Коротко

Вибір правильних матеріалів для штампів при штампуванні AHSS вимагає принципово нового підходу порівняно з традиційними стратегіями проектування інструментів. Для сталей підвищеної міцності (AHSS) з межею міцності понад 590 МПа стандартна інструментальна сталь D2 часто виходить з ладу через недостатню міцність та неоднорідну структуру, наприклад, наявність карбідних смужок. Галузевою домовленістю є перехід на Інструментальні сталі порошкової металургії (PM) (такі як Vanadis 4E або CPM 3V), які мають однорідну зернисту структуру, здатну витримувати великі ударні навантаження без утворення сколів.

Однак матеріал основи — це лише половина справи. Щоб протистояти надмірному абразивному зносу та заклинюванню, характерним для AHSS, потрібно поєднувати правильний субстрат PM із сучасним поверхневим покриттям — зазвичай PVD (фізичне випаровування) для точного технічного обслуговування чи TD (термодифузія) для максимальної твердості поверхні. Успішна стратегія вибору передбачає безпосереднє співвідношення між міцністю сталі при розтягуванні та міцністю матеріалу штампа і зносостійкістю покриття.

Виклик AHSS: чому традиційні інструмальні сталі зазнають невдачі

Штампування сталі підвищеної міцності (AHSS) створює зусилля, які експоненціально перевищують ті, що виникають при формуванні низьковуглецевої сталі. Хоча при обробці низьковуглецевої сталі може бути потрібний відносно низький контактний тиск, марки AHSS — зокрема двофазна (DP) і мартенситна (MS) сталі — створюють величезне стискальне напруження на поверхні штампа. Це призводить до швидкого зміцнення листового матеріалу під час формування, в результаті чого штампована деталь стає майже такою ж твердою, як сам інструмент.

Основна точка відмови для традиційних інструментальних сталей холодної роботи, таких як AISI D2, — це їхня мікроструктура. У традиційних сталей, виливаних у злитки, карбіди утворюють великі, нерегулярні мережі, відомі як «шаруваття». Коли вони піддаються сильному ударному навантаженню при пробиванні сталі 980 МПа або 1180 МПа, ці шаруваття діють як концентратори напруження, що призводить до катастрофічних сколи або тріщини . На відміну від штампування низьковуглецевої сталі, де знос поступовий, відмова ВВС часто раптова й структурна.

Крім того, високий контактний тиск створює значне тепло, що призводить до деградації стандартних мастил і викликає заїдання (адгезійний знос). Це явище, при якому листовий метал буквально приварюється до поверхні інструмента, відриваючи мікроскопічні частинки матриці. AHSS Insights зазначає, що для марок з межею міцності понад 980 МПа механізм відмови зміщується від простого абразивного зносу до складних втомних руйнувань, через що стандартна сталь D2 стає застарілою для масових партій.

Основні класи матеріалів: D2 проти ПМ проти Карбід

Вибір матеріалу матриці є компромісом між вартістю, міцністю (стійкістю до утворення тріщин) та зносостійкістю. Для застосувань AHSS ієрархія є чіткою.

Звичайні інструментальні сталі (D2, A2)

D2 залишається базовим варіантом для штампування низьковуглецевих сталей завдяки низькій вартості та задовільній зносостійкості. Однак його груба карбідна структура обмежує міцність. Для застосувань AHSS сталь D2, як правило, обмежується прототипуванням або малотоннажними партіями сталей AHSS нижчої марки (до 590 МПа). Якщо використовується для вищих марок, потрібне часте технічне обслуговування, а також часто спостерігається передчасне втомне руйнування.

