Khuôn kín, Rèn khuôn mở & Rèn thép cacbon: Hướng dẫn quy trình đầy đủ

Quy trình rèn khuôn khép kín: Nó hoạt động như thế nào và nó vượt trội ở đâu

Rèn khuôn kín - còn được gọi là rèn khuôn ấn tượng - định hình kim loại bằng cách nén một phôi thép đã được nung nóng giữa hai hoặc nhiều khuôn có chứa khoang gia công phù hợp với hình dạng phần cuối cùng. Khi khuôn đóng lại dưới lực ép hoặc lực búa, kim loại sẽ chảy để lấp đầy khoang hoàn toàn, tạo ra một bộ phận gần như hình lưới với dung sai kích thước chặt chẽ và đường phân chia được xác định rõ nơi khuôn gặp nhau.

Trình tự quy trình rèn khuôn kín thường tuân theo các giai đoạn sau:

1. Chuẩn bị phôi: Nguyên liệu thô được cắt theo trọng lượng được tính toán - vật liệu dư thừa (flash) sẽ được cắt bớt sau khi rèn, nhưng lượng dư thừa đáng kể sẽ gây lãng phí vật liệu và tăng khối lượng cắt tỉa
2. Sưởi ấm: Phôi được nung nóng đến phạm vi nhiệt độ rèn thích hợp trong lò nung cảm ứng hoặc đốt gas, thường là 1.100–1.250 ° C đối với thép cacbon và thép hợp kim
3. Tạo hình trước (chặn): Trong gia công nhiều giai đoạn, phôi đi qua một hoặc nhiều khoang chặn để phân phối lại khối lượng về hình dạng cuối cùng trước khi đi vào khoang hoàn thiện
4. Kết thúc quá trình rèn: Khuôn phôi đã được gia nhiệt được đặt trong khoang khuôn hoàn thiện và được đập hoặc ép đến mức đóng hoàn toàn, ép kim loại vào tất cả các hốc của khuôn.
5. Cắt tỉa flash: Kim loại dư thừa được ép đùn ở dây chuyền phân khuôn sẽ được loại bỏ trong máy ép cắt, thường là khi bộ phận vẫn còn nóng
6. Xử lý nhiệt và hoàn thiện: Các bộ phận được chuẩn hóa, làm nguội và tôi luyện hoặc ủ tùy thuộc vào yêu cầu về vật liệu và đặc tính cơ học

Việc rèn khuôn kín được thực hiện trên máy ép cơ, máy ép thủy lực hoặc búa thả trọng lực. Máy ép thủy lực — phổ biến ở các kích cỡ từ 500 tấn đến hơn 50.000 tấn — áp dụng áp suất được kiểm soát, duy trì phù hợp với hình dạng lớn hoặc phức tạp. Máy ép cơ và trục vít mang lại tác động năng lượng cao phù hợp với các bộ phận nhỏ hơn yêu cầu kiểm soát hành trình chính xác. Búa thả vẫn được sử dụng rộng rãi để sản xuất các bộ phận từ nhỏ đến trung bình với năng suất cao.

Ưu điểm và hạn chế

Rèn khuôn kín tạo ra các bộ phận có tỷ lệ cường độ trên trọng lượng vượt trội so với vật đúc hoặc thanh gia công bởi vì quá trình rèn sẽ tinh chỉnh cấu trúc hạt và điều chỉnh dòng hạt phù hợp với hình dạng bộ phận. Cải thiện độ bền mỏi từ 20–30% so với vật đúc tương đương thường được báo cáo trong các bộ phận kết cấu ô tô và hàng không vũ trụ. Khả năng lặp lại kích thước cao sau khi khuôn được chứng minh, khiến việc rèn khuôn kín rất phù hợp cho việc sản xuất thanh kết nối, bánh răng, mặt bích, trục khuỷu và các bộ phận treo ô tô với khối lượng từ trung bình đến cao.

Hạn chế chính là chi phí dụng cụ. Bộ khuôn kín bằng thép công cụ gia công nóng H13 có giá từ hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn đô la tùy thuộc vào độ phức tạp của bộ phận, khiến quy trình này chỉ khả thi về mặt kinh tế trên khối lượng sản xuất tối thiểu - thường là 500–1.000 chiếc trở lên tùy thuộc vào kích thước bộ phận. Tuổi thọ của khuôn thường dao động từ 10.000 đến 100.000 lần đình công, bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ rèn, độ mài mòn của vật liệu và thực hành bôi trơn.

