ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเหล็กกล้าสำหรับแม่พิมพ์งานเย็น

เหล็กกล้าสำหรับงานขึ้นรูปเย็นส่วนใหญ่ใช้สำหรับการปั๊มขึ้นรูป การตัด การขึ้นรูป การดัด การอัดรีดเย็น การดึงเย็น แม่พิมพ์โลหะผง ฯลฯ ต้องการความแข็งสูง ความต้านทานการสึกหรอสูง และความเหนียวที่เพียงพอ โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ ประเภททั่วไปและประเภทพิเศษ ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าสำหรับงานขึ้นรูปเย็นอเนกประสงค์ในสหรัฐอเมริกาโดยทั่วไปประกอบด้วยเหล็ก 4 เกรด ได้แก่ 01, A2, D2 และ D3 ตารางที่ 4 แสดงการเปรียบเทียบเกรดเหล็กของเหล็กกล้าสำหรับงานขึ้นรูปเย็นอเนกประสงค์ในประเทศต่างๆ ตามมาตรฐาน JIS ของญี่ปุ่น เหล็กกล้าสำหรับงานขึ้นรูปเย็นหลักๆ ที่สามารถใช้ได้คือซีรี่ส์ SK ซึ่งรวมถึงเหล็กกล้าเครื่องมือคาร์บอนซีรี่ส์ SK เหล็กกล้าเครื่องมืออัลลอยซีรี่ส์ SKD 8 ชนิด และเหล็กกล้าความเร็วสูงซีรี่ส์ SKHMO 9 ชนิด รวมทั้งหมด 24 เกรด มาตรฐานเหล็กกล้าเครื่องมืออัลลอย GB/T1299-2000 ของจีนประกอบด้วยเหล็กทั้งหมด 11 ชนิด ซึ่งถือเป็นชุดมาตรฐานที่ค่อนข้างครบถ้วน ด้วยการเปลี่ยนแปลงในเทคโนโลยีการแปรรูป วัสดุที่ใช้ และความต้องการแม่พิมพ์ ทำให้เหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นรุ่นพื้นฐานเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้ โรงงานเหล็กของญี่ปุ่นและผู้ผลิตเหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือและแม่พิมพ์รายใหญ่ของยุโรปจึงได้พัฒนาเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นสำหรับงานเฉพาะทาง และค่อยๆ พัฒนาเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นแต่ละซีรีส์ขึ้นมา การพัฒนาเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นเหล่านี้ถือเป็นทิศทางการพัฒนาของเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นโดยรวมด้วยเช่นกัน

เหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นโลหะผสมต่ำชุบแข็งด้วยอากาศสำหรับแม่พิมพ์

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการอบชุบความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการชุบแข็งแบบสุญญากาศอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมแม่พิมพ์ เพื่อลดการเสียรูปจากการชุบแข็ง จึงมีการพัฒนาเหล็กกล้าไมโครดีฟอร์มมิ่งแบบชุบแข็งด้วยอากาศที่มีส่วนผสมของโลหะเจือต่ำทั้งในและต่างประเทศ เหล็กกล้าประเภทนี้ต้องการคุณสมบัติการชุบแข็งที่ดี การเสียรูปน้อย ความแข็งแรงและความเหนียวที่ดี และทนต่อการสึกหรอได้ในระดับหนึ่ง แม้ว่าเหล็กกล้าแม่พิมพ์เย็นแบบมาตรฐานที่มีส่วนผสมของโลหะเจือสูง (เช่น D2, A2) จะมีคุณสมบัติการชุบแข็งที่ดี แต่มีส่วนผสมของโลหะเจือสูงและมีราคาแพง ดังนั้นจึงมีการพัฒนาเหล็กกล้าไมโครดีฟอร์มมิ่งแบบมีส่วนผสมของโลหะเจือต่ำทั้งในและต่างประเทศ เหล็กกล้าประเภทนี้โดยทั่วไปจะมีส่วนผสมของธาตุโลหะผสม Cr และ Mn เพื่อเพิ่มคุณสมบัติการชุบแข็ง ปริมาณรวมของธาตุโลหะผสมโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 5% เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงในปริมาณการผลิตน้อย และแม่พิมพ์ที่ซับซ้อน เหล็กกล้าเกรดที่เป็นตัวแทน ได้แก่ A6 จากสหรัฐอเมริกา, ACD37 จากฮิตาชิ เมทัลส์, G04 จากไดโด สเปเชียล สตีล, AKS3 จากไอจิ สตีล เป็นต้น เหล็กกล้า GD ของจีน หลังจากชุบแข็งที่ 900°C และอบคืนตัวที่ 200°C สามารถคงปริมาณออสเทนไนต์ไว้ได้ในระดับหนึ่ง และมีความแข็งแรง ความเหนียว และความคงตัวของขนาดที่ดี สามารถใช้ทำแม่พิมพ์ปั๊มเย็นที่มักเกิดการบิ่นและแตกหักได้ มีอายุการใช้งานยาวนาน

