การตีเหล็กกล้าคาร์บอน: เกรด อุณหภูมิ และคู่มือการเชื่อมฟอร์จ

คืออะไร การตีเหล็กคาร์บอน และเหตุใดจึงสำคัญ

การตีเหล็กกล้าคาร์บอนเป็นกระบวนการผลิตที่เหล็กแท่งหรือแท่งเหล็กกล้าคาร์บอนถูกขึ้นรูปภายใต้แรงอัด ไม่ว่าจะด้วยค้อน การกด หรือการรีดวงแหวน ที่อุณหภูมิสูง ผลลัพธ์ที่ได้คือวัสดุหลอมที่มีโครงสร้างเกรนขัดเกลาซึ่งมีพื้นฐานเหนือกว่าการหล่อหรือการตัดเฉือนที่เทียบเท่ากันในด้านความแข็งแรงเมื่อยล้า ความทนทานต่อแรงกระแทก และคุณสมบัติทางกลตามทิศทาง ส่วนประกอบเหล็กกล้าคาร์บอนหลอมมีประสิทธิภาพเหนือกว่าการหล่ออย่างต่อเนื่อง 20–30% ในด้านแรงดึงและความแข็งแรงของผลผลิต ภายใต้องค์ประกอบที่เทียบเท่า ทำให้การตีขึ้นรูปเป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับชิ้นส่วนรับน้ำหนักในยานยนต์ น้ำมันและก๊าซ เครื่องจักรกลหนัก และการใช้งานด้านโครงสร้าง

ตัวแปรสำคัญที่ควบคุมความสำเร็จในการตีขึ้นรูปคือปริมาณคาร์บอน อุณหภูมิในการทำงาน อัตราการเสียรูป และการบำบัดความร้อนหลังการตีขึ้นรูป แต่ละอันมีปฏิกิริยากับอุณหภูมิอื่น — อุณหภูมิที่ทำให้เกิดความละเอียดของเกรนในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในอุดมคติอาจทำให้เกิดการแตกร้าวในเกรดคาร์บอนสูง การทำความเข้าใจความสัมพันธ์เหล่านี้คือสิ่งที่แยกกระบวนการตีขึ้นรูปที่เชื่อถือได้ออกจากกระบวนการที่สร้างคุณสมบัติทางกลหรือเศษที่ไม่สอดคล้องกัน

อุณหภูมิการตีเหล็ก: ช่วงตามปริมาณคาร์บอน

อุณหภูมิการตีเหล็กไม่ใช่ค่าเดียว แต่เป็นช่วงการทำงานที่กำหนดโดยขีดจำกัดบน (ซึ่งอยู่เหนือการเติบโตของลายหรือการเผาไหม้) และขีดจำกัดล่าง (ด้านล่างซึ่งเหล็กจะแข็งเกินไปและมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวได้ง่าย) สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน หน้าต่างนี้จะแคบลงเมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น

ห้ามปลอมแปลงที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่เสร็จสิ้น เมื่อเหล็กกล้าคาร์บอนลดลงต่ำกว่าประมาณ 750–800 °C การเปลี่ยนแปลงออสเทนไนต์เป็นเฟอร์ไรต์/เพิร์ลไลต์จะเริ่มต้นขึ้น และวัสดุจะเปลี่ยนจากพลาสติกไปเป็นพฤติกรรมที่เปราะ การหลอมอย่างต่อเนื่องในช่วงนี้ทำให้เกิดน้ำตาภายใน การแตกร้าวของพื้นผิว และการกระจายความแข็งที่ไม่สอดคล้องกัน ซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้อย่างสมบูรณ์ด้วยการบำบัดความร้อนในภายหลัง

เพดานอุณหภูมิด้านบนก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน การทำความร้อนเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,300 °C จะทำให้เกรนหยาบอย่างรวดเร็ว ในขณะที่อุณหภูมิที่สูงกว่าประมาณ 1,350–1,400 °C มีความเสี่ยงที่จะเริ่มละลายที่ขอบเขตเกรน ซึ่งเป็นสภาวะที่เรียกว่าการเผาไหม้ ซึ่งไม่สามารถย้อนกลับได้และทำให้เกิดเศษเหล็กแท่ง

