فولاد فورج شده: نمرات، قطعات، شفت ها و زمان انتخاب آهنگری

چیست فولاد آهنگری ?

فولاد آهنگری فولادی است که با اعمال نیروی فشاری - ضربات چکش، تناژ فشار یا فشار قالب - در حالی که فلز در دمای بالا است، معمولاً بین 1100 درجه سانتی گراد و 1250 درجه سانتی گراد (2000-2300 درجه فارنهایت) برای آهنگری داغ. کار مکانیکی ساختارهای دانه‌های دندریتی ریخته‌گری را می‌شکند، تخلخل و حفره‌های داخلی را می‌بندد، و جریان دانه‌های کریستالی فلز را تغییر می‌دهد تا از کانتور قسمت نهایی پیروی کند. نتیجه یک جزء با استحکام، چقرمگی و مقاومت خستگی به طور قابل توجهی بالاتر از یک قطعه معادل تولید شده توسط ریخته گری یا ماشینکاری از استوک میله است.

تمایز از فولاد ریختگی اساسی است. در ریخته‌گری، فلز مذاب در قالب ریخته می‌شود و با ساختار دانه‌ای تصادفی و هم محور و احتمال بیشتر عیوب انقباض داخلی جامد می‌شود. آهنگری، در مقابل، فلز جامد یا نیمه جامد را تحت فشار کار می کند، که اندازه دانه را اصلاح می کند، تخلخل را از بین می برد و جریان دانه را همسو می کند با جهت تنش اصلی قطعه تمام شده. این هم ترازی جریان دانه - که اغلب در مقاطع حکاکی شده به صورت خطوط جریان پیوسته در طول هندسه قطعه مشاهده می شود - به همین دلیل است که اجزای فولادی آهنگری در بارگذاری چرخه ای، ضربه و کاربردهای پرتنش با حاشیه قابل توجهی از معادل های ریخته گری بیشتر هستند.

فرآیندهای آهنگری در یک نگاه

• آهنگری قالب باز ( آهنگری رایگان ) - قطعه کار بین قالب های مسطح یا ساده و بدون محدودیت جانبی تغییر شکل داده است. برای اشکال بزرگ و ساده استفاده می شود: شفت، دیسک، حلقه و بلوک. مناسب برای قطعات بیش از حد بزرگ برای ابزارهای قالب بسته و برای شکل دهی اولیه قبل از اتمام فورج.
• بسته- قالب (تصویر-کشت) آهنگری - قالب های بالا و پایین با حفره های ماشین کاری شده، قطعه کار را محدود می کنند و فلز را مجبور می کنند تا قالب قالب را پر کند. قطعات نزدیک به شبکه را با تلورانس ابعادی کمتر و امکان ماشینکاری کمتر تولید می کند. استاندارد برای میله های اتصال، میل لنگ، فلنج ها و جعبه دنده.
• آهنگری رول - قطعه کار از میان رول های کانتوری عبور می کند که به تدریج سطح مقطع را کاهش داده و به قطعه شکل می دهد. معمول برای شفت های مخروطی، فنرهای برگ، و اجزای کشیده.
• آهنگری سرد - در دمای اتاق یا نزدیک به آن انجام شود. سطح فوق‌العاده و دقت ابعادی را با مزایای سخت شدن کار تولید می‌کند. محدود به هندسه های کوچکتر و ساده تر در آلیاژهای انعطاف پذیر. برای فولادهای پر آلیاژ یا با مقاطع بزرگ مناسب نیست.

نمرات فولاد فورج: طبقه بندی و انتخاب

همه فولادها به طور یکسان به آهنگری پاسخ نمی دهند و انتخاب آلیاژ ترکیب قابل دستیابی از استحکام، چقرمگی، سختی پذیری و ماشین کاری را در قطعه نهایی ایجاد می کند. گریدهای اصلی فولاد آهنگری مورد استفاده در کاربردهای صنعتی و مهندسی به چهار خانواده تقسیم می شوند.

