Kovanje alatnog čelika: stupnjevi, metode i parametri procesa

Kovanje alatnog čelika je proces oblikovanja legura alatnog čelika pod visokom tlačnom silom—obično između 1900°F i 2200°F (1040°C–1200°C) — za proizvodnju matrica, izbijača, alata za rezanje i strukturnih komponenti s vrhunskim mehaničkim svojstvima. U usporedbi sa strojno obrađenim ili lijevanim alternativama, dijelovi od kovanog alatnog čelika nude znatno veću žilavost, otpornost na zamor i konzistentnost dimenzija, što kovanje čini preferiranim proizvodnim putem za aplikacije alata s velikim stresom.

Bilo da nabavljate sirovine za matricu za hladnu obradu ili odabirete metodu kovanja za probijanje za vruću obradu, razumijevanje interakcije procesa s određenim vrstama alatnog čelika ključno je za postizanje performansi koje trebate.

Zašto uopće kovati alatni čelik?

Alatni čelici mogu se strojno obrađivati ​​od šipke ili proizvoditi metalurgijom praha, tako da je odabir kovanja namjeran—potaknut zahtjevima performansi koje druge metode ne mogu u potpunosti zadovoljiti.

Kovanjem se razbijaju i redistribuiraju karbidne mreže koje nastaju tijekom skrućivanja. U visokolegiranim alatnim čelicima kao što su D2 ili M2, lijevane karbidne trake mogu smanjiti poprečnu žilavost za 30–50% u usporedbi s pravilno iskovanom i obrađenom gredicom. Mehanička obrada također zatvara unutarnju poroznost, usklađuje protok zrna s geometrijom dijela i proizvodi profinjenu strukturu zrna koja predvidljivije reagira na toplinsku obradu.

U praktičnom smislu, kovani umetak H13 obično će trajati duže od strojno obrađenog ekvivalenta za faktor 1,5–3× u primjenama lijevanja pod visokim pritiskom, ovisno o težini toplinskog ciklusa.

Uobičajene vrste alatnog čelika i njihove karakteristike kovanja

Ne kuju svi alatni čelici na isti način. Sadržaj legure, razina ugljika i vrsta karbida utječu na kovljivost i traženi procesni prozor.

D2, sa svojim ~12% kroma i 1,5% sadržaja ugljika , jedan je od najtežih alatnih čelika za kovanje. Veliki volumen kromovih karbida zahtijeva teške, kontrolirane redukcije za razbijanje eutektičke karbidne mreže. Kod kovanja D2 ispod 1850°F postoji opasnost od pucanja; iznad 1975°F rizikuje početno taljenje na granicama karbida.

Metode kovanja koje se koriste za alatni čelik

Odabir metode kovanja utječe na protok zrna, završnu obradu površine, tolerancije i količinu potrebne strojne obrade nakon kovanja.

Open-Die (Smith) kovanje

Otvoreno kovanje koristi ravne ili jednostavne kalupe za obradu zagrijane gredice kroz niz inkrementalnih kompresija. To je najfleksibilnija metoda i standardni pristup za proizvodnju kalupa od alatnog čelika, velikih blokova za kalupe i prilagođenih oblika koji će biti obrađeni završnim strojem.

• Prikladno za komade od nekoliko funti do nekoliko tona
• Omogućuje potpunu kontrolu omjera redukcije i smjera rada
• Minimalni omjer smanjenja od 4:1 tipično potreban za odgovarajuću razgradnju karbida u visokolegiranim stupnjevima
• Koristi ga većina specijalnih proizvođača čelika za standardnu proizvodnju okruglih, kvadratnih i ravnih šipki

Zatvoreno kovanje (Otiskivanje).

U zatvorenom kovanju, zagrijani materijal preša se između usklađenih polovica kalupa koji sadrže šupljinu koja odgovara obliku gotovog dijela. Ovom metodom proizvode se otkivci gotovo neto oblika s kontroliranim protokom zrna i malim tolerancijama dimenzija—obično ±0,010 do ±0,030 inča na kritičnim dimenzijama.

