Thép rèn là gì? Thuộc tính, loại và ứng dụng công nghiệp

là gì Thép rèn ?

Thép rèn là thép đã được định hình bằng cách tác dụng lực nén - thông qua búa, ép hoặc cán - trong khi kim loại ở trên nhiệt độ kết tinh lại hoặc, trong một số quy trình, ở nhiệt độ phòng. Không giống như đúc, trong đó kim loại lỏng được đổ vào khuôn, rèn sẽ xử lý vật liệu rắn, sắp xếp cấu trúc hạt của nó và loại bỏ các khoảng trống bên trong. Kết quả là tạo ra một bộ phận dày đặc hơn, chắc chắn hơn với khả năng chống mỏi và độ bền cơ học vượt trội. Đây là lý do tại sao thép rèn là lựa chọn mặc định cho các bộ phận chịu tải trong môi trường đòi hỏi khắt khe: trục khuỷu, mặt bích, phụ kiện bình áp lực, thiết bị hạ cánh và các bộ phận máy móc hạng nặng.

Ưu điểm cơ bản của thép rèn so với thép đúc hoặc thép gia công là tính liên tục của dòng chảy hạt. Khi thép được rèn, các đường thớ bên trong tuân theo đường viền của bộ phận thay vì bị cắt ngang bằng gia công. Hạt định hướng này tạo ra các bộ phận rèn độ bền mỏi cao hơn tới 37% so với các bộ phận đúc tương đương, theo dữ liệu từ Hiệp hội Công nghiệp rèn.

Thép rèn và thép hợp kim rèn: Tìm hiểu sự khác biệt

Thép rèn carbon trơn chứa sắt và carbon (thường là 0,1%–0,6% carbon) với một lượng mangan, silicon và các nguyên tố còn sót lại khác. Nó tiết kiệm chi phí và được sử dụng rộng rãi ở những nơi không yêu cầu độ bền cực cao hoặc nhiệt độ cao - các bộ phận kết cấu chung, dụng cụ và phụ kiện tiêu chuẩn thuộc loại này.

Thép hợp kim rèn thêm số lượng có chủ ý của một hoặc nhiều nguyên tố hợp kim - crom, molypden, niken, vanadi hoặc mangan - để nâng cao các tính chất cụ thể vượt xa những gì chỉ riêng carbon có thể đạt được:

• Thép crom-molypden (Cr-Mo) - Độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống leo tuyệt vời; tiêu chuẩn cho mặt bích bình áp lực và đường ống hơi (ASTM A182 F11, F22).
• Thép niken-crom-molypden (Ni-Cr-Mo) - Độ bền va đập cao ở nhiệt độ thấp; được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và đông lạnh.
• Thép hợp kim Boron — Việc bổ sung một lượng nhỏ boron (0,001%–0,003%) làm tăng đáng kể độ cứng với mức chi phí tối thiểu.
• thép vanadi — Sàng lọc hạt và làm cứng kết tủa; phổ biến trong trục khuỷu ô tô và thanh kết nối.

Sự lựa chọn giữa thép rèn trơn và thép hợp kim rèn phụ thuộc vào các điều kiện sử dụng: phạm vi nhiệt độ, tải trọng theo chu kỳ, khả năng ăn mòn và cường độ năng suất cần thiết. Đối với hầu hết các ứng dụng dầu khí, hóa dầu và sản xuất điện, thép hợp kim rèn được chỉ định theo mặc định.

Nhiệt độ rèn của thép: Tại sao nó quan trọng

Nhiệt độ là biến số quá trình quan trọng nhất trong quá trình rèn thép. Quá thấp, kim loại sẽ cứng lại và nứt. Quá cao, hạt sẽ phát triển - làm giảm độ bền và độ dẻo. Nhiệt độ rèn chính xác phụ thuộc vào hàm lượng carbon, thành phần hợp kim và cấu trúc vi mô cuối cùng dự định.

Nhiệt độ rèn nóng

Rèn nóng - phương pháp công nghiệp phổ biến nhất - làm nóng thép lên trên nhiệt độ kết tinh lại của nó, thường là 950°C đến 1250°C (1740°F đến 2280°F) đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp. Ở phạm vi này, kim loại đủ dẻo để chảy dưới lực ép hoặc lực búa mà không bị nứt. Những cân nhắc chính:

• Thép carbon thấp (0,05%–0,25% C) có thể được rèn ở nhiệt độ cao hơn trong phạm vi này - lên tới 1250°C.
• Thép cacbon trung bình và thép hợp kim thường được gia công ở nhiệt độ 900°C–1150°C để tránh bị thô hạt.
• Thép công cụ có hàm lượng carbon cao yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn - thường là 850°C–1100°C - và cửa sổ làm việc hẹp hơn.
• Vấn đề nhiệt độ hoàn thiện: các bộ phận không nên được gia công dưới đây 850°C , vì việc rèn trong phạm vi pha kép có thể gây ra khuyết tật dị hướng.

Rèn ấm và lạnh

Quá trình rèn ấm hoạt động trong khoảng từ 650°C đến 950°C - dưới mức austenit hóa hoàn toàn nhưng cao hơn nhiệt độ phòng. Điều này làm giảm quá trình oxy hóa và hình thành cặn, cải thiện độ chính xác về kích thước và độ bóng bề mặt. Rèn nguội (nhiệt độ phòng) được sử dụng cho các bộ phận thép nhỏ, nơi yêu cầu dung sai rất chặt chẽ và bề mặt được làm cứng; bu lông, ốc vít và các bộ phận ổ trục thường được rèn nguội. Rèn nguội thường yêu cầu Lực ép cao hơn 2–3× so với rèn nóng của cùng một bộ phận.

