فولاد آلیاژی فورج شده، ST 37، حلقه های آهنگری و سختی ضد زنگ 416 توضیح داده شده است

فولاد آلیاژی فورج شده چیست؟

فولاد آلیاژی آهنگری فولادی است که از طریق اعمال نیروی فشاری - ضربه چکش یا فشار دادن قالب - در دماهای بالا شکل گرفته است و ترکیب آن شامل افزودن عمدی عناصر آلیاژی فراتر از فرمول اصلی آهن-کربن است. آلیاژهای متداول شامل کروم، مولیبدن، نیکل، وانادیم و منگنز است که هر کدام به بهبود خواص مکانیکی مانند استحکام، چقرمگی، سختی‌پذیری، مقاومت در برابر سایش یا مقاومت در برابر خوردگی کمک می‌کنند.

خود فرآیند آهنگری به اندازه شیمی آلیاژ مهم است. هنگامی که فولاد گرم شده تحت نیروی فشاری کار می‌شود، ساختار دانه‌های ریخته‌شده - که شامل حفره‌ها، جداسازی دندریتی، و آخال‌هایی است که در جهت‌های تصادفی تراز شده‌اند - شکسته و تصفیه می‌شود. دانه ها به ساختاری ظریف تر و یکنواخت تر تبدیل می شوند و خطوط جریان مواد (که جریان دانه نیز نامیده می شود) با شکل آهنگری هماهنگ می شوند. این ساختار دانه گرا مزیت مکانیکی اولیه فولاد آلیاژی آهنگری نسبت به معادل های ریخته گری یا ماشین کاری شده از میله است. : قطعات آهنگری در برابر ترک های ناشی از خستگی، بارگذاری ضربه ای و تنش در جهت هایی که بارهای سرویس بالاترین است، مقاومت می کنند.

فولاد آلیاژی آهنگری طیف گسترده ای از درجه های مواد را پوشش می دهد. فولادهای کم آلیاژ مانند AISI 4140 (کروم-مولیبدن) و AISI 4340 (نیکل-کروم-مولیبدن) در کاربردهای خودرو، نفت و گاز و ماشین آلات سنگین کار می کنند. فولادهای ابزار آلیاژی بالاتر، فولادهای قالبی و گریدهای ضد زنگ نیز به عنوان آهنگری تولید می شوند که کاربرد آن یکپارچگی ریزساختاری را ایجاب می کند که ریخته گری به تنهایی نمی تواند به طور قابل اعتماد ارائه کند.

استیل ST 37 چیست؟

ST 37 نام فولاد سازه ای از سیستم استاندارد DIN آلمان سابق است که در آن "ST" نشان دهنده فولاد سازه ای و "37" به حداقل استحکام کششی اشاره دارد. 370 مگاپاسکال . این درجه طبق استاندارد اروپایی EN 10025 فعلی معادل S235 است و به طور کلی با ASTM A36 در سیستم ایالات متحده قابل مقایسه است، اگرچه معادل سازی دقیق به زیرگرید خاص و شرایط عملیات حرارتی بستگی دارد.

ST 37 یک فولاد ساختاری کم کربن و بدون آلیاژ است. محتوای کربن معمولی آن کمتر از 0.17 درصد است که به آن جوش‌پذیری و شکل‌پذیری خوبی می‌دهد، اما استحکام آن را نسبت به درجه‌های آلیاژی یا عملیات حرارتی محدود می‌کند. قدرت تسلیم معمولاً در حدود است 235 مگاپاسکال و ازدیاد طول در شکست حدود 26٪، منعکس کننده یک ماده بهینه شده برای شکل پذیری و سهولت ساخت به جای حداکثر ظرفیت تحمل بار است.

کاربردهای ST 37 / S235 عمدتاً در ساخت سازه‌های عمومی است: قاب‌های ساختمان، پل‌ها، سازه‌های پشتیبانی، پایه‌های ماشین‌آلات و اجزای مهندسی عمومی که در آن بارگذاری متوسط ​​است و جوش‌پذیری در اولویت است. این یک فولاد سخت‌شدنی نیست و معمولاً در کاربردهایی که به مقاومت در برابر خستگی یا سختی سطح بالا نیاز دارند استفاده نمی‌شود. در صورت نیاز به استحکام بالاتر، با S355 (St 52 سابق) یا با گریدهای آلیاژی مانند 4140 جایگزین می شود.

