Recomendaciones en utillajes para aceros avanzados de alta ...
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1
Recomendaciones en utillajes para aceros avanzados de alta resistencia
Thomas Hillskog, Product Manger Cold Work Applications, Uddeholms AB
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• Casos
• AHSS – Nuevos requerimientos sobre el acero de herramientas
• Nuevas calidades
• Recomendaciones
• Sumario
Contenido
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Cómo producir piezas en AHSS económicamente?
Comencemos por revisar algunos casos.
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Componente: Bracket de dirección de automoción
Tipo de utillaje: Juego de matrices de corte
Dimensiones utillaje: 180 x 400 mm
Material trabajado: Fleje laminado en frío CR4 e = 1.6 mm
Aplicación práctica: Sleipner (6)
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5
Resultados
Acero Dureza HRC Modo de fallo Piezas por
recuperación
Sleipner 62 No falló 335 0001)
AISI D2 61 Micro-melladuras
& desgaste 80 000
1) La matriz de Sleipner del utillaje, todavía no ha sido rebajada en este punto.
Las matrices adyacentes en D2 tuvieron que rebajarse 4 veces (0,25 mm por recuperación).
Aplicación práctica: Sleipner (6)
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6
Pais: Alemania
Componente: Pieza de automoción
Tipo de útil: Matriz de embutición
Dimensiones útil: ɸ ext 400 mm, ɸ int 250 mm, Alto 100 mm
Acero de trabajo: Acero St W23 e = 4 mm
(Por cortesía de Oerlikon Balzers VST)
Caso práctico: Importancia de la resistencia a fractura del acero como soporte de los recubrimientos
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7
Resultados
Acero W.-Nr. 1.2379 Caldie Caldie Caldie
Recubrimiento PVD CrN PVD CrN PVD TiCN Avanzados
PVD TiAlN
Piezas producidas
Fracturado tras un corto tiempo de servicio
máx.
15 000
máx.
30 000
> 100 000 y sigue
funcionando
Recubrimientos realizados por Oerlikon Balzers VST, Schopfheim, Germany
Caso práctico: Importancia de la resistencia a fractura del acero como soporte de los recubrimientos
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Compañía: Co.Stam-Lear-Fiat, Italia
Componente: Pieza de asiento de automoción
Tipo de útil: Punzón
Dimensiones del útil: ɸ 18 mm
Material trabajado: SSAB Domex 700 MC; e=2,5 – 3,5 mm
Agujeros punzonados
Caso práctico: Vanadis 4 Extra (5)
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Calidad acero 1.2379-HPS VANADIS 4 Extra
Dureza 60 HRC 60 HRC
Tratamiento térmico Standard Standard
Piezas/afilado 300-1 000 25 000
Modo de fallo Grandes roturas Ninguno, sigue produciendo
Comentarios _ El cliente cambió a VANADIS 4 Extra
Resultados
Caso práctico: Vanadis 4 Extra (5)
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Por qué el D2/1.2379 no rindió adecuadamente en estos casos?
Porque se melló o fracturó prematuramente en producción.
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11
M
-3 000
-1 000
1 000
3 000
5 000
7 000
9 000
11 000
13 000
15 000
0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02
Time, s
Docol 1400 M Docol 800 DP Docol 500 YP Docol 280 YP
Influencia de la resistencia del material sobre el esfuerzo de corte
Tiempo (s)
Fuerz
a (
N)
Las condiciones de trabajo sobre el utillaje están cambiando
Altos esfuerzos de corte
Ondas de choque
durante la rotura
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Acero de herramientas con un correcto equilibrio de propiedades
• Alta resistencia a roturas/melladuras
• Suficiente resistencia a la compresión (durezas de trabajo >60 HRC)
Nuevos requerimientos sobre utillaje para corte de chapas AHSS
Excelente acabado del utillaje
• Muy buen acabado de superficie en el utillaje – Un pobre acabado superficial reduce significativamente la resistencia a roturas/melladuras
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Acero al 5% Cr AISI A2 W.-Nr. 1.2363
Acero al 12% Cr AISI D2 W.-Nr. 1.2379
Estas calidades no son siempre adecuadas para las exigentes aplicaciones que envuelven las AHSS
Porque no tienen suficiente resistencia a las roturas/melladuras
Los aceros de herramientas más comunes para corte, estampado, troquelado y calibrado son:
Las condiciones de trabajo sobre el utillaje están cambiando
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¿Cuáles son las limitaciones del D2 / W. Nr. 1.2379?
