การตีเหล็กกล้าเครื่องมือ: เกรด วิธีการ และพารามิเตอร์กระบวนการ

การตีเหล็กกล้าเครื่องมือเป็นกระบวนการขึ้นรูปโลหะผสมของเหล็กกล้าเครื่องมือภายใต้แรงอัดสูง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะอยู่ระหว่างนั้น 1,900°F และ 2,200°F (1,040°C–1,200°C) —เพื่อผลิตแม่พิมพ์ การเจาะ เครื่องมือตัด และส่วนประกอบโครงสร้างที่มีคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับทางเลือกอื่นที่กลึงหรือหล่อ ชิ้นส่วนเหล็กกล้าเครื่องมือหลอมมีความเหนียว ความต้านทานต่อความล้า และความสม่ำเสมอของขนาดสูงกว่าอย่างเห็นได้ชัด ทำให้การตีขึ้นรูปเป็นเส้นทางการผลิตที่ต้องการสำหรับการใช้งานเครื่องมือที่มีความเครียดสูง

ไม่ว่าคุณจะจัดหาช่องว่างสำหรับแม่พิมพ์งานเย็นหรือเลือกวิธีการตีขึ้นรูปสำหรับพั้นช์งานร้อน การทำความเข้าใจว่ากระบวนการโต้ตอบกับเกรดเหล็กกล้าเครื่องมือเฉพาะเจาะจงอย่างไรถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่คุณต้องการ

ทำไมต้องปลอมแปลงเหล็กกล้าเครื่องมือเลย?

เหล็กกล้าเครื่องมือสามารถตัดเฉือนจากสต็อกแท่งหรือผลิตโดยโลหะผสมผง ดังนั้นทางเลือกในการปลอมจึงเป็นเรื่องที่พิจารณาอย่างรอบคอบ โดยขับเคลื่อนด้วยข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่วิธีการอื่นไม่สามารถตอบสนองได้อย่างเต็มที่

การตีขึ้นรูปจะแตกตัวและกระจายโครงข่ายคาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัว ในเหล็กกล้าเครื่องมือโลหะผสมสูง เช่น D2 หรือ M2 แถบคาร์ไบด์แบบหล่อสามารถลดความเหนียวตามขวางได้ 30–50% เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กแท่งปลอมแปลงและทำงานอย่างเหมาะสม การทำงานเชิงกลยังปิดรูพรุนภายใน ปรับแนวการไหลของเกรนให้สอดคล้องกับรูปทรงของชิ้นส่วน และสร้างโครงสร้างเกรนที่ละเอียดซึ่งตอบสนองต่อการบำบัดความร้อนได้อย่างคาดการณ์ได้มากขึ้น

ในทางปฏิบัติ เม็ดมีดฟอร์จ H13 โดยทั่วไปจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าการตัดเฉือนเทียบเท่ากับปัจจัยหนึ่ง 1.5–3× ในการใช้งานหล่อด้วยแรงดันสูง ขึ้นอยู่กับความรุนแรงของวงจรความร้อน

เกรดเหล็กกล้าเครื่องมือทั่วไปและลักษณะการตีขึ้นรูป

เหล็กกล้าเครื่องมือบางชนิดไม่สามารถหลอมด้วยวิธีเดียวกันได้ ปริมาณโลหะผสม ระดับคาร์บอน และประเภทคาร์ไบด์ ล้วนส่งผลต่อความสามารถในการหลอมโลหะและกรอบเวลากระบวนการที่จำเป็น

ช่วงอุณหภูมิการตีขึ้นรูปและพิกัดความสามารถในการตีขึ้นรูปสำหรับเกรดเหล็กกล้าเครื่องมือ AISI ทั่วไป
เกรด	เอไอเอส คลาส	การปลอมช่วงอุณหภูมิ	ความสามารถในการจดจำได้	การใช้งานทั่วไป
A2	งานเย็นชุบแข็งด้วยอากาศ	1,950–2,050°F (1,065–1,120°C)	ดี	แม่พิมพ์ตัด, ใบมีดเฉือน
D2	งานเย็นคาร์บอนสูงโครเมียมสูง	1,850–1,950°F (1,010–1,065°C)	ยุติธรรม (จำเป็นต้องลดจำนวนลงอย่างมาก)	การวาดแม่พิมพ์ขึ้นรูปม้วน
H13	งานร้อนๆ	2,000–2,100°F (1,095–1,150°C)	ยอดเยี่ยม	แม่พิมพ์หล่อ, เครื่องมืออัดขึ้นรูป
M2	โมลิบดีนัมความเร็วสูง	1,975–2,075°F (1,080–1,135°C)	แฟร์ (หน้าต่างแคบ)	ดอกสว่าน ดอกต๊าป ดอกเอ็นมิลล์
S7	กันกระแทก	1,900–2,000°F (1,040–1,095°C)	ดีมาก	สิ่ว, เจาะ, ดอกทะลุทะลวง
O1	งานเย็นชุบแข็งด้วยน้ำมัน	1,850–1,950°F (1,010–1,065°C)	ดี	เกจ ก๊อก เครื่องมืองานไม้

