عملیات آهنگری سرد، نحوه آهنگری فولاد و دماهای جوشکاری فورج

چگونه فولاد جعل می شود: فرآیند اصلی توضیح داده شده است

آهنگری فولاد فرآیند شکل دادن به فولاد با اعمال نیروی فشاری - از طریق چکش زدن، فشار دادن یا نورد - به شمش یا پیش‌فرم است. برخلاف ریخته‌گری، که فلز مذاب را در قالب می‌ریزد، آهنگری فولاد را در حالت جامد یا نیمه جامد قرار می‌دهد، به این معنی که ساختار دانه‌ها تغییر شکل داده و به جای تنظیم مجدد، تغییر شکل می‌دهند. نتیجه بخشی با مقاومت مکانیکی برتر، مقاومت در برابر خستگی و یکپارچگی ساختاری در مقایسه با معادل های ریخته گری یا ماشین کاری شده از همان آلیاژ.

سه دسته آهنگری اولیه با دمایی که فولاد در آن کار می کند تعریف می شود:

• آهنگری داغ - فولاد بالاتر از دمای تبلور مجدد خود (معمولاً 1100 تا 1250 درجه سانتیگراد برای فولاد کربنی) گرم می شود و باعث می شود که بسیار پلاستیکی باشد و با نیروهای فشار کمتر تغییر شکل داده شود.
• آهنگری گرم - بین 650 درجه سانتیگراد تا 1000 درجه سانتیگراد انجام می شود. تعادل بین اکسیداسیون کاهش یافته و نیروهای تشکیل دهنده قابل کنترل. برای قطعات دقیقی که بدون هزینه کامل ابزار آهنگری سرد نیاز به تلرانس های محکم دارند، رایج است.
• آهنگری سرد - در دمای اتاق یا نزدیک به آن انجام شود. نیروهای پرس بالاتر مورد نیاز است، اما دقت ابعادی عالی است و برای حذف رسوب نیازی به عملیات حرارتی نیست.

در آهنگری گرم، تشکیل رسوب روی سطح فولاد یک چالش ثابت است. رسوب اکسید ساینده است، عمر قالب را کوتاه می کند و اگر قبل از هر ضربه پرس برداشته نشود، می تواند در سطح قطعه جاسازی شود. شات بلاست، جعبه های رسوب زدایی یا گرمایش القایی با کنترل جوی محکم از اقدامات متقابل استاندارد در محیط های تولید هستند.

سرد آهنگری عملیات: انواع فرآیند و کاربردهای صنعتی

سرد 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.

پرکاربردترین عملیات آهنگری سرد عبارتند از:

• سرد heading (upset forging) - یک سیم یا میله خالی را به صورت محوری فشرده می کند تا سطح مقطع را افزایش دهد. فرآیند غالب برای ساخت بست: پیچ‌ها، پیچ‌ها، پرچ‌ها و پین‌ها با سر سرد با سرعت بیش از 300 قسمت در دقیقه در هدرهای پیشرفته مدرن.
• اکستروژن رو به جلو - مواد را از طریق قالب در جهت حرکت پانچ وارد می کند و باعث کاهش سطح مقطع و طولانی شدن قطعه می شود. برای شفت های پلکانی، پین های جامد و بخش های لوله ای استفاده می شود.
• اکستروژن به عقب - مواد بر خلاف حرکت پانچ جریان می یابد و فنجان ها، آستین ها و پروفیل های توخالی را تشکیل می دهند. رایج در قطعات خودرو و اتصالات هیدرولیک.
• سکه گذاری - فشرده سازی با فشار بالا بین قالب های بسته و اساساً بدون جریان مواد. تحمل ابعادی بسیار محکم و سطح عالی را تولید می کند. برای دندانه های چرخ دنده، مسابقه بلبرینگ و درج های دقیق استفاده می شود.
• اتو کردن - ضخامت دیواره لوله‌های خالی را با کشیدن آن از درون یک قالب کاهش می‌دهد. در ساخت جعبه کارتریج و تولید قوطی نوشابه بسیار مهم است.

یک نکته کلیدی در عملیات آهنگری سرد این است کار سخت شدن . هر عبور تغییر شکل، استحکام تسلیم فولاد را افزایش می دهد و شکل پذیری باقیمانده آن را کاهش می دهد. برای توالی های آهنگری سرد چند مرحله ای، بازپخت میانی - معمولاً در دمای 650 تا 750 درجه سانتیگراد برای فولادهای کم کربن - برای بازیابی شکل پذیری قبل از شکل گیری بیشتر لازم است. بدون آن، ترک در شعاع قالب یا در سطح مقطع قطعه محتمل است.

روغن کاری به همان اندازه غیر قابل مذاکره است. پوشش فسفات روی و به دنبال آن روان کننده صابون (فرایند Bonderite/Parco) استاندارد صنعتی برای آهنگری سرد فولاد است - این پوشش تبدیلی ایجاد می کند که به طور مکانیکی حامل روان کننده را به سطح فولاد می چسباند و از فشارهای واسط فوق العاده ای که روغن های معمولی را در اولین ورودی قالب از بین می برد زنده می ماند.

دمای جوش فورج: الزامات، متغیرها و محدودیت های عملی

جوشکاری فورج قدیمی‌ترین روش اتصال فلز است - دو قطعه فولاد تا حالت تقریباً پلاستیکی حرارت داده می‌شوند و سپس تا زمانی که سطح مشترک در سطح اتمی به هم متصل شود، با هم چکش می‌شوند. این به فلز پرکننده نیاز ندارد و در صورت انجام صحیح، اتصالی با ساختار دانه ای مشابه با ماده اصلی ایجاد می کند. علیرغم اینکه منشا باستانی دارد، همچنان در ابزارسازی، تیغه‌سازی و برخی کاربردهای صنعتی لوله و ریل استفاده می‌شود.

