Ковка инструментальной стали: марки, методы и параметры процесса

Ковка инструментальной стали — это процесс формования сплавов инструментальной стали под действием высокой сжимающей силы, обычно между 1900–2200 °F (1040–1200 °C) — для производства штампов, пуансонов, режущего инструмента и конструктивных элементов с превосходными механическими свойствами. По сравнению с механически обработанными или литыми альтернативами, кованые детали из инструментальной стали обладают значительно более высокой прочностью, усталостной прочностью и стабильностью размеров, что делает ковку предпочтительным способом производства инструментов, подвергающихся высоким нагрузкам.

Независимо от того, подбираете ли вы заготовки для штампа для холодной обработки или выбираете метод ковки для пуансона для горячей обработки, понимание того, как процесс взаимодействует с конкретными марками инструментальной стали, имеет важное значение для получения необходимых вам характеристик.

Зачем вообще ковать инструментальную сталь?

Инструментальные стали могут изготавливаться из прутков или методом порошковой металлургии, поэтому выбор в пользу ковки является осознанным и обусловлен требованиями к производительности, которым другие методы не могут полностью соответствовать.

Ковка разрушает и перераспределяет карбидные сетки, образующиеся при затвердевании. В высоколегированных инструментальных сталях, таких как Д2 или М2, литые твердосплавные ленты могут снизить поперечную вязкость за счет 30–50% по сравнению с правильно выкованной и обработанной заготовкой. Механическая обработка также закрывает внутреннюю пористость, выравнивает поток зерен в соответствии с геометрией детали и создает более мелкую зеренную структуру, которая более предсказуемо реагирует на термообработку.

С практической точки зрения, кованая вставка штампа Н13 обычно прослужит дольше, чем обработанный эквивалент, в несколько раз. 1,5–3× при литье под высоким давлением, в зависимости от суровости термоциклирования.

Распространенные марки инструментальных сталей и их характеристики ковки

Не все инструментальные стали куются одинаково. Содержание сплава, уровень углерода и тип карбида влияют на ковкость и требуемое технологическое окно.

D2, с его Содержание ~12% хрома и 1,5% углерода. , является одной из самых сложных для ковки инструментальных сталей. Большой объем карбидов хрома требует тяжелого контролируемого восстановления для разрушения эвтектической карбидной сетки. Ковка D2 при температуре ниже 1850°F может привести к растрескиванию; температура выше 1975°F может привести к началу плавления на границах карбидов.

Методы ковки, используемые для инструментальной стали

Выбор метода ковки влияет на поток зерна, качество поверхности, допуски и объем необходимой постковочной обработки.

Открытая штамповка (по Смиту)

При ковке в открытых штампах используются плоские или простые матрицы для обработки нагретой заготовки посредством серии поэтапных сжатий. Это наиболее гибкий метод и стандартный подход для производства заготовок из инструментальной стали, больших штампов и нестандартных форм, подлежащих чистовой обработке.

• Подходит для заготовок весом от нескольких фунтов до несколько тонн
• Обеспечивает полный контроль над передаточным числом и направлением работы.
• Минимальный коэффициент уменьшения 4:1 обычно требуется для адекватного разрушения карбидов в высоколегированных марках
• Используется большинством производителей специальной стали для производства стандартных круглых, квадратных и плоских прутков.

Ковка в закрытом штампе (оттискной штамп)

При ковке в закрытых штампах нагретая заготовка прессуется между совмещенными половинками штампа, содержащими полость, соответствующую форме готовой детали. Этот метод позволяет получить поковки почти готовой формы с контролируемым потоком зерен и жесткими размерными допусками - обычно От ±0,010 до ±0,030 дюйма по критическим размерам.

Ковка в закрытых штампах используется для изготовления пуансонов, вставок и более мелких компонентов инструментов, объем которых оправдывает инвестиции в инструменты. Для инструментальных сталей проблемой становится сам срок службы штампа: штампы H13 обычно используются для ковки других марок инструментальных сталей при повышенных температурах.

Роторная (кольцевая) прокатка и радиальная ковка

Для цилиндрических компонентов, таких как кольца, втулки или круглый стержень, методы ротационной ковки обеспечивают непрерывное измельчение зерна по окружности. Радиальная ковка прессует круглую заготовку одновременно в нескольких направлениях, создавая очень однородную микроструктуру в круглом или шестиугольном стержне. Этот метод широко используется для производства круглый пруток из быстрорежущей стали (HSS) для резки заготовок инструментов.

Изотермическая ковка

При изотермической ковке и заготовка, и штампы нагреваются до одинаковой температуры, что исключает перепад температур, вызывающий раскалывание поверхности и растрескивание труднообрабатываемых сплавов. Это менее распространено для инструментальных сталей из-за стоимости оборудования, но используется для авиационно-космических инструментальных сталей HSS и порошковой металлургии, которые имеют чрезвычайно узкие окна для горячей обработки.

Критические параметры процесса, которые необходимо контролировать

Правильная металлургия во время ковки инструментальной стали требует жесткого контроля нескольких взаимозависимых переменных.

Температура предварительного нагрева и выдержки

Инструментальные стали необходимо нагревать медленно и равномерно, чтобы избежать термического удара. Типичный протокол предварительного нагрева для большого блока H13:

1. Нагрейте до 1200 ° F (650 ° C) и держим до тех пор, пока температура не выровняется по сечению
2. Повышение температуры ковки при ≤200°F/час (110°C/час)
3. Выдержать при температуре ковки не менее 1 час на дюйм толщины

Спешка с вымачиванием приводит к образованию холодной сердцевины, что приводит к неравномерной деформации и может привести к образованию внутренних трещин во время прессования.

Температура завершения ковки

Работы должны выполняться при температуре выше минимальной конечной температуры, чтобы избежать деформационного упрочнения стали и перехода ее в хрупкое состояние. Для большинства инструментальных сталей ковка не должна продолжаться ниже 1750 ° F (955 ° C) . Если деталь падает ниже этого порога, ее следует вернуть в печь, а не подвергать дополнительному обжатию.

Коэффициент уменьшения

Коэффициент обжатия (начальное сечение ÷ конечное сечение) способствует разрушению карбида и измельчению зерна. Отраслевые стандарты для поковок инструментальной стали обычно требуют:

• Минимум 3:1 для ударопрочных и водостойких марок (S7, W1)
• Минимум от 4:1 до 6:1 для нагартованных марок (А2, Д2)
• Минимум 6:1 или выше для быстрорежущих сталей (М2, Т1) для адекватного разрушения эвтектических карбидных сеток

Охлаждение после ковки

Инструментальные стали необходимо медленно охлаждать после ковки, чтобы предотвратить растрескивание от трансформационных напряжений. Обычной практикой является закапывание поковки в сухой песок, вермикулит или изоляционную известь или помещение ее непосредственно в печь при температуре 1100–1200 ° F (595–650 ° C) для медленного, контролируемого охлаждения до температуры окружающей среды. Воздушное охлаждение приемлемо только для самых щадящих марок, таких как S7, в небольших сечениях.

Отжиг после ковки

Ковка упрочняет инструментальную сталь и фиксирует остаточные напряжения. Перед любой механической или термической обработкой кованые заготовки из инструментальной стали необходимо отжечь для:

• Размягчите сталь до механической твердости (обычно НВ 180–250 в зависимости от класса)
• Снятие остаточных напряжений при штамповке
• Создание однородной микроструктуры сфероидизированного карбида для оптимального отклика на термообработку.

Например, полный сфероидизирующий отжиг инструментальной стали D2 включает выдержку при 1600 ° F (870 ° C) в течение 2–4 часов, затем медленное охлаждение печи при ≤25°F/час (14°C/час) до ниже 1000°F (540°C). Пропуск или сокращение этого этапа часто приводит к появлению трещин при шлифовке или короблению во время закалки.

Распространенные дефекты поковок из инструментальной стали и способы их предотвращения

Ковка инструментальной стали против порошковой металлургии: знать, когда выбрать каждый

Инструментальные стали порошковой металлургии (PM), получаемые путем распыления и спекания порошков сплавов, обеспечивают чрезвычайно равномерное распределение карбидов, чего невозможно достичь только ковкой в высоколегированных марках. Марки PM, такие как CPM 3V, CPM M4 или Vanadis 4 Extra, стали популярной альтернативой традиционным кованым D2 или M2 для требовательных применений.

Тем не менее, ковка по-прежнему имеет явные преимущества в нескольких сценариях:

• Стоимость: Обычно кованый стержень из инструментальной стали обычно представляет собой На 30–60% дешевле чем эквивалентные оценки PM
• Большие сечения: Доступность прутка PM ограничена в тяжелых секциях; блоки из кованой инструментальной стали обычно производятся размером более 24 дюймов.
• Пользовательские формы: Ковка в открытых штампах позволяет производить заготовки почти готовой формы, что сокращает отходы материала при изготовлении больших блоков штампов.
• Проверенная производительность: Forged H13, A2 и S7 имеют десятилетия данных о производительности практически для всех применений инструмента.

PM является лучшим выбором, когда ударная вязкость во всех направлениях имеет решающее значение, содержание ванадия превышает ~ 3–4% (что делает традиционную ковку непрактичной) или когда применение требует абсолютно тонкой твердосплавной структуры. Для большинства рабочих инструментов Обычная инструментальная сталь, прокованная правильно, остается наиболее экономичным решением. .

Поиск и проверка качества

При покупке кованой инструментальной стали основные методы обеспечения качества включают в себя:

• Сертификаты мельницы: Запросите химический анализ (термический сертификат) и, если возможно, результаты механических испытаний (растяжение, удар) по ковке.
• Ультразвуковой контроль (УЗК): Критично для больших блоков штампов; ASTM A388 является стандартным методом УЗ для стальных поковок и может обнаруживать внутренние пустоты или сегрегацию выше установленных пределов приемки.
• Рейтинг карбидной сети: Для высоколегированных марок поставщики должны быть в состоянии обеспечить или организовать металлографический контроль, подтверждающий адекватное распределение карбидов в соответствии с определенным стандартом приемки (например, SEP 1520 для твердосплавных полосок).
• Проверка твердости при отжиге: Показания твердости по Бринеллю при получении подтверждают, что материал был правильно отожжен и находится в пределах ожидаемого диапазона для данной марки.

Авторитетные поставщики инструментальной стали, такие как Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology и Crucible Industries (для марок PM), предоставляют стандартизированные сертификаты продукции, но независимая проверка рекомендуется для программ оснастки, критически важных для безопасности или больших объемов.