D2 ด้วย ~มีโครเมียม 12% และคาร์บอน 1.5% เป็นหนึ่งในเหล็กกล้าเครื่องมือที่ยากที่สุดในการปลอมแปลง โครเมียมคาร์ไบด์ในปริมาณมากต้องใช้การลดปริมาณอย่างหนักและควบคุมได้เพื่อแยกโครงข่ายยูเทคติกคาร์ไบด์ การตีขึ้นรูป D2 ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1,850°F เสี่ยงต่อการแตกร้าว อุณหภูมิที่สูงกว่า 1,975°F เสี่ยงต่อการหลอมละลายที่ขอบเขตของคาร์ไบด์

วิธีการตีเหล็กที่ใช้กับเหล็กกล้าเครื่องมือ

การเลือกวิธีการตีขึ้นรูปจะส่งผลต่อการไหลของเกรน ผิวสำเร็จ พิกัดความเผื่อ และปริมาณของการตัดเฉือนหลังการตีขึ้นรูปที่ต้องการ

การตีแบบ Open-Die (Smith)

การตีขึ้นรูปแบบเปิดใช้แม่พิมพ์ที่มีรูปทรงแบนหรือเรียบง่ายเพื่อทำงานกับแท่งเหล็กที่ให้ความร้อนผ่านชุดการบีบอัดแบบเพิ่มหน่วย เป็นวิธีการที่ยืดหยุ่นที่สุดและเป็นแนวทางมาตรฐานในการผลิตช่องว่างเหล็กกล้าเครื่องมือ บล็อกแม่พิมพ์ขนาดใหญ่ และรูปทรงแบบกำหนดเองที่จะทำการกลึงขั้นสุดท้าย

เหมาะสำหรับบิลเล็ตตั้งแต่ไม่กี่ปอนด์ขึ้นไป หลายตัน
ช่วยให้สามารถควบคุมอัตราส่วนการลดและทิศทางการทำงานได้เต็มรูปแบบ
อัตราส่วนลดขั้นต่ำของ 4:1 โดยทั่วไปจำเป็นสำหรับการสลายคาร์ไบด์อย่างเพียงพอในเกรดโลหะผสมสูง
ใช้โดยผู้ผลิตเหล็กชนิดพิเศษส่วนใหญ่สำหรับการผลิตเหล็กเส้นกลม สี่เหลี่ยม และเหล็กเส้นมาตรฐาน

การตีขึ้นรูปแบบปิด (Impression-Die)

ในการตีขึ้นรูปแบบปิด สต็อกที่ให้ความร้อนจะถูกกดระหว่างครึ่งหนึ่งของแม่พิมพ์ที่ตรงกันซึ่งมีช่องที่ตรงกับรูปร่างของชิ้นส่วนที่เสร็จแล้ว วิธีนี้ทำให้เกิดการตีขึ้นรูปที่มีรูปร่างใกล้เคียงตาข่ายโดยมีการควบคุมการไหลของเกรนและค่าความคลาดเคลื่อนของขนาดที่แคบ โดยทั่วไป ±0.010 ถึง ±0.030 นิ้ว ในมิติที่สำคัญ

การตีขึ้นรูปแบบปิดใช้สำหรับการเจาะ เม็ดมีด และส่วนประกอบเครื่องมือขนาดเล็ก ซึ่งปริมาตรเหมาะสมกับการลงทุนด้านเครื่องมือ สำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือ อายุการใช้งานของแม่พิมพ์เองก็เป็นเรื่องที่น่ากังวล เนื่องจากแม่พิมพ์พิมพ์ H13 มักใช้ในการหลอมเกรดเหล็กกล้าเครื่องมืออื่นๆ ที่อุณหภูมิสูง

