Työkaluteräksen taonta: arvot, menetelmät ja prosessiparametrit

Työkaluteräksen taonta on työkaluterässeosten muotoiluprosessi suurella puristusvoimalla – tyypillisesti välillä 1 900 °F ja 2 200 °F (1 040–1 200 °C) —valmistaa meistiä, lävistyksiä, leikkuutyökaluja ja rakenneosia, joilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Verrattuna koneistettuihin tai valetuihin vaihtoehtoihin, taotut työkaluteräsosat tarjoavat huomattavasti paremman sitkeyden, väsymiskestävyyden ja mittojen yhtenäisyyden, mikä tekee takomisesta suositellun valmistusreitin korkean jännityksen työkalusovelluksiin.

Olitpa hankkimassa aihioita kylmätyöstömeistiä varten tai valitsemassa taontamenetelmää kuumatyöstömeistille, prosessin vuorovaikutus tiettyjen työkaluteräslaatujen kanssa on välttämätöntä tarvitsemasi suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Miksi Forge Tool Steel ylipäätään?

Työkaluteräksiä voidaan työstää tankomassasta tai valmistaa jauhemetallurgialla, joten takomisen valinta on tietoinen – se perustuu suorituskykyvaatimuksiin, joita muut menetelmät eivät täysin pysty täyttämään.

Takominen hajottaa ja jakaa uudelleen karbidiverkostot, jotka muodostuvat jähmettymisen aikana. Runsasseosteisissa työkaluteräksissä, kuten D2 tai M2, valettu kovametallinauha voi vähentää poikittaista sitkeyttä 30–50 % verrattuna oikein taottuun ja työstettyyn aihioon. Mekaaninen työstö myös sulkee sisäisen huokoisuuden, kohdistaa raevirtauksen osan geometriaan ja tuottaa hienostuneen raerakenteen, joka reagoi ennakoitavammin lämpökäsittelyyn.

Käytännössä taottu H13-muotisisäke kestää tyypillisesti pidempään kuin koneistettu vastaava 1,5–3× korkeapainevalusovelluksissa lämpösyklin vakavuudesta riippuen.

Yleiset työkaluteräslaadut ja niiden taontaominaisuudet

Kaikki työkaluteräkset eivät taota samalla tavalla. Seospitoisuus, hiilen määrä ja kovametallityyppi vaikuttavat kaikki muokattavuuteen ja vaadittuun prosessiikkunaan.

D2, sen kanssa ~12 % kromia ja 1,5 % hiiltä , on vaikeimmin takottavia työkaluteräksiä. Kromikarbidien suuri määrä vaatii raskaita, kontrolloituja pelkistämistä eutektisen karbidiverkoston hajottamiseksi. D2:n takominen alle 1 850 °F:n lämpötilassa voi halkeilla; yli 1 975 °F:n vaarana on alkava sulaminen karbidin rajoilla.

Työkaluteräkselle käytetyt taontamenetelmät

Taontamenetelmän valinta vaikuttaa raevirtaukseen, pinnan viimeistelyyn, toleransseihin ja tarvittavaan takomisen jälkeiseen työstöön.

Open Die (Smith) taonta

Avomeistitaonta käyttää litteitä tai yksinkertaisen muotoisia muotteja kuumennetun aihion työstämiseen useiden porraspuristusten avulla. Se on joustavin menetelmä ja standardi lähestymistapa työkaluteräsaihioiden, suurten muottikappaleiden ja mukautettujen muotojen valmistukseen, jotka viimeistellään.

• Soveltuu muutamasta kilosta painaville aihioille useita tonneja
• Mahdollistaa alennussuhteen ja työskentelysuunnan täyden hallinnan
• Pienin vähennyssuhde 4:1 tarvitaan tyypillisesti riittävään kovametallien hajoamiseen runsasseosteisissa laaduissa
• Useimmat erikoisteräksen valmistajat käyttävät standardia pyöreän, neliön ja litteän tangon valmistukseen

Closed-Die (Impression-Die) taonta

Suljetussa takomisessa kuumennettua massaa puristetaan yhteensopivien muottipuoliskojen väliin, jotka sisältävät valmiin osan muotoa vastaavan ontelon. Tämä menetelmä tuottaa lähes verkon muotoisia takeita kontrolloidulla raevirtauksella ja tiukat mittatoleranssit - tyypillisesti ±0,010 - ±0,030 tuumaa kriittisillä mitoilla.