Rèn khuôn mở Quy trình: Tính linh hoạt cho các bộ phận lớn và tùy chỉnh

Khuôn mở rèn tạo hình kim loại giữa các khuôn phẳng hoặc khuôn có đường viền đơn giản không bao bọc hoàn toàn phôi. Người vận hành hoặc người thao tác tự động định vị lại và xoay phôi thép nóng tăng dần giữa các lần ép, dần dần gia công vật liệu đến hình dạng mong muốn thông qua một loạt các bước biến dạng. Bởi vì không có khoang ấn nào giới hạn kim loại, hình dạng của bộ phận phụ thuộc vào chuyển động của khuôn, hành trình ép và người vận hành hoặc điều khiển CNC - không phụ thuộc vào khoang cắt sẵn.

Các cấu hình dụng cụ khuôn mở phổ biến bao gồm trục lăn phẳng, khuôn chữ V, khuôn xoay, vòng trục gá cho các bộ phận rỗng và khuôn yên cho các biên dạng đường viền. Quá trình này chứa một loạt các hình dạng bộ phận bao gồm:

• Trục, cọc và trục - được rèn dần dần dọc theo chiều dài của chúng từ các thỏi lớn
• Vòng và mặt bích - được hình thành bằng cách đục lỗ, đảo trộn và cán vòng
• Khối, tấm và tấm dùng làm dụng cụ, phôi bình áp lực và thép khuôn
• Các bộ phận tùy chỉnh dùng một lần cho máy móc hạng nặng, máy phát điện và quốc phòng

Cogging: Hoạt động cốt lõi trong rèn khuôn mở

Hoạt động khuôn mở cơ bản nhất là cắn răng - còn được gọi là rút ra - trong đó phôi được nén dần dần dọc theo chiều dài của nó theo các bước cắn chồng lên nhau để giảm tiết diện và tăng chiều dài. Mỗi vết cắn làm biến dạng một vùng cục bộ; người vận hành máy ép tiến phôi giữa các lần đột quỵ sao cho các vết cắn liền kề chồng lên nhau từ 30–50%, đảm bảo biến dạng liên tục mà không bị tắt hoặc cuộn nguội ở ranh giới vết cắn. Cogging là phương pháp chính để gia công các thỏi lớn (1 tấn đến 300 tấn) đến cỡ phôi trung gian để xử lý tiếp hoặc gia công cuối cùng.

Rèn khuôn mở hoạt động trên máy ép thủy lực từ 800 tấn đến hơn 125.000 tấn để rèn cho ngành hàng không vũ trụ và phát điện lớn nhất. Máy ép khuôn mở lớn nhất thế giới — loại 50.000 đến 80.000 tấn — có khả năng rèn các thành phần siêu hợp kim titan và niken cho khung thân máy bay và đĩa tuabin lớn.

Khuôn mở và khuôn kín: Cách chọn

Hai quá trình này bổ sung cho nhau hơn là cạnh tranh. Việc rèn khuôn mở được ưu tiên khi kích thước bộ phận vượt quá những gì dụng cụ khuôn kín có thể đáp ứng về mặt kinh tế (thường trên 200–500 kg), khi khối lượng sản xuất quá thấp để có thể đầu tư vào khuôn hoặc khi hình học quá phức tạp hoặc có thể thay đổi đối với khuôn một khoang. Việc rèn khuôn kín được ưu tiên khi độ chính xác về kích thước, độ hoàn thiện bề mặt và khối lượng sản xuất có lợi cho việc đầu tư vào dụng cụ. Nhiều bộ phận lớn bắt đầu dưới dạng khuôn rèn khuôn hở, sau đó được rèn khuôn kín để thực hiện các tính năng quan trọng.

Nhiệt độ để hàn rèn: Nối kim loại thông qua nhiệt và áp suất

Hàn rèn là một trong những quy trình gia công kim loại lâu đời nhất - nó nối hai miếng kim loại bằng cách nung nóng cả hai đến trạng thái dẻo hoặc bán nóng chảy, sau đó tác dụng lực nén đủ để liên kết chúng ở cấp độ nguyên tử, không có bất kỳ kim loại phụ hoặc chất trợ dung nào khác ngoài những gì được sử dụng để làm sạch các bề mặt khớp. Nhiệt độ hàn rèn chính xác đối với thép cacbon thấp và thép nhẹ thường là 1.260–1.370 ° C (2.300–2.500 ° F) - điểm mà tại đó bề mặt thép phát triển màu trắng vàng đặc trưng, ​​gần như phát sáng và trở nên đủ dẻo để liên kết khuếch tán nguyên tử dưới tác động của búa.