การกลิ้งแบบหมุน (วงแหวน) และการตีแบบเรเดียล

สำหรับส่วนประกอบทรงกระบอก เช่น แหวน บุชชิ่ง หรือแท่งกลม วิธีการตีขึ้นรูปแบบหมุนจะทำให้เกรนเส้นรอบวงมีความประณีตอย่างต่อเนื่อง การตีแบบเรเดียลจะกดแท่งเหล็กแท่งกลมพร้อมกันจากหลายทิศทาง ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอมากในแท่งกลมหรือแท่งหกเหลี่ยม วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต เหล็กเส้นกลมไฮสปีด (HSS) สำหรับช่องว่างเครื่องมือตัด

การตีขึ้นรูปด้วยความร้อนคงที่

การตีแบบไอโซเทอร์มอลจะให้ความร้อนทั้งชิ้นงานและแม่พิมพ์จนถึงอุณหภูมิเดียวกัน ช่วยลดอุณหภูมิที่ลดลงซึ่งเป็นสาเหตุให้พื้นผิวเย็นตัวและแตกร้าวในโลหะผสมที่ปลอมแปลงยาก พบได้น้อยสำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือเนื่องจากต้นทุนอุปกรณ์ แต่ใช้สำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือ HSS เกรดการบินและอวกาศและเหล็กกล้าเครื่องมือโลหะผสมผงที่มีหน้าต่างการทำงานร้อนที่แคบมาก

พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญในการควบคุม

การทำให้โลหะวิทยาถูกต้องในระหว่างการตีเหล็กกล้าเครื่องมือจำเป็นต้องมีการควบคุมตัวแปรที่พึ่งพาอาศัยกันหลายอย่างอย่างเข้มงวด

เปิดเตาและแช่อุณหภูมิ

เหล็กกล้าเครื่องมือจะต้องได้รับความร้อนอย่างช้าๆ และสม่ำเสมอเพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงจากความร้อน เกณฑ์วิธีอุ่นเครื่องทั่วไปสำหรับบล็อก H13 ขนาดใหญ่:

ร้อนไป 1,200°F (650°C) และค้างไว้จนกระทั่งอุณหภูมิเท่ากันผ่านหน้าตัด
ทางลาดถึงอุณหภูมิการตีขึ้นรูปที่ ≤200°F/ชั่วโมง (110°C/ชั่วโมง)
แช่ที่อุณหภูมิการตีขึ้นรูปขั้นต่ำ ความหนา 1 ชั่วโมงต่อนิ้ว

การเร่งการแช่จะทำให้แกนเย็น ซึ่งทำให้เกิดการเสียรูปไม่สม่ำเสมอ และอาจทำให้เกิดรอยแตกภายในได้ในระหว่างการกด

เสร็จสิ้นการตีอุณหภูมิ

งานจะต้องเสร็จสิ้นเหนืออุณหภูมิการตกแต่งขั้นต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการแข็งตัวของเหล็กในสภาพเปราะ สำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือส่วนใหญ่ การตีขึ้นรูปไม่ควรดำเนินการต่อไปด้านล่าง 1,750°F (955°C) . หากชิ้นส่วนลดลงต่ำกว่าเกณฑ์นี้ ควรนำชิ้นส่วนนั้นกลับไปที่เตาหลอม แทนที่จะบังคับผ่านการลดขนาดเพิ่มเติม

อัตราส่วนลด

อัตราส่วนลด (เริ่มต้นหน้าตัด ให้กับหน้าตัดที่เสร็จแล้ว) ขับเคลื่อนการสลายคาร์ไบด์และการปรับแต่งเกรน มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการตีขึ้นรูปเหล็กกล้าเครื่องมือมักต้องการ:

ขั้นต่ำ 3:1 สำหรับเกรดทนแรงกระแทกและทนน้ำ (S7, W1)
ขั้นต่ำ 4:1 ถึง 6:1 สำหรับเกรดงานเย็น (A2, D2)
ขั้นต่ำ 6:1 หรือสูงกว่า สำหรับเหล็กความเร็วสูง (M2, T1) เพื่อทำลายเครือข่ายยูเทคติกคาร์ไบด์อย่างเพียงพอ