Suljettua taontaa käytetään stanssauksiin, teriin ja pienempiin työkalukomponentteihin, kun tilavuus oikeuttaa työkaluinvestoinnin. Työkaluterästen kohdalla itse muotin käyttöikä tulee huolestuttavaksi – H13-jäljennösmuotteja käytetään yleisesti muiden työkaluterästen takomiseen korkeissa lämpötiloissa.

Pyörivä (rengas) valssaus ja radiaalinen taonta

Sylinterimäisille osille, kuten renkaille, holkeille tai pyöreille tankoille, pyörivät taontamenetelmät tarjoavat jatkuvan kehämäisen jyvästyksen. Säteittäinen taonta puristaa pyöreän aihion samanaikaisesti useista suunnista, jolloin saadaan erittäin tasaiset mikrorakenteet pyöreään tai kuusikulmaiseen tankoon. Tätä menetelmää käytetään laajasti tuotannossa pyöreä terästanko (HSS). työkaluaihioiden leikkaamiseen.

Isoterminen taonta

Isoterminen takominen lämmittää sekä työkappaleen että muotit samaan lämpötilaan, mikä eliminoi lämpötilan laskun, joka aiheuttaa pinnan jäähtymistä ja halkeilua vaikeasti taottavissa metalliseoksissa. Se on vähemmän yleinen työkaluteräksissä laitekustannusten vuoksi, mutta sitä käytetään ilmailu- ja avaruusluokan HSS- ja jauhemetallurgian työkaluteräksissä, joissa on erittäin kapeat kuumatyöstöikkunat.

Ohjattavat kriittiset prosessiparametrit

Metallurgian saaminen oikein työkaluteräksen takomisen aikana vaatii useiden toisistaan riippuvaisten muuttujien tiukkaa hallintaa.

Esilämmitys ja liotuslämpötila

Työkaluteräkset on lämmitettävä hitaasti ja tasaisesti lämpöshokin välttämiseksi. Tyypillinen esilämmitysprotokolla suurelle H13-lohkolle:

1. Lämmitä 1 200 °F (650 °C) ja pidä painettuna, kunnes lämpötila tasaantuu poikkileikkauksen läpi
2. Ramppi taontalämpötilaan klo ≤200°F/tunti (110°C/tunti)
3. Liota taontalämpötilassa vähintään 1 tunti paksuustuumaa kohti

Liotuksen kiirehtiminen johtaa kylmään ytimeen, joka aiheuttaa epätasaista muodonmuutosta ja voi aiheuttaa sisäisiä halkeamia puristuksen aikana.

Viimeistelyn taontalämpötila

Työ on suoritettava yli alimman viimeistelylämpötilan, jotta vältetään teräksen venymiskarkaisu hauraassa kunnossa. Useimmissa työkaluteräksissä taontaa ei tulisi jatkaa alla 1750°F (955°C) . Jos kappale putoaa tämän kynnyksen alapuolelle, se tulee palauttaa uuniin sen sijaan, että se pakotettaisiin lisäleikkauksiin.

Vähennyssuhde

Vähennyssuhde (alkupoikkileikkaus ÷ valmis poikkileikkaus) ajaa kovametallin hajoamista ja rakeiden jalostusta. Alan standardit työkaluterästaukoille edellyttävät tyypillisesti:

• Vähintään 3:1 iskunkestävälle ja vettä kovettuville laaduille (S7, W1)
• Vähintään 4:1 - 6:1 kylmätyöstöille (A2, D2)
• Vähintään 6:1 tai suurempi suurnopeusteräksille (M2, T1) eutektisten karbidiverkkojen riittävän katkaisemiseksi

Jäähdytys takomisen jälkeen

Työkaluteräkset on jäähdytettävä hitaasti takomisen jälkeen, jotta estetään halkeilu muunnosjännitysten seurauksena. Yleinen käytäntö on haudata taonta kuivaan hiekkaan, vermikuliittiin tai eristävään kalkkiin tai sijoittaa se suoraan uuniin 1 100–1 200 °F (595–650 °C) hitaaseen, kontrolloituun jäähdytykseen ympäristöön. Ilmajäähdytys on hyväksyttävissä vain anteeksiantavimmille laaduille, kuten S7 pienissä poikkileikkauksissa.

