فولاد فورج چیست؟ خواص، انواع و کاربردهای صنعتی

چیست فولاد آهنگری ?

فولاد آهنگری فولادی است که با اعمال نیروی فشاری - از طریق چکش کاری، فشار دادن یا نورد - در حالی که فلز بالاتر از دمای تبلور مجدد یا در برخی فرآیندها در دمای اتاق است، شکل گرفته است. برخلاف ریخته‌گری، که در آن فلز مایع در قالب ریخته می‌شود، آهنگری مواد جامد را کار می‌کند، ساختار دانه‌های آن را تراز می‌کند و حفره‌های داخلی را از بین می‌برد. نتیجه یک قطعه متراکم تر و قوی تر با مقاومت در برابر خستگی و چقرمگی مکانیکی است. به همین دلیل است که فولاد آهنگری انتخاب پیش فرض برای اجزای باربر در محیط های سخت است: میل لنگ، فلنج ها، اتصالات مخازن تحت فشار، ارابه فرود و قطعات ماشین آلات سنگین.

مزیت اساسی فولاد آهنگری نسبت به فولاد ریخته گری یا ماشینکاری شده تداوم جریان دانه است. هنگامی که فولاد آهنگری می شود، خطوط دانه داخلی به جای اینکه توسط ماشینکاری بریده شوند، از خطوط قطعه پیروی می کنند. این دانه جهت دار قطعات آهنگری می دهد تا 37 درصد قدرت خستگی بالاتر بر اساس داده های انجمن صنایع آهنگری، در مقایسه با قطعات ریخته گری معادل.

فولاد آهنگری در مقابل فولاد آلیاژی فورج شده: درک تفاوت

فولاد آهنگری کربن ساده حاوی آهن و کربن (معمولاً 0.1٪ تا 0.6٪ کربن) با مقادیر کمی منگنز، سیلیکون و سایر عناصر باقیمانده است. مقرون به صرفه است و به طور گسترده در مواردی که به استحکام شدید یا دمای بالا نیاز نیست استفاده می شود - قطعات ساختاری عمومی، ابزارها و اتصالات استاندارد در این دسته قرار می گیرند.

فولاد آلیاژی آهنگری مقادیر عمدی یک یا چند عنصر آلیاژی - کروم، مولیبدن، نیکل، وانادیم یا منگنز - را اضافه می کند تا خواص ویژه ای فراتر از آنچه کربن به تنهایی می تواند به دست آورد را افزایش دهد:

• فولاد کروم-مولیبدن (Cr-Mo). - مقاومت عالی در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش؛ استاندارد برای فلنج مخازن تحت فشار و لوله کشی بخار (ASTM A182 F11, F22).
• فولاد نیکل-کروم-مولیبدن (Ni-Cr-Mo). - چقرمگی ضربه بالا در دماهای پایین؛ مورد استفاده در هوافضا و کاربردهای برودتی.
• فولاد آلیاژی بور - افزودن بور کوچک (0.001٪ - 0.003٪) به طور چشمگیری سختی پذیری را با حداقل حق بیمه هزینه افزایش می دهد.
• فولاد وانادیوم - تصفيه دانه و سخت شدن بارش؛ رایج در میل لنگ و شاتون های خودرو.

انتخاب بین فولاد آهنگری ساده و فولاد آلیاژی آهنگری به شرایط خدمات بستگی دارد: محدوده دما، بارگذاری چرخه ای، قرار گرفتن در معرض خوردگی، و استحکام تسلیم مورد نیاز. برای اکثر کاربردهای نفت و گاز، پتروشیمی و تولید برق، فولاد آلیاژی آهنگری به طور پیش فرض مشخص شده است.

دمای آهنگری فولاد: چرا مهم است

دما بحرانی ترین متغیر فرآیند در آهنگری فولاد است. خیلی کم است و فلز سخت می شود و ترک می خورد. بیش از حد بالا، و رشد دانه رخ می دهد - استحکام و شکل پذیری ضعیف. دمای آهنگری صحیح به محتوای کربن، ترکیب آلیاژ و ریزساختار نهایی مورد نظر بستگی دارد.

