Rèn thép công cụ: Cấp độ, phương pháp và thông số quy trình

Rèn thép công cụ là quá trình tạo hình hợp kim thép công cụ dưới lực nén cao — thường là giữa 1.900°F và 2.200°F (1.040°C–1.200°C) —để sản xuất khuôn dập, chày, dụng cụ cắt và các bộ phận kết cấu có đặc tính cơ học vượt trội. So với các lựa chọn thay thế được gia công hoặc đúc, các bộ phận bằng thép công cụ rèn có độ bền cao hơn đáng kể, khả năng chống mỏi và tính nhất quán về kích thước, khiến việc rèn trở thành lộ trình sản xuất ưa thích cho các ứng dụng dụng cụ chịu ứng suất cao.

Cho dù bạn đang tìm nguồn phôi cho khuôn gia công nguội hay chọn phương pháp rèn cho chày gia công nóng, việc hiểu cách quy trình tương tác với các loại thép công cụ cụ thể là điều cần thiết để đạt được hiệu suất bạn cần.

Tại sao lại rèn thép công cụ?

Thép công cụ có thể được gia công từ thanh phôi hoặc được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột, do đó, việc lựa chọn rèn là có chủ ý—do các yêu cầu về hiệu suất mà các phương pháp khác không thể đáp ứng đầy đủ.

Việc rèn phá vỡ và phân phối lại các mạng cacbua hình thành trong quá trình hóa rắn. Trong các loại thép công cụ hợp kim cao như D2 hoặc M2, dải cacbua đúc sẵn có thể làm giảm độ bền ngang bằng cách 30–50% so với phôi được rèn và gia công đúng cách. Hoạt động cơ học cũng đóng lỗ xốp bên trong, điều chỉnh dòng hạt phù hợp với hình dạng bộ phận và tạo ra cấu trúc hạt tinh tế đáp ứng dễ dàng hơn với xử lý nhiệt.

Trong điều kiện thực tế, hạt dao khuôn H13 được rèn thường sẽ tồn tại lâu hơn hạt dao tương đương được gia công theo hệ số 1,5–3× trong các ứng dụng đúc khuôn áp suất cao, tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của chu trình nhiệt.

Các loại thép công cụ phổ biến và đặc điểm rèn của chúng

Không phải tất cả các loại thép công cụ đều được rèn theo cùng một cách. Hàm lượng hợp kim, mức cacbon và loại cacbua đều ảnh hưởng đến khả năng rèn và thời gian xử lý cần thiết.

D2, với ~12% hàm lượng crom và 1,5% cacbon , là một trong những loại thép công cụ khó rèn nhất. Khối lượng lớn cacbua crom đòi hỏi phải giảm mạnh và có kiểm soát để phá vỡ mạng lưới cacbua eutectic. Việc rèn D2 dưới 1.850°F có nguy cơ bị nứt; trên 1.975°F có nguy cơ bắt đầu tan chảy ở ranh giới cacbua.

Phương pháp rèn được sử dụng cho thép công cụ

Việc lựa chọn phương pháp rèn ảnh hưởng đến dòng hạt, độ hoàn thiện bề mặt, dung sai và số lượng gia công sau rèn được yêu cầu.

Rèn khuôn mở (Smith)

Rèn khuôn mở sử dụng khuôn phẳng hoặc khuôn có hình dạng đơn giản để gia công phôi thép được nung nóng thông qua một loạt các lần nén tăng dần. Đó là phương pháp linh hoạt nhất và là phương pháp tiêu chuẩn để sản xuất phôi thép công cụ, khối khuôn lớn và các hình dạng tùy chỉnh sẽ được gia công hoàn thiện.

• Thích hợp cho phôi từ vài pound trở lên vài tấn
• Cho phép kiểm soát hoàn toàn tỷ lệ giảm và hướng làm việc
• Tỷ lệ giảm tối thiểu của 4:1 thường được yêu cầu để phân hủy cacbua đầy đủ ở các loại hợp kim cao
• Được sử dụng bởi hầu hết các nhà sản xuất thép đặc biệt để sản xuất thanh tròn, vuông và phẳng tiêu chuẩn

Rèn khuôn kín (Impression-Die)

Trong quá trình rèn khuôn kín, phôi đã được gia nhiệt được ép giữa các nửa khuôn phù hợp có chứa một khoang khớp với hình dạng bộ phận đã hoàn thiện. Phương pháp này tạo ra các vật rèn có hình dạng gần như lưới với dòng hạt được kiểm soát và dung sai kích thước chặt chẽ—thường ±0,010 đến ±0,030 inch trên các kích thước quan trọng.

