Rèn là gì? Giải thích về khuôn mở, thép cacbon & rèn và đúc

Rèn là gì?

Rèn là một quá trình gia công kim loại nhằm định hình kim loại bằng cách tác dụng lực nén - thông qua việc đập, ép hoặc cán - trong khi vật liệu nóng, ấm hoặc lạnh. Không giống như gia công, loại bỏ vật liệu để đạt được hình dạng, rèn các chuyển vị và nén cấu trúc hạt của kim loại, tạo ra các bộ phận có đặc tính cơ học vượt trội so với trọng lượng của chúng.

Quá trình này đã có từ hàng nghìn năm trước ở dạng thủ công, nhưng quá trình rèn công nghiệp hiện đại sử dụng máy ép thủy lực có khả năng tác dụng lực hàng trăm nghìn tấn, búa được điều khiển bằng CNC và dụng cụ khuôn kín được gia công đến độ chính xác ở mức micron. Kết quả là một bộ phận có cấu trúc hạt bên trong tuân theo đường viền của bộ phận - một đặc tính được gọi là dòng chảy hạt - giúp cải thiện đáng kể khả năng chống mỏi, độ bền kéo và độ bền va đập so với phôi thanh hoặc vật đúc của cùng một hợp kim.

Việc rèn được chỉ định ở những nơi không thể xảy ra hỏng hóc: trục khuỷu, thanh kết nối, bộ phận hạ cánh, mặt bích bình áp lực, bộ phận cấy ghép phẫu thuật và ốc vít kết cấu trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng. Lợi thế nổi bật không chỉ ở sức mạnh mà còn ở sức mạnh nhất quán, có thể dự đoán được - chất lượng mà các vật đúc và mối hàn được gia công không thể sánh được một cách đáng tin cậy trong môi trường mỏi chu kỳ cao.

Rèn và đúc: So sánh trực tiếp

Rèn và đúc đều là các quá trình tạo hình kim loại cơ bản, nhưng chúng tạo ra các cấu trúc bên trong khác nhau về cơ bản - và do đó có các đặc tính hiệu suất khác nhau. Việc lựa chọn giữa chúng liên quan đến sự cân bằng giữa các tính chất cơ học, độ phức tạp hình học, khối lượng sản xuất và chi phí.

Trong quá trình đúc, kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn và để đông đặc lại. Khi nguội đi, cấu trúc tinh thể của kim loại hình thành một cách ngẫu nhiên, thường có độ xốp, lỗ rỗng co ngót và sự phân tách đuôi gai - sự không nhất quán ở cấp độ vi mô làm giảm tuổi thọ mỏi và tạo ra các điểm hỏng hóc không thể đoán trước. Vật đúc vượt trội trong việc tạo ra các hình học bên trong phức tạp (các đoạn rỗng, các rãnh cắt, các khoang phức tạp) mà việc rèn là không thể hoặc cực kỳ tốn kém.

Quá trình rèn loại bỏ hoàn toàn giai đoạn đông đặc. Kim loại rắn gia công ở nhiệt độ cao sẽ đóng lại độ xốp, tinh chỉnh kích thước hạt và căn chỉnh cấu trúc hạt với hình dạng chịu ứng suất của bộ phận. Cấu trúc vi mô thu được là dày đặc hơn, đồng nhất hơn và có khả năng chống lan truyền vết nứt cao hơn đáng kể hơn một vật đúc tương đương.

Một quy tắc thực tế: nếu bộ phận không được hỏng dưới tải tuần hoàn, hãy chỉ định rèn. Nếu nó yêu cầu các đặc điểm bên trong rỗng hoặc các bức tường rất mỏng có hình dạng phức tạp thì việc đúc có thể là con đường khả thi duy nhất - với thử nghiệm không phá hủy thích hợp để xác định cấu trúc vi mô.

Rèn khuôn mở : Quy trình, ứng dụng và ưu điểm

Rèn khuôn mở - còn được gọi là rèn tự do hoặc rèn rèn - được thực hiện giữa các khuôn phẳng hoặc có đường viền đơn giản không bao bọc hoàn toàn phôi. Kim loại được tạo hình tăng dần: người vận hành (hoặc hệ thống tự động) định vị lại phôi giữa các lần đập búa hoặc các lần ép, gia công vật liệu dần dần thành dạng mong muốn.

