โลหะผสมเหล็กทำมาจากอะไร? คู่มือองค์ประกอบและการตีขึ้นรูป

ตอบตรง

โดยพื้นฐานแล้วโลหะผสมของเหล็กนั้นทำจากเหล็กและคาร์บอน แต่สิ่งที่เปลี่ยนเหล็กธรรมดาให้เป็นเหล็กโลหะผสมประสิทธิภาพสูงคือการเติมธาตุผสมตั้งแต่หนึ่งองค์ประกอบขึ้นไปโดยเจตนา เช่น โครเมียม นิกเกิล โมลิบดีนัม แมงกานีส วานาเดียม หรือทังสเตน ซึ่งแต่ละองค์ประกอบมีส่วนทำให้เกิดคุณสมบัติทางกลหรือทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก ซึ่งผลิตโดยการสร้างวัสดุเสริมสมรรถนะนี้ภายใต้แรงอัดสูง ถือเป็นรูปแบบงานโลหะที่มีความน่าเชื่อถือเชิงโครงสร้างมากที่สุดรูปแบบหนึ่งในการผลิตภาคอุตสาหกรรม

องค์ประกอบพื้นฐานของเหล็กคือ เหล็ก (เฟ) โดยทั่วไปจะรวมกับคาร์บอน (C) ในระดับตั้งแต่ 0.05% ถึง 2.0% โดยน้ำหนัก . จากนั้นจึงนำองค์ประกอบโลหะผสมมาใช้เป็นเปอร์เซ็นต์ที่ควบคุมได้ เพื่อปรับเปลี่ยนความแข็ง ความต้านทานแรงดึง ความต้านทานการกัดกร่อน ความเหนียว หรือความต้านทานความร้อน ขึ้นอยู่กับการใช้งาน วิศวกรรมการจัดองค์ประกอบโดยเจตนานี้คือสิ่งที่แยกโลหะผสมเหล็กออกจากเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา และนี่คือสิ่งที่ทำให้เกิด การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก มีคุณค่ามากในอุตสาหกรรมที่มีความต้องการสูง เช่น น้ำมันและก๊าซ การบินและอวกาศ ยานยนต์ และเครื่องจักรกลหนัก

องค์ประกอบหลักที่ประกอบเป็นโลหะผสมเหล็ก

การทำความเข้าใจว่าโลหะผสมเหล็กทำมาจากอะไรต้องดูที่องค์ประกอบต่างๆ ของเหล็กโลหะผสม แต่ละองค์ประกอบมีจุดประสงค์ — ไม่มีการเพิ่มใดๆ โดยไม่มีเหตุผลที่คำนวณได้

เหล็ก (เฟ)

โลหะฐานหลัก เหล็กเป็นกระดูกสันหลังของโครงสร้าง เหล็กบริสุทธิ์ค่อนข้างอ่อนและเหนียว ซึ่งเป็นสาเหตุที่เพิ่มคาร์บอนและองค์ประกอบโลหะผสมอื่นๆ เพื่อเพิ่มสมรรถนะทางกล โดยทั่วไปแล้วธาตุเหล็กจะประกอบด้วย 97% ขึ้นไป ขององค์ประกอบทั้งหมดในเกรดเหล็กโลหะผสมส่วนใหญ่

คาร์บอน (ซี)

องค์ประกอบการผสมที่สำคัญที่สุด ปริมาณคาร์บอนจะควบคุมความแข็งและความต้านทานแรงดึงโดยตรง เหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำมีคาร์บอนอยู่ในช่วง 0.15% ถึง 0.50% . ปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้นจะเพิ่มความแข็งแต่ลดความสามารถในการเชื่อมและความเหนียว ซึ่งต้องใช้ความสมดุลอย่างระมัดระวังในการหลอมโลหะ

โครเมียม (Cr)

เพิ่มเป็นจำนวนเงินจาก 0.5% ถึง 18% โครเมียมช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งได้อย่างมาก ที่ระดับที่สูงกว่า 10.5% เหล็กจะกลายเป็นสเตนเลส ในการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง โครเมียมยังทำให้คาร์ไบด์มีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง ป้องกันไม่ให้อ่อนตัวลงภายใต้ความร้อน

นิ

นิckel (Ni)

นิckel improves toughness, particularly at low temperatures, and enhances corrosion resistance. It is commonly used in amounts of 1% ถึง 5% ในเหล็กโลหะผสมที่มีโครงสร้าง เมื่อใช้ร่วมกับโครเมียม นิกเกิลจะทำให้เกิดโลหะผสมเหล็กที่ทนต่อแรงกระแทกได้มากที่สุดสำหรับการตีขึ้นรูปภาชนะรับความดันและส่วนประกอบกังหัน

