Thép được rèn như thế nào? Quy trình, Kỹ thuật & Ứng dụng

Quá trình rèn thép hoạt động như thế nào: Câu trả lời trực tiếp

Rèn thép là quá trình tạo hình thép bằng cách tác dụng lực nén - thông qua búa, ép hoặc lăn - trong khi kim loại được nung nóng đến nhiệt độ làm cho nó dẻo và có thể gia công được nhưng không nóng chảy. Kết quả là một phần với tính chất cơ học vượt trội so với các bộ phận đúc hoặc gia công, bởi vì quá trình rèn sẽ tinh chỉnh cấu trúc hạt bên trong và loại bỏ các khoảng trống bên trong.

Trong thực tế, một phôi thép hoặc phôi thép được nung nóng đến giữa 1.100°C và 1.250°C (2.012°F đến 2.282°F) để rèn nóng - phương pháp công nghiệp phổ biến nhất - sau đó được đặt dưới máy ép hoặc búa để biến dạng nó thành hình dạng mong muốn. Phần được tạo hình sau đó được làm nguội trong các điều kiện được kiểm soát và hoàn thiện thông qua gia công, xử lý nhiệt hoặc xử lý bề mặt.

Đây không phải là một kỹ thuật đơn lẻ mà là một tập hợp các quy trình liên quan. Tùy thuộc vào hình dạng bộ phận, khối lượng sản xuất, dung sai yêu cầu và loại vật liệu, các nhà sản xuất chọn rèn khuôn hở, rèn khuôn kín (khuôn dập), rèn cuộn, cán vòng hoặc rèn đẳng nhiệt. Mỗi loại mang lại sự cân bằng khác nhau giữa việc sử dụng vật liệu, chi phí khuôn, độ chính xác về kích thước và độ phức tạp có thể đạt được.

Nguyên liệu thô: Chọn thép phù hợp để rèn

Không phải mọi loại thép đều rèn theo cùng một cách. Hàm lượng carbon, các nguyên tố hợp kim và độ sạch của chất tan chảy đều ảnh hưởng đến cách vật liệu chảy dưới áp suất và những đặc tính mà bộ phận hoàn thiện đạt được. Thép có thể rèn được được phân nhóm rộng rãi như sau:

• Thép carbon thấp (0,05–0,30% C): Độ dẻo cao và dễ rèn; được sử dụng cho các bộ phận kết cấu, bu lông và trục không yêu cầu độ cứng cao.
• Thép cacbon trung bình (0,30–0,60% C): Công cụ của ngành rèn; các loại như AISI 1040 và 4140 được sử dụng cho trục khuỷu, thanh nối, bánh răng và trục.
• Thép cacbon cao (0,60–1,00% C): Cứng hơn và chắc hơn nhưng dễ bị nứt hơn trong quá trình rèn; được sử dụng cho lò xo, đường ray và dụng cụ cắt.
• Thép hợp kim (dòng 4000, 8000): Việc bổ sung crom, molypden, niken và vanadi giúp cải thiện độ cứng và độ dẻo dai; phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ và máy móc hạng nặng.
• Thép không gỉ (dòng 300 và 400): Yêu cầu áp suất rèn cao hơn và kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ hơn; được sử dụng trong các ứng dụng hóa học, chế biến thực phẩm và y tế.

Vật liệu rèn có dạng thanh tròn, phôi được cắt từ phôi thanh cán hoặc thỏi cho các bộ phận rất lớn. Trọng lượng phôi cho các bộ phận ô tô thường dao động từ 0,5 kg đến 30 kg , trong khi các vật rèn công nghiệp lớn - chẳng hạn như trục tuabin hoặc mặt bích bình chịu áp lực - có thể bắt đầu từ các thỏi nặng vài tấn.