را دمای جوشکاری فورج برای فولاد کم کربن معمولاً بین 1260 تا 1370 درجه سانتیگراد است. (2300-2500 درجه فارنهایت) - محدوده ای که سطح فولاد شروع به نشان دادن رنگ روشن و تقریباً سفید-زرد می کند و ممکن است کمی "تعریق" یا جرقه در سطح نشان دهد. این جرقه در واقع نشان دهنده نزدیک شدن فولاد به نقطه سوختن خود است، بنابراین آهنگران باتجربه از آن به عنوان سقف و نه هدف استفاده می کنند.

چندین متغیر به طور قابل توجهی بر دمای مورد نیاز جوشکاری فورج تأثیر می گذارد:

• محتوای کربن - فولادهای با کربن بالاتر (بالاتر از 0.6% C) در دماهای بسیار پایین تر، در حدود 1200-1260 درجه سانتیگراد جوش می شوند. فولادهای پرکربن همچنین دارای پنجره جوشکاری باریک تری قبل از سوختن هستند که به کار سریعتر و دقیق تری نیاز دارند.
• عناصر آلیاژی - کروم، منگنز و سیلیکون همگی بر تشکیل رسوب و گستره جوشکاری موثر تأثیر می گذارند. جوشکاری فولادهای زنگ نزن به دلیل داشتن لایه اکسید کروم پایدار بسیار دشوار است.
• تمیزی سطح - مقیاس اکسید آهن در سطح مشترک از اتصال جلوگیری می کند. فلاکس (به طور سنتی بوراکس، گاهی اوقات بوراکس مخلوط با براده های آهن) برای حل کردن رسوب و محافظت از سطح در برابر اکسیداسیون بیشتر در طول خیساندن حرارت نهایی استفاده می شود.
• جو سازی - اتمسفر کاهنده (تهی شده از اکسیژن) در کوره یا آتش فورج، تشکیل رسوب را به حداقل می رساند و پنجره دمای قابل استفاده را افزایش می دهد. آتش سوزی زغال سنگ و ذغال که با لانه آتش عمیق مدیریت می شود به طور طبیعی به این امر دست می یابد. فورج های گاز اغلب نیاز به تنظیم به سمت یک مخلوط کمی غنی دارند.

در کاربردهای صنعتی - مانند جوش لب به لب بخش‌های ریل یا جوشکاری فورج مقاومتی لوله - این فرآیند دقیقاً با سنسورهای دما و زمان‌بندی خودکار پرس کنترل می‌شود. در این تنظیمات، فشار تماس در رابط جوش معمولاً بین 70 تا 300 مگاپاسکال است ، در عرض میلی ثانیه پس از رسیدن به اوج دما برای به حداقل رساندن اتلاف گرما و اکسیداسیون قبل از شروع ناراحتی اعمال می شود.

یک تمایز عملی: جوشکاری فورج مشابه جوشکاری چکشی در معنای آهنگری نیست، اگرچه این اصطلاحات اغلب به جای یکدیگر استفاده می شوند. در یک زمینه صنعتی، جوشکاری فورج ممکن است به فرآیندهای جوشکاری فشاری حالت جامد (از جمله جوشکاری اصطکاکی و پیوند انتشار) اشاره داشته باشد که از طریق فشار و دما بدون رسیدن به محدوده تغییر شکل پلاستیک مورد استفاده در آهنگری دستی، به پیوند می‌رسند. دمای مورد نیاز برای این فرآیندها به طور قابل توجهی متفاوت است - برای مثال، پیوند انتشار فولاد معمولاً در دمای 900 تا 1100 درجه سانتیگراد تحت فشار خلاء پایدار رخ می دهد.

مقایسه روش های آهنگری: انتخاب فرآیند مناسب برای برنامه

هیچ روش واحد آهنگری برای هر قسمت مناسب نیست. انتخاب بین ساخت سرد، گرم، گرم و جوشکاری فورج به هندسه قطعه، خواص مکانیکی مورد نیاز، حجم تولید و الزامات تحمل ابعادی بستگی دارد.

سرد 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.

فورج گرم طیف وسیع تری از اندازه و هندسه قطعات را پوشش می دهد. اجزای ساختاری بزرگ - میل لنگ، میله‌های اتصال، فلنج‌ها و قاب‌های هوافضا - معمولاً فورج گرم می‌شوند زیرا کاهش تنش جریان در دمای بالا باعث می‌شود اشکال پیچیده بدون شکستگی قابل دست‌یابی باشد. مبادله تشکیل مقیاس، الزامات کنترل فرآیند سخت تر و عملیات حرارتی پس از فورج برای دستیابی به خواص مکانیکی نهایی است.

جوشکاری فورج نقش مهمی را ایفا می کند که در آن اتصال در حالت جامد بدون مواد افزوده مورد نیاز است. ارتباط مدرن اولیه آن در تولید فولاد با الگوی جوش (دمشق)، اتصال ریلی و اتصالات تخصصی لوله به لوله در لوله کشی با فشار بالا است. برای ساخت عمومی، تا حد زیادی با جوشکاری ذوبی جایگزین شده است - اما برای کاربردهایی که ناحیه متاثر از حرارت جوش قوس الکتریکی قابل قبول نیست، جوشکاری فورج از نظر فنی انتخاب برتر باقی می ماند.