เกรดการตีขึ้นรูป: ประเภทเหล็กกล้าคาร์บอนและการใช้งาน

เกรดการตีขึ้นรูปเป็นส่วนประกอบเหล็กที่ได้มาตรฐานซึ่งเลือกมาโดยเฉพาะ เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีและความสามารถในการชุบแข็งของเกรดดังกล่าวตอบสนองต่อกระบวนการตีขึ้นรูปและการบำบัดความร้อนในภายหลังได้อย่างคาดเดาได้ ระบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือ AISI/SAE (อเมริกาเหนือ), EN (ยุโรป) และ GB/T (จีน) แม้ว่าจะมีการให้คะแนนการอ้างอิงโยงอย่างกว้างๆ ระหว่างมาตรฐานก็ตาม

เกรดการตีขึ้นรูปคาร์บอนต่ำ

เกรดเช่น AISI 1018, 1020 และ 1025 (เทียบเท่า EN: C20, S20C) มีคาร์บอน 0.15–0.25% และให้โทษมากที่สุดในแง่ของการควบคุมอุณหภูมิ ใช้สำหรับเพลา หมุด เพลา และฉากยึดโครงสร้างที่ความเหนียวมีความสำคัญมากกว่าความแข็ง เนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนต่ำ โดยทั่วไปแล้วจึงไม่ทำให้แข็งตัวโดยการชุบแข็งเพียงอย่างเดียว — การชุบแข็งที่ตัวเรือน (คาร์บูไรซิ่งหรือคาร์บูไนไตรดิ้ง) จะใช้เมื่อต้องการความต้านทานการสึกหรอของพื้นผิว

เกรดการตีขึ้นรูปคาร์บอนปานกลาง

AISI 1040, 1045 และ 1050 เป็นส่วนสำคัญของการหลอมคาร์บอนทางอุตสาหกรรม ด้วยคาร์บอน 0.36–0.55% พวกมันตอบสนองได้ดีต่อการบำบัดด้วยการดับและควบคุมอุณหภูมิ และมีความต้านทานแรงดึงที่ 700–1,000 MPa ขึ้นอยู่กับขนาดหน้าตัดและอุณหภูมิการอบคืนตัว AISI 1045 เป็นเกรดเริ่มต้นสำหรับเพลาข้อเหวี่ยงฟอร์จ ก้านสูบ เกียร์ หน้าแปลน และส่วนประกอบกระบอกไฮดรอลิก การผสมผสานระหว่างความสามารถในการตีขึ้นรูปปานกลาง ความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี และการตอบสนองต่อการบำบัดความร้อนที่เชื่อถือได้ ทำให้เป็นเกรดคาร์บอนที่มีการหลอมมากที่สุดในโลก

เกรดการตีขึ้นรูปคาร์บอนสูง

เกรดใน เอไอเอสไอ 1060–1095 ช่วง (คาร์บอน 0.60–0.95%) ถูกใช้โดยต้องมีความแข็งและความต้านทานการสึกหรอเป็นอันดับแรก เช่น เหล็กสปริง เครื่องมือเตรียมดินเพื่อการเกษตร เครื่องมือช่าง และส่วนประกอบทางรถไฟ หน้าต่างการตีขึ้นรูปที่แคบลงต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่เข้มงวดยิ่งขึ้นและอัตราการให้ความร้อนที่ช้าลงเพื่อหลีกเลี่ยงการไล่ระดับความร้อนที่ทำให้เหล็กแท่งแตก การหล่อเย็นอย่างช้าๆ หลังการปลอมแปลงในเวอร์มิคูไลต์หรือเตาเผาเป็นวิธีปฏิบัติมาตรฐานในการป้องกันการก่อตัวของมาร์เทนไซต์ก่อนถึงรอบการบำบัดความร้อนตามที่ตั้งใจไว้