Сталі порошкової металургії (PM)

Це стандарт сучасного виробництва AHSS. Порошкові сталі виготовляються шляхом атомізації розплавленого металу у дрібний порошок, а потім з'єднуються під дією високих температури та тиску (гаряче ізостатичне пресування). Цей процес створює однорідну мікроструктуру з дрібними, рівномірно розподіленими карбідами. Такі марки, як Vanadis 4E , CPM 3V , або K340 забезпечують високу міцність на удар, необхідну для запобігання утворенню сколів, зберігаючи при цьому відмінну міцність на стиск. Дослідження, посилання на яке наведено в Виробник показало, що тоді як матриці D2 можуть вийти з ладу після 5000 циклів при обробці деталі важеля підвіски, матриці з порошкової сталі продовжували добре працювати понад 40 000 циклів.

Тверда сплавна кераміка

Для найбільш екстремальних застосувань або для окремих вставок, таких як пуансони та матричні кільця, цементований карбід пропонує вищу зносостійкість. Однак він дуже крихкий. Хоча він краще, ніж будь-яка сталь, чинить опір абразивному зносу, він схильний до руйнування під дією ударних навантажень, типових для пробиття ВСТС. Найкраще його залишати для зон із високим зносом, де ударні навантаження контролюються, або для формування матеріалів із низькою міцністю, але абразивних.

Ключова роль покриттів: PVD, CVD та TD

Оскільки ВСТС дуже абразивні, навіть найкраща порошкова сталь з часом зношується. Покриття є необхідними для створення твердого бар'єра з низьким тертям, що запобігає заїданню.

Фізичне парове осадження (PVD) часто вважається кращим варіантом для прецизійних матриць, оскільки наноситься при нижчих температурах, зберігаючи термообробку основи та точність розмірів. Ідеально підходить для різальних кромок, де важливо зберегти чітку геометрію.

Термодифузія (TD) створює шар карбіду ванадію надзвичайної твердості (3000+ HV), що робить його еталоном стійкості до задирок у важких операціях формування. Однак, оскільки процес відбувається при аустенітизаційних температурах, інструментальна сталь виступає джерелом вуглецю й потребує повторного загартування. Це може призвести до зміни розмірів, тому TD є ризикованим для компонентів із жорсткими допусками, якщо процес не контролюється дуже ретельно.

Рамки вибору: відповідність матеріалу класу ВССтС

Вибір матеріалу має ґрунтуватися на конкретній межі міцності листового металу. Із підвищенням класу матеріалу вимоги до інструментального оснащення змінюються від простої стійкості до зносу до стійкості до ударних навантажень.

• 590 МПа - 780 МПа: Для невеликих обсягів може використовуватися традиційна сталь D2, але для тривалих серій безпечніше застосовувати модифіковану холоднооброблювану сталь (наприклад, 8% Cr) або базовий порошковий сплав. Рекомендується PVD-покриття (наприклад, TiAlN або CrN) для зменшення тертя.
• 980 МПа - 1180 МПа: Це критичний момент. Використання D2 є небезпечним. Необхідно застосовувати високоміцну порошкову сталь (наприклад, Vanadis 4 Extra або аналог). Для формувальних ділянок, схильних до задирок, надзвичайно ефективним є покриття TD. Для зрізних кромок PVD-покриття на основі порошкового сплаву допомагає зберегти гостроту кромки та запобігає виколюванню.
• Понад 1180 МПа (Мартенситна/гарячого штампування): Слід використовувати лише порошкові сплави з найвищою міцністю або спеціалізовані матричні швидкорізальні сталі. Підготовка поверхні є критично важливою, і подвійні покриття (нітрування з подальшим PVD) часто використовуються для підтримки екстремальних поверхневих навантажень.

Також важливо усвідомлювати, що вибір матеріалу — це лише одна частина екосистеми виробництва. Для виробників, які переходять від прототипів до масового виробництва, критично важливо співпрацювати з виробником штампів, який має обладнання для роботи з цими матеріалами. Компанії, такі як Shaoyi Metal Technology використовують преси великої тоннажності (до 600 тонн) та процеси, сертифіковані за IATF 16949, щоб подолати розрив між специфікаціями матеріалів і успішним виготовленням деталей, забезпечуючи роботу обраних матеріалів для матриць так, як передбачено, в умовах виробництва.

