Piese forjate din aliaj de nichel cu matriță deschisă vs. proces cu matriță închisă și comparație de calitate

Forjarea stoarce metalul fierbinte în formă, iar felul în care este stors modelează calitatea piesei. Aliaje de nichel precumAliaj 625, Monel 400, Aliaj C-276, șiAliaj 718adaugă o provocare: rămân puternice la temperaturi ridicate, astfel încât rezistă la formare și au o gamă restrânsă de temperaturi în care pot fi lucrate în siguranță.

Acest ghid compară cele două rute principale de forjare, matriță deschisă și matriță închisă, în proces, calitate, cost și inspecție, cu concluzia prima în fiecare secțiune și raționamentul după. Cifrele citate provin din datele și specificațiile publicate ale producătorului; confirmați întotdeauna valorile în raport cu specificațiile curente și cu procedurile furnizorului dumneavoastră.

Recomandări cheie

• Forjarea cu matriță deschisă modelează metalul între matrițe plate sau simple prin mișcări repetate, astfel încât se potrivește pieselor mari, grele sau cu volum redus. Forjarea cu matriță închisă stoarce metalul în cavitățile matriței în formă, astfel încât se potrivește formelor repetabile, aproape de rețea.
• Aliajele de nichel rezistă la deformare la temperatura de lucru la cald și trebuie prelucrate într-o fereastră definită: de exemplu, aliajul 625 este prelucrat la cald la 1650–2150 grade F (900–1177 grade), cu lucrări grele cât mai aproape de vârful acelui interval.
• Forjarea cu matriță închisă oferă forme mai strânse, flux de cereale mai potrivit și mai puțină prelucrare; într-un exemplu publicat, o forjare aproape netă cu matriță închisă a evitat aproximativ 30% din volumul unei clătite deschise, o diferență care valorează aproximativ 10-20% din costul articolului sau mai mult pentru aliajele scumpe pe bază de nichel.
• Forjarea cu matriță deschisă oferă o structură adâncă și bine lucrată în secțiuni mari, fără scule dedicate, dar lasă mai mult material de prelucrat.
• Nicio rută nu este automat mai bună: calitatea depinde de controlul temperaturii, reducere, tratament termic și inspecție. Specificați proprietățile și testele necesare, nu doar numele procesului.
• ASTM B564 este specificația principală pentru elementele forjate din aliaj de nichel, iar proprietățile sale minime depind de aliaj, stare și dimensiunea secțiunii.

Care este diferența dintre forjarea cu matriță deschisă și cea închisă?

În forjarea cu matriță deschisă, metalul încălzit este deformat între matrițe plate sau simple, care nu îl înglobează niciodată complet; în forjarea cu matriță închisă, metalul este presat în cavități ale matriței cu formă precisă care dau piesei forma sa.

Forjarea cu matriță deschisă funcționează ca un fierar cu o presă foarte mare: piesa de prelucrat este strânsă, întinsă și răsucită între mișcări pentru a o extrage, a o răsturna sau a o forma în arbori, discuri, blocuri și inele. Forma finală depinde de priceperea operatorului și de o secvență planificată de pași. Forjarea cu matriță închisă, numită și forjare cu matriță de imprimare, utilizează o pereche de matrițe potrivite cu forma piesei tăiate în ele. Metalul curge pentru a umple cavitatea, cu o cantitate mică de exces stoarsă ca blitz care este tăiat. Un al treilea traseu, rularea inelului, extinde un disc perforat într-un inel fără sudură și este adesea grupat cu forjare cu matriță deschisă pentru flanșe și carcase.

De ce sunt aliajele de nichel mai greu de forjat decât oțelul?

Aliajele de nichel sunt mai greu de forjat, deoarece păstrează o rezistență ridicată la temperaturi de lucru la cald, ceea ce înseamnă că este nevoie de mai multă forță și pentru că au o fereastră de temperatură îngustă și sigură, unde lucrul prea rece poate provoca crăpare și lucrul prea fierbinte poate deteriora metalul.