Kovanje u zatvorenom kalupu koristi se za proboje, umetke i manje komponente alata gdje volumen opravdava ulaganje u alat. Za alatne čelike, sam vijek matrice postaje problem - H13 matrice za otiskivanje obično se koriste za kovanje drugih vrsta alatnog čelika na povišenim temperaturama.

Rotacijsko (prstenasto) valjanje i radijalno kovanje

Za cilindrične komponente kao što su prstenovi, čahure ili okrugle šipke, metode rotacijskog kovanja omogućuju kontinuirano obodno usitnjavanje zrna. Radijalno kovanje preša okruglu gredicu istovremeno iz više smjerova, stvarajući vrlo ujednačene mikrostrukture u okrugloj ili šesterokutnoj šipki. Ova metoda se široko koristi za proizvodnju okrugla šipka od brzoreznog čelika (HSS). za rezanje gotovih alata.

Izotermno kovanje

Izotermalno kovanje zagrijava i obradak i matrice na istu temperaturu, eliminirajući pad temperature koji uzrokuje hlađenje površine i pucanje u legurama koje je teško kovati. Manje je uobičajen za alatne čelike zbog cijene opreme, ali se koristi za HSS zrakoplovne kvalitete i alatne čelike za metalurgiju praha koji imaju izuzetno uske prozore za vruću obradu.

Kritični procesni parametri za kontrolu

Ispravna metalurgija tijekom kovanja alatnog čelika zahtijeva strogu kontrolu nekoliko međuovisnih varijabli.

Temperatura prethodnog zagrijavanja i namakanja

Alatni čelici moraju se zagrijavati polako i ravnomjerno kako bi se izbjegao toplinski šok. Tipični protokol predgrijavanja za veliki H13 blok:

1. Zagrijte na 1200°F (650°C) i držati dok se temperatura kroz presjek ne izjednači
2. Ramp do temperature kovanja na ≤200°F/sat (110°C/sat)
3. Namočite na temperaturi kovanja minimalno 1 sat po inču debljine

Ubrzano namakanje dovodi do hladne jezgre, koja proizvodi neravnomjernu deformaciju i može izazvati unutarnje pukotine tijekom prešanja.

Završna temperatura kovanja

Rad mora biti dovršen iznad minimalne završne temperature kako bi se izbjeglo otvrdnjavanje čelika u lomljivom stanju. Za većinu alatnih čelika, kovanje se ne bi trebalo nastaviti ispod 1750°F (955°C) . Ako komad padne ispod tog praga, treba ga vratiti u peć, a ne prisiljavati na dodatna smanjivanja.

Omjer redukcije

Omjer redukcije (početni poprečni presjek ÷ završni poprečni presjek) pokreće razgradnju karbida i usitnjavanje zrna. Industrijski standardi za otkovke od alatnog čelika obično zahtijevaju:

• Minimalno 3:1 za otpornost na udarce i otpornost na vodu (S7, W1)
• Minimalno 4:1 do 6:1 za stupnjeve hladnog rada (A2, D2)
• Najmanje 6:1 ili više za brzorezne čelike (M2, T1) za odgovarajuće razbijanje eutektičkih karbidnih mreža

Hlađenje nakon kovanja

Alatni čelici moraju se polagano hladiti nakon kovanja kako bi se spriječilo pucanje uslijed transformacijskih naprezanja. Uobičajena praksa je da se otkivak zakopa u suhi pijesak, vermikulit ili izolacijsko vapno ili da se stavi izravno u peć na 1100–1200°F (595–650°C) za sporo, kontrolirano hlađenje do ambijentalne temperature. Hlađenje zrakom prihvatljivo je samo za najpopustljivije stupnjeve poput S7 u malim presjecima.

