Rèn khuôn mở, nhiệt độ rèn thép & rèn và đúc

là gì Rèn khuôn mở ?

Rèn khuôn mở là các thành phần kim loại được định hình bằng lực nén giữa các khuôn phẳng hoặc có đường viền đơn giản không bao bọc hoàn toàn phôi. Không giống như rèn khuôn kín (khuôn dập) - trong đó kim loại được giới hạn trong một khoang có hình dạng xác định hình dạng cuối cùng - việc rèn khuôn mở cho phép vật liệu chảy sang một bên khi khuôn nén nó, với việc người vận hành định vị lại và xoay phôi giữa các lần thổi để dần dần định hình nó về dạng mong muốn.

Quá trình này được thực hiện trên máy ép thủy lực, máy búa hoặc máy cán vòng tùy thuộc vào hình dạng bộ phận. Các sản phẩm khuôn mở điển hình bao gồm trục, cọc xoay, xi lanh, đĩa, vòng và thanh biên dạng tùy chỉnh - các bộ phận quá lớn đối với dụng cụ khuôn đóng, được yêu cầu với số lượng quá thấp để phù hợp với việc đầu tư dụng cụ hoặc được chỉ định cho cấu trúc hạt ưu việt mà gia công khuôn mở tạo ra trong vật liệu thành phẩm.

Rèn khuôn hở là quá trình chiếm ưu thế đối với các bộ phận rất lớn. Năng lực ép trong các cơ sở rèn công nghiệp nặng dao động từ 1.000 đến 15.000 tấn , cho phép sản xuất các vật rèn nguyên khối nặng vài trăm tấn - trong số đó có trục cánh quạt tàu, vỏ bình áp lực của lò phản ứng hạt nhân và trục chính của tuabin gió. Ở những kích thước này, không có quy trình sản xuất nào khác có thể sánh được với tính toàn vẹn về cấu trúc mà việc rèn khuôn mở mang lại.

Dòng hạt và tính chất cơ học

Ưu điểm luyện kim rõ ràng của việc rèn khuôn mở là sự biến dạng được kiểm soát của cấu trúc hạt đúc của phôi. Khi một phôi đúc được rèn, cấu trúc hạt đuôi gai bị phá vỡ và kết tinh lại thành các hạt tinh chế, cân bằng định hướng dọc theo hướng dòng chảy vật liệu. Điều này tạo ra mô hình dòng hạt liên tục, không bị gián đoạn trong suốt mặt cắt ngang của bộ phận - điều kiện giúp tối đa hóa độ bền kéo, khả năng chống mỏi và độ bền va đập theo các hướng quan trọng nhất đối với tải dịch vụ.

Trong quá trình rèn khuôn mở lớn, việc đạt được độ mịn hạt đồng đều trên toàn bộ mặt cắt ngang đòi hỏi phải quản lý cẩn thận các tỷ lệ giảm. Tối thiểu Tỷ lệ giảm 3:1 (tỷ lệ giữa diện tích mặt cắt ban đầu và mặt cắt cuối cùng) thường được chỉ định để đảm bảo biến dạng thích hợp đạt đến tâm của phôi, phá vỡ cấu trúc lõi đúc mà nếu không sẽ tồn tại như một vùng có độ bền thấp hơn trong phần hoàn thiện.

Ứng dụng phổ biến

Việc rèn khuôn mở đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc trong các ngành công nghiệp mà lỗi bộ phận là không thể chấp nhận được:

• Dầu khí: các bộ phận đầu giếng, thân van, vỏ bình áp lực, vòng cổ khoan
• Phát điện: trục tuabin, cánh quạt máy phát điện, đĩa tuabin hơi áp suất thấp
• Hàng không vũ trụ và phòng thủ: các bộ phận của thiết bị hạ cánh, vách ngăn kết cấu, thân bom
• Hàng hải: trục chân vịt, bánh lái, xích neo
• Máy móc hạng nặng: cuộn máy cán, khung ép, trục thiết bị khai thác mỏ

Nhiệt độ rèn thép

Phạm vi nhiệt độ rèn của thép được xác định bởi thành phần hợp kim và các mục tiêu luyện kim của hoạt động rèn. Thép phải đủ nóng để biến dạng dẻo mà không bị nứt, nhưng không nóng đến mức hạt phát triển, quá trình oxy hóa hoặc sự nóng chảy ban đầu ở ranh giới hạt làm ảnh hưởng đến vật liệu. Duy trì nhiệt độ chính xác trong suốt quá trình rèn - từ quá trình gia nhiệt ban đầu cho đến các lần thổi cuối cùng - là một trong những biến số quy trình quan trọng nhất trong quá trình rèn thép.

