Thép rèn: Cấp, Bộ phận, Trục & Khi nào nên Chọn Rèn

là gì Thép rèn ?

Thép rèn là thép đã được định hình bằng cách tác dụng lực nén - búa đập, trọng tải ép hoặc áp suất khuôn - trong khi kim loại ở nhiệt độ cao, thường là giữa 1.100°C và 1.250°C (2.000°F–2.300°F) để rèn nóng. Quá trình gia công cơ học phá vỡ các cấu trúc hạt đuôi gai đúc sẵn, đóng các lỗ rỗng và lỗ rỗng bên trong, đồng thời định hướng lại dòng hạt tinh thể của kim loại để đi theo đường viền của phần hoàn thiện. Kết quả là một bộ phận có độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mỏi cao hơn đáng kể so với bộ phận tương đương được sản xuất bằng cách đúc hoặc gia công từ thanh phôi.

Sự khác biệt với thép đúc là cơ bản. Trong quá trình đúc, kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn và đông đặc lại với cấu trúc hạt ngẫu nhiên, cân bằng và khả năng xảy ra các khuyết tật co ngót bên trong cao hơn. Ngược lại, quá trình rèn làm việc với kim loại rắn hoặc bán rắn dưới áp lực, tinh chỉnh kích thước hạt, loại bỏ độ xốp và điều chỉnh dòng hạt với các hướng ứng suất chính của chi tiết hoàn thiện. Sự căn chỉnh dòng hạt này - thường được hình dung trong các mặt cắt được khắc dưới dạng các đường dòng liên tục xuyên qua hình dạng bộ phận - là lý do tại sao các bộ phận thép rèn tồn tại lâu hơn các vật đúc tương đương trong các ứng dụng tải trọng, va đập và ứng suất cao theo chu kỳ.

Sơ lược về quy trình rèn

• Rèn khuôn mở (rèn tự do) - phôi bị biến dạng giữa các khuôn phẳng hoặc có đường viền đơn giản mà không có giới hạn bên. Được sử dụng cho các hình dạng lớn, đơn giản: trục, đĩa, vòng và khối. Thích hợp cho các bộ phận quá lớn để gia công khuôn kín và để tạo hình sơ bộ trước khi rèn xong.
• Rèn khuôn kín (khuôn dập) - khuôn trên và khuôn dưới có các khoang được gia công để giữ phôi và ép kim loại lấp đầy khuôn. Tạo ra các bộ phận gần dạng lưới với dung sai kích thước chặt chẽ hơn và dung sai gia công ít hơn. Tiêu chuẩn cho thanh nối, trục khuỷu, mặt bích và phôi bánh răng.
• rèn cuộn - phôi đi qua các cuộn có đường viền làm giảm dần mặt cắt ngang và định hình bộ phận. Phổ biến cho trục côn, lò xo lá và các bộ phận kéo dài.
• Rèn nguội - thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc gần nhiệt độ phòng. Tạo ra bề mặt hoàn thiện đặc biệt và độ chính xác về kích thước với các lợi ích làm cứng bề mặt. Giới hạn ở các dạng hình học nhỏ hơn, đơn giản hơn trong hợp kim dẻo; không thích hợp cho thép hợp kim cao hoặc thép tiết diện lớn.

Các loại thép rèn: Phân loại và lựa chọn

Không phải tất cả các loại thép đều phản ứng như nhau khi rèn và việc lựa chọn hợp kim sẽ thúc đẩy sự kết hợp có thể đạt được giữa độ bền, độ dẻo dai, độ cứng và khả năng gia công trong thành phần hoàn thiện. Các loại thép rèn chính được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật thuộc bốn họ.