Nhiệt độ theo vật liệu

Nhiệt độ hàn rèn thay đổi đáng kể theo thành phần hợp kim, vì nó bị chi phối bởi nhiệt độ rắn của kim loại và hành vi biến dạng dẻo của nó:

• Thép cacbon thấp (0,05–0,20% C): 1.260–1.370 °C — phạm vi dễ chịu nhất, với cửa sổ làm việc bằng nhựa rộng
• Thép cacbon trung bình (0,20–0,50% C): 1.200–1.315 °C — khoảng nhiệt độ thu hẹp khi hàm lượng carbon tăng lên và nguy cơ quá nhiệt tăng lên
• Thép cacbon cao/thép công cụ (0,60–1,0% C): 1.100–1.260 °C — cửa sổ rất hẹp; quá nhiệt thậm chí tới 30–50 °C sẽ gây cháy (oxy hóa ranh giới hạt không thể đảo ngược) và mối hàn sẽ bị hỏng
• Sắt rèn: 1.315–1.425 °C - hàm lượng xỉ cao thực sự tạo điều kiện thuận lợi cho việc hàn bằng cách hình thành xỉ lỏng giúp loại bỏ oxit khỏi bề mặt
• Thép không gỉ (304/316): 1.200–1.260 °C - yêu cầu môi trường trơ hoặc dòng chảy trơ để ngăn chặn sự hình thành oxit crom, ngăn cản sự liên kết

Thông lượng và chuẩn bị bề mặt

Lớp cặn và oxit trên bề mặt kim loại ngăn cản sự tiếp xúc nguyên tử và phải được loại bỏ ngay trước khi hàn. Borax (natri tetraborat) là chất hàn được sử dụng rộng rãi nhất - được áp dụng ở nhiệt độ khoảng 900–1.000 °C khi thép đạt đến nhiệt độ hàn, nó nóng chảy và tạo thành một rào cản chất lỏng hòa tan cặn oxit sắt và ngăn chặn quá trình oxy hóa lại trong giai đoạn gia nhiệt cuối cùng. Nếu không có chất trợ dung, cặn bám vào bề mặt mối nối sẽ tạo ra các tạp chất làm suy yếu hoặc cản trở mối hàn. Một số thợ rèn sử dụng cát silic, mạt sắt hoặc công thức từ thông độc quyền cho các hệ thống hợp kim cụ thể.

Hàn rèn công nghiệp hiện đại

Trong khi hàn rèn bằng tay vẫn tồn tại trong nghề rèn lưỡi và đồ sắt nghệ thuật, thì hàn rèn công nghiệp được áp dụng nổi bật nhất trong hàn mông flash và hàn áp lực cảm ứng để sản xuất đường ống và nối đường ray. Hàn chớp làm nóng các bề mặt bằng cách tạo ra hồ quang điện trở (nhấp nháy), sau đó áp dụng một lực đảo ngược (nén dọc trục) để củng cố mối nối - đạt được các điều kiện hàn rèn theo cách có thể lặp lại được kiểm soát. Phương pháp này được sử dụng để hàn các phần ống khoan, xích neo và đường ray nơi yêu cầu mối nối được rèn hoàn toàn, không chịu ảnh hưởng nhiệt với các đặc tính cơ học của kim loại cơ bản.

Rèn thép carbon: Cấp, tính chất và ứng dụng

Thép rèn cacbon được sản xuất từ thép có cơ chế tăng cường chính là hàm lượng cacbon - từ các loại cacbon thấp dưới 0,20% C đến các loại cacbon cao trên 0,60% C - mà không cần bổ sung hợp kim đáng kể (crom, niken, molypden) đặc trưng cho việc rèn thép hợp kim. Rèn thép carbon đại diện cho phân khúc khối lượng lớn nhất của ngành rèn toàn cầu , được sử dụng trong các bộ phận của hệ thống truyền động ô tô, máy móc công nghiệp, thiết bị xây dựng, phụ kiện dầu khí và dụng cụ cầm tay.