Làm nóng thép: Kiểm soát nhiệt độ, lò nung và quy mô

Hệ thống sưởi là nơi quá trình rèn thực sự bắt đầu và nó được kiểm soát tốt hơn nhiều so với hình ảnh một thanh phát sáng được kéo ra từ ngọn lửa gợi ý. Nhiệt độ sai - thậm chí đến 50°C - có thể dẫn đến nứt vật rèn, khuôn bị mòn quá mức hoặc các bộ phận không được kiểm tra.

Phạm vi nhiệt độ rèn theo loại thép

Lò rèn công nghiệp là lò đốt quay bằng khí đốt, lò đẩy hoặc hệ thống gia nhiệt cảm ứng. Gia nhiệt cảm ứng đã trở nên chiếm ưu thế trong sản xuất khối lượng lớn các phôi nhỏ hơn vì nó làm nóng phôi có đường kính 50 mm để rèn nhiệt độ trong dưới 60 giây , loại bỏ gần như hoàn toàn sự co giãn bề mặt và sử dụng khoảng Giảm 30–40% năng lượng hơn các hệ thống lò gas tương đương.

Cặn - lớp oxit sắt hình thành trên bề mặt trong quá trình nung lò gas - là một vấn đề dai dẳng. Nếu cặn được ép vào bề mặt bộ phận bằng tiếp xúc khuôn, nó sẽ tạo ra các khuyết tật bề mặt cần phải gia công thêm hoặc gây ra lỗi. Vòi phun khử cặn nước áp suất cao hoạt động ở 150–200 thanh là tiêu chuẩn trên dây chuyền ép để loại bỏ cặn ngay lập tức trước khi phôi đi vào khuôn.

Rèn khuôn mở: Tính linh hoạt cho các bộ phận lớn và tùy chỉnh

Rèn khuôn mở - còn được gọi là rèn tự do hoặc rèn rèn - sử dụng khuôn phẳng, hình chữ V hoặc đường viền đơn giản không bao quanh phôi. Người vận hành hoặc hệ thống tự động xoay và định vị lại phôi giữa mỗi lần ép, dần dần gia công phôi thành hình dạng mong muốn. Kỹ thuật này mang lại cho xưởng rèn sự linh hoạt rất lớn: một bộ khuôn phẳng có thể tạo ra nhiều hình dạng chi tiết khác nhau chỉ đơn giản bằng cách thay đổi cách thao tác phôi.

Rèn khuôn hở là phương pháp được lựa chọn cho các bộ phận quá lớn so với khuôn kín - trục cánh quạt tuabin, trục cánh quạt tàu, mặt bích lớn, vỏ bình áp lực và cuộn máy nghiền. Các bộ phận được sản xuất theo cách này có thể nặng từ vài kg đến vài trăm tấn . Máy ép 300 MN tại Tập đoàn Công nghiệp nặng thứ hai của Trung Quốc là một trong những máy lớn nhất thế giới, có khả năng rèn các thành phần titan và thép cho các nhà máy điện hạt nhân và kết cấu máy bay.

Trình tự quy trình cho một trục lớn thường như sau:

1. Thỏi được đúc và để đông đặc; phần trên cùng (phần nâng lên) và phần dưới cùng (phần mông) có sự phân chia và khoảng trống được cắt bỏ, loại bỏ tối đa 20–25% trọng lượng phôi ban đầu .
2. Phôi còn lại được nung lại và đảo trộn (nén theo trục) để phá vỡ cấu trúc hạt đúc và đóng các lỗ rỗng bên trong.
3. Phôi được kéo ra (kéo dài) dưới máy ép, xoay tăng dần giữa các hành trình để gia công vật liệu đồng đều.
4. Cần phải hâm nóng lại nhiều lần đối với các sản phẩm lớn để duy trì nhiệt độ làm việc trên giới hạn rèn hoàn thiện.
5. Việc rèn thô được gia công thô để loại bỏ các bất thường trên bề mặt và kiểm tra bằng siêu âm các khuyết tật bên trong.

