Forjare oțel pentru scule: clase, metode și parametri de proces

Forjarea oțelului pentru scule este procesul de modelare a aliajelor de oțel pentru scule sub o forță mare de compresiune - de obicei între 1.900°F și 2.200°F (1.040°C–1.200°C) — pentru a produce matrițe, poanson, unelte de tăiere și componente structurale cu proprietăți mecanice superioare. În comparație cu alternativele prelucrate sau turnate, piesele forjate din oțel pentru scule oferă o tenacitate, rezistență la oboseală și consistență dimensională semnificativ mai mari, ceea ce face ca forjarea să fie calea de fabricație preferată pentru aplicațiile de scule cu solicitare ridicată.

Indiferent dacă achiziționați semifabricate pentru o matriță de prelucrare la rece sau selectați o metodă de forjare pentru un poanson de lucru la cald, înțelegerea modului în care procesul interacționează cu anumite tipuri de oțel pentru scule este esențială pentru a obține performanța de care aveți nevoie.

De ce să forjați oțel pentru scule?

Oțelurile pentru scule pot fi prelucrate din bară sau produse prin metalurgia pulberilor, așa că alegerea de a forja este deliberată - determinată de cerințele de performanță pe care alte metode nu le pot îndeplini pe deplin.

Forjarea rupe și redistribuie rețelele de carbură care se formează în timpul solidificării. În oțelurile de scule înalt aliate, cum ar fi D2 sau M2, benzile din carbură turnate pot reduce tenacitatea transversală prin 30–50% în comparație cu o țagle forjată și prelucrată corespunzător. Lucrarea mecanică închide, de asemenea, porozitatea internă, aliniază fluxul de cereale cu geometria piesei și produce o structură de cereale rafinată care răspunde mai previzibil la tratamentul termic.

În termeni practici, o inserție de matriță forjată H13 va rezista în mod obișnuit unui echivalent prelucrat cu un factor de 1,5–3× în aplicații de turnare sub presiune la înaltă presiune, în funcție de severitatea ciclului termic.

Clasele comune de oțel pentru scule și caracteristicile lor de forjare

Nu toate oțelurile pentru scule forjează la fel. Conținutul de aliaj, nivelul de carbon și tipul de carbură afectează forjabilitatea și fereastra de proces necesară.

D2, cu ei ~12% crom și 1,5% conținut de carbon , este printre cele mai dificile oțeluri pentru scule de forjat. Volumul mare de carburi de crom necesită reduceri grele și controlate pentru a sparge rețeaua de carburi eutectice. Forjarea D2 sub 1.850°F riscă să se crape; peste 1.975°F riscă topirea incipientă la limitele de carbură.

Metode de forjare utilizate pentru oțelul de scule

Alegerea metodei de forjare afectează fluxul de cereale, finisarea suprafeței, toleranțele și cantitatea de prelucrare post-forjare necesară.

Forjare cu matriță deschisă (Smith).

Forjarea cu matriță deschisă utilizează matrițe plate sau de formă simplă pentru a prelucra o țagla încălzită printr-o serie de compresii incrementale. Este cea mai flexibilă metodă și abordarea standard pentru producerea semifabricatelor din oțel pentru scule, a blocurilor de matriță mari și a formelor personalizate care vor fi prelucrate cu finisaj.

• Potrivit pentru tagle de la câteva kilograme până la câteva tone
• Permite control total asupra raportului de reducere și direcției de lucru
• Raport minim de reducere de 4:1 de obicei necesar pentru defalcarea adecvată a carburilor în clasele de aliaje înalte
• Folosit de majoritatea producătorilor de oțel de specialitate pentru producția standard de bare rotunde, pătrate și plate

Forjare cu matriță închisă (imprimare cu matriță).

În forjarea cu matriță închisă, materialul încălzit este presat între jumătățile matriței potrivite care conțin o cavitate care se potrivește cu forma piesei finite. Această metodă produce piese forjate de formă aproape netă, cu flux controlat de cereale și toleranțe dimensionale strânse - de obicei ±0,010 până la ±0,030 inci pe dimensiuni critice.