เกรดคาร์บอนไมโครอัลลอยด์ (เพิ่มประสิทธิภาพการตีขึ้นรูป)

หมวดหมู่เฉพาะของเหล็กตีขึ้นรูปประเภทต่างๆ รวมถึงเกรดไมโครอัลลอยด์ เช่น 38MnVS6 และ 46MnVS3 ซึ่งให้ความแข็งแรงของผลผลิตเทียบได้กับเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางที่ผ่านการอบชุบและอบคืนตัวโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนหลังการตีขึ้นรูป การเติมวานาเดียมเล็กน้อย (0.05–0.15%) จะตกตะกอนเป็นคาร์ไบด์ละเอียดในระหว่างการทำความเย็นแบบควบคุมหลังจากการตีขึ้นรูป ซึ่งช่วยเพิ่มการตกตะกอน เกรดเหล่านี้ได้รับการกำหนดมากขึ้นสำหรับก้านสูบและเพลาข้อเหวี่ยงของยานยนต์ ซึ่งการขจัดขั้นตอนการอบชุบด้วยความร้อนจะช่วยลดต้นทุนการผลิตได้ 15-25% โดยไม่ทำให้คุณสมบัติทางกลลดลง

อุณหภูมิสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนฟอร์จ

การเชื่อมฟอร์จเป็นกระบวนการเชื่อมเหล็กสองชิ้นโดยการให้ความร้อนกับพลาสติกหรือสถานะของเหลว และใช้แรงอัดที่เพียงพอเพื่อสร้างพันธะโซลิดสเตตที่ส่วนต่อประสาน เป็นเทคนิคการเชื่อมโลหะที่เก่าแก่ที่สุดและยังคงมีความเกี่ยวข้องในการผลิตเครื่องมือ การตีใบมีด และการผลิตแหวนไร้ตะเข็บและการตีขึ้นรูปกลวง

อุณหภูมิสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนปลอมขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอนโดยตรง:

• เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (≤0.25% C): อุณหภูมิการเชื่อมฟอร์จอยู่ที่ประมาณ 1,300–1,370 องศาเซลเซียส . ในช่วงนี้ เหล็กจะมีสี "เปียก" หรือเป็นสีเหลือง-ขาวเป็นประกาย อุณหภูมิสูงจะเผาไหม้ออกไซด์ของพื้นผิวและทำให้อะตอมจากทั้งสองชิ้นกระจายไปทั่วส่วนต่อประสานภายใต้ความกดดัน
• เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (0.25–0.60% C): อุณหภูมิการเชื่อมฟอร์จลดลงถึง 1,200–1,300 องศาเซลเซียส . ฟลักซ์ (บอแรกซ์หรือฟลักซ์ที่เป็นกรรมสิทธิ์) มีความสำคัญมากขึ้นในช่วงนี้เพื่อป้องกันการเกิดตะกรันออกไซด์ที่อาจปนเปื้อนส่วนต่อประสานการเชื่อม
• เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (0.60–1.00% C): อุณหภูมิการเชื่อมฟอร์จคือ 1,100–1,200 องศาเซลเซียส . เกรดคาร์บอนสูงจะมีหน้าต่างการเชื่อมที่แคบกว่ามาก อุณหภูมิเพียง 30–50 °C จะแยกการเชื่อมที่ประสบความสำเร็จออกจากพื้นผิวที่ถูกไฟไหม้และแตกสลาย จำเป็นต้องมีการใช้งานฟลักซ์ และต้องเชื่อมอย่างรวดเร็วก่อนที่อุณหภูมิจะลดลง