دماهای آهنگری داغ

فورج گرم - رایج ترین روش صنعتی - معمولاً فولاد را تا بالاتر از دمای تبلور مجدد آن گرم می کند 950 درجه سانتی گراد تا 1250 درجه سانتی گراد (1740 درجه فارنهایت تا 2280 درجه فارنهایت) برای فولادهای کربنی و کم آلیاژی. در این محدوده، فلز به اندازه کافی پلاستیکی است که تحت فشار فشار یا چکش بدون ترک خوردن جریان یابد. ملاحظات کلیدی:

• فولادهای کم کربن (0.05٪ - 0.25٪ C) را می توان در انتهای بالاتر این محدوده - تا 1250 درجه سانتیگراد آهنگری کرد.
• فولادهای کربن متوسط ​​و آلیاژی معمولاً در دمای 900 تا 1150 درجه سانتیگراد کار می کنند تا از درشت شدن دانه جلوگیری شود.
• فولادهای ابزار با کربن بالا به کنترل دقیق تری - اغلب 850 تا 1100 درجه سانتیگراد - و پنجره های باریک تر نیاز دارند.
• دمای پایان کار مهم است: قطعات زیر نباید کار شوند 850 درجه سانتی گراد ، زیرا آهنگری در محدوده دو فاز می تواند نقص ناهمسانگرد ایجاد کند.

آهنگری گرم و سرد

آهنگری گرم بین 650 درجه سانتیگراد تا 950 درجه سانتیگراد - زیر آستنیته شدن کامل اما بالاتر از دمای اتاق عمل می کند. این امر اکسیداسیون و تشکیل رسوب را کاهش می دهد و دقت ابعادی و پرداخت سطح را بهبود می بخشد. آهنگری سرد (دمای اتاق) برای قطعات فولادی کوچک استفاده می شود که در آن تحمل بسیار محکم و سطح سخت کاری شده مورد نیاز است. پیچ‌ها، پیچ‌ها و اجزای یاتاقان اغلب به صورت سرد فورج می‌شوند. فورج سرد معمولاً نیاز دارد 2-3× نیروهای پرس بالاتر در مقابل فورج گرم همان قسمت.

اتصالات فولادی آهنگری: استانداردها، طبقات فشار و کاربردها

اتصالات فولادی آهنگری اتصالات لوله رزوه ای یا جوشی - زانویی، سه راهی ها، کوپلینگ ها، اتصالات، صلیب ها و کلاهک ها - به جای ماشینکاری از میله یا ریخته گری، به وسیله آهنگری قالب بسته تولید می شوند. فرآیند آهنگری به این اتصالات دارای درجه فشار بالاتر و مقاومت بهتر در برابر شوک هیدرولیکی نسبت به نمونه های ریخته گری آنها می شود و آنها را به گزینه استاندارد برای سیستم های لوله کشی فشار بالا و دمای بالا تبدیل می کند.

استاندارد حاکم برای اتصالات فولادی آهنگری در اکثر بازارها است ASME B16.11 که جوشکاری سوکت و اتصالات رزوه ای در کلاس های فشار 2000، 3000 و 6000 را پوشش می دهد. مشخصات مواد معمولاً به موارد زیر اشاره دارد:

• ASTM A105 - فولاد کربنی، برای سرویس دهی در دمای محیط و دمای متوسط تا 425 درجه سانتی گراد (800 درجه فارنهایت).
• ASTM A182 F304 / F316 - فولاد ضد زنگ آستنیتی، برای خدمات خورنده یا برودتی.
• ASTM A182 F11 / F22 - فولاد آلیاژی کروم-مولیبدن، برای بخار با دمای بالا و لوله کشی فرآیند.
• ASTM A350 LF2 - فولاد کربنی با دمای پایین، درجه بندی شده تا -46 درجه سانتیگراد (-50 درجه فارنهایت).

