Ce este un aliaj de oțel și de ce contează pentru forjare
Oțelul este în esență un aliaj de fier și carbon , cu conținut de carbon variind de obicei de la 0,02% până la aproximativ 2,1% în greutate. Dincolo de această pereche de bază, oțelul de inginerie modernă poartă aproape întotdeauna elemente de aliere suplimentare, cum ar fi mangan, crom, nichel, molibden, vanadiu și siliciu, fiecare adăugat în procente controlate pentru a modifica duritatea, tenacitatea, rezistența la uzură sau comportamentul la coroziune. Atunci când aceste elemente secundare sunt crescute în mod deliberat dincolo de nivelurile de urme, materialul este clasificat ca oțel aliat mai degrabă decât oțel carbon simplu. Această distincție este punctul de plecare pentru înțelegerea pieselor forjate din oțel aliat, deoarece procesul de forjare depinde în mare măsură de modul în care aliajul de bază răspunde la căldură, presiune și răcire.
În termeni practici, un atelier de forjare nu pur și simplu încălzește o bară de „oțel” și o dă formă. Compoziția exactă a aliajului dictează fereastra de temperatură de forjare, numărul de lovituri de forjare sau curse de presare necesare, riscul de fisurare în timpul deformării și performanța mecanică a piesei finite. Un arbore de viteză fabricat din oțel crom-molibden 4140 se comportă foarte diferit sub ciocan decât o flanșă din oțel carbon 1045 simplu, chiar dacă ambele sunt din punct de vedere tehnic „oțel”.
Elementele de aliere ale miezului găsite în oțel
Fierul în sine este relativ moale și nu are rezistența necesară pieselor mecanice solicitante. Carbonul este primul element adăugat fierului pentru a crea oțel și este cel mai mare factor de duritate și rezistență. Cu toate acestea, majoritatea oțelurilor pentru forjare se bazează pe o combinație de elemente care lucrează împreună. Tabelul de mai jos rezumă cele mai comune elemente de aliere și proprietățile pe care fiecare le influențează în primul rând.
Elemente de aliere tipice utilizate în oțelul de forjare și rolul lor funcțional | Element | Gama tipică | Efect primar |
| Carbon | 0,02% - 2,1% | Duritate și rezistență la tracțiune |
| Mangan | 0,3% - 1,9% | Întărire, reduce fragilitatea |
| Crom | 0,5% - 18% | Rezistență la uzură, rezistență la coroziune |
| Nichel | 0,5% - 5% | Duritate la temperatură scăzută |
| Molibden | 0,15% - 0,4% | Reținerea forței la căldură mare |
| Vanadiu | 0,1% - 0,3% | Rafinamentul cerealelor, rezistență la oboseală |
| Siliciu | 0,15% - 2,5% | Agent dezoxidant, crește elasticitatea |
Niciunul dintre aceste elemente nu funcționează izolat. Un inginer de forjare se uită la rețeta completă, de atunci crom combinat cu molibden produce un răspuns de forjare foarte diferit față de cromul combinat cu nichel, chiar și la procente de aliaj total similare.
O forjare din oțel aliat este o componentă metalică modelată prin aplicarea unei forțe de compresie asupra unei țagle sau lingouri de oțel aliat încălzit, determinând deformarea și alinierea structurii granulare interioare de-a lungul formei piesei, mai degrabă decât să fie tăiată ca la prelucrare. Această aliniere a granulelor este ceea ce conferă pieselor forjate avantajul caracteristic de rezistență față de echivalentele turnate sau prelucrate ale aceluiași aliaj.
- Materialul de pornire este o bară solidă de oțel aliat, țagle sau lingouri, nu o turnare lichidă.
- Se aplică căldură pentru a aduce oțelul într-un interval de plastic lucrabil, de obicei între 1.100°C și 1.250°C pentru majoritatea tipurilor de aliaje medii.
- Forța mecanică de la un ciocan, presă sau deformare deformează materialul încălzit într-o matriță sau o formă aspră.
- Fluxul de cereale rezultat urmează conturul piesei, îmbunătățind durata de viață la oboseală și rezistența la impact.
Cum funcționează de fapt procesul de forjare
Majoritatea pieselor forjate din oțel aliat trec printr-o secvență repetabilă de etape înainte de a ajunge la dimensiunea finală. În timp ce pașii exacti variază în funcție de geometria pieselor și echipamentul de magazin, fluxul de lucru general este destul de consistent în întreaga industrie.
- Tăierea bilețelor și inspecția pentru defecte de suprafață sau goluri interne.
- Încălzire prin inducție sau cuptor la intervalul corect de temperatură de forjare pentru aliajul specific.
- Formare brută, numită adesea blocare, pentru a aduce masa într-o formă aproximativă.