حلقه های فولادی فورج : فرآیند، انواع و کاربردها

حلقه های فولادی آهنگری اجزای حلقوی هستند که از طریق نورد حلقه تولید می شوند - یک فرآیند آهنگری تخصصی که در آن یک شمش فولادی سوراخ شده روی یک سنبه قرار می گیرد و به تدریج بین سنبه و یک رول رانده می شود و ضخامت دیواره را کاهش می دهد و قطر را افزایش می دهد و در عین حال سطح مقطع کنترل شده ای را حفظ می کند. این فرآیند می تواند حلقه هایی از چند سانتی متر به بالا تولید کند قطر 9 متر بسته به ظرفیت تجهیزات

فرآیند نورد حلقه یک جریان دانه ای پیوسته و محیطی ایجاد می کند که از هندسه حلقه پیروی می کند. این جهت‌گیری برای عملکرد بسیار مهم است: تنش‌ها در ماشین‌های دوار، مخازن تحت فشار و یاتاقان‌ها به‌صورت محیطی عمل می‌کنند، و ساختار دانه‌ای هم‌تراز در برابر این تنش‌ها مؤثرتر از حلقه‌ای که از صفحه یا میله بریده می‌شود، مقاومت می‌کند، جایی که جریان دانه در یک جهت خطی ثابت و غیر مرتبط با هندسه قطعه جریان دارد.

انواع حلقه های فولادی فورج

حلقه های آهنگری در دو دسته مقطع اولیه تولید می شوند:

• حلقه های مسطح (مقطع مستطیلی): رایج ترین نوع، به عنوان فلنج، چرخ دنده، بلبرینگ و حلقه های ساختاری استفاده می شود. پس از نورد حلقه، حلقه‌های مسطح معمولاً تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند و سپس تا ابعاد نهایی ماشینکاری می‌شوند.
• حلقه های نورد کانتور (مقطع پروفیل): با استفاده از سنبه‌های شکل‌دار و رول‌های محوری برای ایجاد نمایه‌ای شبیه به شبکه - فلنج‌ها، پله‌ها، شیارها یا مخروطی‌ها - در طول فرآیند نورد تولید می‌شود. نورد کانتور مقدار ماشینکاری مورد نیاز را کاهش می دهد، ضایعات مواد را به حداقل می رساند و می تواند جریان دانه را در بخش بحرانی پروفیل بهبود بخشد.

نمرات رایج فولادی برای حلقه های آهنگری

انتخاب مواد برای یک حلقه فولادی آهنگری به محیط عملیاتی و الزامات مکانیکی بستگی دارد:

• فولادهای کربنی (AISI 1045، 1020): برای فلنج های همه منظوره و حلقه های ساختاری که در آن به محتوای آلیاژ بالا نیاز نیست استفاده می شود.
• فولادهای آلیاژی (AISI 4140, 4340, 8620): انتخاب های استاندارد برای حلقه هایی که تحت فشار زیاد، بارگذاری خستگی یا نیاز به سخت شدن زیاد هستند. رایج در نفت و گاز، معدن، و تجهیزات تولید برق.
• فولادهای ضد زنگ (304، 316، 17-4 PH): در مواردی که مقاومت در برابر خوردگی مورد نیاز است - فرآوری شیمیایی، تجهیزات دریایی، مواد غذایی و دارویی استفاده می شود.
• فولادهای ابزار و فولادهای بلبرینگ (52100، H13): به عنوان حلقه های آهنگری برای نژادهای یاتاقان، اجزای قالب و کاربردهای با سایش بالا که نیاز به پروفیل های سختی خاص دارند تولید می شود.

جایی که از حلقه های فولادی فورج استفاده می شود

حلقه‌های فولادی فورج شده تقریباً در هر بخش صنایع سنگین ظاهر می‌شوند که در آن اجزای حلقوی چرخان، حاوی فشار یا باربر مورد نیاز است. زمینه های کاربردی کلیدی عبارتند از:

• توربین های بادی: فلنج‌های برج، فلنج‌های محور اصلی و حلقه‌های بلبرینگ پیچ و تاب. یک توربین بادی بزرگ ممکن است حاوی بیش از 20 فلنج حلقه فورج شده باشد. الزامات عمر خستگی برای این قطعات - طراحی شده برای 20 سال بارگذاری چرخه ای - مواد آهنگری را به مشخصات استاندارد تبدیل می کند.
• نفت و گاز: فلنج های سر چاه، نازل مخازن تحت فشار، حلقه های رابط زیر دریا و فلنج های خط لوله. درجه بندی فشار و چقرمگی مواد در دماهای پایین (برای کاربردهای قطب شمال یا آبهای عمیق) باعث انتخاب اجزای آهنگری بر روی ریخته گری می شود.
• هوافضا: محفظه های موتور، حلقه های توربین و قاب های ساختاری. رینگ‌های سوپرآلیاژ تیتانیوم و نیکل نیز برای اجزای بخش داغ موتور جت به صورت حلقه نورد می‌شوند و از همان اصول فرآیندی فولاد پیروی می‌کنند.
• معدن و ماشین آلات سنگین: حلقه های چرخشی، اجزای سنگ شکن، و روکش های دنده بزرگ برای بیل مکانیکی و آسیاب.
• انرژی هسته ای: حلقه‌های مخزن تحت فشار راکتور و اجزای مولد بخار، که در آن قابلیت ردیابی مواد، آزمایش‌های غیر مخرب و روش‌های آهنگری کنترل‌شده الزامی است.

