Operațiuni de forjare la rece, cum este forjat oțelul și temperaturi de sudură de forjare

Cum este forjat oțelul: explicat procesul de bază

Forjarea oțelului este procesul de modelare a oțelului prin aplicarea unei forțe de compresiune - fie prin ciocanire, presare sau laminare - unei țagle sau preforme. Spre deosebire de turnare, care toarnă metalul topit într-o matriță, forjarea lucrează oțelul într-o stare solidă sau semi-solidă, ceea ce înseamnă că structura cerealelor este deformată și realinietă mai degrabă decât resetată. Rezultatul este o parte cu rezistență mecanică superioară, rezistență la oboseală și integritate structurală în comparație cu echivalentele turnate sau prelucrate ale aceluiași aliaj.

Cele trei categorii principale de forjare sunt definite de temperatura la care este prelucrat oțelul:

• Forjare la cald — oțelul este încălzit peste temperatura de recristalizare (de obicei 1.100–1.250°C pentru oțelul carbon), făcându-l foarte plastic și ușor de deformat cu forțe de presare mai mici.
• Forjare la cald — efectuată între 650°C și 1.000°C. Un echilibru între oxidarea redusă și forțele de formare gestionabile; comun pentru piesele de precizie care au nevoie de toleranțe strânse fără costul total al sculelor de forjare la rece.
• Forjare la rece — efectuat la sau aproape de temperatura camerei. Sunt necesare forțe de presare mai mari, dar precizia dimensională este excelentă și nu este nevoie de tratament termic pentru îndepărtarea calcarului.

În forjarea la cald, formarea de calcar pe suprafața oțelului este o provocare constantă. Calcarul de oxid este abraziv, scurtează durata de viață a matriței și poate fi încorporat în suprafața piesei dacă nu este îndepărtat înainte de fiecare cursă de presare. Sablarea, cutiile de detartrare sau încălzirea prin inducție cu control strict al atmosferei sunt contramăsuri standard în mediile de producție.

Frig Forjare Operațiuni: Tipuri de procese și aplicații industriale

Frig forging encompasses several distinct forming operations, each suited to specific geometry and material requirements. The unifying characteristic is that deformation occurs at room temperature (or slightly above, but below the recrystallization point), relying on the steel's plastic deformation capacity rather than thermal softening.

Cele mai utilizate operațiuni de forjare la rece includ:

• Frig heading (upset forging) — comprimă axial un semifabricat de sârmă sau tijă pentru a crește aria secțiunii transversale. Procesul dominant pentru fabricarea elementelor de fixare: șuruburile, șuruburile, niturile și știfturile sunt cu cap rece la viteze care depășesc 300 de părți pe minut pe capturile progresive moderne.
• Extrudare înainte — forțează materialul printr-o matriță în direcția deplasării poansonului, reducând secțiunea transversală și alungind piesa. Folosit pentru arbori trepți, știfturi pline și secțiuni tubulare.
• Extrudare înapoi — materialul curge opus cursei poansonului, formând cupe, manșoane și profile goale. Frecvent în componentele auto și fitingurile hidraulice.
• Coining — compresie de înaltă presiune între matrițe închise, practic fără flux de material. Produce toleranțe dimensionale foarte strânse și finisare excelentă a suprafeței; utilizat pentru dinții angrenajului, piste de rulmenți și inserții de precizie.
• Călcarea — reduce grosimea peretelui unui semifabricat tubular prin tragere printr-o matriță. Esențial în fabricarea cartușelor și producția de cutii de băuturi.

Un aspect cheie în operațiunile de forjare la rece este călirea prin muncă . Fiecare trecere de deformare crește forța de curgere a oțelului și reduce ductilitatea rămasă. Pentru secvențele de forjare la rece în mai multe etape, recoacerea intermediară - de obicei la 650–750°C pentru oțelurile cu conținut scăzut de carbon - este necesară pentru a restabili ductilitatea înainte de formare ulterioară. Fără aceasta, devine probabilă crăparea la razele matriței sau în secțiunea transversală a piesei.

Ungerea este la fel de nenegociabilă. Acoperirea cu fosfat de zinc urmată de un lubrifiant cu săpun (procesul Bonderite/Parco) este standardul industrial pentru forjarea la rece a oțelului - creează o acoperire de conversie care leagă mecanic purtătorul de lubrifiant de suprafața oțelului, supraviețuind presiunilor extreme de interfață care ar îndepărta uleiurile convenționale în prima intrare a matriței.

Temperatura de sudură Forge: cerințe, variabile și limite practice

Sudarea în forja este cea mai veche metodă de îmbinare a metalelor - două bucăți de oțel sunt încălzite până la o stare aproape de plastic și apoi ciocanate împreună până când interfața se leagă la nivel atomic. Nu necesită metal de umplutură și produce o îmbinare cu aceeași structură de granulație ca materialul de bază atunci când este făcută corect. În ciuda faptului că este vechi la origine, rămâne în utilizare activă în fabricarea de scule, fierărie și anumite aplicații industriale de conducte și șine.