Žarenje nakon kovanja

Kovanje stvrdnjava alatni čelik i zadržava zaostala naprezanja. Prije bilo kakve strojne ili toplinske obrade, kovani obrasci od alatnog čelika moraju se žariti na:

• Omekšajte čelik do tvrdoće koja se može obraditi (obično HB 180–250 ovisno o razredu)
• Ublažite zaostala naprezanja kod kovanja
• Proizvedite jednoliku mikrostrukturu sferoidiziranog karbida za optimalan odziv toplinske obrade

Potpuno sferoidizirajuće žarenje za D2 alatni čelik, na primjer, uključuje držanje na 1600°F (870°C) 2-4 sata, zatim lagano hlađenje peći na ≤25°F/sat (14°C/sat) ispod 1000°F (540°C). Preskakanje ili skraćivanje ovog koraka često dovodi do pukotina ili izobličenja tijekom brušenja.

Uobičajeni nedostaci u otkovcima od alatnog čelika i kako ih izbjeći

Kovanje alatnog čelika u odnosu na metalurgiju praha: znati kada odabrati svaki od njih

Alatni čelici za metalurgiju praha (PM), proizvedeni raspršivanjem i sinteriranjem praha legura, nude iznimno jednoliku raspodjelu karbida koju samo kovanje ne može postići u visokolegiranim stupnjevima. PM tipovi kao što su CPM 3V, CPM M4 ili Vanadis 4 Extra postali su popularna alternativa konvencionalno kovanim D2 ili M2 za zahtjevne primjene.

Međutim, kovanje i dalje ima jasne prednosti u nekoliko scenarija:

• Cijena: Konvencionalno kovana šipka od alatnog čelika je tipična 30–60% jeftinije od ekvivalentnih PM ocjena
• Veliki presjeci: Dostupnost PM trake je ograničena u teškim dijelovima; blokovi od kovanog alatnog čelika rutinski se proizvode u veličinama većim od 24 inča
• Prilagođeni oblici: Otvoreno kovanje može proizvesti predforme gotovo neto oblika koje smanjuju materijalni otpad u velikim blokovima kalupa
• Dokazana izvedba: Forged H13, A2 i S7 imaju desetljeća podataka o učinkovitosti na terenu u gotovo svakoj primjeni alata

PM je bolji izbor kada je žilavost u svim smjerovima kritična, sadržaj vanadija prelazi ~3–4% (što konvencionalno kovanje čini nepraktičnim) ili kada primjena zahtijeva apsolutno najfiniju strukturu karbida. Za većinu radnih alata, ispravno kovan konvencionalni alatni čelik ostaje najisplativije rješenje .

Provjera izvora i kvalitete

Prilikom kupnje kovanog alatnog čelika, ključne prakse osiguranja kvalitete uključuju:

• Certifikati mlina: Zatražiti kemijsku analizu (toplinski certifikat) i, ako su dostupni, rezultate mehaničkih ispitivanja (vlačna, udarna) topline kovanja
• Ultrazvučno ispitivanje (UT): Kritično za velike blokove kalupa; ASTM A388 je standardna UT metoda za čelične otkovke i može otkriti unutarnje šupljine ili segregaciju iznad navedenih granica prihvatljivosti
• Ocjena karbidne mreže: Za visokolegirane kvalitete, dobavljači bi trebali biti u mogućnosti pružiti ili organizirati metalografsku inspekciju kojom se potvrđuje odgovarajuća distribucija karbida prema definiranom standardu prihvaćanja (npr. SEP 1520 za karbidne trake)
• Provjera žarene tvrdoće: Očitavanje tvrdoće po Brinellu pri primitku potvrđuje da je materijal pravilno žaren i da je unutar očekivanog raspona za ocjenu

Ugledni dobavljači alatnog čelika kao što su Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology i Crucible Industries (za PM stupnjeve) daju standardizirane certifikate za proizvode, ali neovisna provjera preporučljiva je za sigurnosno kritične ili velike programe alata.