• Baja resistencia a la fractura/melladura
• Baja estabilidad dimensional en el tiempo – crece en producción
• Reducida adhesión de los recubrimientos
• Limitada resistencia a compresión
Las condiciones de trabajo sobre utillaje están cambiando
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Material trabajado: Domex 700 MC.
PM M4 (HSS) + recubrimiento. 60-62 HRC.
Aceros con insuficiente resistencia a rotura/melladura
Los recubrimientos no pueden mejorar la vida del utillaje si el sustrato se mella
Arista de corte mellada
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Nuevas calidades mejor adaptadas a aplicaciones AHSS
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Resistencia al desgaste
Resis
tencia
al m
ellado
~ D6
O1/1.2510
D2/1.2379
Aceros con resistencia a la melladura mejorada
Caldie – Acero matrix ESR
Vanadis 4 Extra – Acero PM con carburos modificados
A2/1.2363
Sleipner – carburos modificados
Calmax
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ARNE
RIGOR
SLEIPNER
SVERKER 21
SVERKER 3
CALMAX/CARMO
CALDIE
VANADIS 4
VANADIS 4 Extra
VANADIS 6
VANADIS 10
VANADIS 23
Calidad Uddeholm Desgaste
abrasivo
Desgaste
adhesivo/
adherencias
Melladuras
Punzonado de AHSS, e=1,8 mm
Mecanismos de fallo limitadores de la vida del acero de herramienta
Apariencia de filo después de 50 000 cortes
Trip 700
Sverker 21
Vanadis 4
Vanadis 4 Extra
Vanadis 6
Sleipner
MS-W 1200 CP-W 800
Desarrollo aceros de herramientas – Tipos de carburos modificados
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Comparación de ensayo de flexión entre acero tipo PM-23 y Vanadis 4 Extra, 60-62 HRC
VANADIS 4 Extra
PM 23-type (AISI M3:2)
VANADIS 4 Extra
TT Vanadis 4 Extra TA = 1020°C/30 min + 525°C/2 x 2h.
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Ensayo de flexión a 4 puntos. No presenta fractura
VANADIS 4 Extra
Ejemplo de tratamiento térmico TA = 1020°C/30 min + 560°C/2 x 2h. Dureza = ~ 59 HRC
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Uddeholm Caldie
+
Muy buena resistencia a mellado y a fractura
Muy buena templabilidad – puede alcanzar los 60-62 HRC reveniendo a alta temperatura
Muy buena combinación de resistencia a fractura/mellado y resistencia a la compresión
Un excelente sustrato para todo tipo de recubrimientos
Hace del Caldie un acero muy adecuado para corte y conformado de AHSS
Desarrollo de aceros para herramientas – Aceros tipo matrix +
ESR
Uddeholm Caldie
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Resistencia al desgaste
Resis
tencia
al m
ellado
SVERKER 3
ARNE
SVERKER 21
Uddeholm Caldie – Acero ESR matrix
Caldie
RIGOR
Sleipner
Calmax Con tratamiento superficial
Vanadis 4 Extra
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Guías
Selección de acero de herramientas para corte de AHSS
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Uddeholms AB y SSAB Tunnplåt – Una cooperación técnica singular
• Nuevos diseños de producto demandan
nuevos materiales de chapa
• Nuevos materiales de chapa demandan
nuevos materiales de herramientas
• Cooperación entre el fabricante de chapa
y el fabricante de acero de herramientas
• Desarrollo de soluciones comunes para
materiales de chapa y de herramientas
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Calidad Uddeholm Espesor Tamaño de la serie
HRC < 1,5 mm > 1,5 mm Corta Media Larga
SVERKER 21 x x (X) > 58
SLEIPNER x x x x * > 58
CALDIE x x x x x * > 58
UNIMAX x x x 58
VANADIS 4 EXTRA x x x * >58
VANCRON 40 x x x >58
Selección de acero de herramientas para corte de AHSS
