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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)
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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
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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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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