Phạm vi nhiệt độ rèn nóng theo loại thép

Việc rèn nóng được thực hiện trên nhiệt độ kết tinh lại của thép, cho phép các hạt bị biến dạng liên tục kết tinh lại trong quá trình gia công và ngăn cản quá trình cứng lại tích tụ trong vật liệu. Cửa sổ làm việc khác nhau đáng kể theo loại hợp kim:

• Thép carbon thấp (ví dụ AISI 1020): Nhiệt độ ban đầu 1.250°C–1.280°C; nhiệt độ hoàn thiện không thấp hơn 900°C. Khoảng thời gian làm việc rộng khiến cho các loại có hàm lượng carbon thấp trở thành một trong những loại có mức độ dễ tha thứ nhất trong sản xuất.
• Thép carbon trung bình (ví dụ AISI 1045): Nhiệt độ ban đầu 1.200°C–1.250°C; nhiệt độ hoàn thiện 850°C–900°C. Loại được rèn phổ biến nhất cho các bộ phận cơ khí bao gồm bánh răng, trục và mặt bích.
• Thép hợp kim (ví dụ 4140, 4340): Nhiệt độ ban đầu 1.150°C–1.230°C; nhiệt độ hoàn thiện 850°C–900°C. Hợp kim crom-molypden và niken-crom-molypden có cửa sổ làm việc hẹp hơn do độ cứng cao hơn và độ nhạy với biến dạng dưới nhiệt độ kết tinh lại.
• Thép không gỉ (loại austenit, ví dụ 316): Nhiệt độ ban đầu 1.150°C–1.260°C; nhiệt độ hoàn thiện 950°C–1.000°C. Yêu cầu nhiệt độ hoàn thiện cao sẽ hạn chế số lượng công việc có thể được thực hiện trên mỗi lần gia nhiệt và tăng tần suất gia nhiệt lại trong các vật rèn lớn.
• Thép công cụ (ví dụ H13, D2): Nhiệt độ ban đầu 1.050°C–1.150°C; nhiệt độ hoàn thiện 900°C–950°C. Hàm lượng hợp kim cao thu hẹp đáng kể khoảng thời gian rèn và yêu cầu kiểm soát nhiệt độ lò chặt chẽ hơn để tránh sự hòa tan cacbua hoặc sự hòa tan ranh giới hạt.

Hậu quả của nhiệt độ rèn không chính xác

Việc rèn trên nhiệt độ ban đầu được khuyến nghị sẽ khiến hạt phát triển nhanh trong quá trình gia nhiệt và giữ, tạo ra cấu trúc hạt thô làm giảm độ bền và tuổi thọ mỏi ở bộ phận hoàn thiện. Trong những trường hợp nghiêm trọng nhất - đặc biệt là trong thép hợp kim cao - quá nhiệt gây ra hiện tượng hóa lỏng ranh giới hạt, một tình trạng gọi là đốt cháy , điều đó là không thể đảo ngược và làm cho phôi không thể phục hồi được bất kể xử lý nhiệt tiếp theo.

Việc rèn dưới nhiệt độ hoàn thiện được khuyến nghị sẽ tạo ra biến dạng ở trạng thái đông cứng một phần hoặc hoàn toàn. Cấu trúc hạt thu được chứa các dải biến dạng dư và tính dị hướng định hướng, đồng thời yêu cầu tải trọng tạo hình cao có thể làm nứt phôi hoặc làm hỏng dụng cụ. Đối với các khuôn rèn mở lớn, trong đó một lần gia nhiệt có thể mất hàng giờ để hoàn thành, việc theo dõi nhiệt độ thông qua hỏa kế quang học hoặc cặp nhiệt điện - kết hợp với lập kế hoạch gia nhiệt có kỷ luật - là bắt buộc để giữ phôi trong cửa sổ rèn trong suốt quá trình vận hành.

Rèn ấm và lạnh

Không phải tất cả việc rèn thép đều được thực hiện nóng. Rèn ấm - được tiến hành giữa 650°C và 900°C - được sử dụng để sản xuất các bộ phận nhỏ hơn có hình dạng gần như lưới, trong đó yêu cầu dung sai kích thước chặt chẽ hơn và độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn so với rèn nóng. Rèn nguội ở nhiệt độ phòng được áp dụng cho thép có hàm lượng carbon thấp và thép vi hợp kim để sản xuất linh kiện chính xác và dây buộc khối lượng lớn, khai thác quá trình làm cứng gia công mà việc rèn nóng cố tình tránh để đạt được độ cứng bề mặt cao và độ chính xác về kích thước chỉ trong một thao tác.

Rèn và đúc: So sánh kỹ thuật

Sự lựa chọn giữa rèn và đúc là một trong những quyết định có hệ quả nhất trong sản xuất linh kiện, ảnh hưởng đồng thời đến các tính chất cơ học, khả năng kích thước, thời gian sản xuất, cấu trúc chi phí và tự do thiết kế. Không có quy trình nào là vượt trội về mặt tổng thể - sự lựa chọn chính xác phụ thuộc vào yêu cầu hiệu suất cụ thể, khối lượng sản xuất và độ phức tạp hình học của thành phần được đề cập.