Forjarea cu matriță închisă este utilizată pentru perforații, inserții și componente de scule mai mici, unde volumul justifică investiția în scule. Pentru oțelurile pentru scule, durata de viață a matriței în sine devine o preocupare - matrițele de amprentare H13 sunt utilizate în mod obișnuit pentru a forja alte tipuri de oțel pentru scule la temperaturi ridicate.

Laminare rotativă (inelă) și forjare radială

Pentru componente cilindrice, cum ar fi inele, bucșe sau bară rotundă, metodele de forjare rotativă asigură o rafinare continuă a granulelor circumferențiale. Forjarea radiala preseaza o tagle rotunda simultan din mai multe directii, producand microstructuri foarte uniforme in bara rotunda sau hexagonala. Această metodă este utilizată pe scară largă pentru producție bară rotundă din oțel de mare viteză (HSS). pentru semifabricate de scule de tăiere.

Forjare izotermă

Forjarea izotermă încălzește atât piesa de prelucrat, cât și matrițele la aceeași temperatură, eliminând scăderea de temperatură care provoacă răcirea și crăparea suprafeței în aliajele greu de forjat. Este mai puțin obișnuit pentru oțelurile pentru scule din cauza costului echipamentului, dar este folosit pentru oțelurile pentru scule HSS de calitate aerospațială și pentru metalurgia pulberilor care au ferestre extrem de înguste pentru prelucrare la cald.

Parametrii critici ai procesului de controlat

Obținerea corectă a metalurgiei în timpul forjarii oțelului de scule necesită un control strict al mai multor variabile interdependente.

Preîncălziți și înmuiați temperatura

Oțelurile pentru scule trebuie încălzite lent și uniform pentru a evita șocul termic. Un protocol tipic de preîncălzire pentru un bloc H13 mare:

1. Încălziți la 1.200°F (650°C) și țineți apăsat până când temperatura se egalizează prin secțiune transversală
2. Rampa la temperatura de forjare la ≤200°F/oră (110°C/oră)
3. Înmuiați la temperatura de forjare pentru un minim de 1 oră pe inch de grosime

Precipitarea înmuiării duce la un miez rece, care produce deformare neuniformă și poate iniția fisuri interne în timpul presării.

Temperatura de forjare de finisare

Lucrările trebuie finalizate peste temperatura minimă de finisare pentru a evita întărirea prin deformare a oțelului într-o stare fragilă. Pentru majoritatea oțelurilor pentru scule, forjarea nu ar trebui să continue mai jos 1.750°F (955°C) . Dacă piesa scade sub acest prag, ar trebui să fie returnată în cuptor, mai degrabă decât forțată prin reduceri suplimentare.

Raport de reducere

Raportul de reducere (secțiunea transversală de pornire ÷ secțiunea transversală finală) antrenează defalcarea carburilor și rafinarea cerealelor. Standardele industriale pentru piese forjate din oțel pentru scule necesită de obicei:

• Minim 3:1 pentru clase rezistente la șocuri și întărire la apă (S7, W1)
• Minim 4:1 până la 6:1 pentru clase de lucru la rece (A2, D2)
• Minim 6:1 sau mai mare pentru oțelurile de mare viteză (M2, T1) pentru a sparge în mod adecvat rețelele de carbură eutectică

Răcirea după forjare

Oțelurile pentru scule trebuie răcite lent după forjare pentru a preveni fisurarea din cauza solicitărilor de transformare. Practica obișnuită este de a îngropa forjarea în nisip uscat, vermiculit sau var izolant sau de a o plasa direct într-un cuptor la 1.100–1.200°F (595–650°C) pentru o răceală lentă, controlată la mediu. Răcirea cu aer este acceptabilă numai pentru cele mai îngăduitoare clase precum S7 în secțiuni transversale mici.

