Rèn thép cacbon: Cấp độ, nhiệt độ và hướng dẫn hàn rèn

là gì Rèn thép carbon và tại sao nó quan trọng

Rèn thép carbon là một quá trình sản xuất trong đó phôi hoặc thanh thép carbon được định hình dưới lực nén - bằng búa, máy ép hoặc cán vòng - ở nhiệt độ cao. Kết quả là tạo ra một vật liệu được rèn với cấu trúc hạt tinh chế về cơ bản vượt trội hơn so với vật liệu đúc hoặc gia công tương đương về độ bền mỏi, độ bền va đập và các tính chất cơ học định hướng. Các thành phần thép cacbon rèn luôn vượt trội hơn vật đúc từ 20–30% về độ bền kéo và độ bền chảy theo các thành phần tương đương, làm cho việc rèn trở thành lựa chọn mặc định cho các bộ phận chịu tải trong ô tô, dầu khí, máy móc hạng nặng và các ứng dụng kết cấu.

Các biến số chính quyết định sự thành công của quá trình rèn là hàm lượng carbon, nhiệt độ làm việc, tốc độ biến dạng và xử lý nhiệt sau rèn. Mỗi chất này tương tác với những chất khác - nhiệt độ tạo ra sự sàng lọc hạt lý tưởng ở thép có hàm lượng cacbon thấp có thể gây ra vết nứt ở loại có hàm lượng cacbon cao. Hiểu được những mối quan hệ này là điều giúp phân biệt quy trình rèn đáng tin cậy với quy trình tạo ra các đặc tính cơ học hoặc phế liệu không nhất quán.

Nhiệt độ rèn thép: Phạm vi theo hàm lượng carbon

Nhiệt độ rèn của thép không phải là một giá trị duy nhất - nó là một cửa sổ làm việc được xác định bởi giới hạn trên (trên đó xảy ra sự phát triển hoặc cháy hạt) và giới hạn dưới (dưới mức đó thép trở nên quá cứng và dễ bị nứt và biến dạng). Đối với thép carbon, cửa sổ này thu hẹp khi hàm lượng carbon tăng lên.

Không bao giờ rèn dưới nhiệt độ hoàn thiện. Khi thép cacbon giảm xuống dưới khoảng 750–800 °C, quá trình biến đổi austenite thành ferit/ngọc trai bắt đầu và vật liệu chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái giòn. Việc tiếp tục rèn trong phạm vi này sẽ gây ra các vết rách bên trong, nứt bề mặt và sự phân bố độ cứng không nhất quán mà không thể khắc phục hoàn toàn bằng cách xử lý nhiệt tiếp theo.

Trần nhiệt độ trên cũng quan trọng không kém. Làm nóng thép cacbon thấp trên 1.300 °C khiến hạt trở nên thô nhanh, trong khi nhiệt độ trên khoảng 1.350–1.400 °C có nguy cơ làm nóng chảy ở ranh giới hạt - một tình trạng được gọi là cháy, không thể đảo ngược và tạo ra phế liệu phôi.

Các lớp rèn: Các loại thép cacbon và ứng dụng của chúng

Các loại rèn là các thành phần thép được tiêu chuẩn hóa được lựa chọn đặc biệt vì tính chất hóa học và độ cứng của chúng đáp ứng có thể dự đoán được với quá trình rèn và xử lý nhiệt tiếp theo. Các hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất là AISI/SAE (Bắc Mỹ), EN (Châu Âu) và GB/T (Trung Quốc), mặc dù các cấp độ có sự tham chiếu chéo rộng rãi giữa các tiêu chuẩn.

Các lớp rèn carbon thấp

Các lớp như AISI 1018, 1020 và 1025 (tương đương EN: C20, S20C) chứa 0,15–0,25% cacbon và có khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt nhất. Chúng được sử dụng cho trục, chốt, trục và giá đỡ kết cấu trong đó độ bền được ưu tiên hơn độ cứng. Bởi vì hàm lượng cacbon của chúng thấp nên chúng thường không được làm cứng chỉ bằng cách làm nguội - việc làm cứng vỏ (cacbon hóa hoặc cacbonit) được sử dụng khi cần có khả năng chống mài mòn bề mặt.

Các lớp rèn carbon trung bình

AISI 1040, 1045 và 1050 là những con ngựa của việc rèn carbon công nghiệp. Với 0,36–0,55% carbon, chúng đáp ứng tốt với các phương pháp xử lý tôi và tôi và đạt được độ bền kéo 700–1.000 MPa tùy thuộc vào kích thước phần và nhiệt độ ủ. Đặc biệt, AISI 1045 là loại mặc định cho trục khuỷu rèn, thanh nối, bánh răng, mặt bích và các bộ phận xi lanh thủy lực. Sự kết hợp giữa khả năng rèn vừa phải, khả năng gia công tốt và phản ứng xử lý nhiệt đáng tin cậy khiến nó trở thành loại carbon được rèn nhiều nhất trên toàn cầu.