آهنگری فولاد کربنی

فولادهای کربنی ساده مقرون به صرفه ترین مواد آهنگری هستند و بسته به محتوای کربن طیف وسیعی از مقاومت را پوشش می دهند. درجات کم کربن (AISI 1020-1040) به راحتی فورج می کنند، بدون پیش گرمایش جوش می دهند و در مواردی که به استحکام متوسط و شکل پذیری بالا نیاز است - تجهیزات کشاورزی، اجزای ساختاری و قطعات مهندسی عمومی مورد استفاده قرار می گیرند. گریدهای کربن متوسط (AISI 1045-1060) فولادهای آهنگری به طور گسترده مشخص شده اند: آنها به خوبی به عملیات حرارتی پاسخ می دهند، به استحکام کششی می رسند 700-1000 مگاپاسکال پس از خاموش کردن و تمپر، و برای شفت، چرخ دنده، و اجزای ماشین آلات استفاده می شود. گریدهای کربن بالا (AISI 1070-1095) سخت‌تر و مقاوم‌تر در برابر سایش هستند، اما سختی کمتری دارند. کاربردها شامل ابزارهای دستی، فنرها و اجزای سایش است.

آهنگری فولاد آلیاژی

افزودنی های آلیاژی - کروم، مولیبدن، نیکل، وانادیم، منگنز - به طور چشمگیری سختی پذیری (توانایی دستیابی به سختی از طریق سطح مقطع کامل قطعات بزرگ) را بهبود می بخشد و خواص مکانیکی را بالاتر از آنچه محتوای کربن به تنهایی می تواند به دست آورد، افزایش می دهد. رایج ترین گریدهای آهنگری آلیاژی عبارتند از:

• AISI 4140 (فولاد Cr-Mo) - اسب بخار آهنگری فولاد آلیاژی. ترکیبی عالی از استحکام (کشش 900-1100 مگاپاسکال در شرایط Q&T)، چقرمگی و ماشین کاری. استاندارد برای شفت ها، دوک ها، ابزارآلات و مخازن تحت فشار تا اندازه مقطع متوسط.
• AISI 4340 (فولاد Ni-Cr-Mo) - سختی پذیری بالاتر از 4140، دستیابی به سختی ثابت در مقاطع بیش از 150 میلی متر. مقاومت کششی از 1000-1400 مگاپاسکال قابل دستیابی هستند. برای شفت های سنگین، اجزای ارابه فرود هواپیما و چرخ دنده های بزرگ که اندازه بخش مانع از سخت شدن کافی با 4140 می شود استفاده می شود.
• AISI 8620 (Ni-Cr-Mo، درجه سخت شدن مورد) - هسته کم کربن با محتوای آلیاژ بالا برای سخت شدن کیس توسط کربوریزاسیون. در جاهایی استفاده می شود که به یک سطح سخت و مقاوم در برابر سایش و یک هسته محکم و انعطاف پذیر نیاز است - چرخ دنده ها، میل بادامک ها و میل های شیاردار.
• AISI 4150 / 4150H - نوع کربن بالاتر از 4140 با پتانسیل سختی افزایش یافته، برای قالب ها، شفت های بزرگ و قطعاتی که به سختی سطحی بالاتر از آنچه 4140 به دست می آورد استفاده می شود.

آهنگری فولاد ضد زنگ

نمرات ضد زنگ - در درجه اول AISI 304، 316، 410، و 17-4PH - برای کاربردهایی ساخته می شوند که به مقاومت در برابر خوردگی در کنار عملکرد ساختاری نیاز دارند. گریدهای آستنیتی (304، 316) غیر مغناطیسی هستند، به راحتی جوش می‌شوند و در برابر محیط‌های اسیدی و کلرید مقاومت می‌کنند. آنها برای دریچه ها، بدنه پمپ ها و تجهیزات پردازش مواد غذایی استفاده می شوند. گریدهای مارتنزیتی (410، 420) می توانند سخت شوند و برای کارد و چنگال، بست ها و اجزای توربین استفاده می شوند. درجات سخت شدن بارندگی (17-4PH) ترکیبی از مقاومت در برابر خوردگی با مقاومت کششی بالاتر 1100 مگاپاسکال و در کاربردهای هوافضا و تجهیزات پزشکی ترجیح داده می شوند.