Rèn khuôn kín được sử dụng cho chày, hạt dao và các bộ phận dụng cụ nhỏ hơn trong đó khối lượng phù hợp với việc đầu tư vào dụng cụ. Đối với thép công cụ, bản thân tuổi thọ của khuôn đã trở thành một mối lo ngại—khuôn dập H13 thường được sử dụng để rèn các loại thép công cụ khác ở nhiệt độ cao.

Rèn quay (vòng) và rèn xuyên tâm

Đối với các bộ phận hình trụ như vòng, ống lót hoặc thanh tròn, phương pháp rèn quay cung cấp khả năng sàng lọc hạt theo chu vi liên tục. Rèn xuyên tâm ép phôi tròn đồng thời từ nhiều hướng, tạo ra các cấu trúc vi mô rất đồng đều ở thanh tròn hoặc lục giác. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để sản xuất thanh tròn thép tốc độ cao (HSS) để cắt phôi dụng cụ.

Rèn đẳng nhiệt

Quá trình rèn đẳng nhiệt làm nóng cả phôi và khuôn đến cùng nhiệt độ, loại bỏ sự giảm nhiệt độ gây ra lạnh bề mặt và nứt ở các hợp kim khó rèn. Nó ít phổ biến hơn đối với thép công cụ do chi phí thiết bị, nhưng được sử dụng cho thép công cụ luyện kim bột và HSS cấp hàng không vũ trụ có cửa sổ gia công nóng cực hẹp.

Các thông số quy trình quan trọng để kiểm soát

Để luyện kim phù hợp trong quá trình rèn thép công cụ đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ một số biến số phụ thuộc lẫn nhau.

Nhiệt độ làm nóng và ngâm trước

Thép công cụ phải được nung nóng từ từ và đồng đều để tránh sốc nhiệt. Một giao thức làm nóng trước điển hình cho khối H13 lớn:

1. Đun nóng đến 1.200°F (650°C) và giữ cho đến khi nhiệt độ cân bằng qua mặt cắt ngang
2. Tăng nhiệt độ rèn ở 200°F/giờ (110°C/giờ)
3. Ngâm ở nhiệt độ rèn tối thiểu 1 giờ cho mỗi inch độ dày

Việc ngâm quá nhanh sẽ dẫn đến lõi nguội, tạo ra biến dạng không đồng đều và có thể gây ra các vết nứt bên trong trong quá trình ép.

Kết thúc nhiệt độ rèn

Công việc phải được hoàn thành trên nhiệt độ hoàn thiện tối thiểu để tránh làm cứng thép ở trạng thái giòn. Đối với hầu hết các loại thép công cụ, việc rèn không nên tiếp tục dưới đây 1.750°F (955°C) . Nếu mảnh giảm xuống dưới ngưỡng này, nó sẽ được đưa trở lại lò thay vì buộc phải cắt giảm thêm.

Tỷ lệ giảm

Tỷ lệ giảm (mặt cắt bắt đầu /mặt cắt ngang hoàn thiện) thúc đẩy quá trình phân hủy cacbua và sàng lọc hạt. Các tiêu chuẩn công nghiệp về rèn thép công cụ thường yêu cầu:

• Tối thiểu 3:1 cho các loại chống sốc và làm cứng nước (S7, W1)
• Tối thiểu 4:1 đến 6:1 đối với cấp độ gia công nguội (A2, D2)
• Tối thiểu 6:1 trở lên cho thép tốc độ cao (M2, T1) để phá vỡ mạng lưới cacbua eutectic một cách thích hợp

Làm mát sau khi rèn

Thép công cụ phải được làm nguội từ từ sau khi rèn để tránh bị nứt do ứng suất biến dạng. Thực hành phổ biến là chôn vật rèn trong cát khô, vermiculite hoặc vôi cách điện hoặc đặt trực tiếp vào lò nung ở nhiệt độ 1.100–1.200°F (595–650°C) để làm mát môi trường xung quanh một cách chậm rãi, có kiểm soát. Làm mát bằng không khí chỉ được chấp nhận đối với các loại dễ tha thứ nhất như S7 ở mặt cắt ngang nhỏ.