เหล็กกล้าแม่พิมพ์ชุบแข็งด้วยเปลวไฟ

เพื่อลดระยะเวลาการผลิตแม่พิมพ์ ลดความซับซ้อนของกระบวนการอบชุบความร้อน ประหยัดพลังงาน และลดต้นทุนการผลิตแม่พิมพ์ ประเทศญี่ปุ่นได้พัฒนาเหล็กกล้าสำหรับงานขึ้นรูปเย็นชนิดพิเศษบางชนิดสำหรับความต้องการการชุบแข็งด้วยเปลวไฟ ตัวอย่างเช่น SX105V (7CrSiMnMoV) ของ Aichi Steel, SX4 (Cr8), HMD5, HMD1 ของ Hitachi Metal, เหล็กกล้า G05 ของบริษัท Datong Special Steel เป็นต้น ส่วนประเทศจีนได้พัฒนาเหล็กกล้า 7Cr7SiMnMoV เหล็กกล้าชนิดนี้สามารถใช้ในการให้ความร้อนแก่ใบมีดหรือส่วนอื่นๆ ของแม่พิมพ์โดยใช้ปืนพ่นออกซิอะเซทิลีนหรือเครื่องทำความร้อนอื่นๆ หลังจากที่แม่พิมพ์ผ่านกระบวนการแล้ว จากนั้นจึงปล่อยให้เย็นตัวลงในอากาศและชุบแข็ง โดยทั่วไปสามารถใช้งานได้โดยตรงหลังจากชุบแข็ง เนื่องจากกระบวนการที่ง่าย จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศญี่ปุ่น เหล็กกล้าที่เป็นตัวแทนของเหล็กกล้าชนิดนี้คือ 7CrSiMnMoV ซึ่งมีคุณสมบัติในการชุบแข็งที่ดี เมื่อทำการชุบแข็งเหล็กขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 80 มม. ด้วยน้ำมัน ความแข็งที่ระยะ 30 มม. จากผิวเหล็กจะสูงถึง 60 HRC ความแตกต่างของความแข็งระหว่างแกนกลางและผิวเหล็กอยู่ที่ 3 HRC ส่วนการชุบแข็งด้วยเปลวไฟ หลังจากอุ่นเหล็กที่อุณหภูมิ 180-200°C แล้วให้ความร้อนจนถึง 900-1000°C โดยใช้ปืนพ่นไฟ ความแข็งจะสูงกว่า 60 HRC และได้ชั้นผิวเหล็กที่แข็งกว่า 1.5 มม.

เหล็กกล้าแม่พิมพ์งานเย็นที่มีความเหนียวสูง ทนต่อการสึกหรอสูง

เพื่อปรับปรุงความเหนียวของเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นและลดความต้านทานการสึกหรอของเหล็ก บริษัทผู้ผลิตเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นรายใหญ่ในต่างประเทศบางแห่งได้พัฒนาเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นหลายชนิดที่มีทั้งความเหนียวและความต้านทานการสึกหรอสูง เหล็กกล้าประเภทนี้โดยทั่วไปมีคาร์บอนประมาณ 1% และโครเมียม 8% เมื่อเติมโมลิบเดนัม วานาเดียม ซิลิคอน และธาตุผสมอื่นๆ คาร์ไบด์จะมีขนาดเล็ก กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ และมีความเหนียวสูงกว่าเหล็กกล้าประเภท Cr12 มาก ในขณะที่ความต้านทานการสึกหรอใกล้เคียงกัน ความแข็ง ความแข็งแรงดัด ความแข็งแรงต่อความล้า และความเหนียวแตกหักสูง และเสถียรภาพในการต้านทานการอบคืนตัวก็สูงกว่าเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นประเภท Cr12 เหมาะสำหรับใช้กับแม่พิมพ์ความเร็วสูงและแม่พิมพ์หลายสถานี เหล็กกล้าที่เป็นตัวแทนของเหล็กกล้าประเภทนี้ ได้แก่ DC53 ของญี่ปุ่นที่มีปริมาณวานาเดียมต่ำ และ CRU-WEAR ที่มีปริมาณวานาเดียมสูง DC53 จะถูกชุบแข็งที่อุณหภูมิ 1020-1040°C และความแข็งสามารถสูงถึง 62-63 HRC หลังจากการระบายความร้อนด้วยอากาศ สามารถอบชุบได้ทั้งที่อุณหภูมิต่ำ (180 ~ 200℃) และอุณหภูมิสูง (500 ~ 550℃) ความเหนียวจะสูงกว่า D2 ถึง 1 เท่า และประสิทธิภาพการต้านทานความล้าจะสูงกว่า D2 ถึง 20% หลังจากการตีขึ้นรูปและรีดด้วยกระบวนการ CRU-WEAR แล้ว จะนำไปอบอ่อนและออสเทนไนซ์ที่อุณหภูมิ 850-870℃ ในอัตราไม่เกิน 30℃ ต่อชั่วโมง จากนั้นทำให้เย็นลงจนถึง 650℃ แล้วปล่อยทิ้งไว้ ความแข็งจะอยู่ที่ 225-255 HB อุณหภูมิการชุบแข็งสามารถเลือกได้ในช่วง 1020 ~ 1120℃ ความแข็งจะอยู่ที่ 63 HRC อบชุบที่อุณหภูมิ 480 ~ 570℃ ตามสภาพการใช้งาน ทำให้เกิดผลการชุบแข็งรองที่ชัดเจน ความต้านทานการสึกหรอและความเหนียวดีกว่า D2