Phụ kiện thép rèn: Tiêu chuẩn, cấp áp suất và ứng dụng

Các phụ kiện bằng thép rèn là các phụ kiện đường ống có ren hoặc ổ cắm - khuỷu tay, chữ T, khớp nối, khớp nối, chữ thập và nắp - được sản xuất bằng cách rèn khuôn kín thay vì gia công từ thanh phôi hoặc đúc. Quá trình rèn mang lại cho các phụ kiện này mức áp suất cao hơn và khả năng chống sốc thủy lực tốt hơn so với các phụ kiện đúc tương đương, khiến chúng trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho hệ thống đường ống áp suất cao và nhiệt độ cao.

Tiêu chuẩn quản lý đối với các phụ kiện bằng thép rèn ở hầu hết các thị trường là ASME B16.11 , bao gồm hàn ổ cắm và phụ kiện có ren ở các cấp áp suất 2000, 3000 và 6000. Thông số kỹ thuật vật liệu thường tham khảo:

• ASTM A105 — Thép cacbon, dùng cho môi trường xung quanh và nhiệt độ vừa phải lên tới 425°C (800°F).
• ASTM A182 F304 / F316 - Thép không gỉ Austenitic, dùng cho dịch vụ ăn mòn hoặc đông lạnh.
• ASTM A182 F11/F22 — Thép hợp kim crom-molypden, dùng cho đường ống xử lý và hơi nước ở nhiệt độ cao.
• ASTM A350 LF2 — Thép cacbon nhiệt độ thấp, định mức ở –46°C (–50°F).

Các phụ kiện loại 3000 và 6000 phổ biến nhất trong các nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa chất và nhà máy điện nơi áp suất đường dây vượt quá 1500 PSI. Thông số kỹ thuật phù hợp yêu cầu phải kết hợp loại phụ kiện với lịch trình đường ống và áp suất dịch vụ - ví dụ: phụ kiện Loại 3000 trên ống Lịch 80 được đánh giá về áp suất phù hợp với áp suất làm việc của đường ống đó ở nhiệt độ.

Các thành phần thép rèn: Các ngành công nghiệp và vai trò kết cấu

Các thành phần thép rèn xuất hiện ở những nơi không thể xảy ra hư hỏng kết cấu. Quá trình rèn được lựa chọn thay vì đúc hoặc gia công khi một bộ phận phải chịu tải theo chu kỳ, va đập hoặc nồng độ ứng suất tăng cao khi sử dụng. Dưới đây là các lĩnh vực chính và các thành phần mà họ dựa vào:

Ô tô và vận tải hạng nặng

Trục khuỷu, thanh nối, khớp lái, trục bánh xe, trục trục và tay treo hầu như đều được rèn bằng thép. Ví dụ, trục khuỷu của ô tô khách phải chịu được hơn 100 triệu chu kỳ mệt mỏi trong suốt thời gian sử dụng của nó - ngưỡng hiệu suất chỉ được đáp ứng một cách đáng tin cậy bởi cấu trúc vi mô được tinh chế bằng hạt của một bộ phận được rèn. Thép rèn vi hợp kim (có bổ sung vanadi hoặc titan) đã trở nên chiếm ưu thế ở đây, cho phép làm mát không khí trực tiếp sau khi rèn mà không cần bước xử lý nhiệt riêng.

Dầu, khí đốt và hóa dầu

Mặt bích, van, bộ phận đầu giếng và cụm cây Giáng sinh được rèn theo tiêu chuẩn ASME, API và MSS. Xếp hạng áp suất trong môi trường dưới biển và dưới đáy biển có thể vượt quá 15.000 PSI - điều kiện mà độ xốp hoặc sự phân tách của vật đúc sẽ gây ra rủi ro không thể chấp nhận được. Dòng sản phẩm ASTM A105 và A182 bao gồm phần lớn mặt bích thép carbon và hợp kim trong lĩnh vực này.

Hàng không vũ trụ và quốc phòng

Các bộ phận của thiết bị hạ cánh, khung khung máy bay kết cấu, đầu cánh quạt và nòng súng được rèn theo các thông số kỹ thuật hàng không vũ trụ (AMS, MIL-SPEC). Tỷ lệ trọng lượng trên cường độ rất quan trọng ở đây, thúc đẩy việc sử dụng thép hợp kim cao và thép cường độ cực cao - thép công cụ 300M, 4340 và H-11 - tất cả đều được xử lý thông qua rèn khuôn kín với sự kiểm soát cơ nhiệt chặt chẽ.

Phát điện

Rôto tuabin, trục máy phát điện và đầu bình chịu áp lực là một trong những bộ phận thép rèn lớn nhất được sản xuất - một số có trọng lượng vượt quá 200 tấn. Các bộ phận được rèn bằng phôi này yêu cầu các bước rèn liên tục để phá vỡ cấu trúc đúc trên toàn bộ mặt cắt ngang, sau đó là các chu trình xử lý nhiệt kéo dài để đạt được các đặc tính đồng nhất. Năng lượng gió đã bổ sung thêm một phân khúc nhu cầu mới: trục chính và mặt bích tháp hiện nằm trong số các sản phẩm rèn lớn có khối lượng lớn nhất trên toàn cầu.