Aliajul 625 a fost proiectat pentru a păstra rezistența la temperaturi ridicate, astfel încât producătorul observă că rezistă la deformare la cald și are nevoie de echipamente suficient de puternice. Monel 400, dimpotrivă, este descris ca fiind mai moale decât multe oțeluri când este fierbinte, dar poate fi deteriorat permanent dacă este încălzit peste 2150 de grade F (1175 de grade).

Superaliajele precum Alloy 718 au o fereastră și mai strânsă, unde temperaturile de forjare raportate se situează în jur de 950-1.050 de grade, deoarece fazele lor de întărire și dimensiunea granulelor răspund brusc la temperatură și viteza de deformare. La temperaturi mai scăzute, tensiunea de curgere crește rapid, motiv pentru care metodele publicate stabilesc o temperatură minimă de pornire pentru semifabricate de forjare.

Din cauza acestor limite, forjarea aliajelor de nichel depinde de controlul precis al cuptorului, transferul rapid, reîncălzirea atunci când piesa de prelucrat se răcește și, pentru unele clase de rezistență ridicată, matrițe încălzite sau izoterme care mențin metalul și mor la temperaturi similare. Combustibilul și lubrifianții pentru cuptor ar trebui să aibă un conținut scăzut de sulf, deoarece sulful poate fragiliza aliajele de nichel la temperaturi ridicate.

Cum se compară forjarea cu matriță deschisă și cea închisă între dimensiunile cheie?

Forjarea cu matriță deschisă oferă flexibilitate pentru piese de volum mare și redus, cu unelte reduse, în timp ce forjarea cu matriță închisă oferă repetabilitate, forme mai apropiate și mai puțină prelucrare pentru volume medii spre mari.

Ce proces oferă un flux de cereale și proprietăți mecanice mai bune?

Forjarea cu matriță închisă oferă de obicei un flux de cereale care urmează forma piesei și proprietăți mai consistente de la o piesă la alta, în timp ce forjarea cu matriță deschisă oferă o structură puternică și bine lucrată în secțiuni mari; în ambele, proprietățile sunt controlate de temperatură, reducere și tratament termic mai mult decât de numele procesului.

Fluxul cerealelor este direcția în care boabele metalului sunt întinse în timpul forjarii, similar cu boabele dintr-o bucată de lemn. Piesele sunt cele mai puternice și mai rezistente la oboseală atunci când fluxul de cereale trece de-a lungul sarcinilor principale, mai degrabă decât să fie tăiat prin prelucrare. Forjarea cu matriță închisă modelează fluxul în jurul conturului piesei, astfel încât caracteristicile esențiale precum flanșele și boturile obțin un flux continuu. Forjarea cu matriță deschisă atrage și deranjează metalul, care rafinează structura turnată grosieră în secțiuni groase, dar prelucrarea unei piese complexe dintr-o simplă forjare taie în flux.

Tratamentul termic resetează o mare parte a structurii din aliaje rezistente la coroziune. ASTM B564 observă că prelucrarea la cald sau recoacere poate modifica în mod semnificativ proprietățile în funcție de istoricul de lucru și de temperaturi, iar pentru aliajul 625 gradul 2 necesită recoacere cu soluție la minimum 2150 grade F (1177 grade) urmată de o stingere cu apă sau răcire rapidă. Pentru aliajele de întărire prin precipitare, cum ar fi aliajul 718, dimensiunea granulelor este controlată prin temperatura de forjare și viteza de deformare, metodele publicate ajungând la granule foarte fine (ASTM 12–14) în forjare izotermă, care apoi se îngroșează la aproximativ ASTM 6–8 după o recoacere supersolvus. Acestea sunt controale de calitate aerospațială, dar arată cum funcționează împreună procesul și tratamentul termic.

Cât de mult prelucrare și material economisește sau risipă fiecare proces?

Forjarea cu matriță închisă în formă aproape netă elimină un aliaj de nichel mai puțin costisitor: într-o comparație publicată pentru un disc mare de turbină, forjarea cu matriță închisă aproape netă a evitat aproximativ 30% din volumul clătitei deschise, o diferență care poate ajunge la 10-20% sau mai mult din costul articolului.