Các loại thép cacbon thường được sử dụng trong rèn

Hàm lượng cacbon là biến số chủ yếu chi phối các tính chất cơ học có thể đạt được ở thép cacbon rèn:

• AISI 1020/1025 (cacbon thấp): Độ bền kéo 380–480 MPa khi được rèn; khả năng hàn và độ dẻo dai tuyệt vời; được sử dụng cho đòn bẩy, chốt, trục và các vật rèn kết cấu chung không yêu cầu cường độ cao
• AISI 1040/1045 (cacbon trung bình): Độ bền kéo 570–700 MPa được chuẩn hóa, lên đến 800–950 MPa khi tôi và tôi luyện; cấp độ phù hợp để kết nối các thanh, trục khuỷu, bánh răng, trục trục và rèn mặt bích - kết hợp khả năng gia công hợp lý với độ bền tốt
• AISI 1060/1080 (có hàm lượng carbon cao): Độ bền kéo 800–1.100 MPa được xử lý nhiệt; độ cứng cao và chống mài mòn; được sử dụng cho bánh xe đường sắt, lò xo, dụng cụ cầm tay và các bộ phận làm đất nông nghiệp
• AISI 1095 (cacbon cao): Có thể đạt được độ cứng bề mặt lên tới 65 HRC; lưỡi dao, dụng cụ cắt và tấm mài mòn ở những nơi việc giữ cạnh là rất quan trọng

Quá trình rèn cải thiện tính chất của thép cacbon như thế nào

Quá trình rèn mang lại những cải tiến về cấu trúc vi mô giúp phân biệt thép rèn với thép đúc hoặc thanh cán nóng cùng loại. Gia công nóng trên nhiệt độ kết tinh lại (khoảng 720–750 °C đối với thép cacbon) phá vỡ cấu trúc đuôi gai đúc , đóng các lỗ rỗng và lỗ rỗng khi đông đặc lại, đồng thời tạo ra cấu trúc hạt cân bằng, tinh tế. Quá trình gia công cơ học cũng phát triển dòng hạt dạng sợi - khi căn chỉnh theo hướng ứng suất chính trong phần hoàn thiện - cải thiện đáng kể độ bền mỏi và độ bền va đập so với thanh nguyên liệu được gia công trên hạt.

Những cải tiến về đặc tính đã được ghi nhận trong quá trình rèn thép cacbon trung bình AISI 1045 so với vật đúc tương đương bao gồm cải thiện độ bền mỏi từ 20–37% và cải thiện độ bền va đập Charpy từ 30–50% ở nhiệt độ phòng, với những lợi thế thậm chí còn lớn hơn ở nhiệt độ dưới 0 liên quan đến các ứng dụng dầu khí và Bắc Cực.

Xử lý nhiệt rèn thép cacbon

Các thành phần thép carbon được rèn thường được chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ trên Ac3) để giảm bớt ứng suất rèn và tạo ra cấu trúc vi mô ngọc trai-ferit đồng nhất làm cơ sở cho gia công hoặc xử lý nhiệt tiếp theo. Tính chất cơ học cuối cùng đạt được bằng cách:

• Làm dịu và nóng nảy (Q&T): Austenit hóa ở 820–870 °C, làm nguội bằng nước hoặc dầu thành martensite, sau đó tôi ở 400–650 °C để đạt được sự cân bằng độ cứng/độ dẻo dai mục tiêu - lộ trình tiêu chuẩn để rèn thép cacbon trung bình và cao trong các ứng dụng kết cấu và mài mòn
• Làm cứng cảm ứng: Làm cứng bề mặt có chọn lọc của các vùng mài mòn quan trọng (răng bánh răng, bề mặt tạp chí) trong khi vẫn giữ được lõi cứng - được áp dụng rộng rãi cho trục và bánh răng 1045 và 1050
• Ủ: Ủ toàn bộ hoặc ủ hình cầu cho các loại có hàm lượng carbon cao để cải thiện khả năng gia công trước khi gia công hoàn thiện và làm cứng lần cuối

Rèn thép carbon so với rèn thép hợp kim

Việc rèn bằng thép carbon được chọn khi các tính chất cơ học cần thiết nằm trong phạm vi có thể đạt được của các loại carbon được xử lý nhiệt và khi có thể đáp ứng các yêu cầu về độ cứng ở mặt cắt ngang được rèn. Đối với các phần trên khoảng 50–75 mm, giới hạn về độ cứng trở nên đáng kể - lõi của vật rèn bằng thép cacbon lớn có thể không đạt được độ cứng martensitic hoàn toàn trong quá trình tôi, dẫn đến độ bền của lõi thấp hơn bề mặt. Các loại thép hợp kim (4140, 4340, 8620) được chỉ định khi các yêu cầu về độ cứng sâu, độ bền nhiệt độ cao hoặc khả năng chống ăn mòn vượt quá những gì thép carbon có thể cung cấp. Sự đánh đổi là chi phí: vật liệu rèn bằng thép carbon trong AISI 1045 có chi phí vật liệu thấp hơn 15–35% so với vật liệu rèn bằng thép hợp kim tương đương.