اتصالات کلاس 3000 و 6000 در پالایشگاه‌های نفت، کارخانه‌های شیمیایی و نیروگاه‌هایی که فشار خط از 1500 PSI فراتر می‌رود، رایج‌ترین هستند. مشخصات مناسب مستلزم تطبیق کلاس اتصال با برنامه لوله و فشار سرویس است - برای مثال، اتصالات کلاس 3000 در لوله برنامه 80 برای فشارهای مطابق با فشار کاری آن لوله در دما درجه بندی می شود.

قطعات فولادی آهنگری: صنایع و نقش های ساختاری

اجزای فولادی آهنگری در هر جایی ظاهر می شوند که شکست ساختاری گزینه ای نباشد. فرآیند آهنگری بیش از ریخته‌گری یا ماشین‌کاری زمانی انتخاب می‌شود که یک جزء باید بارگذاری چرخه‌ای، ضربه یا غلظت استرس بالا را در سرویس تحمل کند. در زیر بخش‌های اولیه و مؤلفه‌هایی که بر آنها تکیه می‌کنند آمده است:

خودرو و حمل و نقل سنگین

میل لنگ، میله‌های اتصال، بند فرمان، توپی چرخ‌ها، میل‌های محور و بازوهای تعلیق تقریباً فولاد فرفورژه جهانی هستند. برای مثال میل لنگ ماشین سواری باید مقاومت کند بیش از 100 میلیون چرخه خستگی در طول عمر مفید آن - آستانه عملکردی که تنها توسط ریزساختار تصفیه شده با دانه های یک قطعه آهنگری به طور قابل اعتماد برآورده می شود. فولادهای آهنگری میکروآلیاژی (با افزودنی‌های وانادیوم یا تیتانیوم) در اینجا غالب شده‌اند و اجازه خنک‌سازی مستقیم هوا پس از آهنگری بدون مرحله عملیات حرارتی جداگانه را می‌دهند.

نفت، گاز و پتروشیمی

فلنج ها، دریچه ها، اجزای سر چاه و مجموعه درخت کریسمس مطابق با استانداردهای ASME، API و MSS ساخته شده اند. درجه بندی فشار در محیط های زیر دریا و پایین چاله می تواند از 15000 PSI تجاوز کند - شرایطی که تخلخل یا جداسازی ریخته گری خطری غیر قابل قبول را نشان می دهد. سری ASTM A105 و A182 اکثریت قریب به اتفاق فلنج های کربن و فولاد آلیاژی در این بخش را پوشش می دهد.

هوافضا و دفاع

اجزای ارابه فرود، براکت‌های بدنه هواپیما، سرهای روتور و لوله‌های تفنگ مطابق با مشخصات هوافضا (AMS، MIL-SPEC) ساخته شده‌اند. نسبت وزن به استحکام در اینجا بسیار مهم است و باعث استفاده از فولادهای پر آلیاژ و فوق‌استحکام - فولاد ابزار 300M، 4340 و H-11 - که همگی از طریق آهنگری قالب بسته با کنترل ترمومکانیکی فشرده پردازش می‌شوند.

تولید برق

روتورهای توربین، محورهای ژنراتور و سر مخازن تحت فشار از جمله بزرگترین قطعات فولادی آهنگری تولید شده هستند - برخی بیش از 200 تن. این قطعات فورج شده با شمش برای شکستن ساختار ریختگی در سراسر مقطع کامل، به دنبال چرخه‌های عملیات حرارتی طولانی برای دستیابی به خواص یکنواخت، به پاس‌های آهنگری پیشرونده نیاز دارند. انرژی باد بخش بزرگی از تقاضای جدید را اضافه کرده است: شفت‌های اصلی ناسل و فلنج‌های برج در حال حاضر از جمله آهنگرهای بزرگ با حجم بالا در سطح جهان هستند.