จุดปฏิบัติที่สำคัญ: อุณหภูมิการเชื่อมโลหะปลอมต้องไม่สับสนกับอุณหภูมิการตีโลหะร้อนทั่วไป การเชื่อมฟอร์จจะดำเนินการที่ด้านบนสุดของหน้าต่างการทำงาน โดยตั้งใจให้เข้าใกล้อุณหภูมิโซลิดัสเพื่อกระตุ้นการแพร่กระจายของพื้นผิว การตีขึ้นรูปทั่วไปจะดำเนินการต่ำกว่าเกณฑ์นี้เพื่อรักษาโครงสร้างของเกรนและหลีกเลี่ยงการเผา

เกรดเหล็กหลอม: คุณสมบัติทางกลหลังการอบชุบด้วยความร้อน

สมบัติทางกลของเหล็กกล้าคาร์บอนหลอมไม่ได้ถูกกำหนดโดยกระบวนการตีขึ้นรูปเพียงอย่างเดียว การอบชุบด้วยความร้อนหลังการตีคือสิ่งที่แปลโครงสร้างเกรนที่ผ่านการขัดเกลาให้เป็นข้อมูลทางวิศวกรรมที่ใช้งานได้ การตีขึ้นรูป AISI 1045 แบบเดียวกันสามารถให้ค่าความต้านทานแรงดึงได้ตั้งแต่ 570 MPa (ทำให้เป็นมาตรฐาน) ถึงมากกว่า 900 MPa (ชุบแข็งและอบคืนตัวที่อุณหภูมิ 400 °C) ขึ้นอยู่กับวงจรความร้อนที่ใช้

• การทำให้เป็นมาตรฐาน (ระบายความร้อนด้วยอากาศตั้งแต่ 870–930 °C): สร้างโครงสร้างจุลภาคของไข่มุกที่สม่ำเสมอและมีความแข็งแรงปานกลางที่คาดเดาได้ ใช้เป็นเงื่อนไขพื้นฐานสำหรับ AISI 1045 (UTS พรีเมี่ยม 570–620 MPa ความแข็ง คอลเลกชัน 160–180 HB)
• การหลอม (การทำความเย็นเตาตั้งแต่ 760–820 °C): เพิ่มความนุ่มนวลและความสามารถในการแปรรูปสูงสุด UTS ลดลงเหลือ 450–520 MPa ใช้เมื่อต้องมีการตัดเฉือนหลังการตีขึ้นรูปหนักก่อนการอบชุบด้วยความร้อนขั้นสุดท้าย
• ดับและระงับอารมณ์ (Q&T) : มอบการผสมผสานระหว่างความแข็งแกร่งและความเหนียวสูงสุด สำหรับ AISI 1045 ดับที่อุณหภูมิ 820–860 °C และอบคืนตัวที่ 550–600 °C คุณสมบัติทั่วไปคือ UTS 800–900 MPa ให้ผลผลิต 650–750 MPa พลังงานกระแทก 50–80 J (Charpy V-notch) การอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 300 °C เสี่ยงต่อการแตกตัวของอุณหภูมิและลดความทนทานต่อแรงกระแทก
• Spheroidize การหลอม (เกรดคาร์บอนสูง): แปลงลาเมลลาร์ซีเมนต์ไทต์เป็นอนุภาคคาร์ไบด์ทรงกลม ปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปเย็นและความสามารถในการขึ้นรูปได้อย่างมากในเกรดการตีขึ้นรูปที่มีคาร์บอนสูงก่อนการชุบแข็งขั้นสุดท้าย

วัสดุหลอมได้รับความทนทานต่อแรงกระแทกที่สูงกว่าวัสดุหล่อที่เทียบเท่ากันโดยมีความต้านทานแรงดึงเท่ากัน เนื่องจากกระบวนการตีขึ้นรูปจะปิดรูพรุนภายในและปรับแนวการไหลของเกรนให้สอดคล้องกับรูปทรงของชิ้นส่วน ในการใช้งานที่สำคัญ เช่น หน้าแปลนภาชนะรับความดัน สนับมือบังคับเลี้ยว ส่วนประกอบเฟืองท้าย ความแตกต่างนี้สามารถวัดปริมาณได้ โดยทั่วไปเหล็กกล้าคาร์บอนหลอมจะแสดงค่าแรงกระแทกแบบชาร์ปีสูงกว่าการหล่อแบบแรงเหวี่ยงที่มีองค์ประกอบเดียวกันถึง 30-50%

