راهنمای دمای آهنگری: محدوده حرارتی بهینه برای فلزکاری

محدوده دمایی بهینه برای فلزات معمولی

دمای آهنگری نشان‌دهنده محدوده حرارتی خاصی است که در آن فلز به اندازه‌ای پلاستیکی می‌شود که بدون ترک خوردگی شکل بگیرد و در عین حال یکپارچگی ساختاری را حفظ کند. برای فولاد کربنی، محدوده آهنگری ایده آل 1095-1260 درجه سانتیگراد (2000-2300 درجه فارنهایت) است. ، در حالی که آهن فرفورژه بهترین عملکرد را دارد 1040-1200 درجه سانتیگراد (1900-2200 درجه فارنهایت) . این دماها به ساختار کریستالی فلز اجازه می‌دهد تا تحت نیروی مکانیکی دوباره سازماندهی شود و آهنگرها و فلزکاران را قادر می‌سازد تا شکل‌های دلخواه را به طور موثر ایجاد کنند.

پنجره آهنگری بر اساس محتوای کربن و عناصر آلیاژی به طور قابل توجهی متفاوت است. فولادهای کم کربن (0.05-0.30٪ کربن) محدوده دمایی وسیع تری را تحمل می کنند، در حالی که فولادهای با کربن بالا (0.60-1.50٪ کربن) برای جلوگیری از ترک خوردگی مرز دانه یا پوسته پوسته شدن بیش از حد نیاز به کنترل دما دقیق تری دارند.

شاخص های دمای رنگ و ارزیابی بصری

آهنگرهای سنتی به رنگ به عنوان نشانگر درجه حرارت اولیه تکیه می کنند، تکنیکی که در داخل آن دقت ثابت شده است ± 25 درجه سانتیگراد در صورت انجام توسط پزشکان مجرب . درخشش این فلز ناشی از تابش جسم سیاه است که طول موج‌های خاصی در دماهای مختلف غالب است. این روش حتی در مغازه‌های مدرن مجهز به پیرومتر با ارزش باقی می‌ماند و به عنوان یک ابزار تأیید فوری عمل می‌کند.

طیف رنگ و دماهای مربوطه

• قرمز کم رنگ (475-550 درجه سانتیگراد / 885-1020 درجه فارنهایت): قابل مشاهده فقط در تاریکی، نامناسب برای آهنگری بیشتر فولادها
• قرمز خون (550-650 درجه سانتیگراد / 1020-1200 درجه فارنهایت): حداقل دما برای بازپخت، خیلی سرد برای آهنگری کارآمد
• قرمز گیلاسی تیره (650-750 درجه سانتیگراد / 1200-1380 درجه فارنهایت): آهنگری سبک امکان پذیر است اما به نیروی قابل توجهی نیاز دارد
• قرمز گیلاسی متوسط (750-815 درجه سانتیگراد / 1380-1500 درجه فارنهایت): برای تکمیل پاس روی فولاد پرکربن خوب است
• قرمز گیلاس (815-900 درجه سانتیگراد / 1500-1650 درجه فارنهایت): دمای آهنگری عمومی عالی برای اکثر فولادهای کربنی
• قرمز گیلاسی روشن (900-1000 درجه سانتیگراد / 1650-1830 درجه فارنهایت): بهینه برای عملیات آهنگری سنگین
• نارنجی (1000-1100 درجه سانتیگراد / 1830-2010 درجه فارنهایت): دمای شروع ایده آل برای اکثر فلزات آهنی
• نارنجی روشن تا زرد (1100-1200 درجه سانتیگراد / 2010-2190 درجه فارنهایت): حداکثر دمای آهنگری برای فولاد کربنی
• زرد تا سفید (1200-1300 درجه سانتیگراد / 2190-2370 درجه فارنهایت): نزدیک شدن به دمای سوختن، خطر آسیب دانه

نور محیطی به طور قابل توجهی بر درک رنگ تأثیر می گذارد. کارگاهی با روشنایی کنترل شده در 200-300 لوکس بهترین شرایط را برای ارزیابی دقیق دمای بصری فراهم می کند. نور مستقیم خورشید می تواند دیدن رنگ های زیر نارنجی روشن را غیرممکن کند و به طور بالقوه منجر به آهنگری سرد و آسیب های مادی شود.

روش ها و تجهیزات کنترل دما

عملیات آهنگری مدرن از چندین استراتژی کنترل دما برای اطمینان از ثبات و کیفیت استفاده می کند. انتخاب روش به حجم تولید، الزامات دقت و مشخصات مواد بستگی دارد.