Найкращі практики термообробки та підготовки поверхні

Навіть найдорожча порошкова сталь із преміальним покриттям вийде з ладу, якщо основа не буде правильно підготовлена. Поширений тип пошкодження — «ефект яєчної шкаралупи», коли тверде покриття наноситься на м'яку основу. Під тиском основа деформується, внаслідок чого крихке покриття тріскається і відшаровується.

Щоб запобігти цьому, субстрат необхідно піддати термообробці до досягнення достатньої твердості (зазвичай 58–62 HRC для сталей PM), щоб витримувати покриття. Трикратне відпускання часто необхідне для перетворення залишкової аустеніту та забезпечення розмірної стабільності. Крім того, стан поверхні перед нанесенням покриття є обов'язковим. Поверхня інструменту має бути відполірована до середнього значення шорсткості (Ra) близько 0,2 мкм або краще. Будь-які сліди шліфування чи подряпини, що залишилися на інструміті, стають місцями концентрації напружень, які можуть призвести до утворення тріщин або погіршення адгезії покриття.

Нарешті, необхідно адаптувати стратегії обслуговування. Ви не можете просто шліфувати покритий інструмент, щоб загострити його, не видаливши покриття. Для інструментів з PVD-покриттям покриття часто потрібно видалити хімічно, потім загострити та відполірувати інструмент і знову нанести покриття, щоб відновити повну продуктивність. Ці витрати на весь життєвий цикл мають бути враховані при первинному виборі матеріалу матрьошки.

Оптимізація для довгострокового виробництва

Перехід до ВНССт вимагає комплексного підходу до оснащення. Більше не можна покладатися на «безпечні» рішення минулого. Інженери мають розглядати матрицю як композитну систему, де основа забезпечує структурну міцність, а покриття — трибологічні характеристики. Поєднуючи в’язкість порошкових сталей з зносостійкістю сучасних покриттів, виробники можуть перетворити складне штампування високоміцних матеріалів на стабільний і прибутковий процес. Початкові витрати на високоякісні матеріали практично завжди окупаються за рахунок скорочення простоїв та нижчого рівня браку.

Поширені запитання

1. Який найкращий матеріал для матриць при штампуванні ВНССт?

Для більшості застосувань ВНССт з межею міцності понад 590 МПа найкращим вибором вважаються інструментальні порошкові сталі (ПС), такі як Vanadis 4E, CPM 3V або подібні марки. На відміну від традиційної сталі D2, ПС мають дрібну, однорідну мікроструктуру, яка забезпечує необхідну в’язкість для запобігання утворенню сколів і зберігає високу міцність на стиск.

2. Чому інструмальна сталь D2 виходить із ладу при обробці AHSS?

D2 виходить із ладу переважно через свою мікроструктуру, яка містить великі «стрінгери карбідів». Коли виникають високі ударні та контактні тиски під час штампування AHSS, ці стрінгери діють як точки концентрації напружень, що призводить до утворення тріщин та виколювання. Сталь D2 також не має необхідної міцності, щоб витримувати зусилля рапзового прориву, які виникають при обробці високоміцних матеріалів.

3. Яка різниця між PVD та CVD покриттями для штампів?

Основна різниця полягає в температурі нанесення. PVD (Фізичне випаровування у вакуумі) наноситься при нижчих температурах (~500°C), що запобігає розм'якшенню або деформації інструмальної сталі. CVD (Хімічне випаровування у вакуумі) та TD (Термічне дифузійне покриття) наносяться при значно вищих температурах (~1000°C), що забезпечує більш міцний металургічний зв'язок і товще покриття, але вимагає повторного загартування інструму, що створює ризик розмірної деформації.

4. Коли потрібно використовувати порошкову металургію (PM) сталь для штампування?

Ви повинні перейти на порошкову сталь, коли штампуєте листовий метал із межею міцності понад 590 МПа або для тривалого виробництва матеріалів з нижчою міцністю, де є питання витрат на обслуговування. Порошкова сталь також необхідна для будь-яких застосувань із складною геометрією матриць, де високий ризик утворення тріщин.