Thép rèn cacbon

Thép cacbon trơn là vật liệu rèn tiết kiệm nhất và có phạm vi cường độ rộng tùy thuộc vào hàm lượng cacbon. Các loại carbon thấp (AISI 1020–1040) rèn dễ dàng, hàn mà không cần làm nóng trước và được sử dụng ở những nơi cần độ bền vừa phải và độ dẻo cao - thiết bị nông nghiệp, các bộ phận kết cấu và các bộ phận kỹ thuật chung. Các loại carbon trung bình (AISI 1045–1060) là những loại thép rèn được chỉ định rộng rãi nhất: chúng phản ứng tốt với xử lý nhiệt, đạt được độ bền kéo ở mức 700–1.000 MPa sau khi tôi và tôi, và được sử dụng cho trục, bánh răng và các bộ phận máy móc. Các loại có hàm lượng carbon cao (AISI 1070–1095) cứng hơn và chịu mài mòn hơn nhưng kém dẻo dai hơn; các ứng dụng bao gồm dụng cụ cầm tay, lò xo và các bộ phận mài mòn.

Thép rèn hợp kim

Các chất bổ sung hợp kim - crom, molypden, niken, vanadi, mangan - cải thiện đáng kể độ cứng (khả năng đạt được độ cứng thông qua toàn bộ mặt cắt ngang của các bộ phận lớn) và nâng cao các tính chất cơ học trên mức chỉ riêng hàm lượng cacbon có thể đạt được. Các loại rèn hợp kim phổ biến nhất bao gồm:

• AISI 4140 (Thép Cr-Mo) - công cụ rèn thép hợp kim. Sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền (độ bền kéo 900–1.100 MPa trong điều kiện Q&T), độ dẻo dai và khả năng gia công. Tiêu chuẩn cho trục, cọc xoay, dụng cụ và bình áp lực có kích thước tiết diện vừa phải.
• AISI 4340 (Thép Ni-Cr-Mo) - độ cứng vượt trội đến 4140, đạt được độ cứng xuyên suốt ổn định ở các phần vượt quá 150 mm. Độ bền kéo của 1.000–1.400 MPa có thể đạt được. Được sử dụng cho các trục hạng nặng, các bộ phận của thiết bị hạ cánh máy bay và các bánh răng lớn có kích thước tiết diện không đủ độ cứng với 4140.
• AISI 8620 (Ni-Cr-Mo, cấp độ cứng cho vỏ) - lõi cacbon thấp có hàm lượng hợp kim cao để làm cứng vỏ bằng quá trình cacbon hóa. Được sử dụng khi cần có bề mặt cứng, chống mài mòn và lõi dẻo, dẻo - bánh răng, trục cam và trục xoay.
• AISI 4150 / 4150H - biến thể carbon cao hơn 4140 với khả năng tăng độ cứng, được sử dụng cho khuôn dập, trục lớn và các bộ phận yêu cầu độ cứng bề mặt cao hơn mức 4140 đạt được.

Rèn thép không gỉ

Lớp không gỉ - chủ yếu AISI 304, 316, 410 và 17-4PH - được rèn cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn bên cạnh hiệu suất kết cấu. Các loại Austenitic (304, 316) không có từ tính, dễ hàn và chống lại môi trường axit và clorua; chúng được sử dụng cho van, thân bơm và thiết bị chế biến thực phẩm. Các loại Martensitic (410, 420) có thể được làm cứng và được sử dụng làm dao kéo, ốc vít và các bộ phận tuabin. Các lớp làm cứng kết tủa (17-4PH) kết hợp khả năng chống ăn mòn với độ bền kéo ở trên 1.100 MPa và được ưa thích trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và thiết bị y tế.

Hợp kim vi mô và rèn thép công cụ

Thép vi hợp kim (các loại HSLA có bổ sung vanadi, niobium hoặc titan ở mức 0,05–0,15%) đạt được các tính chất cơ học tương đương với thép hợp kim tôi và tôi trực tiếp từ nhiệt rèn, loại bỏ hoạt động xử lý nhiệt riêng biệt. Điều này làm cho chúng trở nên hấp dẫn đối với các sản phẩm rèn ô tô khối lượng lớn - thanh kết nối, trục khuỷu và các bộ phận treo - trong đó việc giảm chi phí xử lý là ưu tiên hàng đầu. Thép công cụ (H13, D2, M2) được rèn cho khuôn dập, dụng cụ cắt và các bộ phận dịch vụ ở nhiệt độ cao trong đó độ cứng ở nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn là tối quan trọng.