انتخاب تجهیزات گرمایشی

فورج‌های زغال سنگ و کک در مغازه‌های کوچک محبوب هستند و می‌توانند به آنها دسترسی پیدا کنند 1400 درجه سانتیگراد (2550 درجه فارنهایت) در مناطق موضعی ، اگرچه توزیع دما می تواند نابرابر باشد. فورج‌های گازی با استفاده از پروپان یا گاز طبیعی، یکنواختی دمایی بهتری را ارائه می‌دهند، با طراحی مشعل‌های مدرن که ثبات 15± درجه سانتی‌گراد را در یک منطقه گرمایش 300 میلی‌متری به دست می‌آورند. سیستم‌های گرمایش القایی دقیق‌ترین کنترل را فراهم می‌کنند و مناطق خاص را تا دمای دقیق داخل گرم می‌کنند ± 5 درجه سانتی گراد در محیط های تولید با نرخ گرمایش تا 1000 درجه سانتیگراد در دقیقه برای قطعات کوچک.

ابزار اندازه گیری دما

• ترموکوپل نوع K: دقت از 0 تا 1260 درجه سانتیگراد، زمان پاسخگویی کمتر از 1 ثانیه، ایده آل برای نظارت مداوم
• پیرومترهای مادون قرمز: اندازه گیری بدون تماس تا 1600 درجه سانتیگراد، نیاز به تنظیم انتشار دارد (0.8-0.95 برای فولاد اکسید شده)
• دوربین های حرارتی: توزیع دما را در کل قطعه کار نشان دهید، نقاط سرد را قبل از آهنگری تشخیص دهید
• مداد رنگی نشان دهنده دما: ذوب در دماهای خاص (محدوده 150-1400 درجه سانتیگراد)، برای تأیید پیش گرمایش مفید است

برای قطعات حیاتی هوافضا یا خودرو، پیرومترهای کالیبره شده با دقت 0.3% اجباری هستند، با گواهی کالیبراسیون قابل ردیابی مطابق با استانداردهای ملی هر شش ماه یکبار مورد نیاز است.

اثرات دمای آهنگری نادرست

عملکرد خارج از محدوده دمایی مناسب باعث ایجاد نقص فوری و طولانی مدت مواد می شود. درک این پیامدها به جلوگیری از اشتباهات پرهزینه و اتلاف مواد کمک می کند.

آسیب آهنگری سرد

آهنگری زیر محدوده دمایی توصیه شده فلز را در معرض سخت شدن بیش از حد کار و ترک بالقوه قرار می دهد. وقتی فولاد کربن زیر کار می شود 800 درجه سانتی گراد (1470 درجه فارنهایت) ، تبدیل آستنیت به پرلیت در حال حاضر آغاز شده است و مواد را شکننده می کند. ترک‌های سطحی ابتدا ظاهر می‌شوند، معمولاً 0.5-2 میلی‌متر عمق، که می‌توانند در طول دوره‌های گرمایش بعدی در کل سطح مقطع پخش شوند. نوارهای برشی داخلی ایجاد می شود و تمرکز کننده های تنش ایجاد می کند که عمر خستگی را کاهش می دهد 40-60٪ در اجزای نهایی .

گرمای بیش از حد و سوختن

تجاوز از حد درجه حرارت بالا باعث رشد دانه و نفوذ اکسیداسیون می شود. در دماهای بالاتر 1250 درجه سانتیگراد (2280 درجه فارنهایت) برای فولاد کربنی دانه های آستنیت به صورت تصاعدی رشد می کنند و اندازه دانه هر 50 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. این ساختار دانه درشت را نمی توان به طور کامل از طریق عملیات حرارتی بعدی تصفیه کرد و به طور دائم چقرمگی را کاهش داد. سوزاندن زمانی اتفاق می افتد که فلز به دمای نزدیک به جامد برسد و باعث نفوذ اکسیژن به مرزهای دانه شود. بر خلاف گرمای بیش از حد، سوختن برگشت ناپذیر است. مواد آسیب دیده باید از بین برود که نشان دهنده از دست دادن کامل است.

تشکیل مقیاس و کربن زدایی

در دماهای آهنگری، آهن به سرعت اکسید می شود و با سرعت های 100 متری تشکیل رسوب می دهد 0.1-0.5 میلی متر در ساعت در 1150 درجه سانتی گراد . این مقیاس نشان دهنده تلفات مواد و ایجاد عیوب سطحی است. مهمتر از آن، سطح زیرین از طریق کربن زدایی، کربن را از دست می دهد، و یک لایه پوست نرم به عمق 0.5-3 میلی متر ایجاد می کند که پاسخ سخت شدن را به خطر می اندازد. اتمسفرهای محافظ یا چرخه های گرمایش سریع این اثر را به حداقل می رساند، با گرمایش القایی زمان قرار گرفتن در معرض را کاهش می دهد. 75 درصد نسبت به گرمایش کوره .

