Giải thích về rèn thép: Các loại, rèn thép carbon & lựa chọn vật liệu

Rèn thép là gì

Rèn thép là một quá trình sản xuất trong đó phôi thép được tạo hình bằng cách tác dụng lực nén - thông qua búa, ép hoặc cán - trong khi vật liệu được nung nóng đến trạng thái dẻo hoặc gia công ở nhiệt độ phòng. Kết quả là một thành phần có hình dạng xác định và quan trọng là cấu trúc hạt bên trong được tinh chế mang lại các đặc tính cơ học vượt trội hơn đáng kể so với những gì có thể đạt được bằng cách đúc hoặc gia công từ phôi thanh . Rèn không chỉ đơn giản là một hoạt động tạo hình; đó là một quá trình luyện kim nhằm cải thiện cơ bản vật liệu mà nó hoạt động.

Khi thép được đúc, quá trình hóa rắn tạo ra cấu trúc hạt thô, đôi khi có hình đuôi gai với các khoảng trống, độ xốp và các vùng phân tách tiềm ẩn. Việc rèn nén và sắp xếp lại cấu trúc này, đóng các khuyết tật bên trong, tinh chỉnh kích thước hạt và định hướng dòng hạt đi theo đường viền của bộ phận đã hoàn thiện. Ví dụ, một thanh kết nối được rèn có dòng hạt uốn cong qua bán kính và dầm của thanh - cùng một đường mà tải trọng kéo và uốn sẽ di chuyển khi sử dụng. Sự liên kết này là lý do tại sao các bộ phận được rèn chống lại hiện tượng mỏi một cách hiệu quả trong các ứng dụng tải động.

Quá trình rèn được sử dụng trong hầu hết mọi ngành công nghiệp đòi hỏi khắt khe: các bộ phận hệ thống truyền động ô tô, các bộ phận kết cấu hàng không vũ trụ, thân van dầu và khí đốt, thiết bị xây dựng, dụng cụ cầm tay và phần cứng quân sự đều được sản xuất thường xuyên dưới dạng rèn. Bất kỳ ứng dụng nào không thể xảy ra lỗi và độ tin cậy cơ học phải được đảm bảo trong một thời gian sử dụng xác định là ứng cử viên cho thép rèn.

Các loại thép rèn: Quy trình và sự khác biệt của chúng

Việc rèn thép không phải là một quy trình đơn lẻ - nó bao gồm một số phương pháp riêng biệt, mỗi phương pháp phù hợp với hình dạng bộ phận, khối lượng sản xuất, yêu cầu dung sai và loại vật liệu khác nhau. Việc chọn đúng phương pháp rèn cũng quan trọng như chọn đúng loại thép.

Rèn khuôn mở

Trong quá trình rèn khuôn hở, phôi bị biến dạng giữa các khuôn phẳng hoặc có hình dạng đơn giản không bao bọc hoàn toàn vật liệu. Người vận hành định vị lại và xoay phôi giữa các lần thổi để tạo hình dần dần. Việc rèn khuôn mở được sử dụng cho các bộ phận lớn - trục, vòng, xi lanh, khối - trong đó dụng cụ khuôn kín sẽ cực kỳ tốn kém hoặc khi bộ phận đó quá lớn đối với bộ khuôn. Nó cũng được ưu tiên cho sản xuất theo yêu cầu hoặc số lượng ít trong đó khoản đầu tư vào công cụ không thể được khấu hao trong thời gian dài. Dung sai kích thước rộng hơn so với gia công khuôn kín và thường cần gia công thứ cấp để đạt được kích thước cuối cùng.

Rèn khuôn kín (Impression-Die)

Rèn khuôn kín sử dụng khuôn trên và khuôn dưới phù hợp được gia công theo hình dạng gần như lưới của bộ phận đã hoàn thiện. Phôi được nung nóng được đặt vào khoang khuôn và đập vào, làm cho vật liệu chảy ra và lấp đầy khuôn. Flash - vật liệu dư thừa bị ép ra ở đường chia khuôn - sau đó được cắt bớt. Quá trình này tạo ra các bộ phận có dung sai kích thước chặt chẽ hơn, bề mặt hoàn thiện tốt hơn và các tính chất cơ học ổn định hơn so với gia công khuôn mở. Đây là phương pháp rèn chủ yếu cho các linh kiện ô tô và công nghiệp khối lượng lớn chẳng hạn như trục khuỷu, thanh nối, bánh răng, mặt bích và dụng cụ cầm tay.