Các bộ phận thép rèn: Các ngành công nghiệp và các thành phần thông thường

Các bộ phận thép rèn xuất hiện trong mọi ngành công nghiệp nơi độ tin cậy của kết cấu dưới tải trọng động là không thể thương lượng. Phương pháp sản xuất được chọn - và chi phí đơn vị cao hơn hợp lý - chính xác là do phương pháp đúc, hàn hoặc gia công từ thanh không thể đạt được tuổi thọ mỏi và khả năng chống va đập mà việc rèn mang lại một cách nhất quán.

Chủ đề chung trên tất cả các ứng dụng này là tải theo chu kỳ hoặc tải tác động. Trục khuỷu được rèn trải qua hàng trăm triệu chu kỳ ứng suất trong suốt thời gian sử dụng của động cơ; một bộ phận của thiết bị hạ cánh được rèn phải hấp thụ tải trọng va chạm tương đương với nhiều lần trọng lượng hạ cánh của máy bay mà không bị nứt. Không có quy trình sản xuất thương mại nào khác cung cấp dòng hạt không bị gián đoạn, hàm lượng tạp chất thấp và kích thước hạt tinh chế cho phép các bộ phận thép rèn đáp ứng những nhu cầu này một cách đáng tin cậy.

Thép rèn Shafts : Thiết kế, cấp độ và sản xuất

Trục là một trong những bộ phận thép rèn được sản xuất rộng rãi và có yêu cầu cao nhất. Trục phải truyền mô-men xoắn - đôi khi liên tục ở tốc độ cao trong nhiều năm - trong khi chịu được tải trọng uốn, xoắn và trục kết hợp, thường có sự tập trung ứng suất ở các rãnh then, vai và trục. Hư hỏng do mỏi ở các bộ tăng ứng suất này là dạng hư hỏng chính của trục khi làm việc, đó là lý do tại sao tính liên tục của dòng hạt qua mặt cắt trục có liên quan trực tiếp đến tuổi thọ mỏi theo cách mà thanh phôi gia công không thể tái tạo được.

Rèn khuôn mở và rèn trục khuôn kín

Trục lớn - trục máy phát tua-bin nặng hàng trăm tấn, trục chân vịt cho tàu biển và trục máy cán - được sản xuất bằng cách rèn khuôn hở trên máy ép thủy lực hoặc máy rèn búa. Phôi được quay và ép liên tục để gia công toàn bộ mặt cắt ngang và đạt được độ mịn hạt nhất quán thông qua đường kính. Đối với các vật rèn tiết diện lớn, cần có nhiều bước giảm thiểu, gia nhiệt trung gian và các quy trình làm mát có kiểm soát để ngăn ngừa nứt và đạt được cấu trúc vi mô đồng nhất từ ​​bề mặt đến lõi.

Trục nhỏ hơn, khối lượng lớn hơn - trục truyền động ô tô, trục bơm và trục máy công cụ - được sản xuất tiết kiệm hơn bằng cách rèn khuôn kín hoặc rèn cuộn trong đó hình dạng khuôn tạo ra hình dạng gần như lưới, giảm lượng gia công còn lại để hoàn thiện. Việc rèn trục kín thường có Lượng phôi gia công ít hơn 15–30% hơn so với các loại tương đương khuôn mở, điều này trực tiếp làm giảm mức tiêu thụ vật liệu và thời gian chu kỳ.

Lựa chọn cấp độ phủ cho trục thép rèn

Việc lựa chọn loại thép để rèn trục phụ thuộc vào ba thông số: tính chất cơ học cần thiết sau khi xử lý nhiệt, kích thước tiết diện (xác định yêu cầu về độ cứng) và môi trường vận hành.