Resistencia de la chapa 570-800 MPa
* En combinación con recubrimientos superficiales
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Resistencia de la chapa 800-1200 MPa
Calidad Uddeholm Espesor Tamaño de la serie
HRC < 1,5 mm > 1,5 mm Corta Media Larga
SLEIPNER x x x x * 60-64
CALDIE x x x x x * 60-64
VANADIS 4 EXTRA x x x * 60-64
VANCRON 40 x x 60-64
* En combinación con recubrimientos superficiales
Selección de acero de herramientas para corte de AHSS
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Resistencia de la chapa 1200-1400 MPa
Calidad Uddeholm Espesor Tamaño de la serie
HRC < 1,5 mm > 1,5 mm Corta Media Larga
SLEIPNER x x x 60-62
CALDIE x x x 60-62
VANADIS 4 EXTRA x x x 60-62
Selección de acero de herramientas para corte de AHSS
No se recomiendan recubrimientos
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Guías
Selección de acero de herramientas para estampación de
AHSS
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Resistencia al pegado o adhesión
Para chapas AHSS no recubiertas, generalmente será
necesario recubrir el utillaje, pero existe una excepción –
Vancron 40
Requerimientos del utillaje de estampación para chapas AHSS
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Útil de estampación para producción de Bracket de
asiento
Fecha: Mayo 2006
Canadá
Pieza producida
Bracket asiento
Acero de chapa
No-recubierto HSLA SAE J2340 550 XF
(Rm ≥ 600 MPa); 2 mm de espesor
Acero de herramientas y condiciones
Vancron 40 no recubierto versus D2
recubierto con TD (Difusión
termoreactiva)
Dureza : 60 HRC
Lubricación : Cromac 20205 15:1
Velocidad prensa: 36 piezas/min
~149 000 piezas producidas con dos útiles en D2/1.2379 recubiertos con TD.
Más de 1 000 000 piezas fabricadas con Vancron 40 y sigue funcionando sin mantenimiento.
Vancron 40 – caso práctico
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Recubrimientos superficiales y tratamientos
Recubrimientos PVD del tipo multi-capa TiAlN y CrN han proporcionado los mejores resultados
La Nitruración no da rendimientos aceptables en chapas AHSS > 800 MPa
Requerimientos del utillaje de estampación para chapas AHSS
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Acabado superficial en utillajes de estampación
Las superficies activas del utillaje deberían de estar bien
pulidas (Ra ≤ 0.2 µm)
Para calidades recubiertas / Vancron 40 (Ra ≤ 0.1 µm)
Requerimientos del utillaje de estampación para chapas AHSS
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Resistencia de la chapa
(Rm MPa) Tratamiento superficial / recubrimiento
Dureza HRC
570 - 800
Tipo Tamaño de la serie
Calmax Nitruración/PVD*
Todas
> 58
Sverker 21 PVD/CVD
Caldie PVD/CVD
Sleipner PVD/CVD
Vanadis 4 Extra PVD/CVD
Vancron 40 Sin recubrir
* Recubrimiento duplex
Selección del utillaje para estampación de AHSS
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34
Resistencia chapa
(Rm MPa) Tratamiento superficial / recubrimiento
Dureza HRC
800 - 1400
Tipo Tamaño de la serie
Caldie PVD/CVD
Todas > 60
Sleipner PVD/CVD
Vanadis 4 Extra PVD/CVD
Vancron 40 Sin recubrir
Selección del utillaje para estampación de AHSS
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35
Hemos visto que las demandas sobre los aceros de herramientas para utillajes de AHSS son muy altas – Mucho más altas que para chapas más blandas.
La vieja generación de aceros de herramientas no dan un rendimiento aceptable para corte y conformado de AHSS.
Una alta calidad del utillaje es necesaria para el corte y conformado de los materiales AHSS.