The temperatura de sudare a forjului pentru oțel cu conținut scăzut de carbon scade de obicei între 1.260 °C și 1.370 °C (2.300–2.500 °F) — intervalul în care suprafața de oțel începe să prezinte o culoare strălucitoare, aproape alb-gălbuie și poate prezenta o ușoară „transpirație” sau scântei la suprafață. Această scânteie este de fapt un indicator că oțelul se apropie de punctul său de ardere, așa că fierarii experimentați îl folosesc ca tavan, nu ca țintă.

Mai multe variabile afectează în mod semnificativ temperatura necesară de sudare a forjei:

• Conținut de carbon — oțelurile cu conținut ridicat de carbon (peste 0,6% C) se sudează la temperaturi semnificativ mai scăzute, în jur de 1.200–1.260 °C. Oțelurile cu conținut ridicat de carbon au, de asemenea, o fereastră de sudură mai îngustă înainte de a se produce arderea, necesitând o muncă mai rapidă și mai precisă.
• Elemente de aliere — cromul, manganul și siliciul influențează toate formarea calcarului și domeniul efectiv de sudare. Oțelurile inoxidabile sunt notoriu dificil de sudat din cauza stratului lor stabil de oxid de crom.
• Curățenia suprafeței — scara de oxid de fier la interfață previne lipirea. Fluxul (în mod tradițional borax, uneori borax amestecat cu pilitură de fier) ​​este aplicat pentru a dizolva calcarul și pentru a proteja suprafața de oxidarea ulterioară în timpul înmuiării finale la căldură.
• Forge atmosfera — o atmosferă reducătoare (sărăcită de oxigen) în cuptorul sau focul de forjă minimizează formarea de calcar și mărește fereastra de temperatură utilizabilă. Focurile de cărbune și cărbune gestionate cu un cuib de foc adânc realizează acest lucru în mod natural; forjele cu gaz necesită adesea reglarea către un amestec ușor bogat.

În aplicațiile industriale - cum ar fi sudarea cap la cap a secțiunilor șinei sau sudarea prin forja cu rezistență a țevilor - procesul este controlat cu precizie cu senzori de temperatură și sincronizare automată a presei. În aceste setări, presiunea de contact la interfața de sudare variază de obicei între 70 și 300 MPa , aplicat în câteva milisecunde de la atingerea temperaturii de vârf pentru a minimiza pierderea de căldură și oxidarea înainte de a începe tulburarea.

O distincție practică: sudarea în forjă nu este aceeași cu sudarea cu ciocan în sensul fierăriei, deși termenii sunt adesea folosiți interschimbabil. Într-un context industrial, sudarea forjată se poate referi la procese de sudare sub presiune în stare solidă (inclusiv sudarea prin frecare și lipirea prin difuzie), care realizează lipirea prin presiune și temperatură fără a atinge niciodată intervalul de deformare plastică utilizat în forjarea manuală. Cerințele de temperatură pentru aceste procese variază semnificativ - lipirea prin difuzie a oțelului, de exemplu, are loc în mod obișnuit la 900-1.100 ° C sub presiune susținută de vid.

Compararea metodelor de forjare: alegerea procesului potrivit pentru aplicație

Nicio metodă de forjare nu se potrivește fiecărei piese. Alegerea dintre construcția rece, caldă, fierbinte și forjată depinde de geometria piesei, proprietățile mecanice necesare, volumul de producție și cerințele de toleranță dimensională.

Frig forging is the most economical at high volumes for small, rotationally symmetric parts with tight tolerances. The absence of heating eliminates energy cost and scale removal, and near-net-shape forming reduces downstream machining. However, press forces are high — a #10 bolt blank may require 150–400 kN of forming force — meaning tooling investment is substantial and die wear must be carefully managed.

Forjarea la cald acoperă o gamă mult mai largă de dimensiuni și geometrii ale pieselor. Componentele structurale mari - arbori cotiți, biele, flanșe și cadre aerospațiale - sunt de obicei forjate la cald, deoarece stresul redus de curgere la temperatură ridicată face ca formele complexe să fie realizabile fără fracturi. Compromisul este formarea calcarului, cerințe mai stricte de control al procesului și tratamentul termic după forjare pentru a obține proprietățile mecanice finale.

Sudarea forjată ocupă un rol de nișă, dar critic, atunci când îmbinarea este necesară în stare solidă fără adaos de material. Relevanța sa modernă principală este în producția de oțel sudat cu model (Damasc), îmbinarea șinei și conexiunile specializate tub-to-tub în conductele de înaltă presiune. Pentru fabricarea generală, a fost înlocuită în mare măsură de sudarea prin fuziune — dar pentru aplicațiile în care zona de sudare cu arc afectată de căldură este inacceptabilă, sudarea forjată rămâne alegerea superioară din punct de vedere tehnic.