เหล็กกล้าพื้นฐาน (เหล็กกล้าความเร็วสูง)

เหล็กกล้าความเร็วสูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในต่างประเทศเพื่อผลิตแม่พิมพ์ขึ้นรูปเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงและอายุการใช้งานยาวนาน เนื่องจากมีคุณสมบัติทนต่อการสึกหรอและความแข็งที่อุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม เช่น เหล็กกล้าความเร็วสูงมาตรฐานทั่วไปของญี่ปุ่น SKH51 (W6Mo5Cr4V2) เพื่อให้เหมาะสมกับความต้องการของแม่พิมพ์ ความเหนียวจึงมักได้รับการปรับปรุงโดยการลดอุณหภูมิการชุบแข็ง ความแข็งหลังการชุบแข็ง หรือลดปริมาณคาร์บอนในเหล็กกล้าความเร็วสูง เหล็กกล้าเมทริกซ์ได้รับการพัฒนามาจากเหล็กกล้าความเร็วสูง และมีองค์ประกอบทางเคมีเทียบเท่ากับองค์ประกอบเมทริกซ์ของเหล็กกล้าความเร็วสูงหลังการชุบแข็ง ดังนั้นจำนวนคาร์ไบด์ที่เหลืออยู่หลังการชุบแข็งจึงมีน้อยและกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยเพิ่มความเหนียวของเหล็กกล้าได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าความเร็วสูง สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นได้ศึกษาเหล็กกล้าพื้นฐานที่มีเกรด VascoMA, VascoMatrix1 และ MOD2 ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 และเมื่อเร็วๆ นี้ได้มีการพัฒนา DRM1, DRM2, DRM3 เป็นต้น โดยทั่วไปแล้วจะใช้สำหรับงานขึ้นรูปเย็นที่ต้องการความเหนียวสูงและเสถียรภาพในการต้านทานการอบคืนตัวที่ดีกว่า จีนยังได้พัฒนาเหล็กพื้นฐานบางชนิด เช่น 65Nb (65Cr4W3Mo2VNb), 65W8Cr4VTi, 65Cr5Mo3W2VSiTi และเหล็กชนิดอื่นๆ เหล็กประเภทนี้มีความแข็งแรงและความเหนียวที่ดี และใช้กันอย่างแพร่หลายในการอัดขึ้นรูปเย็น การเจาะเย็นแผ่นหนา ล้อรีดเกลียว แม่พิมพ์ แม่พิมพ์ขึ้นรูปเย็น ฯลฯ และสามารถใช้เป็นแม่พิมพ์อัดขึ้นรูปอุ่นได้

เหล็กกล้าแม่พิมพ์โลหะผง

เหล็กกล้าอัลลอยสูงชนิด LEDB ที่ผลิตด้วยกระบวนการแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะวัสดุขนาดใหญ่ มีคาร์ไบด์ยูเทคติกขนาดใหญ่และการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ ซึ่งลดความเหนียว ความสามารถในการเจียร และความเป็นเนื้อเดียวกันของเหล็กอย่างมาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา บริษัทเหล็กกล้าพิเศษรายใหญ่ในต่างประเทศที่ผลิตเหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือและแม่พิมพ์ได้มุ่งเน้นการพัฒนาเหล็กกล้าความเร็วสูงและเหล็กกล้าอัลลอยสูงสำหรับแม่พิมพ์ที่ผลิตด้วยกระบวนการโลหะผง ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาอย่างรวดเร็วของเหล็กประเภทนี้ การใช้กระบวนการโลหะผงทำให้ผงเหล็กที่ถูกทำให้เป็นละอองเย็นตัวอย่างรวดเร็ว และคาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นมีขนาดเล็กและสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยปรับปรุงความเหนียว ความสามารถในการเจียร และความเป็นเนื้อเดียวกันของวัสดุแม่พิมพ์ได้อย่างมาก เนื่องจากกระบวนการผลิตพิเศษนี้ คาร์ไบด์มีขนาดเล็กและสม่ำเสมอ และความสามารถในการขึ้นรูปและประสิทธิภาพการเจียรดีขึ้น ทำให้สามารถเพิ่มปริมาณคาร์บอนและวานาเดียมในเหล็กได้มากขึ้น จึงเป็นการพัฒนาเหล็กประเภทใหม่ๆ ขึ้นมา ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือและแม่พิมพ์ที่ผลิตด้วยกระบวนการโลหะผงกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยได้ผลิตเหล็กกล้าหลายชนิด เช่น CPM1V, CPM3V, CPM1V, CPM15V เป็นต้น ซึ่งมีคุณสมบัติทนทานต่อการสึกหรอและความเหนียวดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือและแม่พิมพ์ที่ผลิตด้วยกระบวนการทั่วไป