Resumen
Que las aplicaciones AHSS requieren calidades con alta resistencia al mellado combinada con alta resistencia a la compresión.
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Aceros de herramientas para estampación en
caliente
Bengt Klarenfjord, Product Manager Hot Work tool Steels
Uddeholms AB
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37
Conformación en caliente
( Estampación en caliente o
Templado en prensa)
Un sector en desarrollo a nivel global para los fabricantes de automóviles.
Razones:
• Reducción de peso para la misma resistencia
• Reducción del número de piezas de un mismo componente
• Disminución del consumo de combustible
Hasta 50 diferentes piezas fabricadas por estampación en caliente en las próximas generaciones de automóviles.
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Espesor de chapa variable de 0,8 a 3,5 mm.
La reducción del tiempo de ciclo es importante para la reducción del coste/pieza
Estampación en caliente
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39
Procesos de Estampación en caliente
Chapas recubiertas o no-recubiertas son calentadas para seguidamente ser estampadas y enfriadas bajo presión proporcionando una muy alta resistencia.
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40
Distribución de Temperaturas
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Estampación en caliente
Algunos factores que afectan al tiempo de ciclo
• Monobloques o matrices construídos por segmentos
• Realineamiento de las matrices
• Canales de refrigeración cerca de la superficie de la matriz
• Importante presión de contacto para la transferencia térmica
• Contacto indebido originando “puntos calientes”
• Refrigeración por agua ( volume/min )
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42
Principales fallos en la estampación en caliente
• Desgaste
• Adhesión
• Roturas
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43
Los requerimientos en el acero para herramientas
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44
Importantes propiedades para el acero de herramientas
• Buena resistencia al desgaste a elevadas temperaturas
(templabilidad alta y buena resistencia al revenido)
• Muy buena conductividad térmica
• Buena ductilidad y tenacidad
• Fácil mecanización
• Baja fricción (resistencia a la adhesión)
• Susceptible de ser tratado superficialmente o recubierto
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45
Calidades del acero para herramientas de Uddeholm
Uddeholm Alvar 14
Uddeholm Orvar 2 Microdized
Uddeholm Orvar Supreme *
Uddeholm Orvar Superior *
Uddeholm Vidar Superior *
Uddeholm QRO 90 Supreme *
Uddeholm Hotvar *
Uddeholm Dievar *
Uddeholm Unimax *
* = calidades ESR
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46
Conductividad térmica en los
aceros
Propiedades relevantes en la estampación en
caliente
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47
Conductividad térmica en los aceros UDDEHOLM para trabajo en caliente a 400°C ( 752°F ) ( W/m°C )
Calidades 400°C
( 752°F )
ALVAR 14 38
VIDAR SUPERIOR 30
ORVAR 2M 29
ORVAR SUPREME 29
ORVAR SUPERIOR 29
DIEVAR 31
UNIMAX 28
QRO 90 SUPREME 33
HOTVAR 33
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Efecto del tiempo en la dureza a 600°C
ORVAR SUPREME y ALVAR 14
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2 5 15 65 100
HRC ORVAR SUPREME
ALVAR 14
horas
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Calidades Uddeholm
Perfil de propiedades
Resistencia al revenido
Límite elástico en
caliente
Dureza de
trabajo HRC
Expansión térmica
Conductividad térmica
Ductilidad Tenacidad
ALVAR 14 1 1 40-47 2 5 2 2
VIDAR SUPERIOR
2 2 46-50 3 3,5 5 5
ORVAR 2M 3 3 44-48 3 3 2 2
ORVAR SUPREME
3 3 46-50 3 3 3 3
ORVAR SUPERIOR
3 3 46-50 3 3 4 4
DIEVAR 4 4 46-50 3 3,5 5 5
UNIMAX 4 4 54-58 3 3 3 3
QRO 90 SUPREME
5 5 46-50 3 4 2,5 2,5
HOTVAR 5 5 54-58 3 4 1 1
A mayor número, mejores prestaciones
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LA CONFIANZA ES ALGO QUE SE GANA, CADA DÍA