Việc sử dụng vật liệu trong quá trình rèn khuôn hở thấp hơn so với công việc khuôn kín - điển hình là 60–75% trọng lượng phôi ban đầu kết thúc ở quá trình rèn hoàn thiện. Phần còn lại được loại bỏ dưới dạng cắt, cân và gia công phôi. Mặc dù vậy, đối với các bộ phận rất lớn hoặc sản xuất một lần, chi phí khuôn thấp khiến khuôn mở là lựa chọn khả thi về mặt kinh tế duy nhất.

Rèn khuôn kín: Sản xuất chính xác và khối lượng lớn

Rèn khuôn kín - còn được gọi là rèn khuôn ấn tượng - sử dụng các nửa khuôn trên và dưới phù hợp có chứa ấn tượng tiêu cực chính xác của phần đã hoàn thiện. Khi máy ép đóng lại, phôi thép được nung nóng sẽ lấp đầy khoang khuôn và có hình dạng chính xác của khuôn. Kim loại thừa được ép ra thành một vòng mỏng gọi là flash, sau đó được cắt bỏ.

Đây là phương pháp chủ yếu để sản xuất khối lượng lớn các bộ phận kết cấu và cơ khí: thanh kết nối ô tô, khớp lái, trục bánh xe, xà ngang cánh máy bay và dụng cụ cầm tay. Việc rèn khuôn kín hiện đại đạt được dung sai kích thước của ±0,5 mm hoặc chặt hơn trên các bộ phận cỡ trung bình, giảm đáng kể quá trình gia công sau so với đúc.

Trình tự khuôn đa trạm

Các bộ phận phức tạp hiếm khi được rèn thành hình dạng cuối cùng chỉ bằng một cú đánh. Khối khuôn được chia thành nhiều trạm hiển thị được sắp xếp theo thứ tự:

• Ấn tượng đầy đủ hơn: Phân phối lại kim loại theo chiều dọc, giảm tiết diện tại các điểm cụ thể.
• Ấn tượng của Edger: Tập hợp kim loại ở các vùng cụ thể và định hình thô mặt cắt ngang.
• Ấn tượng của trình chặn: Tạo hình trước phôi thành hình dạng gần giống với phần cuối cùng nhưng có bán kính lớn hơn và nhiều bản nháp hơn.
• Ấn tượng của người hoàn thiện: Đưa bộ phận về hình dạng cuối cùng, tạo thành các chi tiết đẹp và bán kính chặt chẽ. Flash được tạo ra ở đây.

Đối với một thanh kết nối ô tô điển hình trong AISI 4140, toàn bộ trình tự - từ chèn phôi đến tháo vật rèn được cắt tỉa nhanh - diễn ra dưới 30 giây trên máy ép cơ học hiện đại có lực ép từ 25.000 đến 40.000 kN. Một dây chuyền rèn đơn có thể sản xuất 600 đến 1.200 thanh nối mỗi giờ .

Sử dụng Flash và Vật liệu

Flash thường đại diện 10–20% trọng lượng phôi trong quá trình rèn khuôn kín thông thường. Rèn không chớp - một biến thể trong đó khuôn được bao bọc hoàn toàn và khối lượng phôi được khớp chính xác với khoang - có thể loại bỏ chất thải này nhưng yêu cầu chuẩn bị phôi rất chính xác và lực ép cao hơn. Nó được sử dụng cho các bộ phận như phôi bánh răng và vòng ổ trục nơi việc tiết kiệm chi phí vật liệu giúp tăng thêm độ phức tạp.

Rèn cuộn và cán vòng: Các phương pháp tạo hình chuyên dụng

Ngoài hai loại rèn khuôn chính, một số quy trình rèn thép chuyên dụng cũng đáng được tìm hiểu vì chúng thống trị các loại sản phẩm cụ thể.

rèn cuộn

Trong rèn cuộn, phôi được gia nhiệt đi qua giữa hai cuộn quay ngược chiều với các rãnh định hình được gia công trên bề mặt của chúng. Khi phôi đi qua, các cuộn sẽ giảm tiết diện và kéo dài nó, phân phối kim loại theo mẫu chính xác cần thiết cho hoạt động rèn tiếp theo. Rèn cuộn được sử dụng rộng rãi như một bước tạo hình trước khi rèn khuôn kín các bộ phận dài như thanh nối và phôi lò xo lá. Nó cải thiện sự phân bố vật liệu và giảm số lần hiển thị khuôn kín cần thiết, giảm độ mòn khuôn và thời gian chu kỳ.

