สรุปสั้นๆ

การเลือกวัสดุแม่พิมพ์ที่เหมาะสมสำหรับการขึ้นรูป AHSS จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานจา strategi การทำแม่พิมพ์แบบดั้งเดิม สำหรับเหล็กความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) ที่มีความแข็งเกิน 590 MPa เหล็กเครื่องมือ D2 มาตรฐานมักล้มเหลวเนื่องจากความเหนียวไม่เพียงพอ และความไม่สม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค เช่น คาร์ไบด์สตริงเกอร์ อุตสาหกรรมเห็นพ้องกันว่าควรอัปเกรดไปใช้ เหล็กเครื่องมือแบบโลหะผง (PM) (เช่น Vanadis 4E หรือ CPM 3V) ซึ่งมีโครงสร้างเกรนที่สม่ำเสมอ สามารถทนต่อแรงกระแทกสูงโดยไม่แตกร้าวหรือแตกหัก

อย่างไรก็ตาม วัสดุพื้นฐานเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอในการแก้ปัญหา ในการต่อต้านการสึกหรอแบบขัดถูและกาลลิ่งที่พบได้บ่อยใน AHSS คุณจำเป็นต้องจับคู่วัสดุพื้นฐาน PM ที่ถูกต้องเข้ากับการเคลือบผิวขั้นสูง โดยทั่วไปจะเป็น PVD (Physical Vapor Deposition) สำหรับการบำรุงรักษาอย่างแม่นยำ TD (Thermal Diffusion) เพื่อให้ได้ความแข็งผิวสูงสุด กลยุทธ์การคัดเลือกที่ประสบความสำเร็จจะต้องเชื่อมโยงความต้านทานแรงดึงของแผ่นโลหะเข้ากับความเหนียวของวัสดุแม่พิมพ์ และความต้านทานการสึกหรอของชั้นเคลือบโดยตรง

ความท้าทายของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง: เหตุใดเหล็กกล้าแม่พิมพ์แบบเดิมจึงล้มเหลว

การขึ้นรูปเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) ก่อให้เกิดแรงที่สูงกว่าการขึ้นรูปเหล็กกล้าอ่อนหลายเท่า แม้ว่าเหล็กกล้าอ่อนอาจต้องใช้แรงกดผิวต่ำในระดับหนึ่ง แต่เหล็กกล้า AHSS โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกรด Dual Phase (DP) และ Martensitic (MS) จะสร้างแรงอัดมหาศาลต่อพื้นผิวแม่พิมพ์ ส่งผลให้วัสดุแผ่นโลหะเกิดการแข็งตัวจากการแปรรูปอย่างรวดเร็ว จนกลายเป็นสถานการณ์ที่ชิ้นงานที่ถูกขึ้นรูปมีความแข็งใกล้เคียงกับเครื่องมือเอง

จุดเสียหายหลักของเหล็กเครื่องมือสำหรับงานเย็นแบบดั้งเดิม เช่น AISI D2 คือโครงสร้างจุลภาคของมัน ในเหล็กที่หล่อจากเตาแบบดั้งเดิม คาร์ไบด์จะก่อตัวเป็นเครือข่ายขนาดใหญ่และไม่สม่ำเสมอ ซึ่งเรียกว่า "สตริงเกอร์" (stringers) เมื่อถูกแรงกระแทกจากการตัดผ่านเหล็กที่มีความแข็งแรง 980 MPa หรือ 1180 MPa สตริงเกอร์เหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นจุดรวมแรงดึงดูด จนนำไปสู่การแตกหักอย่างรุนแรง การแตกร้าวหรือการแตกร้าว ในทางตรงกันข้ามกับการตอกแผ่นเหล็กกล้าอ่อน ซึ่งการสึกหรอจะค่อยเป็นค่อยไป การเสียหายของ AHSS มักเกิดขึ้นอย่างฉับพลันและมีลักษณะเป็นโครงสร้าง

