Recomendaciones en utillajes para aceros avanzados de alta

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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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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)

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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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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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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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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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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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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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.

40

Distribución de Temperaturas

41

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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Principales fallos en la estampación en caliente

• Desgaste

• Adhesión

• Roturas

43

Los requerimientos en el acero para herramientas

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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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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

46

Conductividad térmica en los

aceros

Propiedades relevantes en la estampación en

caliente

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

48

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

49

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

50

LA CONFIANZA ES ALGO QUE SE GANA, CADA DÍA