آهنگرهای فولادی میکروآلیاژی و ابزار

فولادهای میکروآلیاژی (گریدهای HSLA حاوی افزودنی‌های وانادیوم، نیوبیوم یا تیتانیوم در سطح 0.05 تا 0.15 درصد) به خواص مکانیکی قابل مقایسه با فولادهای آلیاژی خاموش و تمپر شده مستقیماً از حرارت آهنگری دست می‌یابند و عملیات حرارتی جداگانه را حذف می‌کنند. این آنها را برای آهنگری های خودرو با حجم بالا - میله های اتصال، میل لنگ و اجزای تعلیق - که در آن کاهش هزینه فرآیند در اولویت است، جذاب می کند. فولادهای ابزار (H13، D2، M2) برای قالب‌ها، ابزارهای برش و قطعات سرویس با دمای بالا ساخته می‌شوند که در آن سختی در دمای بالا و مقاومت در برابر سایش بسیار مهم است.

قطعات فولادی آهنگری: صنایع و اجزای مشترک

قطعات فولادی آهنگری در هر صنعتی ظاهر می شود که قابلیت اطمینان سازه تحت بارگذاری دینامیکی غیر قابل مذاکره است. روش ساخت انتخاب شده است - و هزینه واحد بالاتر آن توجیه می شود - دقیقاً به این دلیل که ریخته گری، جوشکاری یا ماشینکاری از میله نمی تواند به طور مداوم عمر خستگی و مقاومت ضربه ای را که آهنگری ایجاد می کند به دست آورد.

موضوع مشترک در همه این برنامه ها بارگذاری چرخه ای یا ضربه ای است. یک میل لنگ آهنگری صدها میلیون چرخه تنش را در طول عمر موتور تجربه می کند. یک جزء ارابه فرود جعلی باید بارهای ضربه ای معادل چندین برابر وزن فرود هواپیما را بدون شروع ترک جذب کند. هیچ فرآیند تولید تجاری دیگری این را فراهم نمی کند جریان بدون وقفه دانه، محتوای کم گنجاندن، و اندازه دانه تصفیه شده که قطعات فولادی آهنگری را قادر می سازد تا این خواسته ها را به طور قابل اعتماد برآورده کنند.

فولاد آهنگری Shafts : طراحی، درجه بندی، و ساخت

شفت ها از جمله پرتولیدترین و پر تقاضاترین قطعات فولادی آهنگری هستند. یک شفت باید گشتاور را منتقل کند - گاهی اوقات به طور مداوم با سرعت بالا برای سالها - در حالی که در برابر خمش، پیچش و بارهای محوری ترکیبی، اغلب با تمرکز تنش در کلیدها، شانه ها، و اسپلین ها مقاومت می کند. خرابی خستگی در این افزایش دهنده های تنش حالت اولیه خرابی شفت در سرویس است، به همین دلیل است تداوم جریان دانه از طریق مقطع شفت به طور مستقیم با عمر خستگی مرتبط است به نحوی که استوک میله ماشینکاری شده نتواند تکثیر شود.

قالب باز در مقابل فورج شفت قالب بسته

شفت‌های بزرگ - شفت‌های توربین ژنراتور با وزن صدها تن، محورهای پروانه‌ای برای کشتی‌های دریایی و رول‌های آسیاب نورد - با آهنگری با قالب باز روی پرس‌های هیدرولیک یا فورج‌های چکشی تولید می‌شوند. شمش به طور مکرر چرخانده و فشار داده می شود تا سطح مقطع کامل کار کند و از طریق قطر به پالایش دانه ثابت برسد. برای فورجینگ های بخش بزرگ، مراحل کاهش چندگانه، گرم کردن مجدد میانی و پروتکل های خنک کننده کنترل شده برای جلوگیری از ترک خوردن و دستیابی به ریزساختار یکنواخت از سطح به هسته مورد نیاز است.

شفت‌های کوچک‌تر و با حجم بالاتر - شفت‌های انتقال خودرو، شفت‌های پمپ و دوک‌های ماشین ابزار - از نظر اقتصادی با قالب بسته یا فورج رول تولید می‌شوند، جایی که هندسه قالب شکلی نزدیک به شبکه ایجاد می‌کند و باعث کاهش ذخایر ماشین‌کاری باقی‌مانده برای تکمیل می‌شود. فورجینگ های شافت قالب بسته معمولاً دارند 15 تا 30 درصد کمتر موجودی ماشینکاری نسبت به معادل های قالب باز، که مستقیماً به کاهش مصرف مواد و زمان چرخه ترجمه می شود.

انتخاب درجه برای شفت های فولادی آهنگری

انتخاب درجه فولاد برای آهنگری شفت به سه پارامتر بستگی دارد: خواص مکانیکی مورد نیاز پس از عملیات حرارتی، اندازه بخش (که الزامات سختی پذیری را تعیین می کند) و محیط عملیاتی.

