Szerszámacél kovácsolás: minőségek, módszerek és folyamatparaméterek

A szerszámacél kovácsolás a szerszámacél ötvözetek alakításának folyamata nagy nyomóerő hatására – jellemzően a között 1900 °F és 2200 °F (1040–1200 °C) — kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkező matricák, lyukasztószerszámok, vágószerszámok és szerkezeti elemek előállítására. A megmunkált vagy öntött alternatívákkal összehasonlítva a kovácsolt szerszámacél alkatrészek lényegesen nagyobb szívósságot, kifáradásállóságot és méretállandóságot kínálnak, így a kovácsolás az előnyben részesített gyártási mód a nagy igénybevételű szerszámozási alkalmazásokhoz.

Függetlenül attól, hogy hidegen megmunkált sajtolószerszámhoz nyersdarabot szerez be, vagy kovácsolási módszert választ a melegen megmunkált lyukasztóhoz, a folyamat és az egyes szerszámacél minőségek közötti kölcsönhatás megértése elengedhetetlen a szükséges teljesítmény eléréséhez.

Egyáltalán miért kovácsolt szerszámacél?

A szerszámacélok megmunkálhatók rúdból vagy porkohászattal, ezért a kovácsolás megválasztása szándékos – olyan teljesítménykövetelmények vezérlik, amelyeket más módszerek nem tudnak teljes mértékben teljesíteni.

A kovácsolás felbontja és újraelosztja a keményedés során keletkező keményfém hálózatokat. Az olyan erősen ötvözött szerszámacéloknál, mint a D2 vagy M2, az öntött keményfém szalagozás csökkentheti a keresztirányú szívósságot 30-50% egy megfelelően kovácsolt és megmunkált tuskóhoz képest. A mechanikai megmunkálás a belső porozitást is lezárja, a szemcseáramlást az alkatrész geometriájához igazítja, és finomított szemcseszerkezetet eredményez, amely kiszámíthatóbban reagál a hőkezelésre.

Gyakorlatilag egy kovácsolt H13 szerszámbetét jellemzően a megmunkált egyenértékét egy tényezővel hosszabb ideig tart 1,5–3× nagynyomású présöntési alkalmazásokban, a hőciklus súlyosságától függően.

Gyakori szerszámacél minőségek és kovácsolási jellemzőik

Nem minden szerszámacél kovácsol egyformán. Az ötvözettartalom, a széntartalom és a keményfém típusa mind befolyásolja a kovácsolhatóságot és a szükséges folyamatablakot.

Kovácsolási hőmérséklet-tartományok és kovácsolhatósági besorolások az általános AISI szerszámacélokhoz
évfolyam	AISI osztály	Kovácsolás hőmérsékleti tartománya	Hamisíthatóság	Tipikus alkalmazás
A2	Légkeményítő hidegmunka	1950–2050°F (1065–1120°C)	Jó	Üresítő szerszámok, nyírókések
D2	Magas szén- és krómtartalmú hidegmunka	1850–1950°F (1010–1065°C)	Tisztességes (erős csökkentés szükséges)	Rajzszerszámok, tekercsek formálása
H13	Forró munka	2000–2100°F (1095–1150°C)	Kiváló	Présöntő szerszámok, extrudáló szerszámok
M2	Molibdén nagy sebességű	1975–2075°F (1080–1135°C)	Vásár (keskeny ablak)	Fúrók, menetfúrók, szármarók
S7	Ütésálló	1900–2000 °F (1040–1095 °C)	Nagyon jó	Vésők, lyukasztók, légkalapács bitek
O1	Olajkeményítő hidegmunka	1850–1950°F (1010–1065°C)	Jó	Mérők, csapok, famegmunkáló szerszámok

D2, vele ~12% króm és 1,5% széntartalom , a legnehezebben kovácsolható szerszámacélok közé tartozik. A króm-karbidok nagy mennyisége erős, ellenőrzött redukciót igényel az eutektikus karbid hálózat felbomlásához. A D2 kovácsolás 1850 °F alatti hőmérsékleten megrepedhet; 1975°F felett a karbid határain kialakuló olvadás kockázata áll fenn.

Szerszámacélhoz használt kovácsolási módszerek

A kovácsolási módszer megválasztása befolyásolja a szemcsefolyást, a felületi minőséget, a tűréseket és a szükséges kovácsolás utáni megmunkálás mennyiségét.

Nyitott kovácsolás (Smith) Kovácsolás

A nyitott szerszámos kovácsolás lapos vagy egyszerű formájú szerszámokat használ a fűtött tuskó megmunkálásához egy sor növekményes összenyomással. Ez a legrugalmasabb módszer és szabványos megközelítés a szerszámacél nyersdarabok, nagyméretű szerszámblokkok és egyedi formák előállításához, amelyeket megmunkálnak.

