คู่มืออุณหภูมิการตีขึ้นรูป: ช่วงความร้อนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับงานโลหะ

ช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโลหะทั่วไป

อุณหภูมิการตีขึ้นรูปแสดงถึงช่วงความร้อนจำเพาะซึ่งโลหะจะกลายเป็นพลาสติกเพียงพอที่จะขึ้นรูปได้โดยไม่แตกร้าว ขณะเดียวกันก็รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ สำหรับ เหล็กกล้าคาร์บอน ช่วงการตีขึ้นรูปที่เหมาะสมคือ 1,095-1260°C (2,000-2300°F) ในขณะที่เหล็กดัดทำงานได้ดีที่สุด 1,040-1200°C (1900-2200°F) . อุณหภูมิเหล่านี้ช่วยให้โครงสร้างผลึกของโลหะจัดระเบียบใหม่ภายใต้แรงทางกล ช่วยให้ช่างตีเหล็กและช่างโลหะสามารถสร้างรูปร่างที่ต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หน้าต่างการตีขึ้นรูปจะแตกต่างกันไปอย่างมากขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอนและองค์ประกอบการผสม เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (คาร์บอน 0.05-0.30%) ทนต่อช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น ในขณะที่เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (คาร์บอน 0.60-1.50%) ต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำยิ่งขึ้น เพื่อป้องกันไม่ให้ขอบเกรนแตกร้าวหรือเกิดสเกลมากเกินไป

ตัวชี้วัดอุณหภูมิสีและการประเมินการมองเห็น

ช่างตีเหล็กแบบดั้งเดิมอาศัยสีเป็นตัวบ่งชี้อุณหภูมิหลัก ซึ่งเป็นเทคนิคที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความแม่นยำภายใน ±25°C เมื่อทำโดยผู้ปฏิบัติงานที่มีประสบการณ์ . การเรืองแสงของโลหะเป็นผลมาจากการแผ่รังสีของวัตถุสีดำ ซึ่งมีความยาวคลื่นจำเพาะซึ่งมีอุณหภูมิต่างกัน วิธีการนี้ยังคงมีคุณค่าแม้ในร้านค้าสมัยใหม่ที่มีไพโรมิเตอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเครื่องมือตรวจสอบได้ทันที

สเปกตรัมสีและอุณหภูมิที่สอดคล้องกัน

• สีแดงจางๆ (475-550°C / 885-1020°F): มองเห็นได้เฉพาะในความมืด ไม่เหมาะสำหรับการตีเหล็กส่วนใหญ่
• สีแดงเลือด (550-650°C / 1,020-1200°F): อุณหภูมิต่ำสุดสำหรับการหลอม เย็นเกินไปสำหรับการตีขึ้นรูปอย่างมีประสิทธิภาพ
• สีแดงเชอร์รี่เข้ม (650-750°C / 1200-1380°F): การตีขึ้นรูปด้วยแสงเป็นไปได้แต่ต้องใช้แรงมาก
• แดงเชอร์รี่ปานกลาง (750-815°C / 1380-1500°F): เหมาะสำหรับการเก็บผิวละเอียดบนเหล็กกล้าคาร์บอนสูง
• เชอร์รี่เรด (815-900°C / 1500-1650°F): อุณหภูมิการตีขึ้นรูปทั่วไปที่ดีเยี่ยมสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนส่วนใหญ่
• สีแดงเชอร์รี่สว่าง (900-1000°C / 1650-1830°F): เหมาะสมที่สุดสำหรับการตีขึ้นรูปหนัก
• สีส้ม (1,000-1100°C / 1830-2010°F): อุณหภูมิเริ่มต้นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโลหะเหล็กส่วนใหญ่
• สีส้มอ่อนถึงเหลือง (1100-1200°C / 2010-2190°F): อุณหภูมิการตีเหล็กคาร์บอนสูงสุด
• สีเหลืองเป็นสีขาว (1200-1300°C / 2190-2370°F): อุณหภูมิใกล้ลุกไหม้ เสี่ยงต่อความเสียหายของเมล็ดข้าว

แสงโดยรอบส่งผลต่อการรับรู้สีอย่างมาก มีเวิร์คช็อปด้วย ควบคุมแสงสว่างที่ 200-300 ลักซ์ ให้สภาวะที่ดีที่สุดสำหรับการประเมินอุณหภูมิภาพที่แม่นยำ แสงแดดโดยตรงอาจทำให้ไม่สามารถมองเห็นสีด้านล่างสีส้มสดใส ซึ่งอาจนำไปสู่การตีขึ้นรูปเย็นและความเสียหายของวัสดุ

วิธีการและอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิ

กระบวนการตีขึ้นรูปสมัยใหม่ใช้กลยุทธ์การควบคุมอุณหภูมิที่หลากหลายเพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอและคุณภาพ การเลือกวิธีการขึ้นอยู่กับปริมาณการผลิต ข้อกำหนดด้านความแม่นยำ และข้อกำหนดเฉพาะของวัสดุ

การเลือกอุปกรณ์ทำความร้อน

การตีถ่านหินและโค้กยังคงได้รับความนิยมในร้านค้าขนาดเล็กที่สามารถเข้าถึงได้ 1,400°C (2550°F) ในเขตพื้นที่ แม้ว่าการกระจายอุณหภูมิจะไม่สม่ำเสมอก็ตาม การตีก๊าซโดยใช้โพรเพนหรือก๊าซธรรมชาติมีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิที่ดีกว่า ด้วยการออกแบบหัวเผาที่ทันสมัย ​​ซึ่งมีความสม่ำเสมอ ±15°C ทั่วทั้งโซนทำความร้อนขนาด 300 มม. ระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำให้การควบคุมที่แม่นยำที่สุด โดยให้ความร้อนเฉพาะพื้นที่ตามอุณหภูมิภายในที่แน่นอน ±5°C ในสภาพแวดล้อมการผลิต ด้วยอัตราการทำความร้อนสูงถึง 1,000°C ต่อนาทีสำหรับส่วนประกอบขนาดเล็ก

เครื่องมือวัดอุณหภูมิ

• เทอร์โมคัปเปิลชนิด K: แม่นยำตั้งแต่ 0-1260°C เวลาตอบสนองต่ำกว่า 1 วินาที เหมาะสำหรับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง
• ไพโรมิเตอร์อินฟราเรด: การวัดแบบไม่สัมผัสสูงถึง 1600°C ต้องมีการปรับค่าการแผ่รังสี (0.8-0.95 สำหรับเหล็กออกซิไดซ์)
• กล้องถ่ายภาพความร้อน: แสดงการกระจายอุณหภูมิทั่วทั้งชิ้นงาน ตรวจจับจุดเย็นก่อนการขึ้นรูป
• ดินสอสีแสดงอุณหภูมิ: ละลายที่อุณหภูมิที่กำหนด (ช่วง 150-1400°C) มีประโยชน์สำหรับการตรวจสอบการอุ่นเครื่อง

สำหรับส่วนประกอบสำคัญด้านการบินและอวกาศหรือยานยนต์ ไพโรมิเตอร์ที่สอบเทียบแล้วด้วยความแม่นยำ ±0.3% เป็นข้อบังคับ โดยมีใบรับรองการสอบเทียบที่สามารถตรวจสอบย้อนกลับได้ตามมาตรฐานระดับชาติทุกๆ หกเดือน

ผลกระทบของอุณหภูมิการตีขึ้นรูปที่ไม่ถูกต้อง

การทำงานนอกช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมทำให้เกิดข้อบกพร่องของวัสดุทันทีและในระยะยาว การทำความเข้าใจผลที่ตามมาเหล่านี้จะช่วยป้องกันข้อผิดพลาดที่มีค่าใช้จ่ายสูงและการสูญเสียวัสดุ

ความเสียหายจากการตีขึ้นรูปเย็น

การตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิต่ำกว่าช่วงที่แนะนำจะทำให้โลหะเกิดการแข็งตัวมากเกินไปและอาจเกิดการแตกร้าวได้ เมื่อเหล็กกล้าคาร์บอนทำงานด้านล่าง 800°C (1470°F) การเปลี่ยนแปลงออสเทนไนต์เป็นเพิร์ลไลท์ได้เริ่มขึ้นแล้ว ทำให้วัสดุเปราะ รอยแตกบนพื้นผิวจะปรากฏขึ้นก่อน โดยทั่วไปจะมีความลึก 0.5-2 มม. ซึ่งสามารถแพร่กระจายไปทั่วหน้าตัดทั้งหมดในระหว่างรอบการให้ความร้อนตามมา แถบเฉือนภายในพัฒนาขึ้น เพื่อสร้างหัวความเครียดที่ช่วยลดอายุความเมื่อยล้าด้วย 40-60% ในส่วนประกอบสำเร็จรูป .