โม

โมlybdenum (Mo)

การเติมโมลิบดีนัมเป็นหนึ่งในการเพิ่มมูลค่ามากที่สุดในเหล็กกล้าโลหะผสมประสิทธิภาพสูง โดยทั่วไปจะเติมโมลิบดีนัม 0.15% ถึง 1.0% . ช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง ความต้านทานต่อการเปราะของอุณหภูมิ และความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้อย่างมาก การตีโลหะผสมเหล็กที่ใช้ในการขุดเจาะน้ำมันและปิโตรเคมีมักจะมีโมลิบดีนัมอยู่ด้วย

มน

แมงกานีส (Mn)

แมงกานีสมีส่วนช่วยในการดีออกซิเดชันระหว่างการผลิตเหล็กและช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งและความต้านทานแรงดึง มันปรับผลกระทบที่เป็นอันตรายของซัลเฟอร์ให้เป็นกลางโดยสร้างแมงกานีสซัลไฟด์แทนเหล็กซัลไฟด์ ระดับโดยทั่วไปมีตั้งแต่ 0.30% ถึง 1.80% ในเกรดเหล็กโลหะผสมมาตรฐาน

วิธีจำแนกเหล็กโลหะผสม: โลหะผสมต่ำและโลหะผสมสูง

เหล็กกล้าโลหะผสมบางชนิดมีองค์ประกอบหรือประสิทธิภาพไม่เท่ากัน อุตสาหกรรมแบ่งพวกมันออกเป็นสองประเภทกว้าง ๆ ตามเปอร์เซ็นต์รวมของธาตุผสมที่มีอยู่ การจำแนกประเภทนี้มีผลกระทบโดยตรงต่อพารามิเตอร์การตีขึ้นรูป ข้อกำหนดในการอบชุบ และการใช้งานขั้นสุดท้าย

การจำแนกประเภทเหล็กโลหะผสมตามปริมาณธาตุโลหะผสมทั้งหมดและการใช้งานทั่วไป
หมวดหมู่	เนื้อหาโลหะผสมทั้งหมด	องค์ประกอบการผสมทั่วไป	การใช้งานทั่วไป
เหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำ	น้อยกว่า 8%	Cr, โม, นิ, มิน, วี	ภาชนะรับความดัน ท่อ การตีขึ้นรูปโครงสร้าง ชิ้นส่วนยานยนต์
เหล็กโลหะผสมสูง	8% ขึ้นไป	Cr, นี, โม, W, Co	การบินและอวกาศ กังหันก๊าซ กระบวนการทางเคมี การตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูง
สแตนเลส (เซตย่อย)	สูงกว่า Cr ขั้นต่ำ 10.5%	Cr, Ni, Mo	การแปรรูปอาหาร ทางทะเล การแพทย์ การตีขึ้นรูปวาล์ว
เหล็กเครื่องมือ (เซตย่อย)	อัลลอยด์ C สูงแปรผันได้	W, Mo, Cr, V	เครื่องมือตัด แม่พิมพ์ แม่พิมพ์ เครื่องมือตีขึ้นรูป

ในอุตสาหกรรมการหลอมโลหะ เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำเป็นสาเหตุของการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กส่วนใหญ่ที่ผลิตทั่วโลก เนื่องจากมีความสมดุลที่ยอดเยี่ยมระหว่างคุณสมบัติทางกลและความคุ้มทุน เกรดโลหะผสมสูงสงวนไว้สำหรับสภาวะการทำงานที่รุนแรง ซึ่งความต้องการด้านประสิทธิภาพทำให้ต้นทุนวัสดุที่เพิ่มขึ้นเหมาะสม

วิธีการผลิตโลหะผสมเหล็ก: จากแร่ดิบไปจนถึงองค์ประกอบสำเร็จรูป

การผลิตเหล็กโลหะผสมเป็นกระบวนการทางโลหะวิทยาหลายขั้นตอนที่ต้องการการควบคุมที่แม่นยำในแต่ละขั้นตอน การทำความเข้าใจกระบวนการนี้อธิบายได้ว่าทำไมความสม่ำเสมอขององค์ประกอบจึงมีความสำคัญอย่างมากในการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก แม้แต่การเบี่ยงเบนทางเคมีเพียงเล็กน้อยก็อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติสุดท้ายของชิ้นส่วนที่หลอม

การถลุงแร่เหล็กและการผลิตเหล็กขั้นปฐมภูมิ

กระบวนการนี้เริ่มต้นในเตาถลุงเหล็กซึ่งมีแร่เหล็ก โค้ก และหินปูนรวมกันที่อุณหภูมิสูงกว่านั้น 1,500°ซ . สิ่งนี้จะทำให้เกิดเหล็กหมู ซึ่งเป็นธาตุเหล็กที่มีคาร์บอนสูงและมีสิ่งเจือปนสูง จากนั้น เหล็กหมูจะถูกทำให้บริสุทธิ์ในเตาออกซิเจนพื้นฐาน (BOF) หรือเตาอาร์คไฟฟ้า (EAF) เพื่อลดปริมาณคาร์บอนและกำจัดสิ่งเจือปนที่ไม่ต้องการ เช่น ซัลเฟอร์และฟอสฟอรัส ทำให้เกิดเป็นเหล็กดิบ

การเติมโลหะวิทยาทุติยภูมิและการเติมธาตุผสม

ธาตุผสมจะถูกเติมเข้าไปในระหว่างกระบวนการโลหะวิทยาทุติยภูมิ ซึ่งมักจะอยู่ในเตาหลอมแบบทัพพี เฟอร์โร-อัลลอยด์ (เหล็ก-โครเมียม, เฟอร์โร-โมลิบดีนัม, เฟอร์โร-วาเนเดียม ฯลฯ) ถูกนำมาใช้ในปริมาณที่แม่นยำเพื่อให้บรรลุคุณสมบัติทางเคมีเป้าหมาย อาจใช้การไล่ก๊าซแบบสุญญากาศเพื่อลดระดับไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กที่จะต้องเจอกับสภาพแวดล้อมที่มีความเครียดสูง ทัพพีทั้งหมดถูกคนและสุ่มตัวอย่างหลายครั้งเพื่อยืนยันความเป็นเนื้อเดียวกันของสารเคมีก่อนหล่อ

การหล่อแบบต่อเนื่องหรือการหล่อโลหะ

เหล็กโลหะผสมเหลวจะถูกแข็งตัวเป็นแท่ง บาน แผ่นพื้น หรือแท่งโลหะ ขึ้นอยู่กับกระบวนการตีขึ้นรูปขั้นปลายน้ำ สำหรับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กขนาดใหญ่ เช่น การตีขึ้นรูปแหวน เพลา หรือตัวภาชนะรับความดัน การหล่อโลหะ มักจะเป็นที่ต้องการ แท่งโลหะอาจมีน้ำหนักตั้งแต่สองสามร้อยกิโลกรัมขึ้นไป 300 เมตริกตัน . อัตราการแข็งตัวและรูปทรงของแท่งโลหะส่งผลต่อความแข็งแรงภายในของวัสดุ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการออกแบบแท่งโลหะจึงเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการทางวิศวกรรมที่มีคุณภาพ

การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการปรับสภาพ

แท่งหล่อหรือแท่งเหล็กจะถูกแช่ในเตาเผาที่ทำให้เป็นเนื้อเดียวกันที่อุณหภูมิโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 1,100°C และ 1,250°C เป็นระยะเวลานาน (สูงสุด 48 ชั่วโมงสำหรับแท่งโลหะขนาดใหญ่) เพื่อกำจัดการแยกตัว — การกระจายตัวของธาตุผสมที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัว ขั้นตอนนี้ไม่สามารถต่อรองได้สำหรับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กระดับพรีเมียมซึ่งจำเป็นต้องมีคุณสมบัติสม่ำเสมอทั่วทั้งหน้าตัด

อะไรทำให้โลหะผสมเหล็กตีขึ้นรูปแตกต่างจากการหล่อหรือสต็อกบาร์

เมื่อโลหะผสมเหล็กถูกผลิตขึ้นในรูปแบบแท่งหรือเหล็กแท่ง วัสดุจะผ่านการปลอม ซึ่งเป็นกระบวนการทางความร้อนเชิงกลที่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของเหล็กโดยพื้นฐาน และยกระดับคุณสมบัติทางกลของมันให้เหนือกว่าการหล่อหรือการตัดเฉือนจากสต็อกแท่งมาก

ในระหว่างกระบวนการตีเหล็กโลหะผสมจะถูกให้ความร้อนจนถึงช่วงอุณหภูมิการตีขึ้นรูป ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 1,050°C และ 1,250°C - แล้วขึ้นรูปด้วยแรงอัดโดยใช้เครื่องอัดไฮดรอลิก ค้อน หรืออุปกรณ์รีดวงแหวน กระบวนการเปลี่ยนรูปนี้บรรลุผลลัพธ์ที่สำคัญหลายประการ:

ช่องพรุนภายในและการหดตัวจากการหล่อจะถูกปิดและรวมเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดวัสดุที่มีความหนาแน่นสมบูรณ์
โครงสร้างเกรนได้รับการขัดเกลาและจัดเรียงตามรูปร่างของชิ้นส่วน ทำให้เกิดโครงสร้างไฟเบอร์ที่มีทิศทางซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งในทิศทางความเค้นหลัก
การรวมและแถบแยกจะถูกแยกออกและกระจายใหม่ ช่วยลดผลกระทบด้านลบต่อชีวิตที่เหนื่อยล้า
งานทางกลความร้อนทำให้เกิดความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนที่ควบคุมได้ในโครงตาข่ายคริสตัล ซึ่งส่งผลให้กำลังรับผลผลิตสูงขึ้น

ผลลัพธ์ก็คือว่า การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก typically exhibit 20% to 40% higher fatigue strength เมื่อเทียบกับการหล่อเหล็กโลหะผสมที่มีองค์ประกอบเหมือนกัน นี่คือเหตุผลว่าทำไมส่วนประกอบที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัย เช่น จานกังหัน แลนดิ้งเกียร์ หน้าแปลนแรงดัน ปลอกเจาะ มักถูกระบุว่าเป็นการตีขึ้นรูปมากกว่าการหล่อ

เกรดเหล็กโลหะผสมทั่วไปที่ใช้ในการตีขึ้นรูปและสิ่งที่มีอยู่

อุตสาหกรรมเหล็กทั่วโลกได้กำหนดเกรดเหล็กโลหะผสมหลายร้อยเกรดให้เป็นมาตรฐาน โดยแต่ละเกรดมีช่วงส่วนประกอบที่กำหนดซึ่งปรับให้เหมาะกับคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพเฉพาะ เกรดต่อไปนี้เป็นเกรดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก:

4140

AISI 4140 — เหล็กโครเมียม-โมลิบดีนัม

องค์ประกอบ: 0.38–0.43% C, 0.80–1.10% Cr, 0.15–0.25% Mo, 0.75–1.00% Mn . หนึ่งในเหล็กกล้าโลหะผสมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก มีความสามารถในการชุบแข็ง ทนต่อความล้า และความเหนียวได้ดีเยี่ยม โดยทั่วไปจะหลอมเป็นเพลา เกียร์ เพลา ก้านสูบ และข้อต่อเครื่องมือสำหรับภาคน้ำมันและก๊าซ ความต้านทานแรงดึงหลังการอบชุบด้วยความร้อนถึงแล้ว 950–1,100 เมกะปาสคาล ขึ้นอยู่กับความหนาของส่วนและอุณหภูมิการแบ่งเบาบรรเทา

4340

AISI 4340 — เหล็กนิกเกิล-โครเมียม-โมลิบดีนัม

องค์ประกอบ: 0.38–0.43% C, 0.70–0.90% Cr, 0.20–0.30% Mo, 1.65–2.00% Ni . 4340 เป็นที่รู้จักในฐานะเหล็กกล้าโลหะผสมคุณภาพสำหรับเครื่องบิน ให้ความแข็งแกร่งและความเหนียวที่โดดเด่นแม้ในหน้าตัดขนาดใหญ่ การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กที่ทำจาก 4340 ถูกนำมาใช้ในช่วงล่างของเครื่องบิน เพลาข้อเหวี่ยง และส่วนประกอบโครงสร้างเกรดเกราะ ความต้านทานแรงดึงสามารถเกินได้ 1,400 เมกะปาสคาล เมื่อได้รับความร้อนอย่างเหมาะสม

F22

ASTM A182 F22 — โลหะผสมโครเมียม-โมลิบดีนัม (2.25Cr-1Mo)

โลหะผสมบริการที่อุณหภูมิสูงประกอบด้วย โครเมียม 2.00–2.50% และ 0.87–1.13% โม . ระบุไว้อย่างกว้างขวางสำหรับภาชนะรับความดันและท่อตีขึ้นรูปในสภาพแวดล้อมปิโตรเคมีและโรงกลั่น เกรดนี้รักษาความแข็งแกร่งและต้านทานการโจมตีของไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูงถึง 550°ซ ทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในหน้าแปลนอุปกรณ์การประมวลผลด้วยพลังน้ำ ตัววาล์ว และหัวฉีดของเครื่องปฏิกรณ์

P91

เกรด P91 — ดัดแปลงเหล็ก 9Cr-1Mo

องค์ประกอบ: 8.00–9.50% โครเมียม, 0.85–1.05% โม, 0.18–0.25% V, 0.06–0.10% Nb . พัฒนาขึ้นโดยเฉพาะสำหรับบริการไอน้ำแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงในการผลิตไฟฟ้า การตีโลหะผสมเหล็กจาก P91 ใช้ในท่อไอน้ำหลัก ส่วนหัว และตัววาล์วที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 620°ซ . การเติมวานาเดียมและไนโอเบียมจะทำให้เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ชั้นดีที่ต้านทานการเสียรูปของการคืบตลอดการใช้งานมานานหลายทศวรรษ

การอบชุบโลหะผสมเหล็กด้วยความร้อน: ปลดล็อกคุณสมบัติที่แท้จริง

องค์ประกอบของโลหะผสมเหล็กเป็นตัวกำหนดศักยภาพ แต่การอบชุบด้วยความร้อนคือสิ่งที่ปลดล็อกและปรับแต่งศักยภาพนั้นให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะด้าน การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กมักจะต้องผ่านกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนอย่างน้อยหนึ่งครั้งหลังจากการตีขึ้นรูป และหลายๆ ชิ้นต้องผ่านการบำบัดตามลำดับหลายครั้ง

การทำให้เป็นมาตรฐาน

การตีขึ้นรูปจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิโดยประมาณ 50°C ถึง 70°C เหนืออุณหภูมิวิกฤตส่วนบน (Ac3) แล้วระบายความร้อนด้วยอากาศ การทำให้เป็นมาตรฐานจะช่วยปรับปรุงโครงสร้างเกรนที่ถูกรบกวนระหว่างการตีและบรรเทาความเค้นตกค้าง สำหรับโลหะผสมเหล็ก อุณหภูมิการทำให้เป็นมาตรฐานมักจะอยู่ระหว่างนั้น 860°C และ 950°C . การบำบัดนี้มักเป็นขั้นตอนแรกก่อนที่จะดับและแบ่งเบาบรรเทา

การชุบและแบ่งเบาบรรเทา (Q&T)

การชุบแข็งเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่การตีจนถึงอุณหภูมิออสเทนไนซ์ (โดยทั่วไป 830°C ถึง 900°C สำหรับเหล็กโลหะผสม Cr-Mo ส่วนใหญ่) และระบายความร้อนอย่างรวดเร็วในน้ำ น้ำมัน หรือสารดับโพลีเมอร์ สิ่งนี้ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคมาร์เทนซิติกที่มีความแข็งสูงมาก ซึ่งมักจะสูงกว่านั้น 50 เหล็กแผ่นรีดร้อน — แต่ยังมีความเปราะบางสูงอีกด้วย จากนั้นการอบคืนตัวจะทำให้มาร์เทนซิติกหลอมขึ้นด้วยอุณหภูมิที่ต่ำลง ซึ่งปกติแล้วจะอยู่ระหว่างนั้น 540°C และ 700°C เพื่อลดความเปราะบางโดยยังคงรักษาความแข็งแกร่งส่วนใหญ่เอาไว้ คุณสมบัติทางกลขั้นสุดท้ายสามารถควบคุมได้สูงผ่านการเลือกอุณหภูมิแบ่งเบาบรรเทา

การหลอม

ใช้เมื่อการตีขึ้นรูปต้องการความนุ่มนวลสูงสุดสำหรับการตัดเฉือน หรือเมื่อจำเป็นต้องขจัดความเค้นภายในออกจนหมด การหลอมแบบเต็มเกี่ยวข้องกับการระบายความร้อนของเตาอย่างช้าๆ จากด้านบน Ac3 ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคเฟอร์ริติก-เพิร์ลไลติกเป็นส่วนใหญ่ สำหรับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กที่ซับซ้อนบางประเภทที่มีข้อกำหนดการตัดเฉือนที่ซับซ้อน การหลอมจะช่วยลดการสึกหรอของเครื่องมือและรอบเวลาของการตัดเฉือนอย่างมีนัยสำคัญ - บางครั้งอาจลดเวลาในการตัดเฉือนลง 30% ถึง 50% เมื่อเทียบกับการตีขึ้นรูปในสภาพดับแล้ว

การรักษาความร้อนหลังการเชื่อม (ปวสHT)

การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กจำนวนมากถูกรวมเข้ากับชุดประกอบแบบเชื่อม หลังการเชื่อม โซนรับผลกระทบความร้อน (HAZ) ประกอบด้วยโครงสร้างจุลภาคที่แข็งและเปราะ และความเค้นดึงตกค้างที่อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวล่าช้าหรือบริการขัดข้อง PWHT ที่อุณหภูมิโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 600°C และ 760°C สำหรับเหล็กโลหะผสม Cr-Mo จะปรับ HAZ ลดปริมาณไฮโดรเจน และลดความเค้นตกค้างให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ สำหรับการตีขึ้นรูปภาชนะรับความดัน PWHT เป็นข้อกำหนดบังคับภายใต้รหัสการออกแบบส่วนใหญ่

อุตสาหกรรมที่ต้องอาศัยการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก และเหตุใดองค์ประกอบจึงมีความสำคัญ

การเลือกส่วนประกอบโลหะผสมเหล็กสำหรับการตีขึ้นรูปนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานเสมอ อุตสาหกรรมต่างๆ มีความต้องการที่แตกต่างกันมากสำหรับส่วนประกอบที่ปลอมแปลง และกลยุทธ์การผสมจะต้องสอดคล้องกับสภาพแวดล้อมการบริการอย่างแม่นยำ

อ.อ

อุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ

ปลอกเจาะ วาล์ว อุปกรณ์หลุมผลิต และหน้าแปลนท่อทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีความดันสูง การกัดกร่อนจากความเค้นที่เกิดจาก H2S และของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก ในภาคนี้มักใช้เกรด AISI 4130, 4140 และ F22 ซึ่งทั้งหมดรวมความต้านทานการกัดกร่อนที่เพียงพอเข้ากับความแข็งแรงของผลผลิตสูงซึ่งจำเป็นต่อการทนต่อแรงกดดันข้างต้น 100 เมกะปาสคาล ในการใช้งานหลุมลึก

เออี

การบินและอวกาศและกลาโหม

ส่วนประกอบเฟืองท้าย ก้านแอคชูเอเตอร์ และอุปกรณ์ยึดโครงสร้างจำเป็นต้องมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงสุดที่สามารถทำได้ในเหล็กกล้า AISI 4340 และรุ่นต่างๆ ที่มีการหลอมอาร์กแบบสุญญากาศ (VAR) ให้ความต้านทานแรงดึงสูงถึง 1,800 เมกะปาสคาล ที่ระดับความเหนียวแตกหักซึ่งเข้ากันได้กับการออกแบบที่ทนทานต่อความเสียหาย น้ำหนักทุกกรัมที่ประหยัดได้ในเครื่องบินมีมูลค่าการปฏิบัติงานในระยะยาว ซึ่งเป็นสาเหตุที่ว่าทำไมองค์ประกอบของโลหะผสมในการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศจึงได้รับการควบคุมให้มีความคลาดเคลื่อนเข้มงวดกว่าเกรดเชิงพาณิชย์มาตรฐานมาก

การผลิตไฟฟ้า

โรเตอร์กังหันไอน้ำ เพลาเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และหัวฉีดถังแรงดันในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และพลังความร้อนทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิและความดันสูงมานานหลายทศวรรษ การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กในภาคนี้ใช้เกรดต้านทานการคืบเช่น P91, P92 และ 12Cr-1Mo โดยที่วาเนเดียม ไนโอเบียม และทังสเตนเติมเข้าไปจะสร้างความเสถียรของโครงสร้างจุลภาคที่ป้องกันการเปลี่ยนแปลงมิติและการสูญเสียความแข็งแรง 100,000 ชั่วโมง ใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 550°C

ออสเตรเลีย

ยานยนต์และเครื่องจักรกลหนัก

เพลาข้อเหวี่ยง เพลาลูกเบี้ยว ก้านสูบ เพลาเพลา และส่วนประกอบกระปุกเกียร์ ถือเป็นกลุ่มที่มีปริมาณมากที่สุดในตลาดการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กทั่วโลก เกรดต่างๆ เช่น 5140 (เหล็กกล้า Cr) และ 8620 (เหล็กกล้าคาร์บูไรซิ่ง Ni-Cr-Mo) โดดเด่น โดยนำเสนอการผสมผสานระหว่างความแข็งพื้นผิวจากการชุบแข็งที่ตัวเรือนและคุณสมบัติแกนกลางที่แข็งแกร่งจากส่วนประกอบโลหะผสม การผลิตเหล็กโลหะผสมสำหรับยานยนต์ตีขึ้นรูปเกินกว่าปี 10 ล้านเมตริกตันทั่วโลก ทำให้ยานยนต์กลายเป็นกลุ่มผู้ใช้ปลายทางที่ใหญ่ที่สุดกลุ่มเดียว

การทดสอบและการตรวจสอบคุณภาพของการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก

เนื่องจากองค์ประกอบของโลหะผสมจะกำหนดคุณสมบัติของการตีขึ้นรูปขั้นสุดท้ายโดยตรง การทดสอบอย่างเข้มงวดในหลายขั้นตอนของการผลิตจึงเป็นแนวปฏิบัติมาตรฐาน การทดสอบต่อไปนี้ดำเนินการเป็นประจำกับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กเพื่อตรวจสอบว่าวัสดุตรงตามข้อกำหนดข้อกำหนด:

การวิเคราะห์ทางเคมี

Optical emission spectrometry (OES) หรือ X-ray fluorescence (XRF) ใช้ในการตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีของทุกความร้อนของโลหะผสมเหล็กก่อนที่จะทำการปลอม ผลลัพธ์ต้องอยู่ภายในช่วงองค์ประกอบที่ระบุสำหรับแต่ละองค์ประกอบ สำหรับการใช้งานที่สำคัญ การวิเคราะห์ทัพพีจะเสริมด้วยการวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์ที่นำมาจากการตีขึ้นรูปเสร็จแล้ว