مدیریت دما در طول عملیات آهنگری

آهنگری موفقیت آمیز مستلزم حفظ قطعه کار در پنجره دمای بهینه در کل عملیات است. دما در طول آهنگری به سرعت کاهش می یابد و بخش های کوچکی از دست می روند 50-100 درجه سانتیگراد در دقیقه هنگام قرار گرفتن در معرض هوای محیط و تماس با قالب یا سندان.

محاسبات تلفات حرارتی و فرکانس گرم کردن مجدد

یک میله گرد با قطر 25 میلی‌متر در دمای 1150 درجه سانتی‌گراد، در 30 ثانیه اول قرار گرفتن در معرض هوا، تقریباً 150 درجه سانتی‌گراد از دست می‌دهد و با کاهش اختلاف دما، میزان آن کاهش می‌یابد. تماس دای باعث تسریع اتلاف حرارت می شود. قالب های فولادی در دمای اتاق می توانند استخراج شوند 200-300 درجه سانتیگراد از سطح قطعه کار در اولین تماس آهنگرهای باتجربه حس شهودی برای فرکانس گرم کردن مجدد ایجاد می کنند، اما آهنگری تولید از برنامه ریزی های مبتنی بر محاسبه استفاده می کند.

برای یک دنباله آهنگری معمولی روی فولاد کربن متوسط، جریان کار به شرح زیر است:

1. حرارت را تا 1150 درجه سانتیگراد (گیلاس روشن تا نارنجی)
2. در حالی که دما بالای 1000 درجه سانتیگراد است، 3 تا 5 ضربه سنگین انجام دهید
3. آهنگری را ادامه دهید تا دمای فلز به 870 درجه سانتیگراد برسد (قرمز گیلاسی متوسط)
4. قبل از اینکه مواد به زیر 800 درجه سانتیگراد برسند، برای گرم کردن مجدد به فورج برگردانید
5. چرخه را تا رسیدن به شکل دلخواه تکرار کنید

پیش گرم کردن و خیساندن مورد نیاز

آهنگری های بزرگ و فولادهای پر آلیاژ به پیش گرمایش کنترل شده برای جلوگیری از شوک حرارتی نیاز دارند. آهنگری که سنگینی می کند 50 کیلوگرم باید از قبل در دمای 400-600 درجه سانتیگراد گرم شود قبل از قرار گرفتن در معرض دمای کامل آهنگری، با نرخ گرمایش محدود به 100-200 درجه سانتیگراد در ساعت برای مرحله اول. زمان خیساندن در دمای آهنگری یکنواختی دما را در سراسر سطح مقطع، محاسبه شده در آن تضمین می کند 1 دقیقه در هر 25 میلی متر ضخامت برای فولادهای کربنی، برای فولادهای آلیاژی با رسانایی حرارتی پایین تر.

ملاحظات ویژه برای فولادهای آلیاژی

عناصر آلیاژی به طور قابل توجهی محدوده دمای آهنگری و رفتار را تغییر می دهند. هر عنصر به روش های خاصی بر دماهای تبدیل فاز و ویژگی های کار گرم تأثیر می گذارد.

تاثیر عناصر آلیاژی رایج

کروم (موجود در فولادهای ابزار و فولادهای ضد زنگ) محدوده آهنگری را باریک می کند و خطر ترک خوردگی سطح را افزایش می دهد. فولادهای با 12 تا 18 درصد کروم نیاز به دمای اولیه دارند 1150-1200 درجه سانتیگراد و برای جلوگیری از تشکیل فاز سیگما نباید در دمای زیر 925 درجه سانتیگراد کار کرد. نیکل کارایی گرم را با افزایش دامنه آستنیت بهبود می‌بخشد و اجازه می‌دهد تا دمای نهایی در حدود 790 درجه سانتی‌گراد بدون خطر ترک خوردگی کمتر شود.

مولیبدن و تنگستن به طور قابل توجهی نیازهای دمای آهنگری را افزایش می دهد، زیرا برخی از فولادهای پرسرعت به دمای شروع نیاز دارند 1200-1260 درجه سانتیگراد . این عناصر همچنین انتشار را آهسته می‌کنند و به زمان‌های خیساندن طولانی‌تری نیاز دارند 2 دقیقه در ضخامت 25 میلی متر . وانادیوم کاربیدهایی را تشکیل می‌دهد که در برابر انحلال مقاومت می‌کنند و در حین آهنگری، تمرکزکننده‌های تنش موضعی ایجاد می‌کنند، مگر اینکه دما از 1150 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند.

پارامترهای آهنگری فولاد ضد زنگ

فولادهای زنگ نزن آستنیتی (سری 304، 316) به دلیل رسانایی حرارتی پایین - تقریبا 40 درصد فولاد کربنی است . این باعث ایجاد گرادیان دما قابل توجهی می شود که به سرعت گرمایش آهسته و خیساندن طولانی نیاز دارد. محدوده آهنگری 1040-1200 درجه سانتیگراد باید به شدت رعایت شود، زیرا کار در محدوده 480-870 درجه سانتیگراد کاربیدهای کروم را رسوب می دهد و مقاومت به خوردگی را به شدت کاهش می دهد. برخلاف فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ به دلیل ویژگی‌های اکسید سطح، شاخص‌های رنگ بصری ضعیفی را ارائه می‌کند و استفاده از پیرومتر را ضروری می‌کند.

کنترل دمای پس از فورج

فاز خنک کننده پس از اتمام آهنگری بر ریزساختار و خواص نهایی تأثیر می گذارد. سرمایش نامناسب باعث ایجاد تنش های پسماند، تاب برداشتن یا سخت شدن ناخواسته می شود که عملیات ماشینکاری بعدی را پیچیده می کند.

استراتژی های خنک کننده کنترل شده

برای اکثر آهنگرهای فولاد کربنی، خنک شدن در هوای ساکن از 650 درجه سانتیگراد نتایج کافی را ایجاد می کند و یک ساختار نرمال شده مناسب برای ماشین کاری ایجاد می کند. اشکال پیچیده از دفن در مواد عایق (ورمیکولیت، آهک یا خاکستر چوب) برای کند شدن خنک شدن تا حدودی سود می برند. 50 درجه سانتیگراد در ساعت ، کاهش گرادیان تنش حرارتی. فولادهای پر کربن (بالاتر از 0.6% C) و بسیاری از فولادهای آلیاژی باید به آرامی خنک شوند تا از تبدیل مارتنزیتی که باعث ایجاد ترک می شود جلوگیری شود. این آهنگرها در کوره ها با سرعت کنترل شده 20-30 درجه سانتیگراد در ساعت از 870 درجه سانتیگراد تا 540 درجه سانتیگراد خنک می شوند.

الزامات کاهش استرس

آهنگری های بزرگ بیش از حد 100 میلی متر در هر ابعاد صرف نظر از روش خنک‌سازی، تنش پسماند قابل‌توجهی در طول خنک‌سازی جمع می‌شود. عملیات حرارتی کاهش تنش در دمای 580-650 درجه سانتیگراد به مدت 1-2 ساعت در ضخامت 25 میلی متر این تنش ها را کاهش می دهد. 80-90٪ ، بهبود پایداری ابعادی در حین ماشینکاری. این مرحله میانی برای اجزای دقیق در کاربردهای هوافضا و تولید برق، که در آن تحمل اعوجاج در صدم میلی متر اندازه گیری می شود، الزامی است.

ملاحظات ایمنی و زیست محیطی

درجه حرارت آهنگری خطرات حرارتی جدی را ایجاد می کند که به پروتکل های ایمنی جامع نیاز دارد. فلز در دمای 1150 درجه سانتیگراد گرمای تابشی کافی برای ایجاد ایجاد می کند سوختگی درجه دوم در فاصله 1 متری در عرض 30 ثانیه قرار گرفتن در معرض مداوم تجهیزات حفاظت فردی مناسب شامل پیش بند آلومینیومی یا چرمی با درجه حرارت تابشی، محافظ صورت با فیلترهای سایه دار 5-8 و دستکش های عایق با قابلیت مقاومت در برابر تماس کوتاه با سطوح 650 درجه سانتی گراد است.

جوهای فورج مونوکسید کربن، دی اکسید گوگرد و دودهای فلزی تولید می کنند که نیاز به تهویه کافی دارند. عملیات صنعتی حفظ شود 10-15 تغییر هوا در ساعت در منطقه فورج، با هودهای محلی اگزوز که برای رهگیری محصولات احتراق در حال افزایش قرار دارند. تشکیل مقیاس باعث انتشار ذرات می شود. یک عملیات آهنگری در یک شمش 10 کیلوگرمی می تواند ایجاد کند 100-200 گرم فلس اکسید آهن ، که با چکش زدن از جای خود خارج می شود.

بهره وری انرژی با مدیریت مناسب دما بهبود می یابد. گرمای بیش از حد مواد تا 100 درجه سانتیگراد تقریباً ضایعات می شود 8-12٪ سوخت اضافی در هر چرخه گرما، در حالی که گرم کردن مجدد بیش از حد به دلیل برنامه ریزی ضعیف جریان کار می تواند مصرف انرژی را دو برابر کند. فورج های گاز مدرن بازده حرارتی 25-35٪ را به دست می آورند در حالی که سیستم های القایی به 65-75٪ می رسند و انتخاب تجهیزات را عامل مهمی در هزینه های عملیاتی و اثرات زیست محیطی می کنند.