Recoacerea după forjare

Forjarea întărește oțelul pentru scule și blochează tensiunile reziduale. Înainte de orice prelucrare sau tratament termic, semifabricatele din oțel pentru scule forjate trebuie recoapte la:

• Înmuiați oțelul până la o duritate prelucrabilă (de obicei HB 180–250 in functie de nota)
• Eliberați tensiunile reziduale de forjare
• Produceți o microstructură uniformă de carbură sferoidizată pentru un răspuns optim la tratament termic

O recoacere cu sferoidizare completă pentru oțelul pentru scule D2, de exemplu, implică menținerea la 1.600°F (870°C) timp de 2-4 ore, apoi răcirea lentă a cuptorului la ≤25°F/oră (14°C/oră) sub 1.000°F (540°C). Omiterea sau scurtarea acestui pas duce adesea la fisuri de măcinare sau la deformare în timpul întăririi.

Defecte comune ale forjatelor din oțel pentru scule și cum să le evitați

Forjarea oțelului pentru scule vs. metalurgia pulberilor: să știți când să alegeți fiecare

Oțelurile pentru scule din metalurgia pulberilor (PM), produse prin pulberi de aliaj de atomizare și sinterizare, oferă o distribuție extrem de uniformă a carburilor pe care forjarea singură nu o poate realiza în clasele de aliaje înalte. Calitățile PM precum CPM 3V, CPM M4 sau Vanadis 4 Extra au devenit alternative populare la D2 sau M2 forjate în mod convențional pentru aplicații solicitante.

Cu toate acestea, forjarea are încă avantaje clare în mai multe scenarii:

• Cost: Bara de oțel pentru scule forjată în mod convențional este de obicei Cu 30-60% mai puțin costisitor decât clasele PM echivalente
• Secțiuni transversale mari: Disponibilitatea barului PM este limitată în secțiuni grele; blocurile forjate din oțel pentru scule sunt produse în mod obișnuit în dimensiuni care depășesc 24 de inci
• Forme personalizate: Forjarea cu matriță deschisă poate produce preforme în formă aproape de rețea care reduc risipa de material în blocurile de matriță mari
• Performanță dovedită: Forged H13, A2 și S7 au zeci de ani de date de performanță pe teren pentru aproape fiecare aplicație de scule

PM este alegerea mai bună atunci când duritatea în toate direcțiile este critică, conținutul de vanadiu depășește ~3–4% (făcând forjarea convențională nepractică) sau când aplicația necesită cea mai fină structură de carbură. Pentru cele mai multe unelte cal de lucru, Oțelul convențional pentru scule forjat corespunzător rămâne soluția cea mai rentabilă .

Aprovizionarea și verificarea calității

Atunci când achiziționați oțel forjat pentru scule, practicile cheie de asigurare a calității includ:

• Certificari morii: Solicitați analize chimice (certificarea căldurii) și, dacă sunt disponibile, rezultatele testelor mecanice (de tracțiune, impact) din căldura de forjare
• Testare cu ultrasunete (UT): Esențial pentru blocurile de matriță mari; ASTM A388 este metoda UT standard pentru forjare din oțel și poate detecta goluri interne sau segregare peste limitele de acceptare specificate
• Evaluarea rețelei de carbură: Pentru tipurile de aliaje înalte, furnizorii ar trebui să poată furniza sau aranja inspecție metalografică care să confirme distribuția adecvată a carburilor conform unui standard de acceptare definit (de exemplu, SEP 1520 pentru benzi de carbură)
• Verificarea durității recoapte: O citire a durității Brinell la primire confirmă că materialul a fost recoapt corespunzător și se încadrează în intervalul așteptat pentru grad

Furnizori reputați de oțel pentru scule, cum ar fi Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology și Crucible Industries (pentru clase PM) oferă certificări standardizate de produs, dar verificarea independentă este recomandabilă pentru programele de scule critice pentru siguranță sau de volum mare.