Vòng lăn

Cán vòng tạo ra các vòng liền mạch bằng cách đục một lỗ trên phôi rèn hình đĩa và sau đó mở rộng nó giữa một cuộn chính được dẫn động và một cuộn chạy không tải trong khi các cuộn trục phẳng kiểm soát chiều cao của vòng. Kết quả là tạo ra một vòng liền mạch với cấu trúc hạt chảy liên tục xung quanh chu vi của nó - một lợi thế về cấu trúc đáng kể so với các vòng được cắt từ tấm hoặc chế tạo bằng hàn.

Các vòng cán có phạm vi từ các vòng bi nhỏ có trọng lượng dưới 1kg đến mặt bích tuabin gió lớn và mặt bích thùng lò phản ứng hạt nhân có đường kính ngoài vượt quá 8 mét và trọng lượng trên 100 tấn . Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ chủ yếu dựa vào các thành phần thép và titan cuộn tròn để chế tạo vỏ, khung và vách ngăn động cơ phản lực.

Rèn nguội và rèn ấm: Thép gia công dưới nhiệt đỏ

Rèn nóng không phải là lựa chọn duy nhất. Rèn nguội - được thực hiện ở nhiệt độ hoặc gần nhiệt độ phòng - và rèn ấm - thường ở 650–900°C đối với thép - cung cấp các kết hợp khác nhau về độ hoàn thiện bề mặt, độ chính xác về kích thước và hiệu suất cơ học.

Rèn nguội

Việc rèn nguội thép phụ thuộc vào quá trình làm cứng: khi kim loại biến dạng dẻo, mật độ trật khớp của nó tăng lên và nó ngày càng trở nên mạnh hơn. Các bộ phận được sản xuất bằng cách rèn nguội có thể đạt được bề mặt hoàn thiện Ra 0,4–1,6 µm và dung sai kích thước chặt chẽ hơn ±0,05 mm mà không cần gia công. Việc sản xuất số lượng lớn bu lông, đai ốc, ốc vít và phôi bánh răng tạo hình nguội là những ứng dụng chính.

Hạn chế là cần có lực lượng lớn. Việc rèn nguội thép có hàm lượng carbon thấp đòi hỏi ứng suất dòng chảy ở mức 500–800 MPa , so với 80–150 MPa cho cùng một vật liệu ở nhiệt độ rèn nóng. Khuôn bị mòn nhanh chóng và thép thường phải được ủ và bôi trơn lại (thường bằng hệ thống xà phòng phốt phát) giữa các giai đoạn cho các hoạt động tạo hình nhiều bước.

Rèn ấm

Quá trình rèn ấm nằm giữa nóng và lạnh về cả nhiệt độ và kết quả. Ở nhiệt độ trung gian, ứng suất dòng chảy giảm so với gia công nguội - giảm yêu cầu về trọng tải máy ép - trong khi chất lượng bề mặt và độ chính xác về kích thước tốt hơn nhiều so với rèn nóng vì dạng cặn ít hơn và độ co nhiệt nhỏ hơn. Rèn ấm ngày càng được sử dụng nhiều cho các bánh răng chính xác và các bộ phận khớp CV trong hệ thống truyền động ô tô, trong đó sự kết hợp giữa độ chính xác gần như hình dạng lưới và tính toàn vẹn bề mặt tốt giúp giảm tổng chi phí sản xuất so với trình tự rèn nóng sau đó trên máy.