• AISI 1045 - درجه شفت سطح ورودی. برای کاربردهای گشتاور کم تا متوسط ​​در قطرهای کوچکتر (تا 75 میلی متر) که نیازی به سخت شدن از طریق آن نیست، مناسب است. استحکام کششی 570-700 مگاپاسکال در شرایط نرمال.
• AISI 4140 - مشخص ترین درجه شفت آلیاژی. قابل سخت شدن تا بخش کامل در قطرهای تقریباً 100 میلی متر. در شرایط Q&T به کشش 900–1050 مگاپاسکال دست می یابد. اکثر شفت پمپ های صنعتی، درایوهای نوار نقاله و شفت های ماشین آلات عمومی را پوشش می دهد.
• AISI 4340 - برای شفت‌های با قطر بزرگ (100-300 میلی‌متر و بیشتر) که در آن 4140 نمی‌تواند به سختی ثابت دست یابد. محتوای نیکل بالاتر سختی پذیری را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. شفت‌های روتور تولید برق، شفت‌های پروانه دریایی و محورهای محرک تجهیزات سنگین کاربردهای معمولی هستند. مقاومت کششی از 1000-1200 مگاپاسکال در بخش های بزرگ قابل دستیابی هستند.
• EN 36 / 9310 (نمرات سخت شدن مورد Ni-Cr) - برای شفت هایی استفاده می شود که به سطح سخت و مقاوم در برابر سایش همراه با یک هسته سخت نیاز دارند: میل های ثابت گیربکس، میل بادامک، و میل بادامک که در آن خستگی تماس در خطوط یا ژورنال ها حالت شکست حاکم است.
• ضد زنگ دوبلکس و فوق دوبلکس (2205، 2507) - برای شفت ها در محیط های دریایی، پردازش شیمیایی و نمک زدایی که خستگی ناشی از خوردگی کلرید محدودیت طراحی است. هزینه بالاتر اما مکان‌های شروع خوردگی سطحی را که رشد ترک‌های خستگی را در فولادهای آلیاژی معمولی تسریع می‌کنند، حذف می‌کند.

درمان و اتمام پس از فورج

شفت های فولادی آهنگری به ندرت در شرایط آهنگری استفاده می شود. توالی استاندارد تولید پس از آهنگری شامل نرمال کردن یا بازپخت برای کاهش تنش‌های آهنگری و همگن کردن ریزساختار، و به دنبال آن ماشین‌کاری خشن برای حذف رسوب و ایجاد سطوح مبنا است. عملیات حرارتی خاموش و معتدل برای دستیابی به خواص مکانیکی مشخص شده، و در نهایت ماشینکاری، سنگ زنی و عملیات سطح را در صورت لزوم به پایان برسانید. درمان های سطحی که عملکرد خستگی شفت را بهبود می بخشد شامل سخت شدن القایی ژورنال ها و فیله های یاتاقان، نیتریدینگ برای سختی سطح بالا بدون تغییر ابعاد، و ضربه زدن برای ایجاد تنش های پسماند فشاری است که شروع ترک خستگی را به تاخیر می اندازد.

صافی یک پارامتر کیفیت حیاتی برای شفت های تمام شده است: عدم تعادل چرخشی ناشی از کمان شفت، نیروهای گریز از مرکز را ایجاد می کند که با مربع سرعت کار مقیاس می شوند. تلورانس های صافی برای شفت های دقیق معمولاً در مشخص شده است 0.1-0.3 میلی متر کاهش کل نشانگر در هر متر طول که نیاز به خنک سازی کنترل شده پس از عملیات حرارتی و در بسیاری از موارد، عملیات صاف کردن سرد یا گرم قبل از ماشینکاری نهایی دارد.

فولاد جعلی در مقابل فولاد ریخته گری: چه زمانی باید هر کدام را انتخاب کرد

تصمیم بین فولاد آهنگری و ریخته گری در نهایت یک تجارت مهندسی و اقتصادی است. آهنگری برتری جهانی ندارد - برای شرایط خاص انتخاب صحیحی است و درک آن شرایط به همان اندازه که از عملکرد ضعیف جلوگیری می کند از تعیین بیش از حد جلوگیری می کند.