Tính chất cơ học

Việc rèn luôn vượt trội hơn so với đúc về tính chất cơ học đối với các hợp kim tương thích rèn. Quá trình biến dạng giúp loại bỏ độ xốp, các lỗ co ngót và sự phân chia đuôi gai vốn có trong quá trình hóa rắn, đồng thời phát triển dòng hạt liên tục giúp tối đa hóa cường độ định hướng. Trong một so sánh trực tiếp sử dụng cùng một điều kiện xử lý nhiệt và hợp kim, vật rèn thường cho thấy Độ bền kéo cao hơn 20–30%, tuổi thọ mỏi cao hơn 30–50% và giá trị va đập Charpy cao hơn đáng kể so với vật đúc tương đương - đặc biệt là theo hướng ngang, nơi vật đúc thể hiện điểm yếu lớn nhất của chúng so với vật rèn.

Tuy nhiên, đúc là con đường khả thi duy nhất đối với các hợp kim không thể gia công nóng - siêu hợp kim niken có phân số gamma nguyên tố cao, một số aluminua titan nhất định và các vật liệu tổng hợp được gia cố bằng gốm phức tạp trong số đó. Đối với những vật liệu này, việc đúc không phải là một sự thỏa hiệp mà là một điều cần thiết.

Độ phức tạp hình học

Đúc cung cấp sự tự do thiết kế lớn hơn đáng kể. Các đoạn bên trong phức tạp, các đường cắt, thành mỏng và các tính năng tích hợp đòi hỏi nhiều nguyên công gia công hoặc các bước lắp ráp khi rèn có thể được đúc trong một lần đổ. Đặc biệt, đúc mẫu chảy có thể tạo ra các bộ phận gần như hình dạng lưới với hình học bên trong - các kênh làm mát cánh tuabin, các đường ống góp thủy lực - mà về mặt vật lý không thể rèn được. Việc rèn được giới hạn ở các hình dạng có thể đạt được bằng cách nén khuôn và dòng vật liệu, yêu cầu gia công thứ cấp để tạo ra các tính năng như lỗ khoan, ren và các mặt không có rãnh.

Cơ cấu chi phí và thời gian thực hiện

Việc rèn khuôn kín đòi hỏi phải đầu tư đáng kể vào công cụ - khuôn dành cho bộ phận ô tô có độ phức tạp trung bình thường có giá thành cao $15,000–$80,000 - điều này chỉ mang lại tính kinh tế khi vượt quá số lượng đặt hàng tối thiểu để phân bổ chi phí dụng cụ ở mức chấp nhận được. Việc rèn khuôn mở có chi phí dụng cụ thấp hơn nhưng chi phí lao động trên mỗi sản phẩm cao hơn do kỹ năng của người vận hành và thời gian định vị lại. Dụng cụ đúc (mẫu và hộp lõi) thường rẻ hơn so với khuôn rèn đối với độ phức tạp của bộ phận tương đương, giúp việc đúc tiết kiệm hơn cho sản xuất nguyên mẫu và khối lượng thấp.

Thời gian thực hiện cũng ưu tiên việc đúc các bộ phận phức tạp. Việc đúc cát có thể được tạo ra từ một mẫu mới trong vài ngày đến vài tuần; quá trình rèn khuôn khép kín đòi hỏi phải thiết kế, chế tạo và kiểm định khuôn trước khi sản xuất sản phẩm đầu tiên, một quy trình thường kéo dài 8–20 tuần cho một thành phần mới.

Khi nào cần chỉ định rèn qua đúc

Rèn là thông số kỹ thuật chính xác khi bộ phận chịu tải theo chu kỳ hoặc tải va đập, hoạt động trong dịch vụ quan trọng về an toàn hoặc yêu cầu mức tối thiểu về đặc tính cơ học được chứng nhận mà quá trình đúc không thể cung cấp một cách đáng tin cậy nếu không có các quy trình kiểm tra mở rộng. Thanh kết nối, trục khuỷu, phụ kiện kết cấu máy bay, vòi phun bình áp lực và trục truyền động là những ví dụ trong đó lợi thế về đặc tính cơ học của việc rèn trực tiếp giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng, giảm gánh nặng kiểm tra và xác suất hỏng hóc trong quá trình sử dụng thấp hơn.

Quá trình đúc phù hợp khi đòi hỏi độ phức tạp về mặt hình học, khi khối lượng sản xuất không đủ để khấu hao dụng cụ rèn hoặc khi hợp kim không thể gia công nóng. Nhiều thành phần kỹ thuật - vỏ máy bơm, thân van, đế máy công cụ và phần cứng trang trí - chủ yếu chịu tải nén tĩnh ở mức ứng suất vừa phải trong đó sự khác biệt về cấu trúc vi mô giữa rèn và đúc có hậu quả thực tế không đáng kể, đồng thời chi phí đúc và lợi thế linh hoạt về thiết kế sẽ chi phối quyết định lựa chọn.