Các lớp rèn carbon cao

Các lớp trong AISI 1060–1095 (0,60–0,95% carbon) được sử dụng khi độ cứng và khả năng chống mài mòn là yêu cầu chính - thép lò xo, dụng cụ làm đất nông nghiệp, dụng cụ cầm tay và các bộ phận đường sắt. Cửa sổ rèn hẹp hơn của chúng đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ hơn và tốc độ gia nhiệt chậm hơn để tránh sự chênh lệch nhiệt làm nứt phôi. Làm nguội chậm sau khi rèn trong vermiculite hoặc lò nung là phương pháp tiêu chuẩn để ngăn chặn sự hình thành martensite trước chu trình xử lý nhiệt dự định.

Các cấp độ cacbon vi hợp kim (Rèn tối ưu hóa)

Một loại thép rèn chuyên dụng bao gồm các loại thép vi hợp kim như 38MnVS6 và 46MnVS3 , đạt được cường độ năng suất tương đương với thép cacbon trung bình được tôi và tôi luyện mà không cần xử lý nhiệt sau rèn. Việc bổ sung một lượng nhỏ vanadi (0,05–0,15%) kết tủa dưới dạng cacbua mịn trong quá trình làm mát có kiểm soát sau khi rèn, giúp tăng cường lượng mưa. Các loại này ngày càng được chỉ định cho thanh kết nối và trục khuỷu ô tô trong đó việc loại bỏ bước xử lý nhiệt giúp giảm chi phí sản xuất từ ​​15–25% mà không làm giảm tính chất cơ học.

Nhiệt độ cho thép cacbon hàn rèn

Hàn rèn là quá trình nối hai miếng thép bằng cách nung nóng cả hai đến trạng thái dẻo hoặc gần lỏng và tác dụng lực nén đủ để tạo ra liên kết trạng thái rắn tại giao diện. Đây là kỹ thuật nối kim loại lâu đời nhất và vẫn còn phù hợp trong chế tạo công cụ, rèn lưỡi và sản xuất các vòng liền mạch và rèn rỗng.

Nhiệt độ để rèn thép cacbon hàn phụ thuộc trực tiếp vào hàm lượng cacbon:

• Thép carbon thấp (.25% C): Nhiệt độ hàn rèn là khoảng 1.300–1.370 °C . Ở phạm vi này, thép đạt đến màu trắng vàng "ướt" hoặc lấp lánh. Nhiệt độ cao đốt cháy các oxit bề mặt và cho phép các nguyên tử từ cả hai mảnh khuếch tán qua bề mặt phân cách dưới áp suất.
• Thép cacbon trung bình (0,25–0,60% C): Rèn nhiệt độ hàn giảm xuống 1.200–1.300°C . Chất trợ dung (borax hoặc chất trợ dung độc quyền) trở nên quan trọng hơn ở phạm vi này để ngăn ngừa sự hình thành cặn oxit có thể làm nhiễm bẩn bề mặt mối hàn.
• Thép cacbon cao (0,60–1,00% C): Nhiệt độ hàn rèn là 1.100–1.200°C . Các loại có hàm lượng carbon cao có thời gian hàn hẹp hơn nhiều - chỉ cần 30–50 ° C để tách mối hàn thành công khỏi bề mặt bị cháy, vỡ vụn. Việc sử dụng chất trợ dung là bắt buộc và mối hàn phải được xử lý nhanh chóng trước khi nhiệt độ giảm xuống.

Một điểm thực tế quan trọng: Không được nhầm lẫn nhiệt độ hàn rèn với nhiệt độ rèn nóng chung. Hàn rèn hoạt động ở phía trên cùng của cửa sổ làm việc, cố ý tiếp cận nhiệt độ rắn để kích hoạt khuếch tán bề mặt. Quá trình rèn thông thường được thực hiện tốt dưới ngưỡng này để bảo toàn cấu trúc hạt và tránh bị cháy.

Các loại thép rèn: Tính chất cơ học sau khi xử lý nhiệt

Các tính chất cơ học của thép cacbon rèn không chỉ được xác định bởi quá trình rèn - xử lý nhiệt sau rèn là quá trình chuyển cấu trúc hạt tinh chế thành dữ liệu kỹ thuật có thể sử dụng được. Việc rèn AISI 1045 tương tự có thể mang lại độ bền kéo từ 570 MPa (chuẩn hóa) đến hơn 900 MPa (dập tắt và tôi luyện ở 400 ° C), tùy thuộc vào chu trình nhiệt được áp dụng.

