TÓM TẮT NHANH

Việc lựa chọn vật liệu khuôn phù hợp cho dập AHSS đòi hỏi sự thay đổi căn bản so với các chiến lược làm khuôn thông thường. Đối với Thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) vượt quá 590 MPa, thép dụng cụ D2 tiêu chuẩn thường bị hỏng do độ dai không đủ và các bất đồng nhất về vi cấu trúc như các dây cacbua. Đồng thuận trong ngành là cần nâng cấp lên Thép dụng cụ luyện kim bột (PM) (ví dụ như Vanadis 4E hoặc CPM 3V), có cấu trúc hạt đồng đều, chịu được va đập mạnh mà không bị mẻ.

Tuy nhiên, vật liệu nền chỉ là một nửa cuộc chiến. Để chống lại mài mòn cực mạnh và hiện tượng dính (galling) điển hình khi dập AHSS, bạn phải kết hợp vật liệu nền PM phù hợp với lớp phủ bề mặt tiên tiến—thường là PVD (Physical Vapor Deposition) đối với bảo trì chính xác TD (Thermal Diffusion) để đạt độ cứng bề mặt tối đa. Một chiến lược lựa chọn thành công là liên hệ trực tiếp độ bền kéo của tấm kim loại với độ dẻo dai của vật liệu khuôn và khả năng chống mài mòn của lớp phủ.

Thách thức từ Thép cường độ cao tiên tiến (AHSS): Vì sao các loại thép dụng cụ thông thường thất bại

Dập thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) tạo ra các lực lớn hơn nhiều lần so với quá trình tạo hình thép mềm. Trong khi thép mềm có thể chỉ yêu cầu áp lực tiếp xúc tương đối thấp, thì các loại thép AHSS—đặc biệt là thép Đa pha (DP) và thép Martensitic (MS)—lại gây ra ứng suất nén cực lớn lên bề mặt khuôn. Điều này dẫn đến hiện tượng tôi nguội nhanh chóng của vật liệu tấm trong quá trình tạo hình, tạo nên tình huống mà chi tiết sau khi dập gần như cứng ngang với chính dụng cụ gia công.

Điểm hư hỏng chính của các loại thép công cụ nguội thông thường như AISI D2 nằm ở cấu trúc vi mô của chúng. Trong các loại thép đúc thỏi truyền thống, các carbide hình thành các mạng lưới lớn, không đều gọi là "các vệt dải". Khi chịu tác động sốc mạnh từ việc cắt xuyên qua thép 980 MPa hoặc 1180 MPa, những vệt dải này đóng vai trò như điểm tập trung ứng suất, dẫn đến hiện tượng vỡ mảnh hoặc nứt gãy nghiêm trọng . Khác với dập thép mềm, nơi mà mài mòn diễn ra từ từ, sự cố với AHSS thường xảy ra đột ngột và mang tính cấu trúc.

Hơn nữa, áp lực tiếp xúc cao sinh ra nhiệt lượng đáng kể, làm suy giảm chất bôi trơn tiêu chuẩn và dẫn đến hiện tượng cào xước (mài mòn dính). Đây là hiện tượng kim loại tấm thực sự hàn dính vào bề mặt dụng cụ, làm bong ra những mảnh vi mô của khuôn. Thông tin về AHSS ghi nhận rằng đối với các mác thép có độ bền kéo trên 980 MPa, cơ chế hư hỏng chuyển từ mài mòn đơn giản sang các dạng hư hỏng mỏi phức tạp, khiến loại thép D2 thông thường trở nên lỗi thời khi sử dụng trong các dây chuyền sản xuất quy mô lớn.

Các Nhóm Vật Liệu Lõi: D2 so với PM so với Carbide

Việc lựa chọn vật liệu làm cối dập là sự cân nhắc giữa chi phí, độ dai (khả năng chống vỡ mẻ) và khả năng chống mài mòn. Đối với các ứng dụng AHSS, thứ tự ưu tiên là rõ ràng.

Thép dụng cụ thông thường (D2, A2)

D2 vẫn là chuẩn cơ sở để dập thép mềm do chi phí thấp và khả năng chống mài mòn khá. Tuy nhiên, cấu trúc cacbua thô của nó làm giới hạn độ dai. Đối với các ứng dụng AHSS, D2 nói chung chỉ được dùng cho mẫu thử nghiệm hoặc sản xuất số lượng thấp các loại AHSS cấp thấp hơn (dưới 590 MPa). Nếu sử dụng cho các cấp độ cao hơn, vật liệu này đòi hỏi bảo trì thường xuyên và thường gặp hiện tượng hỏng do mỏi sớm.