Rèn cuộn và cán vòng

Quá trình rèn cuộn chuyển một phôi thép đã được gia nhiệt giữa các cuộn có đường viền để giảm mặt cắt ngang và kéo dài mảnh - được sử dụng cho trục côn, lò xo lá và phôi trục. Cán vòng là một biến thể chuyên dụng trong đó phôi hình bánh rán được cuộn giữa trục bên trong và trục dẫn động bên ngoài, làm giảm độ dày thành và mở rộng đường kính để tạo ra các vòng liền mạch. Vòng cuộn được sử dụng rộng rãi trong vòng bi, mặt bích, bộ phận bình chịu áp lực và khung hàng không vũ trụ. Sản xuất vòng lăn dòng hạt chu vi không bị gián đoạn - một lợi thế quan trọng trong các ứng dụng quay hoặc chứa áp suất.

Rèn nguội

Rèn nguội - được thực hiện ở nhiệt độ hoặc gần nhiệt độ phòng - tạo ra các bộ phận có bề mặt hoàn thiện tuyệt vời, dung sai kích thước chặt chẽ và bề mặt được làm cứng mà không cần bước gia nhiệt. Nó được sử dụng rộng rãi cho ốc vít, bu lông, đầu ổ cắm và các bộ phận có độ chính xác nhỏ. Sự đánh đổi là lực tạo hình cao hơn, độ dẻo giảm trong quá trình xử lý và những hạn chế về độ phức tạp của bộ phận so với rèn nóng. Hầu hết các bộ phận được rèn nguội đều sử dụng thép có hàm lượng carbon thấp đến trung bình với khả năng gia công nguội tốt.

Rèn thép carbon: Cấp, tính chất và xử lý nhiệt

Thép carbon là nguyên liệu thô được sử dụng rộng rãi nhất trong rèn thép, được đánh giá cao vì sự kết hợp giữa tính sẵn có, khả năng xử lý và phạm vi rộng các tính chất cơ học có thể đạt được thông qua xử lý nhiệt. Việc rèn thép carbon được chỉ định trong xây dựng, nông nghiệp, khai thác mỏ, dầu khí, sản xuất điện và máy móc công nghiệp nói chung - bất cứ nơi nào mà sức mạnh, độ dẻo dai và hiệu quả chi phí là động lực thiết kế chính.

Hàm lượng carbon là biến số có ảnh hưởng lớn nhất trong việc lựa chọn thép rèn:

• Thép carbon thấp (.25% C) - ví dụ: AISI 1018, 1020: Độ dẻo cao, khả năng rèn tuyệt vời và dễ dàng hàn. Được sử dụng để rèn yêu cầu biến dạng mà không bị nứt - móc, xích, mũi nông nghiệp và giá đỡ kết cấu. Thường không được xử lý nhiệt đến độ cứng cao; sức mạnh của nó chủ yếu đến từ độ cứng của sản phẩm và độ dày của mặt cắt.
• Thép carbon trung bình (0,25%–0,60% C) - ví dụ: AISI 1040, 1045, 1050: Dòng sản phẩm phù hợp cho ngành rèn công nghiệp. Đáp ứng tốt với xử lý nhiệt tôi và tôi, đạt được độ bền kéo trong phạm vi 700–1.000 MPa tùy thuộc vào kích thước phần và nhiệt độ ủ. AISI 1045 là một trong những loại được chỉ định phổ biến nhất cho trục, bánh răng, trục và thanh kết nối, nơi cần có sự cân bằng về độ bền, độ dẻo dai và khả năng gia công.
• Thép carbon cao (0,60%–1,00% C) - ví dụ: AISI 1060, 1080, 1095: Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi xử lý nhiệt, nhưng độ dẻo dai và khả năng hàn giảm. Được sử dụng để rèn thép lò xo, dụng cụ cắt, linh kiện đường ray và các bộ phận hao mòn nông nghiệp. Nhạy cảm hơn với việc rèn các cửa sổ nhiệt độ và yêu cầu kiểm soát làm mát cẩn thận để tránh nứt.

Xử lý nhiệt sau khi rèn làm thay đổi đáng kể tính chất cơ học cuối cùng của các thành phần thép cacbon. Bình thường hóa — làm mát không khí từ trên nhiệt độ tới hạn trên — tinh chỉnh kích thước hạt và giảm ứng suất rèn, tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất với các đặc tính cơ bản có thể dự đoán được. Làm nguội và ủ (Q&T) bao gồm việc làm nguội nhanh chóng từ nhiệt độ austenit hóa để tạo thành martensite, sau đó hâm nóng đến nhiệt độ ủ được kiểm soát để khôi phục độ dẻo. Việc rèn thép carbon Q&T có thể đạt được cường độ năng suất vượt quá 800 MPa với độ bền va đập phù hợp cho hầu hết các ứng dụng kết cấu. Ủ được sử dụng khi cần có khả năng gia công tối đa hoặc khả năng tạo hình nguội trước khi xử lý tiếp.