فولاد آهنگری را زمانی انتخاب کنید که:

• این قطعه در معرض بارگذاری چرخه ای، خستگی یا ضربه ای است - آهنگری فراهم می کند 20-30٪ قدرت خستگی بالاتر نسبت به ریخته گری در گریدهای معادل.
• قابلیت اطمینان بالا مورد نیاز است و پیامدهای خرابی شدید است - اجزای حیاتی ایمنی در هوافضا، تجهیزات تحت فشار و کاربردهای ساختاری.
• هندسه نسبتاً ساده است و با قالب‌ها قابل تولید است - شفت، فلنج، حلقه، دیسک، میله‌های اتصال و اشکال مشابه.
• حجم تولید هزینه ابزارآلات را توجیه می کند - ابزار آهنگری قالب بسته در ابتدا گران است اما هزینه هر واحد پایین را در حجم به همراه دارد.

فولاد ریخته گری را زمانی انتخاب کنید که:

• هندسه با حفره‌های داخلی، برش‌های زیرین یا دیواره‌های نازکی که قالب‌های آهنگری نمی‌توانند ایجاد کنند، پیچیده است - محفظه‌های پمپ، بدنه دریچه‌ها با گذرگاه‌های داخلی، و هندسه‌های پیچیده مسکن.
• حجم تولید کم است و سرمایه گذاری ابزارآلات قابل استهلاک نیست - ابزار ریخته گری شن و ماسه هزینه کسری از قالب های آهنگری دارد.
• بارگذاری عمدتاً ایستا و فشاری است تا چرخه‌ای - ریخته‌گری‌ها در کاربردهای غالب فشرده‌سازی که در آن‌ها شروع خستگی ناشی از عیوب داخلی حالت شکست حاکم نیست، عملکرد مناسبی دارند.
• مقاطع وزنی بسیار بزرگ و یکنواخت هستند - برخی از اجزای سازه ای بزرگ از نظر اقتصادی ریخته گری می شوند و سپس بر اساس مشخصات فنی جوشکاری می شوند تا آهنگری.

استانداردهای کیفیت و آزمایش قطعات فولادی آهنگری

قطعات فولادی آهنگری برای کاربردهای حیاتی مشمول بازرسی دقیق و الزامات اسنادی هستند. استانداردهای قابل اجرا به صنعت و استفاده نهایی بستگی دارد، اما چارچوب هایی که به طور گسترده ارجاع می شوند عبارتند از:

• ASTM A668 - مشخصات استاندارد برای آهنگری های فولادی برای مصارف صنعتی عمومی که طبقات کربن و فولاد آلیاژی را پوشش می دهد با الزامات کششی، تسلیم و ضربه تعریف شده بر اساس طبقه بندی.
• ASTM A388 - بررسی اولتراسونیک آهنگری فولاد سنگین، مشخص کردن معیارهای پذیرش برای بازتابنده های داخلی (شامل، تخلخل، و جداسازی) بر اساس ضخامت ناحیه و مقطع.
• EN 10250 - استاندارد اروپایی برای آهنگرهای فولادی با قالب باز برای اهداف مهندسی عمومی، پوشش درجه مواد و الزامات خواص مکانیکی.
• API 6A / 6D - برای آهنگری سر چاه نفت و گاز و دریچه خط لوله، مشخص کردن مواد، قابلیت ردیابی، آزمایش مکانیکی و الزامات NDE با الزامات درجه بندی فشار اضافی.
• AS9100 / NADCAP - مدیریت کیفیت هوافضا و الزامات صدور گواهینامه فرآیند ویژه قابل اعمال برای تامین کنندگان آهنگری هوافضا.

بازرسی معمول قطعات فولادی آهنگری شامل تأیید ابعاد، تست سختی، تست ضربه کششی و شارپی از کوپن‌های عملیات حرارتی (یا برای قطعات حیاتی، از بخش‌های قربانی خود آهنگری)، بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) برای عیوب شکستن سطح، و تست اولتراسونیک (UT) برای یکپارچگی زیرسطحی است. برای آهنگری های بزرگ در تولید برق و کاربردهای مخازن تحت فشار، اسکن UT 100٪ حجمی یک روش استاندارد است، با مناطق پذیرش تعریف شده توسط استاندارد ASME یا EN قابل اجرا و تأیید شده توسط بلوک های مرجع کالیبره شده با بازتابنده های مصنوعی شناخته شده.