- Terminați forjarea într-o matriță închisă sau configurarea matriței deschise pentru a obține o geometrie aproape finală.
- Tăierea materialului flash rămas la linia de despărțire a matriței.
- Răcire controlată pentru a evita fisurarea prin tensiuni interne.
- Tratament termic, cum ar fi normalizarea, stingerea sau revenirea pentru a atinge duritatea țintă.
- Îndepărtarea permisului de prelucrare și verificarea dimensională finală.
Controlul temperaturii în timpul pasului doi este probabil cea mai critică variabilă din întregul lanț. Forjați aliajul prea rece și boabele se vor rupe mai degrabă decât să curgă lin, lăsând micro-fisuri care sunt greu de detectat vizual. Forjați-l prea fierbinte și creșterea boabelor devine excesivă, ceea ce reduce în liniște duritatea, chiar dacă piesa poate arăta perfect solidă.
Calități comune de oțel aliat utilizate în forjare
Atelierele de forjare provin dintr-un grup destul de consistent de familii de aliaje, deoarece aceste clase au un comportament de forjare bine înțeles și proprietăți previzibile după forjare. Mai jos este un rezumat al calităților care apar cel mai adesea pe desenele de forjare din sectoarele de automobile, câmpuri petroliere, construcții și mașini generale.
Clasele de oțel aliat forjate frecvent și utilizarea lor finală comună | Grad Familie | Elemente cheie de aliere | Piesă forjată tipică |
| 41xx (crom-molibden) | Crom, molybdenum | Arbori de transmisie, biele |
| 86xx (nichel-crom-moly) | Nichel, chromium, molybdenum | Angrenaje, piese de transmisie |
| 43xx (nichel-crom-moly) | Nichel, chromium, molybdenum | Tren de aterizare a aeronavei, arbori de presiune ridicată |
| 51xx (crom) | Crom | Curse de rulment, arcuri |
| 93xx (nichel-crom-moly) | Nichel, chromium, molybdenum | Axii pentru camioane grele, pinioane |
Convenția de numire de mai sus urmează sistemul de numerotare cu două cifre plus două cifre, utilizat pe scară largă, în care primele două cifre indică familia de aliaje, iar ultimele două cifre indică conținutul aproximativ de carbon în sutimi de procent. O notă care se termină cu „40”, de exemplu, indică aproximativ 0,40% carbon.
Avantajele proprietății mecanice ale oțelului aliat forjat
Motivul pentru care inginerii specifică forjare în loc de piese turnate sau prelucrare grea pentru piesele critice portante se rezumă la structura internă a granulelor. În timpul forjarii, granulele interne ale metalului sunt comprimate și alungite pentru a urma conturul exterior al piesei, mai degrabă decât să fie orientate aleatoriu ca într-o turnare.
Acest flux direcțional de cereale crește rezistența la oboseală cu o marjă largă în comparație cu piesele turnate cu compoziție chimică identică, deoarece fisurile se propagă mai greu de-a lungul granițelor aliniate. Piesele din oțel aliat forjat prezintă de obicei:
- Rezistență mai mare la impact, în special la temperaturi ambientale scăzute.
- Durată de viață mai bună la oboseală sub încărcări ciclice repetate, ceea ce contează foarte mult pentru arbori și roți dințate rotative.
- Mai puține goluri interne sau porozitate în comparație cu nisipul sau piesele turnate.
- Duritate mai consistentă după tratamentul termic pe secțiune transversală.
O regulă generală de inginerie citată în mod obișnuit este că o piesă de oțel aliat 4140 forjată și tratată termic corespunzător poate atinge o rezistență la oboseală cu aproximativ 20% până la 30% mai mare decât o piesă de oțel turnată echivalentă cu aceeași compoziție nominală, în mare parte datorită absenței porozității turnării și prezenței fluxului de cereale aliniat.
Forjare cu matriță deschisă versus matriță închisă pentru oțel aliat
Nu orice forjare din oțel aliat trece prin aceeași metodă de modelare. Alegerea între forjare cu matriță deschisă și matriță închisă depinde de dimensiunea piesei, volumul producției și complexitatea geometrică.
Comparație de forjare cu matriță deschisă versus matriță închisă pentru piesele din oțel aliat | Factorul | Forjare matriță deschisă | Forjare cu matriță închisă |
| Dimensiunea tipică a piesei | Puțuri și blocuri mari și grele | Forme complexe mici până la mijlocii |
| Precizie dimensională | Mai jos, necesită mai multă prelucrare | Mai sus, mai aproape de forma plasei |
| Costul sculelor | Moare dedicate reduse, minime | Sunt necesare seturi de matrițe mai înalte, personalizate |
| Cel mai bun volum de producție | Volum redus, piese unice | Volumul mediu spre mare |
Tratamentul termic după forjare schimbă totul
O piesă de oțel aliat proaspăt forjată este rar folosită ca atare. Procesul de forjare în sine lasă stres intern și o structură a granulelor care, deși este aliniată, încă are nevoie de rafinare prin tratament termic pentru a atinge țintele exacte de duritate și tenacitate pe desenul de inginerie.