ยิ่งไปกว่านั้น แรงดันสัมผัสที่สูงจะสร้างความร้อนอย่างมาก ซึ่งทำให้สารหล่อลื่นทั่วไปเสื่อมสภาพ และนำไปสู่ การเกิดรอยยึดติด (galling) (การสึกหรอด้วยการยึดเกาะ) ซึ่งในกรณีนี้แผ่นโลหะจะเชื่อมติดกับพื้นผิวเครื่องมือโดยตรง จนเกิดการฉีกขาดของชิ้นส่วนเล็กๆ ของแม่พิมพ์ออกไป ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับ AHSS ระบุว่าสำหรับเกรดที่มีความแข็งแรงดึงสูงกว่า 980 MPa รูปแบบการเสียหายจะเปลี่ยนจากการสึกหรอแบบขัดถูธรรมดา ไปเป็นการล้มเหลวจากความเหนื่อยล้าที่ซับซ้อน ทำให้ D2 แบบมาตรฐานใช้ไม่ได้ผลในการผลิตจำนวนมาก

กลุ่มวัสดุแกนกลาง: D2 เทียบกับ PM เทียบกับ Carbide

การเลือกวัสดุทำแม่พิมพ์เป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุน ความเหนียว (ความต้านทานต่อการแตกร้าว) และความต้านทานต่อการสึกหรอ สำหรับการใช้งานกับ AHSS ลำดับความสำคัญจะชัดเจน

เหล็กกล้าเครื่องมือแบบธรรมดา (D2, A2)

D2 ยังคงเป็นมาตรฐานอ้างอิงสำหรับงานขึ้นรูปเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและทนต่อการสึกหรอได้ดีพอสมควร อย่างไรก็ตาม โครงสร้างคาร์ไบด์หยาบของมันจำกัดความเหนียว สำหรับการใช้งานกับ AHSS โดยทั่วไป D2 จะถูกจำกัดเฉพาะการใช้ในการทำต้นแบบหรืองานผลิตปริมาณน้อยของ AHSS ระดับต่ำ (ต่ำกว่า 590 MPa) หากนำไปใช้กับเกรดที่สูงกว่านี้ จะต้องบำรุงรักษาบ่อยครั้ง และมักประสบปัญหาความล้มเหลวจากการเหนื่อยล้าในระยะเริ่มต้น

เหล็กที่ผลิตด้วยกระบวนการโลหะผง (PM)

นี่คือมาตรฐานสำหรับการผลิต AHSS ในยุคปัจจุบัน เหล็กกล้า PM ผลิตโดยการพ่นละอองโลหะเหลวให้เป็นผงละเอียด จากนั้นจึงอัดประสานภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง (Hot Isostatic Pressing) กระบวนการนี้สร้างไมโครสตรัคเจอร์ที่สม่ำเสมอพร้อมคาร์ไบด์ขนาดเล็กที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ รุ่นต่างๆ เช่น Vanadis 4E , CPM 3V , หรือ K340 ให้ความเหนียวที่มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูง เพื่อป้องกันการแตกร้า ขณะยังคงรักษาความต้านทานอัดที่ยอดเยี่ยม งานวิจัยที่อ้างอิงโดย ผู้สร้าง แสดงว่าในขณะที่แม่พิมพ์ D2 อาจล้มเหลวหลัง 5,000 รอบไซล์บนชิ้นส่วนแขนควบคุม แต่แม่พิมพ์เหล็ก PM ยังคงทำงานได้ดีเกิน 40,000 รอบไซล์

คาร์ไบด์ประสาน

สำหรับการใช้งานที่รุนแรงสุด หรือสำหรับอินเสิร์ทเฉพาะ เช่น ตอกและปุ่มได คาร์ไบด์เชื่อมซีเมนต์ให้ความต้านทานการสึกหรอที่เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม มันเปราะเป็นพิเศษ ถึงแม้มันต้านทานการสึกหรอแบบกัดกร่อนดีกว่าเหล็กใดๆ แต่มันมีแนวโน้มที่จะแตกเมื่อรับแรงกระแทกที่มักเกิดในกระบวนการ AHSS snap-through ดังนั้นควรใช้ในพื้นที่ที่สึกหรอมาก โดยต้องจัดการแรงกระแทกอย่างเหมาะสม หรือใช้ในการขึ้นรูปวัสดุที่มีความยืดหยุ่นต่ำแต่มีฤทธิ์กัดกร่อน