Thép luyện kim bột (PM)

Đây là tiêu chuẩn cho sản xuất AHSS hiện đại. Thép PM được sản xuất bằng cách phun nguyên tử kim loại nóng chảy thành dạng bột mịn, sau đó nén kết dưới nhiệt độ và áp suất cao (ép đẳng tĩnh nóng). Quy trình này tạo ra cấu trúc vi mô đồng đều với các hạt cacbua nhỏ, phân bố đều. Các mác như Vanadis 4E , CPM 3V , hoặc K340 cung cấp độ dai va đập cao cần thiết để ngăn ngừa hiện tượng vỡ mẻ trong khi vẫn duy trì độ bền nén tuyệt vời. Một nghiên cứu được trích dẫn bởi Người chế tạo đã chứng minh rằng trong khi khuôn D2 có thể bị hỏng sau 5.000 chu kỳ đối với chi tiết đòn điều khiển, thì khuôn thép PM vẫn hoạt động tốt vượt quá 40.000 chu kỳ.

Bột kim loại cứng

Đối với các ứng dụng khắc nghiệt nhất, hoặc đối với các chèn cụ thể như chày và nút khuôn, hợp kim cacbua kết dính mang lại khả năng chống mài mòn vượt trội. Tuy nhiên, nó rất giòn. Mặc dù nó chống mài mòn tốt hơn bất kỳ loại thép nào, nhưng dễ bị vỡ vụn dưới tải sốc điển hình khi AHSS xuyên thủng. Do đó, chỉ nên sử dụng cho các khu vực mài mòn cao nơi tải sốc được kiểm soát, hoặc để tạo hình các vật liệu ít chịu kéo nhưng có tính mài mòn cao.

Vai trò then chốt của lớp phủ: PVD, CVD và TD

Do AHSS rất mài mòn, ngay cả thép PM tốt nhất cuối cùng cũng sẽ bị mài mòn. Các lớp phủ là yếu tố thiết yếu để tạo ra một lớp chắn cứng, ma sát thấp nhằm ngăn ngừa hiện tượng dính bề mặt (galling).

Phủ Bay Hơi Vật Lý (PVD) thường được ưu tiên cho các khuôn chính xác vì được áp dụng ở nhiệt độ thấp hơn, giúp bảo toàn xử lý nhiệt và độ chính xác về kích thước của vật liệu nền. Đây là lựa chọn lý tưởng cho các cạnh cắt nơi việc duy trì hình dạng sắc nét là yếu tố then chốt.

Thermal Diffusion (TD) tạo ra một lớp vanadium carbide cực kỳ cứng (trên 3000 HV), khiến nó trở thành tiêu chuẩn vàng trong việc chống dính (galling) trong các thao tác tạo hình nặng. Tuy nhiên, do quá trình này diễn ra ở nhiệt độ austenitizing, thép dụng cụ đóng vai trò là nguồn carbon và phải được tôi lại. Điều này có thể dẫn đến dịch chuyển kích thước, khiến TD tiềm ẩn rủi ro đối với các chi tiết yêu cầu dung sai chặt chẽ nếu không được kiểm soát cẩn thận.

Khung lựa chọn: Phối hợp vật liệu với cấp AHSS

Quyết định sử dụng vật liệu nào cần dựa trên độ bền kéo cụ thể của tấm kim loại. Khi cấp vật liệu tăng lên, yêu cầu đối với khuôn mẫu chuyển từ khả năng chống mài mòn đơn thuần sang độ dẻo dai chịu va chạm.

• 590 MPa - 780 MPa: Có thể sử dụng D2 thông thường cho khối lượng thấp, nhưng thép làm nguội dạng bột (PM) đã cải tiến (như 8% Cr) hoặc thép PM cơ bản sẽ an toàn hơn cho sản xuất số lượng lớn. Nên dùng lớp phủ PVD (như TiAlN hoặc CrN) để giảm ma sát.
• 980 MPa - 1180 MPa: Đây là ngưỡng tới hạn. D2 hầu như không an toàn. Bạn phải sử dụng thép PM có độ dẻo dai cao (ví dụ: Vanadis 4 Extra hoặc tương đương). Đối với các phần tạo hình dễ bị dính vật liệu, lớp phủ TD rất hiệu quả. Đối với việc cắt mép, lớp phủ PVD trên nền thép PM giúp duy trì sắc cạnh đồng thời chống vỡ vụn.
• Trên 1180 MPa (Mactenxit/Ép nóng): Chỉ nên sử dụng các cấp thép PM có độ dẻo dai cao nhất hoặc thép tốc độ cao chuyên dụng dạng nền. Việc chuẩn bị bề mặt là yếu tố then chốt, và lớp phủ Duplex (thấm nitơ kết hợp phủ PVD) thường được sử dụng để chịu các tải trọng bề mặt cực lớn.

Cũng rất quan trọng khi nhận thức rằng việc lựa chọn vật liệu chỉ là một phần trong hệ sinh thái sản xuất. Đối với các nhà sản xuất mở rộng quy mô từ mẫu thử sang sản xuất hàng loạt, việc hợp tác với một đơn vị dập có thiết bị xử lý được những vật liệu này là yếu tố then chốt. Các công ty như Shaoyi Metal Technology sử dụng máy ép công suất lớn (lên đến 600 tấn) và quy trình đạt chứng nhận IATF 16949 để thu hẹp khoảng cách giữa đặc tính vật liệu và việc chế tạo thành công chi tiết, đảm bảo rằng các vật liệu khuôn đã chọn hoạt động đúng như mong đợi trong điều kiện sản xuất.