ความร้อนสูงเกินไปและการเผาไหม้

อุณหภูมิที่สูงเกินขีดจำกัดจะทำให้เกรนเติบโตและการซึมผ่านของออกซิเดชั่น ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1250°C (2280°F) สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน เมล็ดออสเทนไนต์จะเติบโตแบบทวีคูณ โดยขนาดเกรนจะเพิ่มขึ้นสองเท่าทุก ๆ 50°C ที่เพิ่มขึ้น โครงสร้างเกรนหยาบนี้ไม่สามารถทำให้บริสุทธิ์ได้เต็มที่ด้วยการบำบัดความร้อนในภายหลัง ส่งผลให้ความเหนียวลดลงอย่างถาวร การเผาไหม้เกิดขึ้นเมื่อโลหะมีอุณหภูมิใกล้โซลิดัส ส่งผลให้ออกซิเจนทะลุผ่านขอบเขตของเมล็ดพืช การเผาไหม้ไม่สามารถรักษาให้หายขาดได้ วัสดุที่ได้รับผลกระทบจะต้องถูกทิ้งทิ้ง แสดงถึงการสูญเสียโดยสิ้นเชิง

การเกิดตะกรันและการแยกสลายคาร์บอน

ที่อุณหภูมิการตีเหล็ก เหล็กจะออกซิไดซ์อย่างรวดเร็ว ก่อตัวเป็นขนาดในอัตรา 0.1-0.5 มม. ต่อชั่วโมงที่ 1150°C . มาตราส่วนนี้แสดงถึงการสูญเสียวัสดุและสร้างข้อบกพร่องที่พื้นผิว ที่สำคัญกว่านั้นคือพื้นผิวด้านล่างจะสูญเสียคาร์บอนจากการแยกสลายคาร์บอน ทำให้เกิดชั้นผิวที่อ่อนนุ่มลึก 0.5-3 มม. ซึ่งส่งผลต่อการตอบสนองต่อการแข็งตัว บรรยากาศที่มีการป้องกันหรือรอบการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจะช่วยลดผลกระทบนี้ โดยการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำจะช่วยลดระยะเวลาการสัมผัสลง 75% เมื่อเทียบกับการให้ความร้อนจากเตา .

การจัดการอุณหภูมิในระหว่างการตีขึ้นรูป

การตีขึ้นรูปให้ประสบความสำเร็จต้องรักษาชิ้นงานให้อยู่ในกรอบอุณหภูมิที่เหมาะสมตลอดการดำเนินการทั้งหมด อุณหภูมิจะลดลงอย่างรวดเร็วในระหว่างการตีโลหะ โดยสูญเสียส่วนเล็กๆ 50-100°C ต่อนาที เมื่อสัมผัสกับอากาศโดยรอบและสัมผัสกับแม่พิมพ์หรือทั่งตีเหล็ก

การคำนวณการสูญเสียความร้อนและความถี่ในการอุ่นเครื่อง

แท่งกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. ที่อุณหภูมิ 1,150°C จะสูญเสียอุณหภูมิประมาณ 150°C ใน 30 วินาทีแรกของการสัมผัสอากาศ โดยอัตราจะลดลงเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิลดลง การสัมผัสกับแม่พิมพ์ช่วยเร่งการสูญเสียความร้อน เหล็กตายที่อุณหภูมิห้องสามารถสกัดได้ 200-300°C จากพื้นผิวชิ้นงาน ในการติดต่อครั้งแรก ช่างตีเหล็กที่มีประสบการณ์จะพัฒนาความรู้สึกตามสัญชาตญาณในการอุ่นความถี่ แต่การตีขึ้นรูปการผลิตจะใช้ตารางเวลาที่อิงจากการคำนวณ

สำหรับลำดับการตีขึ้นรูปทั่วไปบนเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง ขั้นตอนการทำงานจะเป็นดังนี้:

1. ตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 1150°C (สีเชอร์รี่สว่างถึงส้ม)
2. เป่าแรงๆ 3-5 ครั้งในขณะที่อุณหภูมิยังคงสูงกว่า 1,000°C
3. ตีต่อไปจนกว่าโลหะจะมีอุณหภูมิถึง 870°C (สีแดงเชอร์รี่ขนาดกลาง)
4. กลับเข้าเตาหลอมเพื่ออุ่นก่อนที่วัสดุจะลดลงต่ำกว่า 800°C
5. ทำซ้ำจนได้รูปทรงที่ต้องการ

