Forjarea metalelor explicate: ce metale, tipuri de oțel și cum funcționează

Forjare metal este procesul de modelare a metalului folosind forța de compresie - prin lovire, presare sau rulare - de obicei în timp ce metalul este încălzit pentru a-l face mai maleabil. Aproape orice metal care poate fi încălzit fără a deveni prea casant poate fi forjat din punct de vedere tehnic, dar în practică, oțelul carbon, oțelul aliat, aluminiul, titanul și aliajele de cupru domină forjarea industrială, deoarece oferă cea mai bună combinație de prelucrabilitate și îmbunătățirea proprietăților mecanice pe care le oferă forjarea.

Ce metale pot fi falsificate și de ce unele falsifică mai bine decât altele

Forjabilitatea unui metal depinde de ductilitatea acestuia la temperatura de forjare și de modul în care structura granulelor răspunde la deformare. Oțelurile cu o structură cristalină cubică centrată pe față (FCC) la temperaturi ridicate se deformează mai uniform sub compresie, ceea ce face parte din motivul pentru care oțelul este cel mai frecvent metal forjat în mediile industriale.

Metale cu conținut ridicat de carbon peste aproximativ 0,6% , precum și fonta, sunt în general considerate candidate slabe pentru forjare, deoarece le lipsește o ductilitate suficientă chiar și la temperaturi ridicate și tind să se crape mai degrabă decât să se deformeze sub ciocan sau forță de presare.

Cum forjați oțelul: explicarea procesului de bază

Forjarea oțelului urmează o secvență care nu s-a schimbat fundamental de la fierăria tradițională, chiar dacă scara și echipamentul au evoluat dramatic în mediile industriale.

1. Incalzire: Oțelul este încălzit într-o forjă - în mod tradițional încălzit cu cărbune sau cocs, acum adesea cu gaz sau încălzit prin inducție - la temperatura de forjare, de obicei între 1.100°C și 1.250°C (2.000°F până la 2.300°F) pentru majoritatea oțelurilor carbon, identificabile printr-o culoare portocalie spre galben strălucitoare.
2. Deformare: Forța de compresiune este aplicată prin lovire, presare sau rulare pentru a modela oțelul încălzit - aceasta poate fi matriță deschisă (formare liberă) sau matriță închisă (forțarea metalului într-o cavitate modelată).
3. Reîncălzire după cum este necesar: Oțelul se răcește rapid odată ce a fost scos din forjă și, pe măsură ce scade sub intervalul de temperatură de forjare, trebuie să fie returnat la sursa de căldură înainte de a continua - lucrul cu oțel prea rece riscă să se crape mai degrabă decât să se deformeze.
4. Normalizare sau recoacere: După modelare, piesa forjată este adesea reîncălzită la o temperatură controlată și răcită lent pentru a elibera tensiunile interne create în timpul forjarii și pentru a rafina structura granulelor.
5. Finisare: Excesul de material (flash, în forjare cu matriță închisă) este tăiat, iar piesa poate suferi un tratament termic suplimentar, prelucrare sau finisare a suprafeței, în funcție de aplicarea finală.

Tipuri de procese de forjare a metalelor

Forjarea industrială este, în general, clasificată în funcție de temperatură și de configurația matriței utilizate, iar alegerea dintre aceste metode depinde de complexitatea piesei, volumul de producție și proprietățile mecanice necesare.