Normalizarea este adesea primul pas, în care piesa este reîncălzită la puțin peste temperatura sa critică de transformare și răcită cu aer pentru a reduce stresul de forjare și pentru a rafina dimensiunea granulelor. Urmează călirea și revenirea la piesele care necesită o rezistență mai mare, unde răcirea rapidă în ulei sau apă se blochează într-o structură martensitică dură și un ciclu de revenire ulterior la o temperatură mai scăzută restabilește suficientă ductilitate pentru a preveni fragilitatea.
Conținutul specific de aliaj determină în mod direct modul în care piesa răspunde la aceste cicluri. Molibdenul și cromul cresc întăribilitatea , ceea ce înseamnă că oțelul poate fi întărit la o adâncime mai mare fără a necesita o călire extrem de rapidă, ceea ce scade riscul de fisurare pe piesele forjate cu secțiune transversală mai mare.
Unde sunt de fapt folosite piesele forjate din oțel aliat
Deoarece oțelul aliat forjat combină rezistența, tenacitatea și comportamentul previzibil la oboseală, acesta apare în aproape fiecare sector care implică componente rotative, portante sau predispuse la impact.
- Piese de transmisie auto, inclusiv arbori cotiți, biele și arbori de osie.
- Știfturi, bucșe și dinți cupei pentru echipamente grele de construcții.
- Îmbinări, cuplaje și corpuri de scule de foraj pentru câmp petrolier.
- Arborii principali ale turbinei eoliene și interiorul cutiei de viteze.
- Roți, osii și articulații de cuplare pentru transport feroviar.
- Cutii de viteze industriale, arbori de pompe și corpuri de supape pentru servicii de înaltă presiune.
Arborii principali ale turbinei eoliene merită o mențiune specială, deoarece aceste componente pot cântări câteva tone și trebuie să reziste la milioane de cicluri de încărcare pe o durată de viață de 20 de ani, făcând din oțel aliat forjat cu flux controlat de cereale, în esență, singura alegere realistă de material pentru această aplicație.
Avantajele alegerii oțelului aliat forjat față de alternative
Atunci când un inginer cântărește oțel aliat forjat cu turnarea sau fabricarea plăcilor, o mână de avantaje practice tind să conducă decizia.
Eficiență forță-greutate
Deoarece oțelul aliat forjat atinge o rezistență mai mare pe unitate de masă decât piesele turnate din oțel carbon simplu, proiectanții pot reduce adesea dimensiunile secțiunii transversale, respectând în același timp cerințele de încărcare, economisind greutatea totală a piesei fără a sacrifica marja de siguranță.
Comportamentul previzibil al cerealelor
Deoarece structura granulelor urmează forma matriței într-un mod repetabil, echipele de control al calității pot prezice unde vor fi orientările cele mai puternice și cele mai slabe înainte ca piesa să părăsească forja, ceea ce sprijină calcule de inginerie mai sigure.
Defecte interne reduse
Natura compresivă a forjarii tinde să închidă mici goluri interne care altfel s-ar putea forma în timpul solidificării într-un proces de turnare, rezultând mai puține defecte ascunse care ar putea crește ulterior în fisuri sub încărcare ciclică.
Verificări de calitate efectuate în mod obișnuit pe piesele forjate din oțel aliat
Înainte ca o piesă forjată să fie expediată, majoritatea magazinelor trec printr-o serie de verificări pentru a confirma că piesa corespunde cerințelor desenului și nu prezintă semne de defecțiune internă sau de suprafață.
Metode tipice de inspecție aplicate pieselor forjate din oțel aliat finite | Metoda de inspecție | Ce detectează |
| Inspecția particulelor magnetice | Fisuri la suprafață și aproape de suprafață |
| Testare cu ultrasunete | Goluri interne, incluziuni |
| Testare de duritate | Confirmă rezultatul tratamentului termic |
| Inspecție dimensională | Precizie geometrică față de desen |
| Analiza compoziției chimice | Confirmă că calitatea aliajului corespunde specificațiilor |
Alegerea aliajului potrivit pentru o piesă forjată
Selectarea unei clase de oțel aliat pentru o forjare este rareori despre alegerea celei mai „rezistente” opțiuni disponibile. În schimb, este un act de echilibru între rezistență, duritate, cost și cât de ușor răspunde aliajul la temperaturile de forjare.