การเลือกเหล็กกล้าคาร์บอนที่เหมาะสมสำหรับการตีขึ้นรูป: ข้อควรพิจารณาที่สำคัญ

การเลือกเหล็กกล้าคาร์บอนที่ถูกต้องสำหรับการตีขึ้นรูปต้องอาศัยปัจจัย 5 ประการที่สมดุล ได้แก่ คุณสมบัติทางกลที่ต้องการ ขนาดหน้าตัด ความสามารถในการตีขึ้นรูป ความสามารถในการขึ้นรูปหลังจากการตีขึ้นรูป และต้นทุนทั้งหมดรวมทั้งการอบชุบด้วยความร้อน

• ขนาดส่วนและความสามารถในการชุบแข็ง: เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดามีความสามารถในการชุบแข็งจำกัด — ความแข็งหลังจากการดับลดลงอย่างรวดเร็วเกิน 25–30 มม. จากพื้นผิวที่ดับ (ข้อมูลการดับจุดสิ้นสุดของ Jominy) สำหรับหน้าตัดขนาดใหญ่ที่สูงกว่า 75 มม. ซึ่งจำเป็นต้องผ่านการชุบแข็ง เกรดอัลลอยด์ (Cr-Mo, Ni-Cr-Mo) คือตัวเลือกที่ถูกต้อง สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก เกรดคาร์บอนจะเพียงพอและราคาถูกลงอย่างมาก
• ดัชนีความสามารถในการจดจำได้: ความสามารถในการ Forgeability ลดลงเมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น เกรดคาร์บอนต่ำ (1018, 1020) สามารถหลอมได้โดยใช้แรงกดน้อยที่สุด และมีความเสี่ยงน้อยที่สุดต่อข้อบกพร่องในการปลอม เช่น รอบ รอยพับ หรือการปิดเย็น เกรดคาร์บอนสูงต้องการการจัดการอุณหภูมิที่แม่นยำยิ่งขึ้น และความสามารถในการกดต่อหน่วยพื้นที่มากขึ้น
• ปริมาณซัลเฟอร์และฟอสฟอรัส: เกรดการตัดเฉือนอิสระแบบรีซัลเฟอร์ไรซ์ (เช่น AISI 1144) มีความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีขึ้นแต่มีความเหนียวตามขวางลดลง และโดยทั่วไปแล้วจะหลีกเลี่ยงในการทุบขึ้นรูปที่คาดว่าจะรับแรงกระแทก ระบุเกรดที่มีกำมะถันต่ำ (≤0.025% S) สำหรับส่วนประกอบปลอมแปลงในบริการแบบไดนามิก
• อุณหภูมิการใช้งาน: การตีขึ้นรูปเหล็กกล้าคาร์บอนไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 400–450 °C เนื่องจากการคืบคลานและการเกิดออกซิเดชันกลายเป็นปัจจัยจำกัด สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง จะมีการระบุเกรดโครเมียม-โมลิบดีนัม (P22, P91)

สำหรับงานตีขึ้นรูปอุตสาหกรรมทั่วไปส่วนใหญ่ — หน้าแปลน เพลา แหวน ดุม และส่วนประกอบโครงสร้างที่ทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อม — AISI 1045 ยังคงเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนที่คุ้มค่าที่สุดและมีจำหน่ายกันอย่างแพร่หลายสำหรับการตีขึ้นรูป นำเสนอการผสมผสานที่ได้รับการพิสูจน์แล้วของความสามารถในการปลอมแปลง การตอบสนองต่อการรักษาความร้อน ความสามารถในการแปรรูป และความลึกของห่วงโซ่อุปทานทั่วภูมิภาคการผลิตหลักๆ ทั้งหมด