• AISI 1045 - cấp trục ban đầu. Thích hợp cho các ứng dụng mô-men xoắn từ thấp đến trung bình ở đường kính nhỏ hơn (lên đến ~ 75 mm) khi không cần phải làm cứng xuyên suốt. Độ bền kéo 570–700 MPa ở điều kiện chuẩn hóa.
• AISI 4140 - cấp trục hợp kim được quy định rõ nhất. Có thể làm cứng đến toàn bộ phần có đường kính lên tới khoảng 100 mm; đạt được độ bền kéo 900–1.050 MPa trong điều kiện Q&T. Bao gồm phần lớn các trục bơm công nghiệp, bộ truyền động băng tải và trục máy móc nói chung.
• AISI 4340 - đối với trục có đường kính lớn (100–300 mm trở lên) trong đó 4140 không thể đạt được độ cứng xuyên suốt ổn định. Hàm lượng niken cao hơn giúp tăng độ cứng đáng kể. Trục rôto phát điện, trục chân vịt hàng hải và trục dẫn động thiết bị nặng là những ứng dụng điển hình. Độ bền kéo của 1.000–1.200 MPa có thể đạt được trong các phần lớn.
• EN 36/9310 (Các cấp độ cứng của vỏ Ni-Cr) - được sử dụng cho các trục yêu cầu bề mặt cứng, chống mài mòn kết hợp với lõi cứng: trục hộp số, trục có rãnh và trục cam trong đó hiện tượng mỏi tiếp xúc tại các trục hoặc trục là chế độ hỏng hóc chủ yếu.
• Thép không gỉ song công và siêu song công (2205, 2507) - đối với các trục trong môi trường hàng hải, xử lý hóa chất và khử muối trong đó độ mỏi do ăn mòn clorua là hạn chế trong thiết kế. Chi phí cao hơn nhưng loại bỏ được các vị trí bắt đầu ăn mòn bề mặt làm tăng tốc độ phát triển vết nứt mỏi trong thép hợp kim thông thường.

Xử lý và hoàn thiện sau rèn

Trục thép rèn hiếm khi được sử dụng trong điều kiện như được rèn. Trình tự sản xuất tiêu chuẩn sau khi rèn bao gồm chuẩn hóa hoặc ủ để giảm bớt ứng suất rèn và đồng nhất hóa cấu trúc vi mô, tiếp theo là gia công thô để loại bỏ cặn và thiết lập các bề mặt chuẩn, sau đó làm nguội và xử lý nhiệt để đạt được các tính chất cơ học đã chỉ định và cuối cùng là hoàn thiện gia công, mài và xử lý bề mặt theo yêu cầu. Các phương pháp xử lý bề mặt giúp cải thiện hiệu suất mỏi của trục bao gồm làm cứng cảm ứng các tạp chí và góc ổ trục, thấm nitơ để có độ cứng bề mặt cao mà không thay đổi kích thước và mài bắn để tạo ra ứng suất dư nén làm chậm quá trình hình thành vết nứt mỏi.

Độ thẳng là một thông số chất lượng quan trọng đối với trục hoàn thiện: sự mất cân bằng quay do cung trục tạo ra lực ly tâm tỷ lệ với bình phương tốc độ vận hành. Dung sai độ thẳng cho trục chính xác thường được quy định tại Tổng độ lệch chỉ báo 0,1–0,3 mm trên mỗi mét chiều dài , đòi hỏi phải làm mát có kiểm soát sau khi xử lý nhiệt và, trong nhiều trường hợp, thao tác làm thẳng nóng hoặc nguội trước khi gia công lần cuối.

Thép rèn và thép đúc: Khi nào nên chọn mỗi loại

Quyết định giữa thép rèn và thép đúc cuối cùng là sự cân bằng về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc rèn không phải là ưu việt về mặt tổng thể - đó là lựa chọn chính xác cho các điều kiện cụ thể và việc hiểu những điều kiện đó sẽ ngăn chặn việc yêu cầu quá cao cũng như ngăn ngừa sự kém hiệu quả.