Ủ sau khi rèn

Việc rèn làm cứng thép công cụ và khóa các ứng suất dư. Trước khi gia công hoặc xử lý nhiệt, phôi thép công cụ rèn phải được ủ để:

• Làm mềm thép đến độ cứng có thể gia công được (thường HB 180–250 tùy theo cấp lớp)
• Giảm bớt ứng suất rèn còn sót lại
• Tạo ra cấu trúc vi mô cacbua hình cầu đồng nhất để đáp ứng xử lý nhiệt tối ưu

Ví dụ, quá trình ủ hình cầu hoàn toàn cho thép công cụ D2 bao gồm việc giữ ở 1.600°F (870°C) trong 2–4 giờ, sau đó làm nguội lò chậm ở mức 25°F/giờ (14°C/giờ) đến dưới 1.000°F (540°C). Bỏ qua hoặc rút ngắn bước này thường dẫn đến các vết nứt mài hoặc biến dạng trong quá trình đông cứng.

Các khiếm khuyết thường gặp trong rèn thép công cụ và cách tránh chúng

Rèn thép công cụ so với luyện kim bột: Biết khi nào nên chọn từng loại

Thép công cụ luyện kim bột (PM), được sản xuất bằng cách nguyên tử hóa và thiêu kết bột hợp kim, mang lại sự phân bố cacbua cực kỳ đồng đều mà việc rèn riêng không thể đạt được ở các loại hợp kim cao. Các loại PM như CPM 3V, CPM M4 hoặc Vanadis 4 Extra đã trở thành các lựa chọn thay thế phổ biến cho D2 hoặc M2 được rèn thông thường cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Tuy nhiên, việc rèn vẫn có những lợi thế rõ ràng trong một số trường hợp:

• Chi phí: Thanh thép công cụ rèn thông thường thường được Rẻ hơn 30–60% hơn các lớp PM tương đương
• Mặt cắt lớn: Tính khả dụng của thanh PM bị hạn chế ở những đoạn có mật độ lớn; khối thép công cụ rèn được sản xuất thường xuyên với kích thước vượt quá 24 inch
• Hình dạng tùy chỉnh: Việc rèn khuôn mở có thể tạo ra các khuôn phôi gần như dạng lưới giúp giảm lãng phí vật liệu trong các khối khuôn lớn
• Hiệu suất đã được chứng minh: Forged H13, A2 và S7 có dữ liệu hiệu suất hiện trường trong nhiều thập kỷ trên hầu hết mọi ứng dụng công cụ

PM là lựa chọn tốt hơn khi độ bền theo mọi hướng là rất quan trọng, hàm lượng vanadi vượt quá ~3–4% (khiến việc rèn thông thường trở nên không thực tế) hoặc khi ứng dụng yêu cầu cấu trúc cacbua tốt nhất tuyệt đối. Đối với hầu hết các dụng cụ phù hợp, thép công cụ thông thường được rèn đúng cách vẫn là giải pháp tiết kiệm chi phí nhất .

Xác minh nguồn cung ứng và chất lượng

Khi mua thép công cụ rèn, các biện pháp đảm bảo chất lượng chính bao gồm:

• Chứng nhận của nhà máy: Yêu cầu phân tích hóa học (chứng nhận nhiệt) và, nếu có, kết quả thử nghiệm cơ học (độ bền kéo, tác động) từ nhiệt rèn
• Kiểm tra siêu âm (UT): Quan trọng đối với khối khuôn lớn; ASTM A388 là phương pháp UT tiêu chuẩn để rèn thép và có thể phát hiện các khoảng trống bên trong hoặc sự phân tách trên giới hạn chấp nhận được chỉ định
• Đánh giá mạng lưới cacbua: Đối với các loại hợp kim cao, nhà cung cấp phải có thể cung cấp hoặc sắp xếp việc kiểm tra kim loại để xác nhận việc phân phối cacbua đầy đủ theo tiêu chuẩn chấp nhận đã xác định (ví dụ: SEP 1520 đối với dải cacbua)
• Kiểm tra độ cứng ủ: Chỉ số độ cứng Brinell khi nhận xác nhận rằng vật liệu đã được ủ đúng cách và nằm trong phạm vi dự kiến cho cấp độ này

Các nhà cung cấp thép công cụ có uy tín như Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology và Crucible Industries (đối với loại PM) cung cấp chứng nhận sản phẩm được tiêu chuẩn hóa, nhưng nên xác minh độc lập cho các chương trình gia công công cụ khối lượng lớn hoặc yêu cầu an toàn cao.