บทบาทสำคัญของเคลือบผิว: PVD, CVD และ TD

เนื่องจาก AHSS มีฤทธิ์กัดกร่อนอย่างรุนแรง แม้แม่พิมพ์เหล็ก PM ดีที่สุดก็จะสึกหรอในท้ายที่สุด เคลือบผิวจึงจำเป็นเพื่อสร้างชั้นป้องกันที่แข็งและมีแรงเสียดทานต่ำ ซึ่งช่วยป้องกันการติด (galling)

การสะสมฟิล์มบางด้วยการระเหยทางกล (Physical Vapor Deposition: PVD) มักถูกเลือกใช้กับแม่พิมพ์ความแม่นยำเพราะสามารถนำไปใช้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า จึงรักษาระบบการบำบัดความร้อนและค่าความแม่นยำทางมิติของวัสดุฐานได้ เป็นทางเลือกที่เหมาะสำหรับคมตัดที่ต้องคงรูปร่างเรียวแหลมไว้อย่างแม่นยำ

Thermal Diffusion (TD) สร้างชั้นคาร์ไบด์วานาเดียมที่มีความแข็งสูงมาก (3000+ HV) ทำให้เป็นมาตรฐานทองคำในการต้านทานการเกิด galling ในการขึ้นรูปหนัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิออสเทนไนต์ ทำให้เหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือทำหน้าที่เป็นแหล่งคาร์บอน และจำเป็นต้องทำให้แข็งใหม่อีกครั้ง ซึ่งอาจก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมิติ ส่งผลให้ TD มีความเสี่ยงเมื่อใช้กับชิ้นส่วนที่ต้องการความแม่นยำสูง หากไม่มีการควบคุมอย่างระมัดระวัง

กรอบการคัดเลือก: การจับคู่วัสดุกับเกรด AHSS

การตัดสินใจเลือกวัสดุควรพิจารณาจากความต้านทานแรงดึงเฉพาะของแผ่นโลหะ โดยเมื่อเกรดของวัสดุเพิ่มขึ้น ความต้องการของแม่พิมพ์จะเปลี่ยนจากความต้านทานการสึกหรอธรรมดา ไปเป็นความเหนียวต่อแรงกระแทก

• 590 MPa - 780 MPa: สามารถใช้ D2 แบบทั่วไปได้สำหรับปริมาณงานต่ำ แต่เพื่อความปลอดภัยในการผลิตจำนวนมาก ควรใช้เหล็กกล้าเย็นที่ปรับปรุงแล้ว (เช่น 8% Cr) หรือเกรดพื้นฐานแบบ PM นอกจากนี้ ควรใช้เคลือบผิว PVD (เช่น TiAlN หรือ CrN) เพื่อลดแรงเสียดทาน
• 980 MPa - 1180 MPa: นี่คือจุดเปลี่ยน D2 ถือว่าไม่ปลอดภัยอีกต่อไป จำเป็นต้องใช้เหล็กกล้า PM ที่มีความเหนียวสูง (เช่น Vanadis 4 Extra หรือเทียบเท่า) สำหรับงานขึ้นรูปที่มีแนวโน้มเกิดการติดแน่น ควรใช้ชั้นเคลือบ TD ซึ่งมีประสิทธิภาพสูง ส่วนงานตัดขอบ ควรใช้ชั้นเคลือบ PVD บนพื้นผิว PM เพื่อรักษาคมขอบและทนต่อการแตกร้าว
• มากกว่า 1180 MPa (มาร์เทนไซติก/ร้อนสเตมป์): ควรใช้เฉพาะเกรด PM ที่มีความเหนียวสูงสุด หรือเหล็กความเร็วสูงชนิดพิเศษเท่านั้น การเตรียมพื้นผิวมีความสำคัญอย่างยิ่ง และ duplex coatings (การไนไตรด์ตามด้วย PVD) มักถูกนำมาใช้เพื่อรองรับแรงที่ผิวสัมผัสอย่างรุนแรง