Hehkutus takomisen jälkeen

Takominen kovettaa työkaluteräksen ja lukitsee jäännösjännitykset. Ennen koneistusta tai lämpökäsittelyä taotut työkaluteräsaihiot on hehkutettava:

• Pehmennä teräs koneistettavaan kovuuteen (tyypillisesti HB 180-250 arvosta riippuen)
• Kevennä taontajännityksiä
• Tuota yhtenäinen pallomainen karbidi mikrorakenne optimaalisen lämpökäsittelyvasteen saavuttamiseksi

Esimerkiksi D2-työkaluteräksen täysi pallomainen hehkutus edellyttää pitoa 1 600 °F (870 °C) 2-4 tuntia, sitten hidas uunin jäähdytys klo ≤25°F/tunti (14°C/tunti) alle 1 000 °F (540 °C). Tämän vaiheen ohittaminen tai lyhentäminen johtaa usein hiontahalkeamiin tai vääristymiin kovettumisen aikana.

Yleisiä puutteita työkaluterästaukoissa ja niiden välttäminen

Työkaluteräksen taonta vs. jauhemetallurgia: tietää, milloin kukin kannattaa valita

Jauhemetallurgiset (PM) työkaluteräkset, jotka valmistetaan sumuttamalla ja sintraamalla seosjauheita, tarjoavat erittäin tasaisen karbidin jakautumisen, jota takomalla ei yksinään voida saavuttaa korkeaseosteisissa laaduissa. PM-laaduista, kuten CPM 3V, CPM M4 tai Vanadis 4 Extra, on tullut suosittuja vaihtoehtoja perinteiselle taotulle D2:lle tai M2:lle vaativiin sovelluksiin.

Takomalla on kuitenkin edelleen selkeitä etuja useissa skenaarioissa:

• Kustannukset: Perinteisesti taottu työkaluterästanko on tyypillisesti 30-60 % halvempi kuin vastaavat PM-arvosanat
• Suuret poikkileikkaukset: PM-tangon saatavuus on rajoitettu raskailla osilla; taotut työkaluteräslohkot valmistetaan rutiininomaisesti yli 24 tuuman kokoisina
• Mukautetut muodot: Avomeistitaonta voi tuottaa lähes verkon muotoisia esimuotteja, jotka vähentävät materiaalihukkaa suurissa muottilohkoissa
• Todistettu suorituskyky: Forged H13:lla, A2:lla ja S7:llä on vuosikymmenten kenttäsuorituskykytiedot käytännössä kaikista työkalusovelluksista

PM on parempi valinta, kun sitkeys kaikkiin suuntiin on kriittistä, vanadiinipitoisuus ylittää ~3–4 % (jolloin tavanomainen taonta on epäkäytännöllistä) tai kun käyttö vaatii ehdottomasti hienointa kovametallirakennetta. Useimmille työhevostyökaluille, oikein taottu perinteinen työkaluteräs on edelleen kustannustehokkain ratkaisu .

Hankinta ja laadunvarmistus

Taottua työkaluterästä ostettaessa keskeisiä laadunvarmistuskäytäntöjä ovat:

• Myllyn sertifikaatit: Pyydä taontalämmöstä kemiallista analyysiä (lämpösertifikaatti) ja, jos saatavilla, mekaanisia testituloksia (vetolujuus, isku)
• Ultraäänitestaus (UT): Kriittinen suurille muottilohkoille; ASTM A388 on standardi UT-menetelmä terästaoille, ja se voi havaita sisäiset ontelot tai erottelut määritettyjen hyväksymisrajojen yli
• Karbidiverkon luokitus: Korkeaseosteisille laaduille toimittajien tulee pystyä tarjoamaan tai järjestämään metallografinen tarkastus, joka vahvistaa riittävän kovametallin jakautumisen määritellyn hyväksymisstandardin mukaisesti (esim. SEP 1520 kovametallinauhalle).
• Hehkutetun kovuuden tarkistus: Kuittauksen yhteydessä saatu Brinell-kovuuslukema vahvistaa, että materiaali oli hehkutettu oikein ja se on laatuluokalle odotetulla alueella

Hyvämaineiset työkaluteräksen toimittajat, kuten Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology ja Crucible Industries (PM-laaduille), tarjoavat standardoituja tuotesertifiointeja, mutta riippumaton tarkastus on suositeltavaa turvallisuuden kannalta kriittisille tai suuria määriä työkaluohjelmille.