidska struktura pa omejuje žilavost. Pri uporabah AHSS je D2 praviloma omejen na prototipe ali nizkoproizvodne serije nižjih razredov AHSS (pod 590 MPa). Če se uporablja za višje razrede, zahteva pogosto vzdrževanje in pogosto trpi zaradi zgodnjega utrujenja.

Jekla iz prašnih kovin (PM)

To je standard za sodobno proizvodnjo AHSS. PM jekli se proizvajajo z atomizacijo raztaljenega kovine v fine delce, ki se nato vežujejo pod visoko temperaturo in tlakom (vroče izostatiško prešanje). Ta postopek ustvari enakomerno mikrostrukturo z drobnimi, enakomerno porazdeljenimi karbidi. Sorte kot so Vanadis 4E , CPM 3V , ali K340 zagotavljajo visoko udarno žilavost, potrebno za preprečevanje lupljenja, hkrati pa ohranjajo odlično tlačno trdnost. Študija, navedena v Izdelovalec je pokazala, da bi se orodja D2 lahko poškodovala po 5.000 ciklusih pri delu z vzvodnim drogom, medtem ko so orodja iz PM jekla še naprej delovala brez težav tudi po več kot 40.000 ciklusih.

Sintezična karbida

Za najbolj ekstremne aplikacije ali za določene vstavke, kot so bati in matrice, karbidno vezani karbidi ponujajo nadpovprečno odpornost proti obrabi. Vendar so izjemno krhki. Čeprav premorejo najboljšo odpornost proti abrazivni obrabi med vsemi jekli, so nagnjeni k razbitju ob udarnih obremenitvah, ki so tipične pri prodoru AHSS. Najbolje jih je uporabljati za območja z visoko obrabo, kjer je udarna obremenitev nadzorovana, ali za oblikovanje materialov z nižjo natezno trdnostjo, a visoko abrazivnostjo.

Ključna vloga prevlek: PVD, CVD in TD

Ker je AHSS zelo abraziven, se tudi najboljše PM jeklo sčasoma obrabi. Prevleke so nujne za zagotavljanje trde, nizkostranske ovire, ki preprečuje zalepljanje.

Naložba fizikalne pare (PVD) je pogosto prednostna izbira za natančne orodne plošče, ker se nanosi pri nižjih temperaturah, s čimer ohranja toplotno obdelavo podlage in dimenzijsko natančnost. Idealna je za režeče robove, kjer je ključnega pomena ohranjanje ostre geometrije.

Toplotna difuzija (TD) ustvari sloj vanadijevega karbida, ki je izjemno trd (3000+ HV) in ga tako uvršča med najboljše rešitve za odpor proti zalepljanju pri težkih oblikovalnih procesih. Ker pa proces poteka pri austenitizacijskih temperaturah, orodna jekla delujejo kot vir ogljika in jih je treba ponovno zakaliti. To lahko povzroči dimenzijske spremembe, zaradi česar je uporaba TD postopka tvegana pri komponentah z majhnimi dopustnimi odstopanji, razen če se zadeva skrbno nadzoruje.

Okvir za izbiro: Ujemanje materiala s stopnjo AHSS

Odločitev o tem, kateri material uporabiti, mora biti odvisna od specifične natezne trdnosti pločevine. Ko se stopnja materiala povečuje, se zahteva po orodju spremeni od preproste odpornosti proti obrabi do udarne žilavosti.

• 590 MPa - 780 MPa: Za nižje količine je mogoče uporabiti konvencionalno D2, vendar je za dolge serije varnejša modificirana hladno orodna jekla (npr. 8 % Cr) ali osnovna PM različica. Priporočljivo je PVD prevleko (npr. TiAlN ali CrN), da zmanjša trenje.
• 980 MPa - 1180 MPa: To je prelomna točka. D2 je večinoma nevarno. Uporabiti morate žilavo PM jeklo (npr. Vanadis 4 Extra ali ekvivalent). Za oblikovanje površin, ki so nagnjene k zalepljanju, je TD prevleka zelo učinkovita. Za rezalne robove pomaga PVD prevleka na PM podlagi ohraniti rob in hkrati upirati lomljenju.
• Nad 1180 MPa (martenzitno/vroče oblikovano): Uporabljati je treba le najbolj žilave PM razrede ali specializirana matična hitrorezna jekla. Priprava površine je ključna, in duplikatne prevleke (nitriranje, ki mu sledi PVD) se pogosto uporabljajo za podporo ekstremnim obremenitvam površin.