ข้อกำหนดในการอุ่นและการแช่

การตีขึ้นรูปขนาดใหญ่และเหล็กกล้าโลหะผสมสูงจำเป็นต้องมีการอุ่นก่อนที่ได้รับการควบคุมเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงจากความร้อน การตีขึ้นรูปชั่งน้ำหนักมากกว่า ควรอุ่นน้ำหนัก 50 กก. ที่ 400-600°C ก่อนที่จะสัมผัสกับอุณหภูมิการตีขึ้นรูปเต็มรูปแบบ โดยมีอัตราการให้ความร้อนจำกัดไว้ที่ 100-200°C ต่อชั่วโมงในขั้นตอนแรก เวลาในการแช่ที่อุณหภูมิการตีช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิตลอดทั้งหน้าตัด โดยคำนวณที่ 1 นาทีต่อความหนา 25 มม สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน นานกว่าสำหรับโลหะผสมเหล็กที่มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า

ข้อควรพิจารณาพิเศษสำหรับโลหะผสมเหล็ก

องค์ประกอบโลหะผสมเปลี่ยนแปลงช่วงอุณหภูมิและพฤติกรรมการตีอย่างมีนัยสำคัญ แต่ละองค์ประกอบส่งผลต่ออุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสและลักษณะการทำงานที่ร้อนในลักษณะเฉพาะ

ผลกระทบขององค์ประกอบโลหะผสมทั่วไป

โครเมียม (มีอยู่ในเหล็กกล้าเครื่องมือและเหล็กกล้าสเตนเลส) ทำให้ช่วงการตีขึ้นรูปแคบลง และเพิ่มความเสี่ยงที่พื้นผิวแตกร้าว เหล็กที่มีโครเมียม 12-18% ต้องมีอุณหภูมิเริ่มต้นที่ 1150-1200°C และจะต้องไม่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 925°C เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดเฟสซิกมา นิกเกิล ปรับปรุงความสามารถในการทำงานขณะร้อนโดยการขยายช่วงออสเทนไนต์ให้กว้างขึ้น ส่งผลให้อุณหภูมิการเก็บผิวสำเร็จลดลงประมาณ 790°C โดยไม่เสี่ยงต่อการแตกร้าว

โมลิบดีนัม และ ทังสเตน เพิ่มความต้องการอุณหภูมิการตีขึ้นรูปอย่างมีนัยสำคัญโดยเหล็กกล้าความเร็วสูงบางชนิดต้องการอุณหภูมิเริ่มต้นที่ 1200-1260°C . องค์ประกอบเหล่านี้ยังชะลอการแพร่กระจาย ทำให้ต้องใช้เวลาแช่นานขึ้น—มากถึง 2 นาทีต่อความหนา 25 มม . วาเนเดียม ก่อให้เกิดคาร์ไบด์ที่ต้านทานการละลาย ทำให้เกิดความเค้นเฉพาะที่ระหว่างการตีขึ้นรูป เว้นแต่ว่าอุณหภูมิจะเกิน 1,150°C

พารามิเตอร์การตีเหล็กสแตนเลส

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก (ซีรีส์ 304, 316) นำเสนอความท้าทายที่ไม่เหมือนใครเนื่องจากมีการนำความร้อนต่ำ—โดยประมาณ 40% ของเหล็กกล้าคาร์บอน . สิ่งนี้ทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญ โดยต้องใช้อัตราการทำความร้อนที่ช้าและการแช่น้ำเป็นเวลานาน ต้องปฏิบัติตามช่วงการตีขึ้นรูปที่ 1,040-1200°C อย่างเคร่งครัด เนื่องจากการทำงานในช่วง 480-870°C จะตกตะกอนโครเมียมคาร์ไบด์ ส่งผลให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลงอย่างรุนแรง เหล็กกล้าไร้สนิมต่างจากเหล็กกล้าคาร์บอนตรงที่จะแสดงสีที่มองเห็นได้ไม่ดีเนื่องจากคุณลักษณะของออกไซด์ของพื้นผิว ทำให้จำเป็นต้องใช้ไพโรมิเตอร์

การควบคุมอุณหภูมิหลังการตีขึ้นรูป

ขั้นตอนการหล่อเย็นหลังจากการหลอมเสร็จสิ้นแล้วส่งผลกระทบอย่างยิ่งต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติขั้นสุดท้าย การระบายความร้อนที่ไม่เหมาะสมจะทำให้เกิดความเค้นตกค้าง การบิดงอ หรือการแข็งตัวโดยไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งจะทำให้การดำเนินการตัดเฉือนในภายหลังยุ่งยากขึ้น