• Bình thường hóa (làm mát bằng không khí từ 870–930 °C): Tạo ra cấu trúc vi mô ngọc trai đồng nhất với độ bền vừa phải, có thể dự đoán được. Được sử dụng làm điều kiện cơ bản cho AISI 1045 (UTS ≈ 570–620 MPa, độ cứng ≈ 160–180 HB).
• Ủ (lò làm mát từ 760–820 °C): Tối đa hóa độ mềm và khả năng gia công. UTS giảm xuống 450–520 MPa. Được sử dụng khi cần gia công sau rèn nặng trước khi xử lý nhiệt lần cuối.
• Làm dịu và nóng nảy (Q&T) : Cung cấp sự kết hợp cao nhất giữa sức mạnh và độ dẻo dai. Đối với AISI 1045 được làm nguội ở nhiệt độ 820–860 °C và được tôi luyện ở 550–600 °C, các đặc tính điển hình là UTS 800–900 MPa, hiệu suất 650–750 MPa, năng lượng va đập 50–80 J (Charpy V-Not). Nhiệt độ dưới 300 °C có nguy cơ bị giòn và giảm độ bền va đập.
• ủ hình cầu (cấp có hàm lượng cacbon cao): Chuyển đổi xi măng mỏng thành các hạt cacbua hình cầu, cải thiện đáng kể khả năng tạo hình nguội và khả năng gia công ở các cấp rèn có hàm lượng cacbon cao trước khi đông cứng lần cuối.

Vật liệu rèn luôn đạt được độ bền va đập cao hơn vật liệu đúc tương đương ở cùng độ bền kéo vì quá trình rèn đóng độ xốp bên trong và điều chỉnh dòng hạt phù hợp với hình dạng bộ phận. Trong các ứng dụng quan trọng - mặt bích bình áp lực, khớp lái, bộ phận hạ cánh - sự khác biệt này có thể định lượng được: thép carbon rèn thường cho thấy giá trị va đập Charpy cao hơn 30–50% so với vật đúc ly tâm có cùng thành phần.

Chọn thép cacbon phù hợp để rèn: Những cân nhắc chính

Việc chọn loại thép carbon chính xác để rèn đòi hỏi phải cân bằng năm yếu tố: tính chất cơ học cần thiết, kích thước tiết diện, khả năng rèn, khả năng gia công sau khi rèn và tổng chi phí bao gồm cả xử lý nhiệt.

• Kích thước phần và độ cứng: Thép carbon trơn có độ cứng hạn chế - độ cứng của chúng sau khi tôi giảm mạnh xuống mức vượt quá 25–30 mm so với bề mặt tôi (dữ liệu tôi cuối cùng của Jominy). Đối với mặt cắt ngang lớn trên 75 mm cần phải được làm cứng xuyên suốt, các loại hợp kim (Cr-Mo, Ni-Cr-Mo) là lựa chọn chính xác. Đối với các phần nhỏ hơn, cấp cacbon là hoàn toàn phù hợp và rẻ hơn đáng kể.
• Chỉ số khả năng tha thứ: Khả năng rèn giảm khi hàm lượng carbon tăng. Các loại có hàm lượng carbon thấp (1018, 1020) có thể được rèn với lực ép ít nhất và ít bị ảnh hưởng bởi các khuyết tật rèn nhất như nếp gấp, nếp gấp hoặc đóng nguội. Các loại có hàm lượng carbon cao yêu cầu quản lý nhiệt độ chính xác hơn và công suất ép lớn hơn trên một đơn vị diện tích.
• Hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho: Các loại gia công không chứa lưu huỳnh (ví dụ: AISI 1144) có khả năng gia công được cải thiện nhưng độ bền ngang giảm và thường được tránh sử dụng trong các ứng dụng rèn nơi dự kiến sẽ chịu tải va đập. Chỉ định cấp độ lưu huỳnh thấp (<0,025% S) cho các bộ phận rèn trong dịch vụ động.
• Nhiệt độ ứng dụng: Việc rèn bằng thép carbon không thích hợp để sử dụng ở nhiệt độ trên khoảng 400–450 ° C, vì từ biến và quá trình oxy hóa trở thành các yếu tố hạn chế. Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, các loại crom-molypden (P22, P91) được chỉ định.

Đối với hầu hết các ứng dụng rèn công nghiệp nói chung - mặt bích, trục, vòng, trục và các bộ phận kết cấu hoạt động ở nhiệt độ môi trường - AISI 1045 vẫn là loại thép cacbon có hiệu quả chi phí và phổ biến rộng rãi nhất để rèn , cung cấp sự kết hợp đã được chứng minh giữa khả năng rèn, phản ứng xử lý nhiệt, khả năng gia công và độ sâu của chuỗi cung ứng trên tất cả các khu vực sản xuất chính.