นอกจากนี้ยังสำคัญที่ต้องตระหนักว่า การเลือกวัสดุเป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบนิเวศการผลิตเท่านั้น สำหรับผู้ผลิตที่ขยายการผลิตจากต้นแบบไปสู่การผลิตจำนวนมาก การร่วมมือกับผู้ผลิตชิ้นส่วนโดยการตอก (stamper) ที่มีอุปกรณ์พร้อมจัดการวัสดุเหล่านี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง บริษัทต่างๆ เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ ใช้เครื่องอัดไฮดรอลิกกำลังสูง (สูงสุดถึง 600 ตัน) และกระบวนการที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 เพื่อเติมเต็มช่องว่างระหว่างข้อกำหนดของวัสดุกับการผลิตชิ้นส่วนที่ประสบความสำเร็จ ทำให้มั่นใจได้ว่าวัสดุแม่พิมพ์ที่เลือกจะทำงานได้ตามที่ออกแบบไว้ภายใต้เงื่อนไขการผลิตจริง

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการอบความร้อนและการเตรียมผิว

แม้แต่เหล็กผง (PM steel) ที่มีราคาแพงที่สุดและเคลือบผิวคุณภาพสูง ก็อาจเกิดความล้มเหลวได้หากพื้นฐานของวัสดุไม่ได้รับการเตรียมอย่างเหมาะสม รูปแบบความล้มเหลวทั่วไปคือ "ปรากฏการณ์เปลือกไข่" โดยที่มีการเคลือบผิวแข็งลงบนพื้นผิววัสดุอ่อน เมื่อมีแรงกดกระทำ พื้นผิววัสดุจะเปลี่ยนรูป ทำให้ชั้นเคลือบที่เปราะบางแตกและลอกออก

เพื่อป้องกันสิ่งนี้ วัสดุพื้นฐานจะต้องได้รับการอบความร้อนให้มีความแข็งเพียงพอ (โดยทั่วไปอยู่ที่ 58-62 HRC สำหรับเหล็กกล้าผง) เพื่อรองรับชั้นเคลือบ การอบคืนสามครั้ง มักจำเป็นเพื่อเปลี่ยนแปลงออสเทไนต์ที่คงเหลือ และเพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพของขนาด นอกจากนี้ การตกแต่งผิวหน้าก่อนการเคลือบต้องทำอย่างเคร่งครัด พื้นผิวของแม่พิมพ์จะต้องขัดเงาให้มีค่าความหยาบเฉลี่ย (Ra) ประมาณ 0.2 ไมครอน หรือดีกว่านี้ รอยขัดหรือรอยขีดข่วนใดๆ ที่เหลืออยู่บนแม่พิมพ์จะกลายเป็นจุดรวมแรงที่อาจทำให้เกิดรอยแตก หรือทำให้การยึดเกาะของชั้นเคลือบเสื่อมลง

สุดท้ายนี้ กลยุทธ์การบำรุงรักษาจะต้องได้รับการปรับเปลี่ยน คุณไม่สามารถขัดแม่พิมพ์ที่มีการเคลือบเพื่อให้คมขึ้นได้ โดยไม่ต้องกำจัดชั้นเคลือบออกก่อน สำหรับเครื่องมือที่เคลือบด้วยวิธี PVD มักจำเป็นต้องกำจัดชั้นเคลือบออกทางเคมี จากนั้นจึงทำการลับและขัดเงาเครื่องมือใหม่ ก่อนจะนำไปเคลือบซ้ำเพื่อฟื้นฟูสมรรถนะเต็มที่ ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานเช่นนี้จำเป็นต้องนำมาพิจารณาประกอบการเลือกวัสดุแม่พิมพ์ตั้งแต่แรกเริ่ม