Bởi vì khuôn chỉ tiếp xúc với một phần phôi tại bất kỳ thời điểm nào nên vật liệu có thể chảy ngang mà không bị hạn chế. Điều này làm cho việc rèn khuôn mở trở thành quá trình lựa chọn cho:

• Linh kiện lớn, nặng nơi mà dụng cụ khuôn kín sẽ đắt đến mức không thực tế - trục, con lăn, vòng và đĩa lên tới hàng chục nghìn kg
• Các bộ phận tùy chỉnh và khối lượng thấp trong đó khấu hao dụng cụ trong một thời gian ngắn sẽ làm cho việc rèn khuôn kín không kinh tế
• Phân tích phôi , bước đầu tiên trong việc chuyển một phôi đúc thành phôi rèn để rèn hoặc gia công khuôn kín tiếp theo
• Hợp kim khó rèn đòi hỏi sự biến dạng cẩn thận, có kiểm soát trong nhiều lần gia nhiệt để tránh nứt

Việc rèn khuôn mở thường yêu cầu gia công hoàn thiện nhiều hơn các bộ phận khuôn kín vì dung sai kích thước lỏng hơn - phạm vi dung sai điển hình là ±3 mm hoặc rộng hơn tùy thuộc vào kích thước bộ phận, so với ±0,5 mm hoặc chặt hơn đối với gia công khuôn đóng chính xác. Tuy nhiên, các lợi ích về cấu trúc vi mô là giống nhau: sàng lọc hạt, đóng lỗ xốp và dòng hạt định hướng đều áp dụng như nhau cho các sản phẩm khuôn mở và khuôn kín.

Cán vòng là một hình thức rèn khuôn hở chuyên dụng được sử dụng để tạo ra các vòng liền mạch có đường kính từ vài cm đến vài mét. Một phôi thép xuyên thấu được đặt trên một cuộn trục gá và độ dày thành giảm dần khi đường kính vòng tăng lên. Dòng hạt liên tục xung quanh chu vi vòng tạo thành các vòng cuộn sức mạnh vòng đặc biệt - lý do chúng được sử dụng trong vỏ động cơ phản lực, ổ trục và mặt bích bình chịu áp lực.

Thép Carbon để rèn: Cấp độ, lựa chọn và hành vi

Thép carbon là loại vật liệu được rèn rộng rãi nhất, được đánh giá cao nhờ sự kết hợp giữa khả năng rèn, phạm vi tính chất cơ học, chi phí và phản ứng với xử lý nhiệt. Hàm lượng carbon là biến số chính chi phối cả hành vi rèn và hiệu suất của bộ phận cuối cùng.

Thép cacbon thấp (0,05–0,25% C)

Các loại như AISI 1010, 1018 và 1020 có độ dẻo cao và dễ dàng rèn trong phạm vi nhiệt độ rộng (900–1.300°C). Chúng tạo ra quy mô nhỏ ở nhiệt độ rèn và có khả năng chấp nhận sự thay đổi về nhiệt độ làm việc - khiến chúng phù hợp với việc sản xuất khuôn khép kín khối lượng lớn với ít chi phí kiểm soát quy trình hơn. Hạn chế của chúng là trần về độ bền: các vật rèn có hàm lượng carbon thấp không thể xử lý nhiệt đến độ cứng cao và phải phụ thuộc vào quá trình làm cứng hoặc làm cứng vỏ (cacbon hóa, thấm nitơ) để chống mài mòn bề mặt.

Thép cacbon trung bình (0,30–0,60% C)

Các cấp độ bao gồm AISI 1035, 1045 và 1060 là đặc trưng của việc rèn kết cấu. Chúng đáp ứng tốt với xử lý nhiệt tôi và tôi, đạt được độ bền kéo từ 700 MPa đến hơn 1.000 MPa tùy thuộc vào kích thước phần và thông số xử lý. AISI 1045 là một trong những loại rèn được chỉ định phổ biến nhất trên toàn cầu - được sử dụng cho trục khuỷu, trục, bánh răng, thanh kết nối và các bộ phận kết cấu có mục đích chung. Nhiệt độ rèn thường dao động từ 850–1.250°C, với quá trình rèn hoàn thiện trên 850°C để tránh nứt do độ dẻo giảm.

Thép cacbon cao (0,60–1,00% C)

Các loại như AISI 1075 và 1095 cứng hơn và bền hơn nhưng độ ổn định kém hơn đáng kể. Hàm lượng carbon cao hơn sẽ thu hẹp khoảng nhiệt độ rèn và tăng khả năng bị nứt nếu kim loại nguội đi không đều trong quá trình gia công. Các loại này được sử dụng khi độ cứng sau khi xử lý nhiệt là tối quan trọng - dụng cụ cắt, lò xo, các bộ phận đường ray và các bộ phận chịu mài mòn. Chúng yêu cầu kiểm soát lò chặt chẽ hơn, hâm nóng thường xuyên hơn trong quá trình gia công khuôn mở và làm mát được kiểm soát chậm sau khi rèn để ngăn chặn hiện tượng nứt nguội trước khi xử lý nhiệt.

Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ bền vượt quá những gì thép carbon có thể cung cấp, thép hợp kim (4140, 4340, 8620) thêm crom, molypden và niken để cải thiện độ cứng - khả năng đạt được độ cứng cao thông qua toàn bộ mặt cắt ngang của vật rèn lớn, không chỉ ở bề mặt.