Thực hành tốt nhất cho xử lý nhiệt và chuẩn bị bề mặt

Ngay cả thép PM đắt tiền nhất với lớp phủ cao cấp cũng sẽ thất bại nếu nền vật liệu không được chuẩn bị đúng cách. Một dạng hư hỏng phổ biến là hiện tượng 'vỏ trứng', khi một lớp phủ cứng được áp dụng lên nền mềm. Dưới áp lực, nền bị biến dạng, khiến lớp phủ giòn dễ nứt và bong tróc.

Để ngăn chặn điều này, vật liệu nền phải được xử lý nhiệt đến độ cứng phù hợp (thông thường là 58-62 HRC đối với thép PM) để hỗ trợ lớp phủ. Tôi ba lần thường được yêu cầu để chuyển hóa austenite còn lại và đảm bảo độ ổn định về kích thước. Hơn nữa, độ hoàn thiện bề mặt trước khi phủ là yếu tố bắt buộc. Bề mặt dụng cụ phải được đánh bóng đến độ nhám trung bình (Ra) khoảng 0,2 µm hoặc tốt hơn. Bất kỳ dấu mài hay vết xước nào còn lại trên dụng cụ đều trở thành điểm tập trung ứng suất có thể khởi phát nứt hoặc làm giảm độ bám dính của lớp phủ.

Cuối cùng, các chiến lược bảo trì cần phải được điều chỉnh. Bạn không thể đơn giản mài dụng cụ đã phủ để làm sắc lại mà không loại bỏ lớp phủ. Đối với dụng cụ phủ PVD, lớp phủ thường phải được tách ra bằng hóa chất, sau đó mài sắc và đánh bóng dụng cụ, rồi phủ lại để khôi phục hiệu suất đầy đủ. Chi phí vòng đời này phải được tính đến ngay từ đầu khi lựa chọn vật liệu khuôn.

Tối ưu hóa cho sản xuất dài hạn

Việc chuyển đổi sang AHSS đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện đối với dụng cụ. Không còn đủ nữa khi chỉ dựa vào những lựa chọn "an toàn" như trước đây. Các kỹ sư phải xem khuôn dập như một hệ thống tổng hợp, trong đó vật liệu nền cung cấp độ bền cấu trúc và lớp phủ mang lại hiệu suất ma sát. Bằng cách kết hợp độ dai của thép PM với khả năng chống mài mòn của các lớp phủ hiện đại, các nhà sản xuất có thể biến thách thức dập vật liệu cường độ cao thành một quy trình ổn định và mang lại lợi nhuận. Chi phí ban đầu cho các vật liệu cao cấp gần như luôn được hoàn lại thông qua việc giảm thời gian ngừng máy và tỷ lệ phế phẩm thấp hơn.

Các câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu khuôn nào tốt nhất để dập AHSS?

Đối với hầu hết các ứng dụng AHSS trên 590 MPa, các loại thép dụng cụ luyện kim bột (PM) như Vanadis 4E, CPM 3V hoặc các mác tương tự được coi là lựa chọn tối ưu. Khác với thép D2 thông thường, thép PM có cấu trúc vi mô mịn và đồng đều, cung cấp độ dai cần thiết để chống vỡ vụn trong khi vẫn duy trì độ bền nén cao.

2. Tại sao thép công cụ D2 lại bị hỏng khi dùng với AHSS?

D2 bị hỏng chủ yếu do cấu trúc vi mô của nó, chứa các 'dải cacbua' lớn. Khi chịu lực sốc và áp lực tiếp xúc cao trong dập AHSS, những dải này trở thành điểm tập trung ứng suất, dẫn đến nứt và mẻ. D2 cũng thiếu độ dai cần thiết để chịu được các lực xuyên thấu phát sinh từ vật liệu cường độ cao.

3. Sự khác biệt giữa phủ PVD và CVD cho khuôn dập là gì?

Sự khác biệt chính nằm ở nhiệt độ áp dụng. PVD (Phủ lắng đọng hơi vật lý) được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (~500°C), giúp tránh làm mềm hoặc biến dạng thép công cụ. CVD (Phủ lắng đọng hơi hóa học) và TD (Khuếch tán nhiệt) được áp dụng ở nhiệt độ cao hơn nhiều (~1000°C), tạo ra lớp liên kết kim loại mạnh hơn và lớp phủ dày hơn, nhưng yêu cầu tôi lại dụng cụ, điều này tiềm ẩn nguy cơ biến dạng kích thước.

4. Khi nào tôi nên sử dụng thép luyện kim bột (PM) cho công đoạn dập?

Bạn nên chuyển sang thép PM bất cứ khi nào dập tôn có độ bền kéo trên 590 MPa, hoặc trong sản xuất số lượng lớn các vật liệu độ bền thấp hơn mà chi phí bảo trì là một vấn đề. Thép PM cũng rất cần thiết cho bất kỳ ứng dụng nào liên quan đến hình dạng khuôn phức tạp, nơi nguy cơ nứt là cao.