• Forjare la cald: Efectuat peste temperatura de recristalizare a metalului, permițând schimbarea semnificativă a formei cu o forță relativ scăzută și reducând riscul de fisurare - cea mai comună metodă pentru oțel.
• Forjare la rece: Efectuat la sau aproape de temperatura camerei, producând piese cu toleranțe dimensionale mai strânse și un finisaj mai neted al suprafeței, dar care necesită forțe semnificativ mai mari și limitând cantitatea de deformare posibilă fără fisurare.
• Forjare la cald: O cale de mijloc realizată la temperaturi intermediare, echilibrând cerințele de forță mai scăzute ale forjarii la cald cu unele dintre beneficiile de precizie ale forjarii la rece.
• Forjare cu matriță deschisă: Metalul este modelat între matrițe plate sau simple care nu îl închid complet, permițând metalului să curgă, cu excepția cazului în care matrițele îl contactează - folosit pentru forme mari și simple, cum ar fi arbori și discuri.
• Forjare cu matriță închisă (matrice cu imprimare): Metalul este forțat într-o cavitate a matriței care o închide complet, producând forme mai complexe, cu toleranțe mai strânse - utilizate pentru piese de volum mare, cum ar fi componentele auto.
• Forjare cu picături: O metodă specifică de forjare pe bază de ciocan în care o greutate mare este aruncată pe piesa de prelucrat poziționată în sau pe o matriță, asociată în mod obișnuit cu operațiunile tradiționale de forjare industrială.

Ce este oțelul forjat și modul în care conținutul de carbon afectează rezultatul

„Oțel forjat” se referă la oțel care a fost modelat prin forjare, mai degrabă decât prin turnare (turnarea metalului topit într-o matriță) sau prelucrare (tăierea materialului departe de un bloc solid). Procesul de forjare comprimă și aliniază structura granulelor interioare a oțelului de-a lungul direcției de deformare, ceea ce are ca rezultat, în general, o rezistență, tenacitate și rezistență la oboseală îmbunătățite în comparație cu o parte turnată din aceeași compoziție - de aceea componentele forjate sunt adesea specificate pentru piesele supuse unor solicitări mari sau impact, cum ar fi arborii cotit, angrenajele și fitingurile structurale.

Conținutul de carbon este factorul principal care distinge diferitele clase de oțel forjat și determină compromisul între rezistență, duritate și ductilitate după forjare:

Conținutul mai mare de carbon permite piesei forjate să atingă o duritate mai mare prin tratamentul termic ulterior, dar îngustează și fereastra de temperatură în care oțelul poate fi forjat în siguranță, fără crăpare - motiv pentru care oțelurile cu conținut ridicat de carbon sunt forjate cu un control mai strict al temperaturii și cu reîncălzire mai frecventă.

Ce folosesc fierarii: unelte și echipamente pentru forjarea manuală

În timp ce forjarea industrială se bazează pe prese hidraulice și ciocane mecanice, uneltele de bază folosite de fierari pentru forjarea manuală rămân în mare măsură în concordanță cu practica tradițională, adaptată la dimensiunea lucrării efectuate.

• Forja: O sursă de căldură - în mod tradițional o forjă pe cărbune sau cocs, cu propan și forje cu inducție acum comune - folosită pentru a aduce oțelul la temperatura de forjare
• nicovala: Un bloc greu de oțel care oferă o suprafață stabilă și rigidă împotriva ciocanului, cu diverse caracteristici (corn, gaură rezistentă, gaură pritchel) utilizate pentru diferite tehnici de modelare
• Ciocane: O gamă de greutăți pentru ciocan și forme ale feței pentru diferite sarcini — ciocane încrucișate pentru extragerea metalului, ciocane cu bile și rotunjite pentru texturare și modelare
• Clești: Folosit pentru a ține în siguranță piesele fierbinți, cu diferite forme de fălci concepute pentru material rotund, material plat sau geometrii specifice ale pieselor
• Dălți și poansonuri: Folosit în timp ce metalul este fierbinte pentru a tăia, perfora sau crea o textură decorativă
• Rezervor de stingere: Un recipient cu apă, ulei sau alt agent de călire utilizat pentru răcirea rapidă a oțelului pentru întărire, alegerea agentului de călire afectând duritatea rezultată și riscul de crăpare

Atât pentru forjarea manuală, cât și pentru cea industrială, culoarea este indicatorul tradițional de temperatură – o culoare galben-portocalie strălucitoare corespunde, în general, intervalului optim de forjare pentru majoritatea oțelurilor carbon, în timp ce o culoare roșie tern indică că oțelul s-a răcit sub intervalul de lucru sigur și riscă să se crape dacă este lovit.