Alkalmas tuskóhoz néhány fonttól egészen több tonna
Lehetővé teszi a redukciós arány és a munkairány teljes ellenőrzését
Minimális csökkentési arány 4:1 jellemzően szükséges a megfelelő keményfém lebontáshoz erősen ötvözött minőségekben
A legtöbb speciális acélgyártó használja szabványos kör-, négyszög- és lapos rudak gyártásához

Zárt-matrica (benyomás-matrica) kovácsolás

A zárt szerszámos kovácsolásnál a felforrósított alapanyagot egymáshoz illesztett szerszámfelek közé préselik, amelyek a kész alkatrész alakjának megfelelő üreget tartalmaznak. Ezzel a módszerrel közel háló alakú kovácsolt anyagokat állítanak elő szabályozott szemcseáramlással és szűk mérettűréssel – jellemzően ±0,010-±0,030 hüvelyk kritikus dimenziókon.

A zárt szerszámos kovácsolást lyukasztókhoz, lapkákhoz és kisebb szerszámelemekhez használják, ahol a térfogat indokolja a szerszámbefektetést. Szerszámacéloknál maga a szerszám élettartama válik aggályossá – a H13 nyomószerszámokat általában más szerszámacél minőségek kovácsolására használják emelt hőmérsékleten.

Forgó (gyűrűs) hengerlés és radiális kovácsolás

A hengeres alkatrészek, például gyűrűk, perselyek vagy kerek rudak esetében a forgó kovácsolási eljárások folyamatos, kerületi szemcsefinomítást biztosítanak. A radiális kovácsolás egy kerek tuskót egyszerre több irányból présel, így kerek vagy hatszögletű rúdban nagyon egységes mikrostruktúrákat hoz létre. Ezt a módszert széles körben használják a gyártás során gyorsacél (HSS) körrúd vágószerszám-darabok vágásához.

Izoterm kovácsolás

Az izoterm kovácsolás mind a munkadarabot, mind a szerszámokat azonos hőmérsékletre melegíti fel, kiküszöbölve a nehezen kovácsolható ötvözetek felületének lehűlését és repedését okozó hőmérséklet-esést. Szerszámacéloknál kevésbé elterjedt a berendezések költsége miatt, de az űrhajózási minőségű HSS és porkohászati szerszámacéloknál használják, amelyek rendkívül keskeny melegen megmunkált ablakokkal rendelkeznek.

Szabályozandó kritikus folyamatparaméterek

A kohászat megfelelő kialakítása a szerszámacél kovácsolása során számos, egymástól függő változó szigorú ellenőrzését igényli.

Előmelegítés és áztatási hőmérséklet

A szerszámacélokat lassan és egyenletesen kell felmelegíteni a hősokk elkerülése érdekében. Tipikus előmelegítési protokoll egy nagy H13 blokkhoz:

Melegítse fel 1200°F (650°C) és tartsa addig, amíg a hőmérséklet kiegyenlítődik a keresztmetszetben
Rámpa kovácsolási hőmérsékletre: ≤200°F/óra (110°C/óra)
Áztassa kovácsolási hőmérsékleten minimum 1 óra vastagság hüvelykenként

Az áztatás gyorsítása hideg maghoz vezet, ami egyenetlen alakváltozást okoz, és a préselés során belső repedéseket okozhat.

Befejezési kovácsolási hőmérséklet

A munkavégzést a minimális befejezési hőmérséklet felett kell elvégezni, hogy elkerüljük az acél törékeny állapotú alakváltozását. A legtöbb szerszámacélnál a kovácsolást nem szabad alább folytatni 1750°F (955°C) . Ha a darab e küszöb alá esik, vissza kell helyezni a kemencébe, nem pedig további csökkentésekre kényszeríteni.

Csökkentési arány

A redukciós arány (kezdő keresztmetszet ÷ kész keresztmetszet) elősegíti a keményfém lebontását és a szemcsefinomítást. A szerszámacél kovácsolt termékek iparági szabványai általában a következőket írják elő:

Minimum 3:1 ütésálló és vízkeményítő fokozatokhoz (S7, W1)
Minimum 4:1-6:1 hidegmunka fokozatokhoz (A2, D2)
Minimum 6:1 vagy nagyobb gyorsacélokhoz (M2, T1) az eutektikus keményfém hálózatok megfelelő megszakításához

Hűtés kovácsolás után

A szerszámacélokat a kovácsolás után lassan le kell hűteni, hogy elkerüljük az átalakulási feszültségek miatti repedést. Az általános gyakorlat az, hogy a kovácsolt anyagot száraz homokba, vermikulitba vagy szigetelő mészbe temetik, vagy közvetlenül a kemencébe helyezik 1100–1200 °F (595–650 °C) lassú, szabályozott hűtéshez a környezethez. A léghűtés csak a legelnézőbb minőségeknél elfogadható, mint például az S7 kis keresztmetszetben.

Izzítás Kovácsolás után

A kovácsolás megkeményíti a szerszámacélt és rögzíti a maradék feszültségeket. Bármilyen megmunkálás vagy hőkezelés előtt a kovácsolt szerszámacél nyersdarabokat izzítani kell:

Lágyítsa meg az acélt megmunkálható keménységre (általában HB 180-250 évfolyamtól függően)
Enyhítse a kovácsolás maradványfeszültségeit
Hozzon létre egységes gömbölyű keményfém mikrostruktúrát az optimális hőkezelési reakció érdekében

A D2 szerszámacél teljes gömbölyű izzítása például a tartást foglalja magában 1600°F (870°C) 2-4 órán keresztül, majd lassú kemencehűtés kb ≤25°F/óra (14°C/óra) 1000°F (540°C) alá. Ennek a lépésnek a kihagyása vagy lerövidítése gyakran őrlési repedésekhez vagy torzulásokhoz vezet az edzés során.

A szerszámacél kovácsolások gyakori hibái és azok elkerülése

A szerszámacél kovácsolása során előforduló gyakori hibák okokkal és megelőző intézkedésekkel
Hiba	ok	Megelőzés
Felületi repedés	Kovácsolás a minimális hőmérséklet alatt; túlzott csökkentés menetenként	Melegítse újra, mielőtt a hőmérséklet a kovácsolási határ alá csökken; korlátozza az egyszeri menetes csökkentést 20-30%-ra
Belső repedés/szakadás	Hideg mag az elégtelen áztatásból; túlzott csökkentési arány	Teljes áztatás hőmérsékleten préselés előtt; fokozatosan alkalmazza a csökkentéseket
Keményfém sávozás (csíkozás)	Nem megfelelő redukciós arány; egyirányú munkavégzés	Minimális csökkentési arányok elérése; több irányban dolgozni
Túlmelegedés / égés	A maximális kovácsolási hőmérséklet túllépése; túlzott kemenceidő	Kalibrált kemencevezérlők; korlátozza az időt maximális hőmérsékleten; használjon hőelemeket a terhelésben
Kovácsolás utáni repedés	Túl gyors lehűlés kovácsolás után	A kovácsolás befejezése után azonnal szigetelje le vagy hűtse le a kemencében

Szerszámacél kovácsolás vs. porkohászat: Tudni kell, mikor válasszunk

Az ötvözetporok porlasztásával és szinterelésével előállított porkohászati (PM) szerszámacélok rendkívül egyenletes keményfém eloszlást kínálnak, amit a kovácsolással önmagában nem lehet elérni a magas ötvözetű minőségekben. Az olyan PM minőségek, mint a CPM 3V, a CPM M4 vagy a Vanadis 4 Extra, a hagyományosan kovácsolt D2 vagy M2 népszerű alternatíváivá váltak az igényes alkalmazásokhoz.

A kovácsolás azonban számos forgatókönyv esetén továbbra is egyértelmű előnyökkel jár:

Költség: A hagyományosan kovácsolt szerszámacél rúd jellemzően 30-60%-kal olcsóbb mint az egyenértékű PM fokozatok
Nagy keresztmetszetek: A PM bár korlátozott a nehéz szakaszokon; kovácsolt szerszámacél blokkokat rutinszerűen gyártanak 24 hüvelyk feletti méretben
Egyedi formák: A nyitott szerszámos kovácsolás közel háló alakú előformákat készíthet, amelyek csökkentik az anyagpazarlást a nagy szerszámtömbökben
Bizonyított teljesítmény: A Forged H13, A2 és S7 több évtizedes terepi teljesítményadatokkal rendelkezik gyakorlatilag minden szerszámalkalmazásban

A PM a jobb választás, ha a szívósság minden irányban kritikus, a vanádium-tartalom meghaladja a ~3-4%-ot (ezért a hagyományos kovácsolás nem praktikus), vagy ha az alkalmazás a legfinomabb keményfém szerkezetet követeli meg. A legtöbb igáslószerszámhoz, a megfelelően kovácsolt hagyományos szerszámacél továbbra is a legköltséghatékonyabb megoldás .

Beszerzés és minőségellenőrzés

Kovácsolt szerszámacél vásárlásakor a legfontosabb minőségbiztosítási gyakorlatok a következők:

Malom tanúsítványok: Kérjen kémiai elemzést (hőtanúsítvány) és, ahol elérhető, mechanikai vizsgálati eredményeket (szakító, ütés) a kovácsolás hőjéből
Ultrahangos vizsgálat (UT): Kritikus a nagy matricákhoz; Az ASTM A388 a szabványos UT módszer az acélkovácsolásokhoz, és képes kimutatni a belső üregeket vagy a meghatározott elfogadási határok feletti szegregációt
Karbid hálózat minősítése: A nagymértékben ötvözött minőségek esetében a beszállítóknak képesnek kell lenniük arra, hogy metallográfiai vizsgálatot végezzenek, amely megerősíti a keményfém megfelelő eloszlását egy meghatározott elfogadási szabvány szerint (pl. SEP 1520 keményfém szalagozás esetén).
Lágyított keménység ellenőrzése: A Brinell-keménység az átvételkor megerősíti, hogy az anyagot megfelelően izzították, és a minőség elvárt tartományába esik.

A jó hírű szerszámacél-beszállítók, mint például a Böhler-Uddeholm, a Carpenter Technology és a Crucible Industries (a PM minőségekhez) szabványosított terméktanúsítványokat biztosítanak, de a biztonság szempontjából kritikus vagy nagy volumenű szerszámozási programok esetében tanácsos független ellenőrzést végezni.