Comparația provine dintr-un brevet care descrie piese forjate cu discuri mari din superaliaje pe bază de nichel, în care o clătită plată cu matriță deschisă și o forjare cu matriță închisă aproape de net au fost așezate peste piesa finală prelucrată. Ambele au nevoie de o prelucrare finală, dar clătitele au nevoie de mult mai mult. Deoarece aliajele de nichel costă mult mai mult pe kilogram decât oțelul, materialul îndepărtat sub formă de așchii este un cost real, iar timpul lung de prelucrare a aliajelor dure, care se întărește prin muncă, se adaugă la acesta. Economiile sunt mai mari pentru piese complexe și volume mari și mai mici pentru forme simple sau piese unice.

O formulă simplă de prag de rentabilitate

Cantitate prag de rentabilitate=cost de scule/economie pe piesă

Exemplu cu numere ipotetice: dacă un set de scule cu matriță închisă costă 60.000 USD și economisește 150 USD pe piesă în material și prelucrare, pragul de rentabilitate este de aproximativ 400 de părți. Sub aceasta, forjarea cu matriță deschisă poate fi mai ieftină; deasupra ei, zarul închis câștigă. Înlocuiți numerele cu cotații reale pentru partea dvs.

La ce defecte și riscuri ar trebui să urmăriți în fiecare proces?

Principalele riscuri sunt lucrul în afara ferestrei de temperatură (crăpare sau supraîncălzire), ture și pliuri, structura neuniformă a cerealelor și contaminarea cu sulf; matrița închisă adaugă riscuri de uzură și umplere insuficientă a matriței, în timp ce matrița deschisă adaugă structură grosieră sau neuniformă în zonele slab lucrate.

Ce necesită ASTM B564 pentru elementele forjate din aliaj de nichel?

ASTM B564 acoperă piese forjate din multe aliaje de nichel, inclusiv UNS N04400, N06625, N08825, N10276 și N06022 și stabilește proprietăți minime de întindere care depind de aliaj, starea de tratare termică și dimensiunea secțiunii.

B564 se aplică indiferent de ruta de forjare utilizată. Proprietățile minime pentru forjare recoapte sau recoapte în soluție sunt prezentate mai jos ca exemple extrase din copiile publicate ale specificației. Valorile diferă în funcție de ediție și dimensiunea secțiunii; de exemplu, piesele forjate recoapte Alloy 625 de până la 4 in. (102 mm) trebuie să îndeplinească minime mai mari decât cele de peste 4 până la 10 in. (254 mm), ceea ce reflectă dificultatea de a lucra complet și de a trata uniform la căldură secțiunile groase. Verificați ediția curentă pentru cerințele exacte.

Alte specificații se aplică utilizărilor specifice: ASTM B637 acoperă barele din aliaj de nichel întărite prin precipitare, piesele forjate și materialul de forjare pentru servicii la temperaturi moderate și înalte, iar ASTM B462 și ASME B16.5 se referă la flanșe și fitinguri forjate. Produsele aerospațiale folosesc specificații AMS, cum ar fi AMS 5662 și 5663 pentru Alloy 718.

Cum se compară costul și timpul de livrare?

Forjarea cu matriță deschisă are un cost inițial mai mic și un timp de livrare mai scurt, deoarece necesită puține scule specifice piesei, în timp ce forjarea cu matriță închisă are un cost mai mare pentru scule și un timp de livrare mai lung, dar un cost mai mic pe piesă la volum.

Matricele închise trebuie proiectate, prelucrate din oțel de scule pentru prelucrare la cald sau, pentru forjare izotermă, aliaje de matrițe pe bază de nichel și dovedite cu forjare de probă. Acea investiție se plătește atunci când sunt necesare multe piese identice. Forjarea cu matriță deschisă evită etapa de scule și poate începe cu țagle sau lingouri, dar fiecare piesă necesită mai multă prelucrare. Prin urmare, costul total depinde de cantitate, dimensiune, complexitate, prețul aliajului, costul de prelucrare și riscul de deșeuri. Solicitați cotații care includ alocația de prelucrare și testare, astfel încât comparația să fie pe costul final.