Thiết bị rèn: Búa, Máy ép cơ khí và Máy ép thủy lực

Máy cung cấp lực rèn định hình tính kinh tế, khả năng và tốc độ đầu ra của hoạt động giống như thiết kế khuôn. Ba loại máy chính chiếm ưu thế trong việc rèn thép công nghiệp:

Búa rèn

Búa cung cấp năng lượng bằng cách thả hoặc đẩy búa xuống với tốc độ cao. Năng lượng biến dạng là động năng của thanh trượt chuyển động. Búa thả trọng lực là loại đơn giản nhất; búa điện sử dụng hơi nước, khí nén hoặc áp suất thủy lực để tăng tốc búa, đạt năng lượng tác động từ 5 kJ đến trên 1.000 kJ cho búa hơi nước tác động kép lớn. Búa rất thích hợp cho việc rèn khuôn hở có hình dạng phức tạp vì nhiều cú đập nhanh có thể làm vật liệu hoạt động dần dần. Tốc độ biến dạng cao của búa đập cũng có nghĩa là thời gian tiếp xúc khuôn ít hơn và tải nhiệt khuôn thấp hơn.

Máy ép rèn cơ khí

Máy ép cơ học sử dụng một tay quay lệch tâm dẫn động bằng bánh đà để chuyển đổi năng lượng quay thành một hành trình ram đơn trên mỗi vòng quay. Công suất dao động từ 5.000 kN đến 125.000 kN . Hành trình cố định và vị trí ram có thể dự đoán được khiến chúng trở nên lý tưởng cho gia công khuôn đóng đa dấu với khả năng lặp lại kích thước chặt chẽ. Máy ép cơ học 63.000 kN - kích thước phổ biến để rèn ô tô hạng nặng - thường chạy ở tốc độ 40–80 nhịp mỗi phút , cho phép tỷ lệ sản xuất rất cao.

Máy ép rèn thủy lực

Máy ép thủy lực tạo ra lực thông qua chất lỏng áp suất cao tác động lên xi lanh. Không giống như máy ép cơ học, chúng có thể giữ toàn bộ trọng tải trong suốt hành trình và có thể được lập trình với các cấu hình lực và tốc độ ram phức tạp. Điều này khiến chúng trở nên cần thiết cho việc rèn đẳng nhiệt các siêu hợp kim hàng không vũ trụ, trong đó cần có tốc độ biến dạng chậm để tránh đốt nóng và nứt đoạn nhiệt, cũng như cho các nguyên công khuôn mở rất lớn. Máy ép rèn lớn nhất thế giới - bao gồm cả máy Máy ép 750 MN tại VSMPO-AVISMA ở Nga - là thủy lực.

Điều gì xảy ra với cấu trúc hạt trong quá trình rèn thép

Tính ưu việt về mặt cơ học của vật rèn so với vật đúc xuất phát trực tiếp từ những gì việc rèn tác động đến cấu trúc vi mô bên trong của thép. Hiểu được điều này giải thích tại sao việc rèn được chỉ định cho các ứng dụng quan trọng ngay cả khi chúng có giá cao hơn đáng kể.

Thép đúc sẵn có cấu trúc hạt thô, dạng đuôi gai với sự phân chia hóa học giữa các ranh giới hạt và các khoảng trống co ngót bên trong hoặc độ xốp. Khi vật liệu này được rèn, một số điều xảy ra đồng thời:

• Tinh chế hạt: Các hạt đúc lớn bị vỡ do biến dạng dẻo và sau đó kết tinh lại thành các hạt nhỏ hơn, cân bằng hơn trong và sau khi gia công nóng. Hạt nhỏ hơn có nghĩa là độ dẻo dai và độ bền mỏi tốt hơn.
• Đóng cửa trống: Độ xốp bên trong và độ co ngót vi mô được nén và hàn kín bằng ứng suất nén của quá trình rèn, đặc biệt là trong các hoạt động khuôn mở nhiều lượt với tỷ lệ giảm cao.
• Dòng chảy sợi: Các tạp chất phi kim loại và các thanh dọc cacbua được kéo dài và căn chỉnh theo hướng dòng chảy kim loại, tạo ra mô hình dòng chảy hạt. Khi khuôn rèn được thiết kế chính xác, dòng sợi này đi theo đường viền của bộ phận và các đường dòng hạt chạy song song với trục ứng suất khi sử dụng - cải thiện đáng kể khả năng chống mỏi so với phôi gia công trong đó các đường dòng bị cắt xuyên qua.
• Đồng nhất hóa: Việc gia nhiệt và biến dạng lặp đi lặp lại giúp phân phối các nguyên tố hợp kim đồng đều hơn, làm giảm độ dốc thành phần làm suy yếu cấu trúc đúc.