กลยุทธ์การทำความเย็นแบบควบคุม

สำหรับการตีขึ้นรูปเหล็กกล้าคาร์บอนส่วนใหญ่ ทำความเย็นในอากาศนิ่งตั้งแต่ 650°C ให้ผลลัพธ์ที่เพียงพอ โดยสร้างโครงสร้างมาตรฐานที่เหมาะสมสำหรับการตัดเฉือน รูปทรงที่ซับซ้อนได้ประโยชน์จากการฝังไว้ในวัสดุฉนวน (เวอร์มิคูไลต์ ปูนขาว หรือขี้เถ้าไม้) เพื่อชะลอการระบายความร้อนลงเหลือประมาณ 50°C ต่อชั่วโมง ลดการไล่ระดับความเครียดจากความร้อน เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (สูงกว่า 0.6% C) และเหล็กกล้าโลหะผสมจำนวนมากจะต้องถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ เพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงของมาร์เทนซิติก ซึ่งทำให้เกิดการแตกร้าว การตีขึ้นรูปเหล่านี้ทำให้เย็นในเตาเผาที่อุณหภูมิควบคุม 20-30°C ต่อชั่วโมง ตั้งแต่ 870°C ถึง 540°C

ข้อกำหนดในการบรรเทาความเครียด

การตีขึ้นรูปขนาดใหญ่เกิน 100 มม. ในทุกมิติ สะสมความเค้นตกค้างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการทำความเย็น โดยไม่คำนึงถึงวิธีการทำความเย็น การบำบัดด้วยความร้อนเพื่อคลายความเครียดที่อุณหภูมิ 580-650°C เป็นเวลา 1-2 ชั่วโมงต่อความหนา 25 มม. ช่วยลดความเครียดเหล่านี้โดย 80-90% ปรับปรุงความเสถียรของมิติระหว่างการตัดเฉือน ขั้นตอนกลางนี้จำเป็นสำหรับส่วนประกอบที่มีความแม่นยำในการใช้งานด้านการบินและอวกาศและการผลิตพลังงาน โดยจะวัดค่าความคลาดเคลื่อนของการบิดเบือนได้ในหน่วยร้อยส่วนมิลลิเมตร

ข้อพิจารณาด้านความปลอดภัยและสิ่งแวดล้อม

อุณหภูมิการตีขึ้นรูปทำให้เกิดอันตรายจากความร้อนอย่างร้ายแรงซึ่งจำเป็นต้องมีระเบียบปฏิบัติด้านความปลอดภัยที่ครอบคลุม โลหะที่อุณหภูมิ 1,150°C ให้ความร้อนจากการแผ่รังสีที่เพียงพอ แผลไหม้ระดับ 2 ที่ระยะ 1 เมตร ภายใน 30 วินาที ของการสัมผัสอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคลที่เหมาะสม ได้แก่ ผ้ากันเปื้อนอะลูมิเนียมหรือหนังที่ทนต่อการแผ่รังสีความร้อน อุปกรณ์ป้องกันใบหน้าพร้อมฟิลเตอร์เฉดสี 5-8 และถุงมือหุ้มฉนวนที่สามารถทนต่อการสัมผัสพื้นผิวที่อุณหภูมิ 650°C เป็นเวลาสั้นๆ

บรรยากาศที่หลอมละลายจะผลิตก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และควันโลหะซึ่งต้องการการระบายอากาศที่เพียงพอ ประกอบกิจการอุตสาหกรรมบำรุงรักษา การเปลี่ยนแปลงอากาศ 10-15 ครั้งต่อชั่วโมง ในพื้นที่โรงตีเหล็ก โดยมีปล่องดักจับไอเสียอยู่ในตำแหน่งเพื่อสกัดกั้นผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้ที่เพิ่มขึ้น การก่อตัวของตะกรันทำให้เกิดการปล่อยอนุภาค การตีเหล็กแท่งขนาด 10 กก. สามารถทำได้เพียงครั้งเดียว เกล็ดเหล็กออกไซด์ 100-200 กรัม ซึ่งลอยไปในอากาศเมื่อถูกขับออกไปโดยการทุบ

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานดีขึ้นเมื่อมีการจัดการอุณหภูมิที่เหมาะสม วัสดุที่ให้ความร้อนสูงเกินไปประมาณ 100°C ของเสียโดยประมาณ เชื้อเพลิงเพิ่มเติม 8-12% ต่อรอบความร้อน ในขณะที่การให้ความร้อนซ้ำมากเกินไปเนื่องจากการวางแผนขั้นตอนการทำงานที่ไม่ดีอาจทำให้สิ้นเปลืองพลังงานเป็นสองเท่า การหลอมก๊าซสมัยใหม่มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่ 25-35% ในขณะที่ระบบเหนี่ยวนำสูงถึง 65-75% ทำให้การเลือกอุปกรณ์เป็นปัจจัยสำคัญในต้นทุนการดำเนินงานและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม