Gesloten matrijs, open matrijssmeedwerk en smeedwerk van koolstofstaal: volledige procesgids

Gesloten matrijssmeedproces: hoe het werkt en waar het uitblinkt

Gesloten matrijssmeedwerk - ook wel indrukmatrijssmeedwerk genoemd - vormt metaal door een verwarmde knuppel samen te drukken tussen twee of meer matrijzen die een machinaal bewerkte holte bevatten die past bij de geometrie van het uiteindelijke onderdeel. Terwijl de matrijzen sluiten onder druk of hamerkracht, stroomt het metaal om de holte volledig te vullen, waardoor een bijna netvormige component ontstaat met nauwe maattoleranties en een goed gedefinieerde scheidingslijn waar de matrijzen samenkomen.

Het procesverloop voor het smeden van gesloten matrijzen volgt doorgaans deze fasen:

1. Voorbereiding van de knuppel: De ruwe voorraad wordt op een berekend gewicht gesneden - overtollig materiaal (flits) wordt na het smeden weggesneden, maar een aanzienlijk teveel aan materiaal verspilt materiaal en verhoogt de snijbelasting
2. Verwarming: De knuppel wordt verwarmd tot het juiste smeedtemperatuurbereik in een inductie- of gasgestookte oven, doorgaans 1.100–1.250 ° C voor koolstof- en gelegeerd staal
3. Voorvormen (blokkeren): Bij meertrapsgereedschap gaat de knuppel door een of meer blokkeringsholten om de massa opnieuw te verdelen in de richting van de uiteindelijke vorm voordat deze de afwerkingsholte binnengaat
4. Eindig het smeden: De verwarmde voorvorm wordt in de holte van de afwerkingsmatrijs geplaatst en tot volledige sluiting geslagen of geperst, waardoor het metaal in alle uitsparingen van de afdruk wordt gedrukt
5. Flitstrimmen: Overtollig metaal dat bij de scheidingslijn wordt geëxtrudeerd, wordt verwijderd in een trimpers, meestal terwijl het onderdeel nog heet is
6. Warmtebeheneling en afwerking: Onderdelen worden genormaliseerd, afgeschrikt en getemperd, of gegloeid, afhankelijk van de vereisten op het gebied van materiaal en mechanische eigenschappen

Het smeden van gesloten matrijzen wordt uitgevoerd op mechanische persen, hydraulische persen of valhamers. Hydraulische persen — gebruikelijk in maten van 500 ton tot meer dan 50.000 ton — oefen gecontroleerde, aanhoudende druk uit die geschikt is voor grote of complexe vormen. Mechanische en schroefpersen leveren een hoge energie-impact die geschikt is voor kleinere onderdelen die nauwkeurige slagcontrole vereisen. Valhamers worden nog steeds veel gebruikt voor hoge productieruns van kleine tot middelgrote onderdelen.

Voordelen en beperkingen

Gesloten matrijssmeedwerk produceert componenten met superieure sterkte-gewichtsverhouding vergeleken met gietstukken of machinaal bewerkt staafmateriaal omdat het smeedproces de korrelstructuur verfijnt en de korrelstroom uitlijnt met de geometrie van het onderdeel. Verbeteringen in de vermoeiingssterkte van 20-30% ten opzichte van gelijkwaardige gietstukken worden vaak gerapporteerd in structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie. De herhaalbaarheid van de afmetingen is hoog zodra de matrijzen zich hebben bewezen, waardoor het smeden van gesloten matrijzen zeer geschikt is voor de productie van middelgrote tot grote volumes van drijfstangen, tandwielen, flenzen, krukassen en ophangingsonderdelen voor auto's.

De belangrijkste beperking zijn de gereedschapskosten. Gesloten matrijzensets in H13-gereedschapsstaal voor warm werk kosten tienduizenden tot honderdduizenden dollars, afhankelijk van de complexiteit van de onderdelen, waardoor het proces alleen economisch levensvatbaar is boven een minimaal productievolume - doorgaans 500 à 1.000 stuks of meer, afhankelijk van de onderdeelgrootte. De levensduur van de matrijzen varieert doorgaans van 10.000 tot 100.000 slagen, beïnvloed door de smeedtemperatuur, de abrasiviteit van het materiaal en de smeerpraktijk.

Open matrijzensmeden Proces: flexibiliteit voor grote en aangepaste onderdelen

Bij het smeden van open matrijzen wordt metaal gevormd tussen platte of eenvoudig gevormde matrijzen die het werkstuk niet volledig omsluiten. De operator of geautomatiseerde manipulator herpositioneert en roteert de hete knuppel stapsgewijs tussen de persslagen door, waarbij het materiaal geleidelijk aan de gewenste vorm wordt bewerkt via een reeks vervormingsstappen. Omdat er geen afdrukholte het metaal insluit, is de geometrie van het onderdeel afhankelijk van de matrijsbeweging, de persslag en de operator- of CNC-besturing – en niet van een voorgesneden holte.

Veel voorkomende gereedschapsconfiguraties voor open matrijzen zijn onder meer vlakke platen, V-matrijzen, stempelmatrijzen, doornringen voor holle onderdelen en zadelmatrijzen voor voorgevormde profielen. Het proces biedt ruimte aan een enorm scala aan onderdeelgeometrieën, waaronder:

• Assen, spindels en assen - geleidelijk over hun lengte gesmeed uit grote blokken
• Ringen en flenzen - gevormd door ponsen, stuiken en ringwalsen
• Blokken, platen en platen voor gereedschappen, drukvatplano's en matrijsstaal
• Op maat gemaakte eenmalige componenten voor zware machines, energieopwekking en defensie

Cogging: de kernoperatie bij het smeden van open matrijzen

De meest fundamentele open-matrijsoperatie is tandwielen - ook wel uittrekken genoemd - waarbij de knuppel geleidelijk over de lengte ervan wordt samengedrukt in overlappende bijtstappen om de dwarsdoorsnede te verkleinen en de lengte te vergroten. Elke beet vervormt een gelokaliseerde zone; de persoperator beweegt de knuppel tussen de slagen door, zodat aangrenzende beten 30-50% overlappen, waardoor continue vervorming wordt gegarandeerd zonder koude afsluitingen of ronden bij de beetgrenzen. Vertanding is de belangrijkste methode voor het bewerken van grote blokken (1 ton tot 300 ton) tot middelgrote knuppelgroottes voor verdere verwerking of eindbewerking.

Het smeden van open matrijzen werkt op hydraulische persen variërend van 800 ton tot meer dan 125.000 ton voor de grootste smeedstukken in de ruimtevaart en energieopwekking. 's Werelds grootste smeedpersen met open matrijs — klasse van 50.000 tot 80.000 ton — zijn in staat superlegeringen van titanium en nikkel te smeden voor frames van vliegtuigrompen en grote turbineschijven.

Open dobbelsteen versus gesloten dobbelsteen: hoe te kiezen

De twee processen zijn eerder complementair dan concurrerend. Het smeden van open matrijzen heeft de voorkeur wanneer de onderdeelgrootte groter is dan wat het gereedschap met gesloten matrijzen economisch kan herbergen (doorgaans meer dan 200-500 kg), wanneer de productievolumes te laag zijn om investeringen in matrijzen te rechtvaardigen, of wanneer de geometrie te complex of variabel is voor een matrijs met één holte. Gesloten matrijssmeedwerk heeft de voorkeur wanneer maatnauwkeurigheid, oppervlakteafwerking en productievolume de investering in gereedschap bevorderen. Veel grote componenten beginnen als in open matrijzen gesmede voorvormen die vervolgens in gesloten matrijzen worden gesmeed voor kritische kenmerken.

Temperatuur voor smeedlassen: metaal verbinden door hitte en druk

Smeedlassen is een van de oudste metaalbewerkingsprocessen: het verbindt twee stukken metaal door beide te verwarmen tot een plastic of halfgesmolten toestand en vervolgens voldoende drukkracht uit te oefenen om ze op atomair niveau te verbinden, zonder enig ander vulmetaal of vloeimiddel dan wat wordt gebruikt om de verbindingsoppervlakken schoon te maken. De juiste smeedlastemperatuur voor koolstofarm en zacht staal is doorgaans 1.260–1.370 °C (2.300–2.500 °F) — het punt waarop het staaloppervlak een karakteristiek helder geelwit, bijna vonkend uiterlijk krijgt en voldoende plastisch wordt voor atomaire diffusiebinding onder hamerslagen.

Temperatuur per materiaal

De temperatuur van het smeedlassen varieert aanzienlijk met de samenstelling van de legering, aangezien deze wordt bepaald door de solidustemperatuur van het metaal en het plastische vervormingsgedrag ervan:

• Koolstofarm staal (0,05–0,20% C): 1.260–1.370 °C — het meest vergevingsgezinde bereik, met een breed kunststof werkvenster
• Middelzwaar koolstofstaal (0,20–0,50% C): 1.200–1.315 °C — het temperatuurvenster wordt smaller naarmate het koolstofgehalte stijgt en het risico op oververhitting toeneemt
• Koolstofstaal / gereedschapsstaal (0,60–1,0% C): 1.100–1.260 °C — zeer smal venster; oververhitting van zelfs 30–50 ° C veroorzaakt verbranding (onomkeerbare oxidatie van de korrelgrens) en de las zal falen
• Smeedijzer: 1.315–1.425 °C - het hoge slakgehalte vergemakkelijkt het lassen feitelijk door een vloeibare slak te vormen die oxiden van het grensvlak spoelt
• Roestvrij staal (304/316): 1.200–1.260 °C - vereist een inerte atmosfeer of vloeimiddel om de vorming van chroomoxide te voorkomen, wat de binding verhindert

Vloeimiddel en oppervlaktevoorbereiding

Kalkaanslag en oxiden op het metalen oppervlak voorkomen atomair contact en moeten onmiddellijk vóór het lassen worden verwijderd. Borax (natriumtetraboraat) is het meest gebruikte vloeimiddel voor smeden — toegepast bij ongeveer 900–1.000 °C wanneer het staal de lastemperatuur nadert, smelt het en vormt het een vloeistofbarrière die ijzeroxideaanslag oplost en heroxidatie tijdens de laatste verwarmingsfase voorkomt. Zonder vloeimiddel creëert kalkaanslag op het verbindingsvlak insluitingen die de las verzwakken of verhinderen. Sommige smeden gebruiken kwartszand, ijzervijlsel of eigen vloeimiddelformuleringen voor specifieke legeringssystemen.

Modern industrieel smederijlassen

Terwijl handsmeedlassen overleeft in messensmeden en artistiek ijzerwerk, wordt industrieel smedenlassen het meest prominent toegepast flash stomplassen and inductiedruklassen voor de productie van buizen en het verbinden van rails. Flitslassen verwarmt de vervormde oppervlakken door elektrische weerstandsboogvorming (knipperen) en oefent vervolgens een verstoorde (axiale compressie) kracht uit om de verbinding te consolideren, waardoor smeedlasomstandigheden op een gecontroleerde, herhaalbare manier worden bereikt. Deze methode wordt gebruikt voor het lassen van boorpijpen, ankerkettingen en railsecties waarbij een volledig gesmede, door hitte beïnvloede zonevrije verbinding met mechanische eigenschappen van basismetaal vereist is.

Smeedstukken van koolstofstaal: kwaliteiten, eigenschappen en toepassingen

Smeedstukken van koolstofstaal worden geproduceerd uit staal waarvan het primaire versterkingsmechanisme het koolstofgehalte is - variërend van koolstofarme kwaliteiten onder 0,20% C tot hoge koolstofkwaliteiten boven 0,60% C - zonder de significante legeringstoevoegingen (chroom, nikkel, molybdeen) die kenmerkend zijn voor smeedstukken van gelegeerd staal. Smeedstukken van koolstofstaal vertegenwoordigen het grootste volumesegment van de mondiale smeedindustrie , gebruikt in aandrijflijncomponenten van auto's, industriële machines, bouwmachines, olie- en gasfittingen en handgereedschap.

Koolstofstaalsoorten die vaak worden gebruikt in smeedstukken

Het koolstofgehalte is de dominante variabele die de mechanische eigenschappen bepaalt die haalbaar zijn in gesmeed koolstofstaal:

• AISI 1020 / 1025 (koolstofarm): Treksterkte 380–480 MPa zoals gesmeed; uitstekende lasbaarheid en taaiheid; gebruikt voor hefbomen, pennen, assen en algemene structurele smeedstukken waarbij hoge sterkte niet vereist is
• AISI 1040 / 1045 (medium koolstof): Treksterkte 570–700 MPa genormaliseerd, tot 800–950 MPa gehard en getemperd; het werkpaard voor drijfstangen, krukassen, tandwielen, assen en flenssmeedstukken – waarbij een redelijke bewerkbaarheid wordt gecombineerd met een goede sterkte
• AISI 1060 / 1080 (koolstofrijk): Treksterkte 800–1.100 MPa warmtebehandeld; hoge hardheid en slijtvastheid; gebruikt voor spoorwegwielen, veren, handgereedschap en landbouwgrondbewerkingscomponenten
• AISI 1095 (koolstofrijk): Oppervlaktehardheid tot 65 HRC haalbaar; mesbladen, snijgereedschappen en slijtplaten waarbij scherptebehoud van cruciaal belang is

Hoe smeden de eigenschappen van koolstofstaal verbetert

Het smeedproces zorgt voor microstructurele verbeteringen die koolstofstalen smeedstukken onderscheiden van gietstukken of warmgewalste staven van dezelfde kwaliteit. Heet werken boven de herkristallisatietemperatuur (ongeveer 720–750 ° C voor koolstofstaal) breekt de gegoten dendritische structuur af , sluit stollingsporositeit en holtes af en produceert een verfijnde, gelijkassige korrelstructuur. De mechanische bewerking ontwikkelt ook een vezelachtige korrelstroom die – indien uitgelijnd met de richting van de hoofdspanning in het voltooide onderdeel – de vermoeiingssterkte en slagvastheid aanzienlijk verbetert in vergelijking met staafmateriaal dat over de korrel wordt bewerkt.

Gedocumenteerde verbeteringen aan de eigenschappen van smeedstukken van AISI 1045 medium-koolstofstaal ten opzichte van gelijkwaardige gietstukken omvatten verbeteringen in de vermoeiingssterkte van 20-37% en Charpy-slagvastheidverbeteringen van 30-50% bij kamertemperatuur, met nog grotere voordelen bij temperaturen onder het vriespunt die relevant zijn voor olie- en gas- en Arctische toepassingen.

Warmtebehandeling van smeedstukken van koolstofstaal

As-gesmede koolstofstalen componenten worden doorgaans genormaliseerd (luchtgekoeld van bovenaf Ac3) om smeedspanningen te verlichten en een uniforme perlitisch-ferritische microstructuur te produceren als basis voor daaropvolgende bewerking of warmtebehandeling. De uiteindelijke mechanische eigenschappen worden bereikt door:

• Doven en temperen (Q&T): Austenitiseren bij 820–870 °C, water of olie blussen tot martensiet en vervolgens tempereren bij 400–650 °C om de beoogde hardheid/taaiheidsbalans te bereiken - de standaardroute voor smeedstukken van middelhoog en hoog koolstofstaal in structurele en slijtagetoepassingen
• Inductieharden: Selectieve oppervlakteverharding van kritische slijtagezones (tandwieltanden, astapoppervlakken) met behoud van een taaie kern - op grote schaal toegepast op 1045 en 1050 assen en tandwielen
• Gloeien: Volledig gloeien of sferoïdiseren voor hardmetaalsoorten met een hoog koolstofgehalte om de bewerkbaarheid te verbeteren vóór de nabewerking en uiteindelijke harding

Smeedstukken van koolstofstaal versus smeedstukken van gelegeerd staal

Smeedstukken van koolstofstaal worden geselecteerd wanneer de vereiste mechanische eigenschappen binnen het haalbare bereik van warmtebehandelde koolstofkwaliteiten vallen, en wanneer aan de hardbaarheidseisen kan worden voldaan in de doorsnede die wordt gesmeed. Voor secties groter dan ongeveer 50–75 mm worden de beperkingen van de hardbaarheid aanzienlijk — de kern van een groot smeedstuk van koolstofstaal bereikt mogelijk niet de volledige martensitische hardheid tijdens het afschrikken, wat resulteert in een lagere kerntaaiheid dan het oppervlak. Gelegeerde staalsoorten (4140, 4340, 8620) worden gespecificeerd wanneer de vereisten voor diepe hardbaarheid, sterkte bij hoge temperaturen of corrosieweerstand hoger zijn dan wat koolstofstaal kan bieden. De afweging is de kosten: smeedstukken van koolstofstaal in AISI 1045 kosten 15-35% minder materiaalkosten dan gelijkwaardige smeedstukken van gelegeerd staal.