Một thành phần thép được rèn tốt có thể thể hiện độ bền mỏi cao hơn tới 40%, độ bền kéo cao hơn 20% và độ bền va đập vượt trội rõ rệt so với một bộ phận đúc có cùng thành phần danh nghĩa. Trong các ứng dụng như bộ phận hạ cánh máy bay hoặc trục khuỷu ô tô - trong đó tải theo chu kỳ và tải trọng va đập không thường xuyên là động lực thiết kế - đây không phải là lợi ích cận biên.

Xử lý nhiệt sau khi rèn: Hoàn thành chu trình luyện kim

Đối với hầu hết các vật liệu rèn bằng thép hợp kim, chỉ riêng hoạt động rèn không mang lại các tính chất cơ học cuối cùng cần thiết. Xử lý nhiệt sau rèn là bước khóa sự kết hợp mục tiêu giữa sức mạnh, độ cứng và độ dẻo dai.

Bình thường hóa

Làm nóng đến 850–950°C và làm mát bằng không khí sẽ tinh chỉnh cấu trúc hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô sau khi rèn. Chuẩn hóa thường được chỉ định là xử lý cơ bản cho việc rèn cacbon và thép hợp kim thấp trước khi gia công lần cuối và đôi khi là xử lý nhiệt duy nhất cần thiết cho các ứng dụng hiệu suất thấp hơn.

Làm dịu và nóng nảy (Q&T)

Để rèn thép hợp kim hiệu suất cao, austenitizing (thường 830–900°C ), làm nguội trong nước, dầu hoặc polyme, sau đó ủ ở nhiệt độ 450–680°C là con đường tiêu chuẩn để đạt được cường độ cao với độ dẻo dai phù hợp. Việc rèn thép AISI 4340 trong điều kiện Q&T có thể đạt được độ bền kéo của 1.000–1.800 MPa tùy thuộc vào nhiệt độ ủ, làm cho nó phù hợp với các bộ phận kết cấu máy bay và các bộ phận truyền động hạng nặng.

Ủ và giảm căng thẳng

Các vật rèn lớn với hình dạng phức tạp có thể giữ lại ứng suất dư đáng kể do làm nguội không đều sau khi rèn. Một quá trình ủ giảm căng thẳng tại 550–650°C - dưới nhiệt độ biến đổi - giảm ứng suất dư mà không làm thay đổi đáng kể độ cứng, ngăn ngừa biến dạng trong quá trình gia công cuối cùng. Bước này là thực hành tiêu chuẩn cho thân van lớn, khối khuôn và các bộ phận của bình áp lực.

Kiểm soát và kiểm tra chất lượng trong rèn thép

Thép rèn dành cho các ứng dụng quan trọng phải trải qua chế độ kiểm tra nghiêm ngặt bao gồm cả chất lượng bề mặt và chất lượng bên trong. Các thử nghiệm cụ thể được yêu cầu tùy thuộc vào tiêu chuẩn ngành — ASTM, EN, JIS hoặc thông số kỹ thuật dành riêng cho khách hàng — nhưng những thử nghiệm sau đây được áp dụng rộng rãi:

• Kiểm tra siêu âm (UT): Sóng âm thanh tần số cao phát hiện các lỗ hổng bên trong - vết nứt, lỗ rỗng, tạp chất - không thể nhìn thấy trên bề mặt. Cần thiết cho hầu như tất cả các thiết bị rèn hàng không vũ trụ, hạt nhân và áp suất; tiêu chí chấp nhận được xác định theo vùng (ví dụ: không có dấu hiệu nào vượt quá tương đương lỗ đáy phẳng 2 mm trong vùng lỗ khoan).
• Kiểm tra hạt từ tính (MPI): Phát hiện các vết nứt bề mặt và gần bề mặt của thép sắt từ bằng cách từ hóa bộ phận đó và áp dụng huyền phù hạt sắt. Tiêu chuẩn dành cho các bộ phận rèn quan trọng về an toàn trong ô tô như khớp tay lái và trục bánh xe.
• Kiểm tra độ cứng: Độ cứng Brinell hoặc Rockwell được đo trên bề mặt gia công xác nhận rằng xử lý nhiệt đã đạt được phạm vi đặc tính mục tiêu.
• Kiểm tra độ bền kéo và tác động: Các thử nghiệm phá hủy trên các phiếu thử nghiệm được rèn riêng biệt — hoặc từ các phần kéo dài được rèn trên bộ phận — xác minh cường độ chảy, độ bền kéo cuối cùng, độ giãn dài và năng lượng va đập rãnh chữ V Charpy ở nhiệt độ quy định.
• Kiểm tra kích thước: Xác minh CMM (máy đo tọa độ) của tất cả các kích thước quan trọng so với bản vẽ kỹ thuật, với khả năng truy nguyên đầy đủ dữ liệu đo.

Thử nghiệm khắc vĩ mô - cắt, đánh bóng và khắc mặt cắt ngang của vật rèn bằng dung dịch axit loãng - cho thấy các đường dòng chảy của hạt, xác nhận rằng chúng tuân theo mẫu đã định và để lộ bất kỳ sự phân tách, đường ống hoặc đường nối bên trong nào mà UT có thể bỏ sót. Thử nghiệm này thường được quy định để đánh giá chất lượng bài viết đầu tiên của các thiết kế khuôn mới.

Các khuyết tật thường gặp trong rèn thép và nguyên nhân của chúng

Ngay cả các hoạt động rèn được kiểm soát tốt cũng tạo ra các bộ phận bị lỗi. Nhận biết nguyên nhân gốc rễ của từng loại khuyết tật là điều cần thiết để khắc phục quy trình trước khi tích tụ số lượng lớn phế liệu.

Nơi sử dụng các bộ phận thép rèn: Ứng dụng trong công nghiệp

Việc rèn thép được tìm thấy trong hầu hết mọi ngành công nghiệp nơi các bộ phận phải chịu được ứng suất cao, tải lặp đi lặp lại hoặc nhiệt độ cao. Các lĩnh vực sau đây chiếm phần lớn sản lượng rèn toàn cầu:

Công nghiệp ô tô

Ngành ô tô tiêu thụ khoảng 60% tổng số sản phẩm rèn được sản xuất trên toàn cầu . Một chiếc ô tô du lịch thông thường chứa hơn 250 bộ phận được rèn: trục khuỷu, thanh nối, trục cam, bánh răng truyền động, tay lái, trục bánh xe, kẹp phanh, tay treo và vỏ khớp CV. Việc chuyển sang sử dụng xe điện đang làm thay đổi sự kết hợp - ít trục khuỷu và piston hơn - nhưng lại làm tăng nhu cầu về các bộ phận kết cấu vỏ pin lớn và trục động cơ điện.

Hàng không vũ trụ và quốc phòng

Việc rèn hàng không vũ trụ phải tuân theo các yêu cầu chứng nhận quy trình và vật liệu nghiêm ngặt nhất của bất kỳ ngành nào. Các thành phần kết cấu khung máy bay - xà ngang cánh, khung thân máy bay, thanh chống càng đáp - và các thành phần động cơ - đĩa máy nén, đĩa tuabin, trục - hầu như chỉ được rèn. Một chiếc máy bay thương mại thân rộng có chứa hơn 1.500 bộ phận giả mạo , nhiều trong số chúng là những miếng nhôm hoặc titan lớn chứ không phải thép, nhưng vật liệu rèn bằng thép cường độ cao chiếm ưu thế trong hệ thống thiết bị hạ cánh và truyền động.

Sản xuất dầu, khí đốt và điện

Mặt bích bình áp lực, thân van, phụ kiện đường ống, bộ phận đầu giếng và cánh quạt tuabin là những ứng dụng rèn quan trọng trong lĩnh vực năng lượng. Các bộ phận này hoạt động dưới áp suất cao, nhiệt độ cao và môi trường thường ăn mòn, trong đó độ xốp đúc sẽ là một rủi ro không thể chấp nhận được. Việc rèn rôto tuabin lớn cho các nhà máy điện hơi nước có thể nặng hơn 200 tấn sau khi gia công lần cuối và cần nhiều tháng rèn, xử lý nhiệt và thử nghiệm trước khi giao hàng.

Thiết bị xây dựng và khai thác mỏ

Các mắt xích, bánh xích, răng gầu, mũi khoan đá và chốt kết cấu trong thiết bị khai thác và xây dựng hạng nặng dựa vào thép rèn để có khả năng chống va đập và mài mòn. Tải trọng động cực cao mà các bộ phận này nhìn thấy — răng gầu máy xúc lớn có thể hấp thụ hàng chục nghìn chu kỳ va đập mỗi ca — khiến độ bền vượt trội của vật rèn là cần thiết để có tuổi thọ sử dụng chấp nhận được.

Những phát triển hiện đại trong công nghệ rèn thép

Nguyên lý vật lý cốt lõi của quá trình rèn thép không thay đổi - kim loại vẫn chảy dưới áp suất khi được nung nóng - nhưng công nghệ xung quanh quy trình này đã tiến bộ đáng kể trong hai thập kỷ qua.

Mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) của quá trình rèn - sử dụng phần mềm như Deform, FORGE hoặc Simufact - cho phép các kỹ sư dự đoán dòng kim loại, sự phân bố biến dạng, ứng suất khuôn và các vị trí khuyết tật tiềm ẩn trước khi cắt một khuôn. Điều này đã làm giảm đáng kể số lần lặp thử khuôn cần thiết cho các bộ phận mới phức tạp, cắt giảm thời gian và chi phí phát triển khuôn. 30–50% trong nhiều trường hợp.

Máy ép thủy lực và cơ khí điều khiển bằng servo cho phép lập trình các cấu hình vận tốc ram, cho phép rèn các vật liệu ở nhiệt độ cao và đẳng nhiệt mà trước đây cần có thiết bị chuyên dụng hoặc hoàn toàn không khả thi trong quá trình rèn khuôn. Ram có thể được làm chậm lại ở các giai đoạn quan trọng để kiểm soát quá trình sinh nhiệt và dòng kim loại hoặc tăng tốc để tối ưu hóa thời gian chu kỳ đối với các hoạt động ít nhạy cảm hơn.

Tế bào rèn tự động việc kết hợp bộ gia nhiệt cảm ứng, xử lý phôi bằng rô-bốt, hệ thống ép đa trục và kiểm tra trực quan trong dây chuyền đã giúp có thể vận hành các dây chuyền rèn khuôn kín khối lượng lớn với lượng lao động trực tiếp tối thiểu. Một dây chuyền rèn ô tô hiện đại có thể có một người vận hành giám sát bốn đến sáu máy ép , với việc kiểm tra chất lượng được xử lý bằng hệ thống quét laser và thị giác máy ở cuối dây chuyền.

Rèn hình dạng gần lưới chính xác — sản xuất các bộ phận gần với hình dạng cuối cùng đến mức việc gia công chỉ được giảm xuống ở mức độ hoàn thiện nhẹ trên các bề mặt chức năng — ngày càng phổ biến đối với các bánh răng và bộ phận vòng bi ô tô. Cách tiếp cận này giúp giảm thời gian gia công, cải thiện việc sử dụng vật liệu và duy trì dòng hạt có lợi mà việc gia công sẽ phá hủy trên bề mặt bộ phận.