416 سختی فولاد ضد زنگ: خواص و ملاحظات عملی

AISI 416 یک فولاد ضد زنگ مارتنزیتی با ماشینکاری آزاد است - قابل ماشین‌کاری‌ترین در بین تمام گریدهای ضد زنگ - که از طریق افزودن گوگرد (حداقل 0.15٪) به ترکیب استاندارد 12 تا 13٪ کروم مارتنزیتی به دست می‌آید. گوگرد ادغام های سولفید منگنز را تشکیل می دهد که به عنوان تراشه شکن در حین ماشین کاری عمل می کند و به طور چشمگیری سایش ابزار و زمان چرخش را در مقایسه با گریدهایی مانند 410 یا 420 کاهش می دهد.

Hardness in Annealed Condition

در شرایط آنیل شده (نرم شده)، فولاد ضد زنگ 416 دارای سختی برینل معمولی است. 185–200 HB ، استحکام کششی تقریباً 515 مگاپاسکال و استحکام تسلیم حدود 275 مگاپاسکال. این شرایطی است که در آن مواد معمولاً تهیه و ماشین‌کاری می‌شوند - افزودن گوگرد باعث می‌شود آزادانه در حالت آنیل شده برش داده شود و بیشتر اجزای دقیق قبل از اعمال عملیات حرارتی ماشین‌کاری می‌شوند.

سختی پس از عملیات حرارتی

416 stainless is a hardenable grade. از طریق آستنیته کردن در دمای 1010-925 درجه سانتیگراد و به دنبال آن خاموش کردن و تمپر کردن روغن، می توان مواد را به سطوح سختی بسیار بالاتری رساند:

• شرایط معادل H900 (دمای معتدل پایین، ~175 درجه سانتیگراد): به سختی تا 38-42 HRC (تقریباً 370-400 HB)، استحکام کششی بالای 1200 مگاپاسکال.
• Mid-range tempering (400–500°C): سختی تقریبا 28-35 HRC ، با چقرمگی بهبود یافته و مقاومت در برابر خوردگی بهتر نسبت به شرایط سختی بالا.
• High tempering temperature (600–650°C): سختی به 22-26 HRC ، به حداکثر رساندن شکل پذیری و چقرمگی به قیمت استحکام. در جاهایی استفاده می شود که مقاومت در برابر ضربه مهمتر از سختی است.

انتخاب دمای تلطیف بسیار مهم است زیرا 416، مانند تمام فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی، مستعد شکنندگی مزاج در محدوده 425-595 درجه سانتیگراد است. تلطیف در این پنجره ماده ای با چقرمگی ضربه ضعیف علیرغم خوانش سختی قابل قبول تولید می کند. This range should be avoided ; تمپر کردن در دمای زیر 200 درجه سانتیگراد یا بالای 600 درجه سانتیگراد عملکرد مکانیکی بهتری را ایجاد می کند.

Typical Applications of 416 Stainless Steel

ترکیبی از ماشینکاری و سختی پذیری فولاد ضد زنگ 416 را به انتخاب استاندارد برای قطعات با حجم بالا و ماشینکاری دقیق تبدیل می کند که به مقاومت خوردگی متوسط و سطح سختی مشخص پس از عملیات حرارتی نیاز دارند:

• اجزای سلاح گرم: گروه های ماشه، پیچ و مهره ها و اجزای عمل که در آن دقت ابعادی، سختی و مقاومت در برابر خوردگی به طور همزمان مورد نیاز است و حجم ماشین کاری بالا است.
• پیچ، مهره و پیچ و مهره: اتصال دهنده هایی که به مقاومت در برابر خوردگی فراتر از فولاد کربنی نیاز دارند، اما در ماشین های پیچ اتوماتیک تولید می شوند که قابلیت ماشین کاری با گوگرد راندمان تولید را فراهم می کند.
• Pump shafts and valve stems: کاربردهایی که به سختی سطح، دقت ابعادی و مقاومت متوسط در برابر رسانه های خورنده خفیف نیاز دارند.
• چرخ دنده ها و بوش ها: جایی که مقاومت در برابر سایش و سختی در محیط‌هایی که به اندازه کافی شدید نیستند که به درجه‌های مقاوم در برابر خوردگی بیشتری مانند 316 یا ضد زنگ دوبلکس نیاز داشته باشند، مورد نیاز است.

یک محدودیت مهم: افزودن گوگرد 416 مقاومت در برابر خوردگی آن را در مقایسه با گریدهای مارتنزیتی ماشینکاری غیرآزاد کاهش می دهد. نباید برای قرار گرفتن در معرض محیط های حاوی کلرید، اسیدها یا غوطه ور شدن طولانی مدت در آب بدون پوشش محافظ مشخص شود. در مواردی که مقاومت به خوردگی بالاتری در گرید زنگ نزن ماشینکاری آزاد مورد نیاز است، 303 (آستنیتی) جایگزین رایج است – اگرچه با عملیات حرارتی نمی توان آن را سخت کرد.