Ce proces ar trebui să alegi?

Alegeți piese forjate cu matriță deschisă sau laminate inelar pentru piese mari, simple sau de volum mic și forjate cu matriță închisă pentru piese repetabile, complexe, aproape de net, în volum mediu până la mare; utilizați metode de matriță la cald sau izoterme numai pentru aliajele de înaltă rezistență care necesită un control strict al cerealelor.

Ce ar trebui să specificați când comandați elemente forjate din aliaj de nichel?

Specificați aliajul și numărul UNS, specificațiile produsului, starea de tratare termică, dimensiunea și permisiunea de prelucrare, proprietățile și testele necesare și documentația și precizați orice cerințe pentru fluxul de cereale sau traseul procesului, astfel încât furnizorul să poată cita procesul corect.

Aliaj și numărul UNS (de exemplu UNS N06625) și specificația de reglementare, cum ar fi ASTM B564.

• Stare: recoaptă, recoaptă în soluție sau îmbătrânită și pentru aliajul 625, indiferent dacă se aplică gradul 1 sau gradul 2.
• Dimensiuni: desen finit, alocație de prelucrare și dimensiunea secțiunii, deoarece proprietățile depind de acesta.
• Proces: matriță deschisă, matriță închisă sau laminată cu inel sau performanța necesară, cum ar fi direcția fluxului de cereale sau reducerea minimă.
• Testare: locație și direcție a testului de tracțiune, duritate, dimensiunea granulelor, inspecție cu ultrasunete și lichid penetrant și testare la coroziune acolo unde serviciul o cere.
• Documentație: certificate de testare la fabrică, înregistrări de tratament termic, trasabilitate la căldură și orice inspecție terță parte.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre forjarea cu matriță deschisă și cea închisă?

Forjarea cu matriță deschisă deformează metalul între matrițe plate sau simple care nu îl înconjoară, potrivindu-se pieselor mari sau cu volum redus. Forjarea cu matriță închisă presează metalul în cavitățile matriței modelate, dând forme aproape nete, repetabile.

Ce interval de temperatură este folosit pentru a forja Inconel 625?

Intervalul de lucru la cald al producătorului pentru Alloy 625 este de 1650–2150 de grade F (900–1177 de grade), cu lucru grele cât mai aproape de 2150 de grade F.

De ce aliajele de nichel au nevoie de mai multă forță de forjare decât oțelul?

Multe aliaje de nichel, în special aliajul 625, păstrează o rezistență ridicată la temperaturi de lucru calde, astfel încât acestea rezistă la deformare și au nevoie de prese puternice și un control atent al temperaturii.

Care proces oferă un flux mai bun al cerealelor?

Forjarea cu matriță închisă modelează fluxul de cereale în jurul conturului piesei și este repetabilă, în timp ce forjarea cu matriță deschisă rafinează structura în secțiuni mari. Proprietățile finale depind de temperatură, reducere și tratament termic.

Ce standard acoperă elementele forjate din aliaj de nichel?

ASTM B564 acoperă piese forjate din multe aliaje de nichel, inclusiv N04400, N06625, N08825, N10276 și N06022, cu proprietăți minime în funcție de aliaj, stare și dimensiunea secțiunii. ASTM B637 acoperă aliajele întăribile prin precipitare, cum ar fi aliajul 718.

Forjarea cu matriță închisă este întotdeauna mai ieftină?

Nu. Economisește material și prelucrare pe piesă, dar necesită matrițe. De obicei, este mai ieftin pentru volume medii spre mari și forme complexe, iar matrița deschisă este de obicei mai ieftină pentru piese de volum mare sau mic.

Poate forjarea să modifice rezistența la coroziune?

Forjarea și tratamentul termic care urmează setarea granulelor și distribuției fazelor, astfel încât temperaturile sau răcirea necorespunzătoare pot reduce rezistența la coroziune. Specificați starea necesară și testarea la coroziune pentru serviciile solicitante.