Piesele care înregistrează o încărcare mare de impact la temperatură scăzută, cum ar fi componentele echipamentelor miniere, se înclină adesea spre clasele cu nichel, deoarece nichelul îmbunătățește duritatea fără a crește dramatic dificultatea de forjare . Piesele care suferă de căldură ridicată susținută, cum ar fi componentele sistemului de evacuare sau anumiți arbori de pompă, tind să favorizeze clasele de rulmenți de molibden, deoarece molibdenul ajută oțelul să reziste la înmuiere la temperatură de serviciu ridicată.
Costul joacă, de asemenea, un rol real. Piesele forjate drepte din oțel carbon rămân cea mai ieftină opțiune, dar odată ce o piesă are nevoie de o durată de viață îmbunătățită la oboseală, rezistență la uzură sau duritate dincolo de ceea ce doar carbonul și manganul pot oferi, costul suplimentar al cromului, nichelului sau molibdenului este de obicei justificat de durata de viață mai lungă și de mai puține defecțiuni pe teren.
Întrebări frecvente despre aliajele de oțel și piesele forjate
Din ce este de fapt un aliaj de oțel?
Oțelul este un aliaj de fier și carbon la definiția sa cea mai de bază, carbonul reprezentând de obicei mai puțin de 2,1% din greutatea totală. Majoritatea oțelului comercial și industrial conține, de asemenea, elemente suplimentare, cum ar fi mangan, siliciu, crom, nichel sau molibden pentru a ajusta proprietăți mecanice specifice.
Este oțelul aliat mai rezistent decât oțelul carbon simplu?
În majoritatea cazurilor, da. Adăugarea de elemente precum crom, nichel sau molibden crește, în general, călibilitatea și duritatea dincolo de ceea ce poate obține oțelul carbon simplu, în special după un tratament termic adecvat, deși câștigul exact al rezistenței depinde de rețeta specifică de aliaj și de tratamentul aplicat.
De ce este preferată forjarea față de turnare pentru piesele critice din oțel aliat?
Forjarea aliniază structura granulară internă de-a lungul formei piesei și tinde să închidă porozitatea internă prin forța de compresiune, care produce în general rezistență la oboseală și tenacitate la impact mai mari în comparație cu o piesă turnată cu compoziție chimică identică.
Fiecare calitate de oțel aliat forjează în același mod?
Nu. Fiecare grad are o fereastră de temperatură de forjare distinctă și o sensibilitate diferită la fisurare. Calitățile cu conținut mai mare de crom sau nichel, de exemplu, necesită adesea un control mai strict al temperaturii pentru a evita ruperea suprafeței în timpul deformării.
Ce se întâmplă dacă o forjare din oțel aliat nu este ulterior tratată termic?
Fără un tratament termic adecvat, o piesă forjată păstrează, de obicei, stresul intern neuniform și o structură de cereale nerafinată, ceea ce poate lăsa duritatea și tenacitatea mult sub nivelurile pe care aliajul este capabil să le furnizeze.
Cum este limitată dimensiunea unei piese forjate?
Dimensiunea este limitată în mare parte de capacitatea de tonaj a ciocanului sau presei disponibile și de cât de uniform poate fi menținută căldura printr-o secțiune transversală mare în timpul formării, deoarece temperatura neuniformă într-o țagle mare poate duce la un flux inconsecvent de cereale.
Pot fi forjate din oțel aliat din nou dacă se întâmplă o greșeală?
În multe cazuri, o piesă poate fi reîncălzită și reforjată dacă nu a dezvoltat fisuri, deși ciclurile repetate de încălzire pot favoriza creșterea cerealelor, astfel încât magazinele limitează, în general, de câte ori este reîncălzită o singură piesă înainte ca calitatea să înceapă să sufere.
Recomandări cheie privind aliajele de oțel și componentele forjate
Oțelul începe ca un aliaj de fier și carbon și în momentul în care elemente suplimentare precum crom, nichel sau molibden sunt adăugate în cantități semnificative, devine oțel aliat cu un set distinct de avantaje mecanice. Atunci când acel oțel aliat este modelat prin forjare, mai degrabă decât prin turnare sau prelucrare grea, piesa rezultată câștigă flux direcțional de cereale, porozitate internă redusă și, în general, o durată de viață superioară la oboseală, motiv pentru care oțelul aliat forjat rămâne alegerea standard pentru arbori, roți dințate și alte componente rotative sau portante la solicitări mari din industria grea.
Obținerea unei piese forjate fiabile se rezumă în cele din urmă la trei lucruri care lucrează împreună: alegerea unui aliaj potrivit condițiilor de funcționare, controlul temperaturii de forjare suficient de strâns pentru a evita fisurarea sau creșterea excesivă a granulelor și aplicarea tratamentului termic corect după forjare pentru a debloca întregul potențial al aliajului.