การระบายความร้อนหลังจากการตีขึ้นรูป

เหล็กกล้าเครื่องมือจะต้องเย็นลงอย่างช้าๆ หลังจากการทุบขึ้นรูป เพื่อป้องกันการแตกร้าวจากความเครียดจากการเปลี่ยนแปลง วิธีปฏิบัติทั่วไปคือการฝังการตีขึ้นรูปในทรายแห้ง เวอร์มิคูไลต์ หรือปูนขาวที่เป็นฉนวน หรือนำไปเผาโดยตรงในเตาเผาที่ 1,100–1,200°F (595–650°C) เพื่อความเย็นที่ช้าและควบคุมได้จนถึงบรรยากาศโดยรอบ การระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นที่ยอมรับเฉพาะเกรดที่ให้อภัยได้มากที่สุด เช่น S7 ในหน้าตัดขนาดเล็กเท่านั้น

การหลอมหลังจากการตีขึ้นรูป

การตีเหล็กกล้าเครื่องมือทำให้งานแข็งตัวและล็อคความเค้นตกค้าง ก่อนการตัดเฉือนหรือการอบชุบใดๆ ต้องอบอ่อนเหล็กกล้าเครื่องมือหลอมเพื่อ:

ทำให้เหล็กนิ่มลงจนมีความแข็งที่แปรรูปได้ (โดยทั่วไป เอชบี 180–250 ขึ้นอยู่กับเกรด)
บรรเทาความเครียดจากการตีขึ้นรูปที่ตกค้าง
สร้างโครงสร้างจุลภาคของคาร์ไบด์ทรงกลมที่สม่ำเสมอเพื่อการตอบสนองต่อการบำบัดความร้อนที่เหมาะสมที่สุด

ตัวอย่างเช่น การอบอ่อนแบบทรงกลมเต็มรูปแบบสำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือ D2 เกี่ยวข้องกับการจับยึดที่ 1,600°F (870°C) เป็นเวลา 2-4 ชั่วโมง จากนั้นจึงชะลอการระบายความร้อนของเตาไว้ที่ ≤25°F/ชั่วโมง (14°C/ชั่วโมง) ถึงต่ำกว่า 1,000°F (540°C) การข้ามหรือย่อขั้นตอนนี้มักนำไปสู่การเจียรรอยแตกร้าวหรือการบิดเบี้ยวระหว่างการชุบแข็ง

ข้อบกพร่องทั่วไปในการตีขึ้นรูปเหล็กกล้าเครื่องมือ และวิธีการหลีกเลี่ยง

ข้อบกพร่องทั่วไปที่พบในระหว่างการตีเหล็กกล้าเครื่องมือพร้อมสาเหตุและมาตรการป้องกัน
ข้อบกพร่อง	สาเหตุ	การป้องกัน
การแตกร้าวของพื้นผิว	การตีขึ้นรูปต่ำกว่าอุณหภูมิต่ำสุด ลดมากเกินไปต่อการผ่าน	อุ่นซ้ำก่อนที่อุณหภูมิจะลดลงต่ำกว่าขีดจำกัดการตีขึ้นรูป จำกัดการลดการส่งผ่านครั้งเดียวเป็น 20–30%
ระเบิด / แตกภายใน	แกนเย็นจากการแช่ไม่เพียงพอ อัตราการลดมากเกินไป	แช่เต็มที่ที่อุณหภูมิก่อนกด ค่อยๆใช้การลด
แถบคาร์ไบด์ (เป็นริ้ว)	อัตราส่วนการลดไม่เพียงพอ การทำงานแบบทิศทางเดียว	บรรลุอัตราส่วนการลดขั้นต่ำ ทำงานในหลายทิศทาง
ความร้อนสูงเกินไป / การเผาไหม้	เกินอุณหภูมิการปลอมสูงสุด เวลาเตาหลอมมากเกินไป	การควบคุมเตาหลอมที่ปรับเทียบแล้ว จำกัดเวลาที่อุณหภูมิสูงสุด ใช้เทอร์โมคัปเปิ้ลในการบรรทุก
การแตกร้าวหลังการปลอมแปลง	การระบายความร้อนเร็วเกินไปหลังจากการปลอม	หุ้มฉนวนหรือเตาให้เย็นทันทีหลังจากการตีขึ้นรูปเสร็จสิ้น

