Как увеличить износостойкость рабочих частей штампов и пресс-форм. Пошаговая инструкция. Подбор материалов и покрытий

Причины выхода из строя инструмента:

• износ режущей кромки;
• сколы и выкрашивание;
• усталостные трещины;
• налипание штампуемого материала;
• потеря размера;
• пластическая деформация.

Поэтому перед заменой материала или нанесением покрытия важно определить не только факт преждевременного отказа, но и его механизм. Один и тот же показатель низкой стойкости может иметь совершенно разные причины, а значит, требовать разных решений.

Поэтому правильная диагностика начинается с фиксации трех групп данных:

1. Как именно изнашивается или разрушается инструмент.
2. Через сколько циклов появляется критический дефект.
3. В каких условиях этот дефект возникает.

Только после этого имеет смысл переходить к выбору нового материала и покрытия. Такой подход позволяет не просто заменить инструмент на более дорогой, а подобрать решение под реальную причину отказа и затем объективно оценить результат испытаний.

Основные марки сталей для рабочих частей штампов и пресс-форм:

• SKD11, A2, D2 – X12МФ;
• DC53 - улучшенная SKD11;
• SKD61 - 4X5МФ1С;
• SKH51, SKH9, M2– P6M5 – быстрорежущая сталь;
• ASP23, FAX38 – быстрорежущая порошковая сталь;
• твердый сплав YG – ВК.

Универсального материала нет. Его следует подбирать под конкретную операцию, механизм отказа, условия работы инструмента.

DC53: когда важна усталостная стойкость

Для повышения ресурса инструмента применяется DC53 вместо традиционных сталей типа D2 / X12.

На рис. 1 показана микроструктура, где первичные карбиды DC53 имеют меньший размер и более равномерное распределение по сравнению с D2. Это повышает ударную вязкость и сопротивление усталости, что особенно важно при циклической работе инструмента.

На рис. 2 показан сравнительный анализ сопротивления усталости сталей DC53 и D2.

Если инструмент начинает трескаться или скалываться, материал DC53 с более удачным сочетанием твердости и вязкости может дать существенно больший ресурс. При этом DC53 не стоит считать универсальной заменой любой инструментальной стали. Выбирать материал нужно по сочетанию свойств под конкретную задачу.

Быстрорежущие стали для повышенных нагрузок

Быстрорежущие стали применяются там, где требуется высокая износостойкость и стабильность размеров при повышенных нагрузках.

Их основные свойства:

• высокая твердость;
• повышенная износостойкость;
• красностойкость;
• устойчивость к повышенным нагрузкам;
• стабильность формы и размеров;
• вязкость.

Подходит для обработки нержавеющей стали.

Порошковые стали: высокая стойкость и более однородная структура

Порошковые стали широко применяются в холодной штамповке благодаря сочетанию высокой износостойкости, прочности и ударной вязкости.

Среди их преимуществ:

• высокая износостойкость;
• хорошая сопротивляемость ударным нагрузкам;
• минимальная деформация после термообработки;
• возможность изготовления сложной геометрии;
• увеличение ресурса инструмента;
• снижение числа переточек и замен.

Преимущества порошковых сталей достигаются за счёт равномерного распределения карбидов (твёрдых тугоплавких соединений углерода), как показано на рис. 4. В порошковые стали возможно добавлять большее количество легирующих элементов (хрома, молибдена, ванадия, кремния). Широко применяются в автомобилестроении – штамповке кузовных деталей.

Твердый сплав: когда износостойкость критична

Для наиболее нагруженных элементов применяются твердые сплавы, например ВК8 и ВК15, соответствующие группе YG.

Их основные преимущества:

• высокая износостойкость;
• стабильность размеров;
• точность;
• хорошая работа с абразивными материалами (например, штамповка сталей с покрытиями).

Срок службы твердосплавных элементов может в 10 раз превышать ресурс инструментальных сталей. Но есть принципиальное ограничение — хрупкость. Твердый сплав плохо переносит боковые нагрузки, изгиб и перекос. Поэтому перед заменой стального пуансона на твердосплавный необходимо проверить:

• соосность;
• жесткость направляющих;
• наличие боковых усилий;
• конструкцию штампа.

Иначе высокая износостойкость не даст ожидаемого результата.

Структура карбидовольфрамовых твердых сплавов с кобальтовой связкой ВК8 и ВК15 – аналог (JIS) YG.

Основные задачи покрытий:

• увеличить твердость поверхности;
• снизить трение;
• уменьшить износ;
• защитить поверхность от окисления и коррозии;
• снизить склонность штампуемого материала к налипанию.

Виды покрытий, рассмотренных в статье:

• PVD: TiN, TiCN, TiAlN, AlCrN, CrN;
• CVD: алмазоподобное покрытие DLC, CrN.

Обращаем ваше внимание: покрытие работает только на правильно подобранном материале основы. Если инструмент разрушается из-за недостаточной вязкости или работает с сильным перекосом, более твердое поверхностное покрытие не устранит проблему.

Методы нанесения PDV и CVD покрытий:

• PVD метод — физическое осаждение. Напыляется в вакууме. Температура ~ 200–500°C. Подходит для быстрорежущих, порошковых сталей.
• CVD метод — высокотемпературное химическое осаждение (800–1000°C). Подходит для твердых сплавов.

Перед нанесением покрытия нужно понимать, не превышает ли температура процесса температуру отпуска инструментальной стали. В противном случае можно повысить твердость поверхности, но одновременно снизить твердость самой основы.

Например, для сталей SKD11 и X12 при нанесении PVD покрытий отмечен риск отпуска материала и снижения твердости примерно до 50 HRC.

Подробнее о покрытиях мы расскажем в отдельной статье.

В качестве отправной точки в презентации STANZEN приведены следующие сочетания материалов и покрытий:

Эта таблица — исходный ориентир. Итоговый результат зависит от толщины листа, покрытия обрабатываемого материала, зазора между пуансоном и матрицей, геометрии инструмента, смазки и режима работы пресса.

Как провести тестирование нового материала и покрытия

Чтобы объективно оценить эффект от нового материала или покрытия, сначала нужно зафиксировать исходные условия и ресурс текущего инструмента, а затем провести тест в максимально сопоставимых условиях.

1. Зафиксировать исходные данные

Перед началом теста достаточно записать:

• материал и толщину штампуемой заготовки;
• материал и покрытие текущего инструмента;
• пресс, операцию, скорость работы;
• фактический ресурс до заточки;
• фактический ресурс до замены инструмента;
• время простоя пресса;
• причину снятия инструмента: износ, скол, трещина, налипание, потеря размера и т. д.

Важно заранее определить единый критерий окончания ресурса, например: количество ударов до выхода из строя или до выхода размера детали за допуск.

2. Провести тест нового варианта

Для инструмента с новым материалом и покрытием фиксируются те же показатели:

• материал и толщину штампуемой заготовки;
• материал и покрытие обновленного инструмента;
• пресс, операцию, скорость работы;
• фактический ресурс до заточки;
• фактический ресурс до замены инструмента;
• время простоя пресса;
• причину снятия инструмента: износ, скол, трещина, налипание, потеря размера и т. д.
• качество выпускаемой детали, улучшилось ли после обновления инструмента.

Желательно фотографировать рабочую часть инструмента до начала испытания и после его окончания.

3. Сравнить результат

Итог можно свести в простую таблицу:

Показатели успешного тестирования — не только сокращение замен, но и снижение числа заточек и простоев оборудования, улучшение качества изделий. Испытание должно отвечать на простой вопрос: насколько новый материал или покрытие увеличили ресурс инструмента и как это повлияло на обслуживание и простои прессового оборудования.