การทดสอบทางกล

การทดสอบแรงดึง (ตาม ASTM E8 หรือ ISO 6892) วัดค่ากำลังคราก ความต้านทานแรงดึงสูงสุด การยืดตัว และการลดลงของพื้นที่ การทดสอบแรงกระแทกแบบชาร์ปี (ตาม ASTM E23) จะประเมินความทนทานที่อุณหภูมิที่กำหนด การทดสอบความแข็ง (Brinell, Rockwell หรือ Vickers) จะตรวจสอบการตอบสนองของการบำบัดความร้อนทั่วทั้งหน้าตัดของการตีขึ้นรูป

การทดสอบอัลตราโซนิก (UT)

UT แบบอัตโนมัติหรือแบบแมนนวลใช้ในการตรวจจับความไม่ต่อเนื่องภายใน เช่น ความพรุน รอยแตก หรือการรวมตัวภายในตัวของการตีขึ้นรูป เกณฑ์การยอมรับกำหนดโดยมาตรฐาน เช่น ASTM A388 หรือ EN 10228-3 สำหรับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กขนาดใหญ่ที่ใช้ในภาชนะรับความดันหรือกังหัน UT จะดำเนินการที่ 100% ของปริมาณการตีขึ้นรูป .

การทดสอบอนุภาคแม่เหล็ก (MT)

MT ตรวจจับความไม่ต่อเนื่องของพื้นผิวและใกล้พื้นผิวในเหล็กโลหะผสมเฟอร์ริติก การตีขึ้นรูปนั้นถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก และอนุภาคเฟอร์โรแมกเนติกขนาดเล็กจะเผยให้เห็นรอยร้าวที่พื้นผิว การทดสอบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กที่ได้รับการกลึงขึ้นรูป เนื่องจากการตัดเฉือนสามารถเผยให้เห็นรอยแตกร้าวใต้ผิวดินหรือเผยให้เห็นตะเข็บที่ไม่สามารถมองเห็นได้ในสภาพการตีขึ้นรูปหยาบ

โลหะผสมเหล็กกับเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาในการใช้งานปลอม

คำถามเชิงปฏิบัติในกระบวนการออกแบบการตีขึ้นรูปก็คือ ต้นทุนเพิ่มเติมขององค์ประกอบโลหะผสมนั้นสมเหตุสมผลหรือไม่เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา การเปรียบเทียบต่อไปนี้ให้มุมมองที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล:

การเปรียบเทียบคุณสมบัติที่สำคัญระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดากับเกรดการตีขึ้นรูปเหล็กกล้าโลหะผสมทั่วไป
คุณสมบัติ	เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา (1,045)	โลหะผสมเหล็ก (4140)	โลหะผสมเหล็ก (4340)
ความต้านแรงดึง (Q&T)	570–700 เมกะปาสคาล	950–1,100 เมกะปาสคาล	1,200–1,450 เมกะปาสคาล
ความสามารถในการชุบแข็ง	ต่ำ (ชุบแข็งตื้น)	ปานกลาง-สูง	สูงมาก
ความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ	แย่	ดี	ยอดเยี่ยม
ความต้านทานการกัดกร่อน	แย่	โมderate	โมderate
ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง	แย่ above 300°C	ดี to 450°C	ดี to 450°C
ต้นทุนวัสดุสัมพันธ์	ต่ำสุด	คาร์บอนธรรมดา 1.5–2x	คาร์บอนธรรมดา 2.5–4x

ในการใช้งานที่การตีขึ้นรูปมีขนาดเล็ก โหลดน้อย หรือเปลี่ยนได้ง่าย เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาอาจเป็นทางเลือกที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม สำหรับส่วนประกอบใดๆ ที่ความล้มเหลวอาจเป็นหายนะ หรือในกรณีที่การลดขนาดส่วน (น้ำหนัก) เป็นสิ่งสำคัญในเชิงพาณิชย์ การตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็ก deliver a cost-performance advantage ซึ่งชดเชยราคาวัสดุที่สูงขึ้นอย่างรวดเร็วด้วยน้ำหนักส่วนประกอบที่ลดลง อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น และความถี่ในการบำรุงรักษาที่ลดลง

วิธีการเลือกเกรดโลหะผสมเหล็กที่เหมาะสมสำหรับความต้องการการตีขึ้นรูปของคุณ

การเลือกส่วนประกอบโลหะผสมโลหะผสมที่ถูกต้องสำหรับโครงการทุบขึ้นรูปเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่มีโครงสร้าง ควรประเมินปัจจัยต่อไปนี้อย่างเป็นระบบ:

