Smedning af værktøjsstål: kvaliteter, metoder og procesparametre

Værktøjsstålsmedning er processen med at forme værktøjsstållegeringer under høj trykkraft - typisk mellem 1.900°F og 2.200°F (1.040°C–1.200°C) - at producere matricer, stanser, skærende værktøjer og strukturelle komponenter med overlegne mekaniske egenskaber. Sammenlignet med bearbejdede eller støbte alternativer tilbyder smedede værktøjsståldele væsentligt højere sejhed, udmattelsesbestandighed og dimensionskonsistens, hvilket gør smedning til den foretrukne fremstillingsrute til værktøjsapplikationer med høj belastning.

Uanset om du køber emner til en koldbearbejdningsmatrice eller vælger en smedningsmetode til en varmbearbejdningsstanse, er det vigtigt at forstå, hvordan processen interagerer med specifikke værktøjsstålkvaliteter, for at få den ydeevne, du har brug for.

Hvorfor smede værktøjsstål overhovedet?

Værktøjsstål kan bearbejdes fra stangmateriale eller fremstilles ved pulvermetallurgi, så valget om at smede er bevidst - drevet af ydeevnekrav, som andre metoder ikke fuldt ud kan opfylde.

Smedning bryder op og omfordeler carbidnetværk, der dannes under størkning. I højlegerede værktøjsstål såsom D2 eller M2 kan as-cast carbid banding reducere tværgående sejhed ved at 30-50 % sammenlignet med en korrekt smedet og bearbejdet billet. Den mekaniske bearbejdning lukker også intern porøsitet, justerer kornstrømmen med delens geometri og producerer en raffineret kornstruktur, der reagerer mere forudsigeligt på varmebehandling.

Rent praktisk vil et smedet H13 matriceindsats typisk overleve en bearbejdet ækvivalent med en faktor på 1,5-3× i højtrykstrykstøbeapplikationer, afhængigt af sværhedsgraden af termisk cykling.

Almindelige værktøjsstålkvaliteter og deres smedningsegenskaber

Ikke alle værktøjsstål smeder på samme måde. Legeringsindhold, kulstofniveau og karbidtype påvirker alle smedbarheden og det nødvendige procesvindue.

D2, med sin ~12% chrom og 1,5% kulstofindhold , er blandt de sværeste værktøjsstål at smede. Det høje volumen af ​​chromcarbider kræver kraftige, kontrollerede reduktioner for at bryde det eutektiske carbidnetværk op. Smedning af D2 under 1.850°F risikerer at revne; over 1.975°F risikerer begyndende smeltning ved karbidgrænser.

Smedemetoder, der bruges til værktøjsstål

Valget af smedningsmetode påvirker kornflow, overfladefinish, tolerancer og mængden af eftersmedningsbearbejdning, der kræves.

Open-Die (Smith) Forging

Åben smedning bruger flade eller enkeltformede matricer til at bearbejde en opvarmet barre gennem en række trinvise kompressioner. Det er den mest fleksible metode og standardtilgangen til fremstilling af værktøjsstålemner, store matriceblokke og brugerdefinerede former, der vil blive færdigbearbejdet.

• Velegnet til billets fra et par pund op til flere tons
• Giver fuld kontrol over reduktionsforhold og arbejdsretning
• Minimum reduktionsforhold på 4:1 typisk påkrævet for tilstrækkeligt hårdmetalnedbrydning i højlegerede kvaliteter
• Anvendes af de fleste specialstålproducenter til standardproduktion af runde, firkantede og flade stænger

Lukket-Die (Impression-Die) Smedning

I lukket matricesmedning presses opvarmet materiale mellem matchede matricehalvdele, der indeholder et hulrum, der matcher den færdige delform. Denne metode producerer næsten-net-form smedegods med kontrolleret kornstrøm og snævre dimensionelle tolerancer - typisk ±0,010 til ±0,030 tomme på kritiske dimensioner.

Smedning med lukket matrice bruges til stanser, skær og mindre værktøjskomponenter, hvor volumen retfærdiggør værktøjsinvestering. For værktøjsstål bliver selve matricens levetid et problem - H13 aftryksmatricer bruges almindeligvis til at smede andre værktøjsstålkvaliteter ved forhøjede temperaturer.

Roterende (ring) rullende og radial smedning

Til cylindriske komponenter såsom ringe, bøsninger eller rundstang giver roterende smedningsmetoder kontinuerlig kornforfining i omkredsen. Radial smedning presser en rund barre samtidigt fra flere retninger, hvilket producerer meget ensartede mikrostrukturer i rund eller sekskantet stang. Denne metode er meget brugt til produktion højhastighedsstål (HSS) rundstang til skæring af værktøjsemner.

Isotermisk smedning

Isotermisk smedning opvarmer både emnet og matricerne til samme temperatur, hvilket eliminerer temperaturfaldet, der forårsager overfladeafkøling og revner i legeringer, der er svære at smed. Det er mindre almindeligt for værktøjsstål på grund af udstyrsomkostninger, men bruges til luft- og rumfartskvalitet HSS og pulvermetallurgi værktøjsstål, der har ekstremt smalle varmbearbejdningsvinduer.

Kritiske procesparametre til kontrol

At få metallurgien rigtigt under værktøjsstålsmedning kræver stram kontrol af flere indbyrdes afhængige variabler.