การตีเหล็กกล้าเครื่องมือกับโลหะผสมผง: รู้ว่าเมื่อใดควรเลือกแต่ละอย่าง

เหล็กกล้าเครื่องมือโลหะผสมผง (PM) ซึ่งผลิตโดยการทำให้เป็นอะตอมและการเผาผงโลหะผสม มีการกระจายตัวของคาร์ไบด์ที่สม่ำเสมออย่างยิ่ง ซึ่งการตีขึ้นรูปเพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำได้ในเกรดโลหะผสมสูง เกรด PM เช่น CPM 3V, CPM M4 หรือ Vanadis 4 Extra ได้กลายเป็นทางเลือกยอดนิยมแทน D2 หรือ M2 ปลอมแปลงทั่วไปสำหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูง

อย่างไรก็ตาม การตีขึ้นรูปยังคงมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในหลาย ๆ สถานการณ์:

ราคา: โดยทั่วไปแล้วแท่งเหล็กเครื่องมือปลอมแปลงตามอัตภาพ ราคาถูกกว่า 30–60% กว่าเกรด PM ที่เทียบเท่า
หน้าตัดขนาดใหญ่: ความพร้อมของบาร์ PM นั้นมีจำกัดในส่วนที่มีน้ำหนักมาก บล็อกเหล็กกล้าเครื่องมือปลอมแปลงมักผลิตในขนาดเกิน 24 นิ้ว
รูปร่างที่กำหนดเอง: การตีขึ้นรูปแบบเปิดสามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างใกล้เคียงตาข่ายซึ่งช่วยลดการสิ้นเปลืองวัสดุในบล็อกแม่พิมพ์ขนาดใหญ่
ประสิทธิภาพที่พิสูจน์แล้ว: Forged H13, A2 และ S7 มีข้อมูลประสิทธิภาพภาคสนามมานานหลายทศวรรษในแทบทุกการใช้งานเครื่องมือ

PM เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าเมื่อความเหนียวในทุกทิศทางเป็นสิ่งสำคัญ ปริมาณวานาเดียมเกิน ~3–4% (ทำให้การตีขึ้นรูปแบบธรรมดาทำไม่ได้) หรือเมื่อการใช้งานต้องการโครงสร้างคาร์ไบด์ที่ละเอียดที่สุด สำหรับเครื่องมือที่ใช้ม้าหมุนส่วนใหญ่ เหล็กกล้าเครื่องมือทั่วไปที่หลอมอย่างเหมาะสมยังคงเป็นโซลูชันที่คุ้มค่าที่สุด .

การจัดหาและการตรวจสอบคุณภาพ

เมื่อซื้อเหล็กกล้าเครื่องมือหลอม แนวทางปฏิบัติด้านการประกันคุณภาพที่สำคัญ ได้แก่:

การรับรองโรงงาน: ขอการวิเคราะห์ทางเคมี (ใบรับรองความร้อน) และผลการทดสอบทางกล (แรงดึง การกระแทก) จากความร้อนในการตีขึ้นรูป หากมี
การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (UT): สำคัญสำหรับบล็อกแม่พิมพ์ขนาดใหญ่ ASTM A388 เป็นวิธีการ UT มาตรฐานสำหรับการตีเหล็กและสามารถตรวจจับช่องว่างภายในหรือการแยกส่วนเหนือขีดจำกัดการยอมรับที่ระบุ
คะแนนเครือข่ายคาร์ไบด์: สำหรับเกรดโลหะผสมสูง ซัพพลายเออร์ควรสามารถจัดเตรียมหรือจัดให้มีการตรวจสอบทางโลหะวิทยาเพื่อยืนยันการกระจายตัวของคาร์ไบด์ที่เพียงพอตามมาตรฐานการยอมรับที่กำหนดไว้ (เช่น SEP 1520 สำหรับแถบคาร์ไบด์)
การตรวจสอบความแข็งแบบอบอ่อน: การอ่านค่าความแข็ง Brinell บนใบเสร็จช่วยยืนยันว่าวัสดุได้รับการอบอ่อนอย่างเหมาะสมและอยู่ภายในช่วงที่คาดหวังสำหรับเกรด

ซัพพลายเออร์เหล็กกล้าเครื่องมือที่มีชื่อเสียง เช่น Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology และ Crucible Industries (สำหรับเกรด PM) ให้การรับรองผลิตภัณฑ์ที่เป็นมาตรฐาน แต่แนะนำให้มีการตรวจสอบโดยหน่วยงานอิสระสำหรับโปรแกรมเครื่องมือที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัยหรือมีปริมาณมาก