آهنگری فولاد ابزار: نمرات، روش ها و پارامترهای فرآیند

آهنگری فولاد ابزار فرآیند شکل دادن به آلیاژهای فولاد ابزار تحت نیروی فشاری بالا است - معمولاً بین 1900 درجه فارنهایت و 2200 درجه فارنهایت (1040-1200 درجه سانتیگراد) - تولید قالب ها، پانچ ها، ابزارهای برش و اجزای ساختاری با خواص مکانیکی برتر. در مقایسه با جایگزین‌های ماشینکاری یا ریخته‌گری، قطعات فولادی ابزار آهنگری چقرمگی، مقاومت در برابر خستگی و ثبات ابعادی به‌طور قابل‌توجهی بالاتر است، و آهنگری را به مسیر تولید ترجیحی برای کاربردهای ابزارسازی با استرس بالا تبدیل می‌کند.

چه برای قالب های سرد کار تهیه کنید یا یک روش آهنگری را برای پانچ کار گرم انتخاب کنید، درک نحوه تعامل این فرآیند با نمرات فولاد ابزار خاص برای دستیابی به عملکرد مورد نیاز ضروری است.

اصلاً چرا فولاد ابزار فورج؟

فولادهای ابزار را می توان از استوک میله ماشین کاری کرد یا توسط متالورژی پودر تولید کرد، بنابراین انتخاب آهنگری عمدی است – بر اساس الزامات عملکردی که روش های دیگر نمی توانند به طور کامل برآورده شوند.

آهنگری شبکه‌های کاربید را که در طول انجماد تشکیل می‌شوند شکسته و دوباره توزیع می‌کند. در فولادهای ابزار پر آلیاژ مانند D2 یا M2، نوارهای کاربید ریخته گری می توانند چقرمگی عرضی را کاهش دهند. 30-50٪ در مقایسه با یک شمش به درستی آهنگری و کار شده. کار مکانیکی همچنین تخلخل داخلی را می بندد، جریان دانه را با هندسه قطعه تراز می کند و ساختار دانه ای تصفیه شده را تولید می کند که به طور قابل پیش بینی بیشتری به عملیات حرارتی پاسخ می دهد.

از نظر عملی، درج قالب H13 فورج شده معمولاً از معادل ماشینکاری شده با ضریب دوام بیشتری دارد. 1.5-3× در کاربردهای ریخته گری فشار بالا، بسته به شدت چرخه حرارتی.

نمرات فولاد ابزار رایج و ویژگی های آهنگری آنها

همه فولادهای ابزار به یک شکل جعل نمی شوند. محتوای آلیاژ، سطح کربن و نوع کاربید همگی بر جعل پذیری و پنجره فرآیند مورد نیاز تأثیر می گذارند.

D2 با آن 12% کروم و 1.5% کربن ، یکی از سخت ترین فولادهای ابزار برای آهنگری است. حجم بالای کاربیدهای کروم نیاز به احیای سنگین و کنترل شده برای شکستن شبکه کاربید یوتکتیک دارد. جعل D2 زیر 1850 درجه فارنهایت خطر ترک خوردگی دارد. بالاتر از 1975 درجه فارنهایت خطر ذوب اولیه در مرزهای کاربید را به همراه دارد.

روش های آهنگری مورد استفاده برای فولاد ابزار

انتخاب روش آهنگری بر جریان دانه، پرداخت سطح، تلرانس ها و میزان ماشینکاری مورد نیاز پس از فورج تأثیر می گذارد.

باز کردن قالب (اسمیت) آهنگری

آهنگری قالب باز از قالب های مسطح یا ساده استفاده می کند تا شمش گرم شده را از طریق یک سری فشرده سازی افزایشی کار کند. این انعطاف‌پذیرترین روش و رویکرد استاندارد برای تولید قطعات فولادی ابزار، بلوک‌های قالب بزرگ و اشکال سفارشی است که به‌صورت نهایی ماشینکاری می‌شوند.

• مناسب برای بیلت از چند پوند تا چندین تن
• امکان کنترل کامل بر نسبت کاهش و جهت کار را فراهم می کند
• حداقل نسبت کاهش از 4:1 معمولاً برای تجزیه کاربید کافی در گریدهای آلیاژی بالا مورد نیاز است
• توسط اکثر تولیدکنندگان فولاد ویژه برای تولید میله گرد، مربع و تخت استاندارد استفاده می شود

قالب بسته (Impression-Die) آهنگری

در آهنگری قالب بسته، استاک گرم شده بین نیمه های قالب همسان که حاوی حفره ای منطبق با شکل قطعه تمام شده است فشرده می شود. این روش آهنگری‌های نزدیک به شبکه را با جریان دانه‌ای کنترل‌شده و تحمل‌های ابعادی محدود تولید می‌کند – معمولاً 0.010 ± تا 0.030 ± اینچ در ابعاد بحرانی

فورج قالب بسته برای پانچ ها، درج ها و اجزای ابزار کوچکتر که حجم آن سرمایه گذاری ابزار را توجیه می کند استفاده می شود. برای فولادهای ابزار، عمر قالب به خودی خود یک نگرانی می شود - قالب های قالب گیری H13 معمولاً برای ساختن سایر گریدهای فولاد ابزار در دماهای بالا استفاده می شود.

روتاری (حلقه ای) نورد و آهنگری شعاعی

برای اجزای استوانه‌ای مانند حلقه‌ها، بوش‌ها یا میله‌های گرد، روش‌های آهنگری دوار، پالایش دانه‌های محیطی پیوسته را فراهم می‌کنند. آهنگری شعاعی یک شمش گرد را به طور همزمان از چندین جهت فشار می دهد و ریزساختارهای بسیار یکنواختی را در میله گرد یا شش ضلعی ایجاد می کند. این روش به طور گسترده برای تولید استفاده می شود میله گرد فولادی پرسرعت (HSS). برای برش جاهای خالی ابزار

آهنگری ایزوترمال

آهنگری همدما هم قطعه کار و هم قالب ها را تا یک دما گرم می کند و افت دما را که باعث سرد شدن سطح و ترک خوردگی در آلیاژهای سخت جعل می شود از بین می برد. برای فولادهای ابزار به دلیل هزینه تجهیزات کمتر رایج است، اما برای فولادهای ابزار HSS درجه هوافضا و متالورژی پودری که پنجره‌های بسیار باریکی دارند استفاده می‌شود.

پارامترهای فرآیند حیاتی برای کنترل

درست کردن متالورژی در طول آهنگری فولاد ابزار مستلزم کنترل دقیق چندین متغیر وابسته به هم است.

پیش گرم کردن و دمای خیساندن

فولادهای ابزار باید به آرامی و یکنواخت گرم شوند تا از شوک حرارتی جلوگیری شود. یک پروتکل پیش گرمایش معمولی برای یک بلوک بزرگ H13:

1. حرارت دادن به 1200 درجه فارنهایت (650 درجه سانتیگراد) و نگه دارید تا دما از طریق سطح مقطع یکسان شود
2. سطح شیب دار به درجه حرارت آهنگری در ≤200 درجه فارنهایت در ساعت (110 درجه سانتیگراد در ساعت)
3. حداقل در دمای آهنگری خیس کنید 1 ساعت در هر اینچ ضخامت

عجله در خیساندن منجر به هسته سرد می شود که تغییر شکل ناهمواری ایجاد می کند و می تواند باعث ایجاد ترک های داخلی در حین پرس شود.

درجه حرارت فورج پایان

برای جلوگیری از سخت شدن فولاد در شرایط شکننده، کار باید بالاتر از حداقل دمای پایان انجام شود. برای اکثر فولادهای ابزار، آهنگری نباید در زیر ادامه یابد 1750 درجه فارنهایت (955 درجه سانتیگراد) . اگر قطعه از این آستانه پایین بیاید، به جای اینکه مجبور به کاهش بیشتر شود، باید به کوره برگردانده شود.

نسبت کاهش

نسبت کاهش (مقطع شروع ÷ مقطع تمام شده) باعث تجزیه کاربید و پالایش دانه می شود. استانداردهای صنعتی برای آهنگری فولاد ابزار معمولاً نیاز دارند:

• حداقل 3:1 برای درجه های مقاوم در برابر ضربه و سخت شدن آب (S7، W1)
• حداقل 4:1 تا 6:1 برای درجه های سرد کاری (A2، D2)
• حداقل 6:1 یا بیشتر برای فولادهای پرسرعت (M2, T1) برای شکستن شبکه های کاربید یوتکتیک به اندازه کافی

خنک شدن پس از آهنگری

فولادهای ابزار باید پس از آهنگری به آرامی خنک شوند تا از ایجاد ترک در اثر تنش های تبدیلی جلوگیری شود. روش معمول این است که آهنگری را در ماسه خشک، ورمیکولیت یا آهک عایق دفن کنید یا مستقیماً در کوره قرار دهید. 1100–1200 درجه فارنهایت (595–650 درجه سانتیگراد) برای خنک کردن آرام و کنترل شده به محیط. خنک کننده هوا فقط برای گریدهایی مانند S7 در مقاطع کوچک قابل قبول است.

بازپخت پس از آهنگری

آهنگری کار فولاد ابزار و قفل را در تنش های پسماند سخت می کند. قبل از هر ماشین کاری یا عملیات حرارتی، قطعات فولادی ابزار آهنگری باید به موارد زیر بازپخت شوند:

• فولاد را تا سختی قابل ماشین کاری نرم کنید (معمولا HB 180–250 بسته به درجه)
• تنش های باقیمانده آهنگری را کاهش دهید
• برای پاسخ بهینه عملیات حرارتی، یک ریزساختار کاربید کروی یکنواخت تولید کنید

برای مثال، آنیل کامل کروی برای فولاد ابزار D2، شامل نگه داشتن در است 1600 درجه فارنهایت (870 درجه سانتیگراد) به مدت 2 تا 4 ساعت، سپس خنک شدن کوره را کند کنید ≤25 درجه فارنهایت در ساعت (14 درجه سانتیگراد در ساعت) تا زیر 1000 درجه فارنهایت (540 درجه سانتیگراد). پرش یا کوتاه کردن این مرحله اغلب منجر به ایجاد ترک های سایشی یا اعوجاج در حین سخت شدن می شود.

عیوب رایج در آهنگری های فولادی ابزار و نحوه جلوگیری از آنها

آهنگری فولاد ابزار در مقابل متالورژی پودر: دانستن زمان انتخاب هر کدام

فولادهای ابزار متالورژی پودر (PM) که با اتمیزه کردن و تف جوشی پودرهای آلیاژی تولید می شوند، توزیع کاربید بسیار یکنواختی را ارائه می دهند که آهنگری به تنهایی نمی تواند در گریدهای آلیاژی بالا به دست آورد. نمرات PM مانند CPM 3V، CPM M4، یا Vanadis 4 Extra جایگزین های محبوبی برای D2 یا M2 ساخته شده معمولی برای برنامه های کاربردی شده اند.

با این حال، آهنگری هنوز در چندین سناریو دارای مزایای واضح است:

• هزینه: میله فولادی ابزار آهنگری معمولی معمولاً می باشد 30 تا 60 درصد ارزان تر نسبت به نمرات PM معادل
• مقاطع بزرگ: در دسترس بودن نوار PM در بخش های سنگین محدود است. بلوک های فولادی ابزار آهنگری به طور معمول در اندازه های بیش از 24 اینچ تولید می شوند
• اشکال سفارشی: آهنگری قالب باز می‌تواند پریفرم‌های نزدیک به شبکه تولید کند که ضایعات مواد را در بلوک‌های قالب بزرگ کاهش می‌دهد.
• عملکرد ثابت شده: H13، A2 و S7 فورج شده دارای چندین دهه داده عملکرد میدانی در تقریباً هر برنامه ابزارسازی هستند.

زمانی که چقرمگی در همه جهات حیاتی است، محتوای وانادیوم بیش از 3-4٪ است (که آهنگری معمولی را غیرعملی می کند)، یا زمانی که کاربرد به بهترین ساختار کاربید نیاز دارد، PM انتخاب بهتری است. برای اکثر ابزارهای اسب کار، فولاد ابزار معمولی که به درستی آهنگری شده باشد مقرون به صرفه ترین راه حل باقی مانده است .

منبع یابی و تایید کیفیت

هنگام خرید فولاد ابزار آهنگری، اقدامات کلیدی تضمین کیفیت عبارتند از:

• گواهینامه آسیاب: درخواست تجزیه و تحلیل شیمیایی (گواهی حرارتی) و، در صورت وجود، نتایج آزمایش مکانیکی (کششی، ضربه) از حرارت آهنگری
• تست اولتراسونیک (UT): برای بلوک های قالب بزرگ حیاتی است. ASTM A388 روش استاندارد UT برای آهنگری فولادی است و می تواند حفره های داخلی یا تفکیک بالاتر از حد مجاز پذیرش مشخص شده را تشخیص دهد.
• رتبه بندی شبکه کاربید: برای گریدهای آلیاژی بالا، تامین‌کنندگان باید بتوانند بازرسی متالوگرافیک را که توزیع کاربید کافی را بر اساس استاندارد پذیرش تعریف‌شده تأیید می‌کند، ارائه یا ترتیب دهند (به عنوان مثال، SEP 1520 برای نوار کاربید)
• بررسی سختی آنیل شده: خوانش سختی برینل هنگام دریافت تایید می کند که مواد به درستی بازپخت شده اند و در محدوده مورد انتظار برای درجه قرار می گیرند.

تامین کنندگان معتبر فولاد ابزار مانند Böhler-Uddeholm، Carpenter Technology، و Crucible Industries (برای گریدهای PM) گواهینامه های استاندارد محصول را ارائه می دهند، اما تأیید مستقل برای برنامه های ابزارسازی با اهمیت ایمنی یا با حجم بالا توصیه می شود.