Prav tako je ključno razumeti, da je izbira materiala le en del proizvodnega ekosistema. Za proizvajalce, ki povečujejo obsege proizvodnje od prototipa do serijske izdelave, je pomembno sodelovati s podjetjem za žigosanje, ki ima opremo za obdelavo teh materialov. Podjetja, kot je Shaoyi Metal Technology uporabljajo presse z visokim tonажo (do 600 tonov) in procese, certificirane po IATF 16949, da premostijo vrzel med specifikacijo materiala in uspešno izdelavo dele, ter zagotovijo, da izbrani materiali orodij delujejo, kot je predvideno, pri dejanskih proizvodnih pogojih.

Najboljše prakse za toplotno obdelavo in pripravo površine

Tudi najdražja PM jekla s premium prevleko odpovejo, če podlaga ni ustrezno pripravljena. Pogost način versanja je »učinek lupine jajca«, ko se trda prevleka nanaša na mehko podlago. Pod tlakom se podlaga deformira, kar povzroči razpoke v krhki prevleki in njeno odluščevanje.

Za preprečevanje tega mora biti podlaga toplotno obdelana na dovolj trdoto (običajno 58–62 HRC za PM jekle), da lahko podpre prevleko. Trojno natekanje je pogosto potrebno za pretvorbo ostanjenega avstenita in zagotovitev dimenzijske stabilnosti. Poleg tega je površinska obdelava pred nanosom prevleke nesporna. Površina orodja mora biti polirana na povprečno hrapavost (Ra) približno 0,2 µm ali boljšo. Vsaka brusna sled ali brazda, ki ostane na orodju, postane mesto za začetek nastanka napetosti, kar lahko povzroči razpoke ali slabšo oprijem prevleke.

Nazadnje morajo biti prilagojene strategije vzdrževanja. Ne morete preprosto brušiti prevlečenega orodja za zaostritev, ne da bi odstranili prevleko. Za orodja s PVD-prevleko se mora prevleka pogosto odstraniti kemično, nato zaostriti in polirati orodje ter ponovno nanesti prevleko, da se obnovi polna zmogljivost. Ta strošek življenjske dobe mora biti upoštevan že pri izbiri izvornega materiala kalupa.

Optimizacija za dolgoročno proizvodnjo

Prehod na AHSS zahteva celostni pristop k orodji. Ni dovolj več, da se zanašamo na »varen« izbor iz preteklosti. Inženirji morajo obravnavati orodno jeklo kot sestavni sistem, kjer podlaga zagotavlja strukturno trdnost in prevleka zagotavlja tribološko zmogljivost. Z ujemanjem žilavosti PM jekel s obratovalno odpornostjo sodobnih prevlek, proizvajalci lahko spremenijo izziv žiganja visoko trdnih materialov v dosledno, dobičkonosen proces. Predhodni stroški premijskih materialov se skoraj vedno povrnejo prek zmanjšanega izstanka in nižjih stroškov odpadkov.

Pogosta vprašanja

1. Kateri je najboljši material orodja za žiganje AHSS?

Za večino aplikacij AHSS nad 590 MPa se smatra, da so najboljša izbira orodna jekla iz prašnega kovinstva (PM), kot so Vanadis 4E, CPM 3V ali podobni razredi. Za razliko od konvencionalnega D2, PM jekla imajo drobno, enakomerno mikrostrukturo, ki zagotavlja potrebno žilavost za upiranje odlomov, hkrati ohranjajo visoko tlačno trdnost.

2. Zakaj D2 orodna jekla odpovejo pri AHSS?

D2 odpove predvsem zaradi svoje mikrostrukture, ki vsebuje velike »verige karbidov«. Ko so izpostavljene visokemu udarnemu in kontaktnemu tlaku pri žigosanju AHSS, delujejo te verige kot točke koncentracije napetosti, kar vodi do razpok in olomov. D2 prav tako nima potrebne žilavosti za prenašanje sil prebivanja, ki jih ustvarjajo visoko trdne materiale.

3. Kakšna je razlika med PVD in CVD prevlečnimi sistemih za žigovalne matrice?

Glavna razlika je temperatura nanašanja. PVD (fizikalno ločevanje iz pare) se nanese pri nižjih temperaturah (~500 °C), kar preprečuje mehčanje ali deformacijo orodnega jekla. CVD (kemično ločevanje iz pare) in TD (toplotna difuzija) se uporabljata pri veliko višjih temperaturah (~1000 °C), kar ustvari močnejšo metalurško vez in debelejšo prevleko, vendar zahteva ponovno zakalenje orodja, kar pomeni tveganje dimensionalnih deformacij.

4. Kdaj naj uporabim prašno metalurgijo (PM) jeklo za žigosanje?

Če ste pripravljeni na stampiranje pločevin s trdnostjo v natezanju nad 590 MPa ali za dolgotrajno proizvodnjo materialov z manjšo trdnostjo, pri katerih so stroški vzdrževanja zaskrbljujoči, morate preiti na PM jeklo. PM jeklo je tudi bistveno za vse aplikacije, ki vključujejo zapletene geometrije, kjer je tveganje za razpokanje veliko.