Forvarmning og iblødsætningstemperatur

Værktøjsstål skal opvarmes langsomt og ensartet for at undgå termisk stød. En typisk forvarmningsprotokol for en stor H13-blok:

1. Varm til 1.200°F (650°C) og hold indtil temperaturen udligner gennem tværsnittet
2. Rampe til smedetemperatur kl ≤200°F/time (110°C/time)
3. Udblødes ved smedetemperatur i minimum 1 time pr. tomme tykkelse

At haste iblødsætningen fører til en kold kerne, som giver ujævn deformation og kan forårsage interne revner under presningen.

Slutsmedningstemperatur

Arbejdet skal udføres over den mindste finishtemperatur for at undgå belastningshærdning af stålet i en skør tilstand. For de fleste værktøjsstål bør smedningen ikke fortsætte nedenfor 1.750°F (955°C) . Hvis stykket falder under denne tærskel, skal det returneres til ovnen i stedet for at tvinges gennem yderligere reduktioner.

Reduktionsforhold

Reduktionsforhold (starttværsnit ÷ færdigt tværsnit) driver nedbrydning af hårdmetal og kornforfining. Industristandarder for værktøjsstål smedning kræver typisk:

• Minimum 3:1 til stødbestandige og vandhærdende kvaliteter (S7, W1)
• Minimum 4:1 til 6:1 til koldarbejde (A2, D2)
• Minimum 6:1 eller større til højhastighedsstål (M2, T1) til tilstrækkeligt at bryde eutektiske carbidnetværk

Køling efter smedning

Værktøjsstål skal afkøles langsomt efter smedning for at forhindre revner fra transformationsspændinger. Almindelig praksis er at nedgrave smedningen i tørt sand, vermiculit eller isolerende kalk, eller at placere det direkte i en ovn kl. 1.100–1.200 °F (595–650 °C) for en langsom, kontrolleret afkøling til omgivende. Luftkøling er kun acceptabel for de mest tilgivende kvaliteter som S7 i små tværsnit.

Udglødning efter smedning

Smedning hærder værktøjsstål og låser restspændinger. Før enhver bearbejdning eller varmebehandling skal smedede værktøjsstålemner udglødes til:

• Blødgør stålet til bearbejdelig hårdhed (typisk HB 180–250 afhængig af karakter)
• Aflast resterende smedningsspændinger
• Fremstil en ensartet sfæroidiseret carbid-mikrostruktur for optimal varmebehandlingsrespons

En fuld sfæroidiserende udglødning for D2 værktøjsstål, for eksempel, involverer at holde ved 1.600°F (870°C) i 2-4 timer, derefter langsom ovnafkøling kl ≤25°F/time (14°C/time) til under 1.000°F (540°C). At springe over eller forkorte dette trin fører ofte til slibende revner eller forvrængning under hærdning.

Almindelige defekter i værktøjsstål smedning og hvordan man undgår dem

Værktøjsstålssmedning vs. pulvermetallurgi: At vide, hvornår du skal vælge hver

Pulvermetallurgi (PM) værktøjsstål, fremstillet ved forstøvning og sintring af legeringspulvere, tilbyder ekstremt ensartet carbidfordeling, som smedning alene ikke kan opnå i højlegerede kvaliteter. PM-kvaliteter som CPM 3V, CPM M4 eller Vanadis 4 Extra er blevet populære alternativer til konventionelt smedet D2 eller M2 til krævende applikationer.

Men smedning har stadig klare fordele i flere scenarier:

• Pris: Konventionelt smedet værktøjsstålstang er typisk 30-60 % billigere end tilsvarende PM-karakterer
• Store tværsnit: PM bar tilgængelighed er begrænset i tunge sektioner; smedede værktøjsstålblokke fremstilles rutinemæssigt i størrelser over 24 tommer
• Brugerdefinerede former: Åben smedning kan producere præforme i næsten netform, der reducerer materialespild i store matriceblokke
• Bevist ydeevne: Smedede H13, A2 og S7 har årtiers feltpræstationsdata på tværs af stort set alle værktøjsapplikationer

PM er det bedre valg, når sejhed i alle retninger er kritisk, vanadiumindholdet overstiger ~3-4 % (gør konventionel smedning upraktisk), eller når applikationen kræver den absolut fineste hårdmetalstruktur. Til de fleste arbejdshesteværktøjer, korrekt smedet konventionelt værktøjsstål forbliver den mest omkostningseffektive løsning .

Sourcing og kvalitetsbekræftelse

Ved køb af smedet værktøjsstål omfatter nøglekvalitetssikringspraksis:

• Mølle certificeringer: Anmod om kemisk analyse (varmecertifikat) og, hvor det er tilgængeligt, mekaniske testresultater (trækstyrke, slag) fra smedevarmen
• Ultralydstest (UT): Kritisk for store formblokke; ASTM A388 er standard UT-metoden til stålsmedning og kan detektere indre hulrum eller adskillelse over specificerede acceptgrænser
• Karbid netværksvurdering: For højlegerede kvaliteter bør leverandører være i stand til at levere eller arrangere metallografisk inspektion, der bekræfter tilstrækkelig karbidfordeling i henhold til en defineret acceptstandard (f.eks. SEP 1520 for hårdmetalbånd)
• Kontrol af udglødet hårdhed: En Brinell-hårdhedsaflæsning ved modtagelse bekræfter, at materialet var korrekt udglødet og falder inden for det forventede interval for kvaliteten

Velrenommerede leverandører af værktøjsstål såsom Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology og Crucible Industries (for PM-kvaliteter) leverer standardiserede produktcertificeringer, men uafhængig verifikation er tilrådeligt for sikkerhedskritiske eller højvolumenværktøjsprogrammer.