Một hạn chế thực tế của việc rèn thép cacbon trơn là độ cứng - khả năng đạt được độ cứng đồng đều thông qua mặt cắt ngang của một bộ phận lớn. Thép cacbon có độ cứng thấp hơn thép hợp kim; ở những phần dày, lõi nguội đi quá chậm trong quá trình làm nguội để chuyển hóa hoàn toàn thành martensite, dẫn đến lõi mềm hơn. Đối với các vật rèn có kích thước trên khoảng 75–100 mm ở mặt cắt ngang quan trọng cần phải được làm cứng xuyên suốt, bổ sung hợp kim như crom, molypden hoặc niken được giới thiệu - chuyển đổi đặc điểm kỹ thuật từ các loại thép cacbon trơn sang các loại thép hợp kim như 4140, 4340 hoặc 8620.

Thép carbon rèn so với thép đúc và gia công: Khi sự khác biệt về quy trình có vấn đề

Sự lựa chọn giữa thép cacbon rèn, thép đúc và thanh phôi gia công về cơ bản là sự cân bằng giữa hiệu suất cơ học, độ phức tạp hình học, khối lượng sản xuất và chi phí đơn vị. Mỗi quy trình đều tối ưu trong một bối cảnh cụ thể - lỗi kỹ thuật đang áp dụng quy trình này ở nơi quy trình khác phù hợp hơn.

Thép carbon rèn so với thép đúc: Việc đúc cho phép độ phức tạp hình học lớn hơn nhiều - các đoạn bên trong, các đường cắt và các phần rỗng mà quá trình rèn không thể đạt được nếu không có các hoạt động thứ cấp. Nhưng thép đúc có những hạn chế cố hữu về cấu trúc vi mô: độ xốp co ngót, lỗ rỗng khí và cấu trúc hạt thô hơn làm giảm độ bền mỏi và độ bền va đập. Đối với các bộ phận chịu tải theo chu kỳ hoặc tác động - trục khuỷu, đầu búa, móc nâng, thân van áp suất - cấu trúc hạt vượt trội của rèn sẽ chứng minh chi phí gia công và gia công cao hơn. Dữ liệu được công bố luôn cho thấy các thành phần thép cacbon giả mạo đạt được tuổi thọ mỏi cao hơn 20–30% hơn các bộ phận đúc tương đương trong điều kiện tải giống nhau, với giá trị va đập Charpy tốt hơn đáng kể, đặc biệt là ở nhiệt độ dưới 0.

Thép carbon rèn so với thanh gia công: Một bộ phận gia công được cắt từ phôi thanh cán có cấu trúc thớ định hướng dọc theo hướng cán của thanh. Khi được gia công thành hình dạng phức tạp, dòng hạt bị gián đoạn - nó chạy thẳng qua bộ phận bất kể hình dạng. Ngược lại, một bộ phận được rèn có dòng hạt chạy theo đường viền của bộ phận. Đối với trục có mặt bích được gia công từ thanh, thớ chạy dọc trục qua bán kính mặt bích - định hướng yếu đối với tải trọng uốn và cắt mà mặt bích thực tế phải chịu. Việc rèn tương đương sẽ có dòng hạt uốn cong qua mặt bích, thẳng hàng với các đường ứng suất. Trong các ứng dụng có chu kỳ cao hoặc quan trọng về an toàn, sự phân biệt này không mang tính học thuật: đó là sự khác biệt giữa một bộ phận đáp ứng được tuổi thọ thiết kế của nó và một bộ phận không đáp ứng được.

Đối với các nhóm mua sắm và kỹ sư thiết kế, hướng dẫn thực tế rất đơn giản: chỉ định thép cacbon rèn khi bộ phận chịu tải trọng động, va đập hoặc mỏi; hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp, nơi mà sự chuyển đổi từ dẻo sang giòn là mối quan tâm; hoặc là thành phần quan trọng về an toàn khi sự cố tại hiện trường gây ra hậu quả nghiêm trọng. Sử dụng các giải pháp thay thế đúc hoặc gia công khi hình học yêu cầu, tải chủ yếu là tĩnh hoặc các hạn chế về khối lượng và chi phí khiến việc đầu tư vào công cụ không thực tế.