การปรับแต่งเพื่อการผลิตในระยะยาว

การเปลี่ยนผ่านสู่ AHSS จำต้องใช้แนวทางที่ครอบคลุมทั้งระบบสำหรับเครื่องมือ ไม่เพียงพออีกแล้วที่จะพึ่งพาตัวเลือกที่ "ปลอดภัย" แบบในอดีต อีกต่อไป วิศวกรจำต้องมองแม่พิมพ์เป็นระบบที่ประกอบจากหลายส่วน ซึ่งวัสดุชั้นแกนให้ความมั่นคงทางโครงสร้าง ในขณะที่ชั้นเคลือบให้สมรรถนะทางเสี้ยน ด้วยการจับคู่ความเหนียวของเหล็กเครื่องมือแบบ PM กับความต้านทานการสึกหรอของชั้นเคลือบสมัยใหมี ผู้ผลิตสามารถเปลี่ยนความท้าทายของการตัดแต้มวัสดุความแข็งสูงเป็นการดำเนินงานที่มั่นคงและทำกำไร ต้นทุนเริ่มต้นที่สูงสำหรับวัสดุคุณภาพสูงเกือบมักถูกชดเชยผ่านการลดเวลาที่เครื่องหยุดทำงานและการลดอัตราของของเสีย

คำถามที่พบบ่อย

1. วัสดุแม่พิมพ์ชนิดใดดีที่สุดสำหรับตัดแต้ม AHSS?

สำหรับส่วนใหญ่ของการใช้ AHSS ที่สูงกว่า 590 MPa เหล็กเครื่องมือแบบผง (PM) เช่น Vanadis 4E, CPM 3V หรือเกรดที่คล้ายคลึงถือเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด ต่างจาก D2 แบบทั่วที่มีโครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดและสม่ำเสมอ ทำให้มีความเหนียวที่จำเป้นเพื่อต้านการแตกร้าดในขณะที่ยังคงรักษาความต้านทานแรงอัดสูง

2. เหตุใดเหล็กกล้าเครื่องมือ D2 จึงล้มเหลวเมื่อใช้กับ AHSS?

D2 ล้มเหลวเป็นหลักเนื่องจากโครงสร้างจุลภาคที่มี "เส้นคาร์ไบด์ขนาดใหญ่" เมื่อถูกแรงกระแทกและความดันสัมผัสสูงจากการขึ้นรูป AHSS เส้นดังกล่าวจะทำหน้าที่เป็นจุดรวมความเค้น ซึ่งนำไปสู่การแตกร้าวและชิ้นส่วนแตก นอกจากนี้ D2 ยังขาดความเหนียวที่จำเป็นในการรองรับแรงกระชากที่เกิดจากวัสดุความแข็งแรงสูง

3. ความแตกต่างระหว่างการเคลือบ PVD และ CVD สำหรับแม่พิมพ์ขึ้นรูปคืออะไร?

ความแตกต่างหลักคืออุณหภูมิในการเคลือบ PVD (การสะสมฟิล์มบางแบบกายภาพ) ใช้อุณหภูมิต่ำ (~500°C) ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้เหล็กกล้าเครื่องมืออ่อนตัวหรือบิดเบี้ยว ในขณะที่ CVD (การสะสมฟิล์มบางแบบเคมี) และ TD (การแพร่ความร้อน) ใช้อุณหภูมิสูงมาก (~1000°C) ทำให้เกิดพันธะโลหะที่แข็งแรงกว่าและชั้นเคลือบที่หนาขึ้น แต่ต้องทำการอบชุบใหม่อีกครั้ง ซึ่งมีความเสี่ยงต่อการบิดเบี้ยวของมิติ

4. เมื่อใดควรใช้เหล็กกล้าแบบผง (PM) สำหรับการขึ้นรูป?

คุณควรเปลี่ยนไปใช้เหล็ก PM ทุกครั้งที่ทำการตัดโลหแผ่นที่มีความต้านแรงดึงเกิน 590 MPa หรือสำหรับการผลิตวัสดุที่มีความแข็งต่ำาเป็นระยะยาวซึ่งค่าบำรุงรักษามีความสำคัญ PM steel จำเป็นอย่างยิ่งสำการประยุกต์ใช้ที่เกี่ยวข้องกับเรขาคณิตของแม่พิมพ์ที่ซับซ้อน ซึ่งมีความเสี่ยงต่อการแตกร้าอยสูง