Chọn thép rèn khi:

• Bộ phận này phải chịu tải theo chu kỳ, độ mỏi hoặc tác động - việc rèn cung cấp Độ bền mỏi cao hơn 20–30% hơn so với vật đúc ở cấp độ tương đương.
• Cần có độ tin cậy cao và hậu quả hư hỏng là nghiêm trọng — các bộ phận quan trọng về an toàn trong ngành hàng không vũ trụ, thiết bị chịu áp lực và các ứng dụng kết cấu.
• Hình học tương đối đơn giản và có thể sản xuất được với các khuôn - trục, mặt bích, vòng, đĩa, thanh nối và các dạng tương tự.
• Khối lượng sản xuất phù hợp với chi phí dụng cụ - dụng cụ rèn khuôn kín có chi phí ban đầu đắt nhưng mang lại chi phí trên mỗi đơn vị thấp ở số lượng lớn.

Chọn thép đúc khi:

• Hình dạng phức tạp với các khoang bên trong, rãnh cắt hoặc thành mỏng mà khuôn rèn không thể hình thành - vỏ bơm, thân van có đường dẫn bên trong và hình dạng vỏ phức tạp.
• Khối lượng sản xuất thấp và đầu tư vào dụng cụ không thể được khấu hao - chi phí cho dụng cụ đúc bằng cát chỉ bằng một phần so với việc rèn khuôn.
• Tải chủ yếu là tĩnh và nén chứ không phải theo chu kỳ - vật đúc thực hiện đầy đủ trong các ứng dụng nén chiếm ưu thế trong đó sự khởi đầu mỏi do khuyết tật bên trong không phải là chế độ hỏng hóc chi phối.
• Các phần trọng lượng rất lớn và đồng đều - một số thành phần kết cấu lớn được đúc tiết kiệm hơn và sau đó được hàn sửa chữa theo thông số kỹ thuật hơn là rèn.

Tiêu chuẩn chất lượng và kiểm tra các thành phần thép rèn

Các bộ phận bằng thép rèn cho các ứng dụng quan trọng phải tuân theo các yêu cầu về tài liệu và kiểm tra nghiêm ngặt. Các tiêu chuẩn áp dụng tùy thuộc vào ngành và mục đích sử dụng cuối cùng, nhưng các khuôn khổ được tham khảo rộng rãi nhất bao gồm:

• ASTM A668 - đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn đối với thép rèn dùng trong công nghiệp nói chung, bao gồm các loại thép cacbon và hợp kim với các yêu cầu về độ bền kéo, độ chảy và tác động được xác định theo chỉ định của loại.
• ASTM A388 - kiểm tra siêu âm các vật rèn thép nặng, xác định tiêu chí chấp nhận đối với các vật phản xạ bên trong (tạp chất, độ xốp và sự phân tách) theo độ dày vùng và mặt cắt.
• EN 10250 — Tiêu chuẩn Châu Âu về rèn thép khuôn hở cho các mục đích kỹ thuật chung, bao gồm các loại vật liệu và yêu cầu về đặc tính cơ học.
• API 6A/6D - đối với việc rèn đầu giếng dầu và khí đốt và van đường ống, chỉ định vật liệu, truy xuất nguồn gốc, thử nghiệm cơ học và các yêu cầu NDE cùng với các yêu cầu đánh giá áp suất bổ sung.
• AS9100 / NADCAP - các yêu cầu về quản lý chất lượng hàng không vũ trụ và chứng nhận quy trình đặc biệt áp dụng cho các nhà cung cấp rèn hàng không vũ trụ.

Kiểm tra định kỳ các bộ phận thép rèn bao gồm xác minh kích thước, kiểm tra độ cứng, kiểm tra độ bền kéo và va đập Charpy từ các phiếu được xử lý nhiệt (hoặc, đối với các bộ phận quan trọng, từ các phần hy sinh của chính vật rèn), kiểm tra hạt từ tính (MPI) để phát hiện các khuyết tật bề mặt và kiểm tra siêu âm (UT) về tính toàn vẹn dưới bề mặt. Đối với các vật rèn lớn trong các ứng dụng phát điện và bình chịu áp lực, Quét UT thể tích 100% là thông lệ tiêu chuẩn, với các vùng chấp nhận được xác định theo tiêu chuẩn ASME hoặc EN hiện hành và được xác minh bằng các khối tham chiếu đã hiệu chuẩn có gương phản xạ nhân tạo đã biết.