ช่วงอุณหภูมิการให้บริการ: สำหรับอุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิปานกลางสูงถึง 400°C เกรด Cr-Mo มาตรฐาน เช่น 4140 หรือ F11 ก็เพียงพอแล้ว สำหรับอุณหภูมิที่สูงกว่า 500°C ควรพิจารณาเกรด 9Cr ที่ดัดแปลง (P91, P92) หรือการตีขึ้นรูปสเตนเลสออสเทนนิติก
ระดับความแข็งแกร่งที่ต้องการ: กำหนดกำลังรับผลผลิตขั้นต่ำและกำลังรับแรงดึงที่ต้องการโดยการออกแบบ สำหรับความแข็งแรงของผลผลิตที่สูงกว่า 900 MPa ควรเลือกเกรดที่มีนิกเกิล (4340, 300M) หรือเหล็กกล้าโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ
ความหนาของส่วนและความสามารถในการชุบแข็ง: การตีขึ้นรูปส่วนที่ใหญ่ขึ้นจำเป็นต้องมีความสามารถในการชุบแข็งที่สูงขึ้นเพื่อให้เกิดการชุบแข็งแบบทะลุผ่าน เหล็กกล้าโลหะผสมธรรมดาเช่น 4140 สามารถชุบแข็งได้เต็มที่ในส่วนต่างๆ โดยประมาณ เส้นผ่านศูนย์กลาง 75 มม ; สำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่ จำเป็นต้องใช้เกรดนิกเกิลที่สูงกว่าหรือรูปแบบที่หลอมใหม่ด้วยระบบสุญญากาศ
สภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน: หากการตีขึ้นรูปจะต้องสัมผัสกับ H2S คลอไรด์ หรือสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด ควรพิจารณาเหล็กกล้าโลหะผสมที่ทนต่อการกัดกร่อนที่มีเกรดโครเมียมหรือสเตนเลสสูงกว่า แม้ว่าโลหะผสมจะเป็นไปตามข้อกำหนดพื้นฐานทางกลก็ตาม
ข้อกำหนดด้านการเชื่อม: ปริมาณคาร์บอนและโลหะผสมที่สูงขึ้นโดยทั่วไปจะลดความสามารถในการเชื่อม หากจะเชื่อมโลหะผสมเหล็กในงานเชื่อม ค่าเทียบเท่าคาร์บอน (CE) ด้านล่าง 0.45 โดยทั่วไปมีเป้าหมายเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจนใน HAZ โดยไม่ต้องอุ่นเครื่องก่อน
ความเหนียวกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ: สำหรับการใช้งานนอกชายฝั่ง อาร์กติก หรือไครโอเจนิก จะต้องระบุพลังงานกระแทกแบบชาร์ปีที่อุณหภูมิการออกแบบขั้นต่ำ การเติมนิกเกิลเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการรักษาความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ในการตีโลหะผสมเหล็ก

แนวโน้มใหม่ขององค์ประกอบโลหะผสมเหล็กและเทคโนโลยีการตีขึ้นรูป

ด้านการพัฒนาเหล็กโลหะผสมไม่คงที่ ความพยายามในการวิจัยและการพัฒนาอุตสาหกรรมยังคงผลักดันขอบเขตของสิ่งที่องค์ประกอบของโลหะผสมเหล็กสามารถทำได้ โดยมีผลกระทบที่สำคัญต่อการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กรุ่นต่อไป

เหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำ (AHSLA) ความแข็งแรงสูงขั้นสูง

เกรดเหล่านี้มีความต้านทานแรงดึงสูงกว่า 1,000 เมกะปาสคาล โดยมีปริมาณโลหะผสมทั้งหมดต่ำกว่า 3% โดยหลักๆ โดยการเติมไมโครอัลลอยด์ของไนโอเบียม (0.02–0.06%) ไทเทเนียม (0.01–0.04%) และวาเนเดียม (0.05–0.15%) กลไกนี้อาศัยการตกตะกอนที่แข็งตัวจากอนุภาคคาร์ไบด์และไนไตรด์ละเอียดซึ่งก่อตัวขึ้นระหว่างการควบคุมความเย็นหลังการตีขึ้นรูป ผลลัพธ์ที่ได้คือเกรดที่ผสมผสานความแข็งแกร่งของเหล็กกล้าโลหะผสมสูงแบบดั้งเดิมเข้ากับความสามารถในการเชื่อมที่ดีขึ้นอย่างมากและต้นทุนวัตถุดิบที่ลดลง

การประมวลผลที่ควบคุมด้วยความร้อนเชิงกล (TMCP) สำหรับการตีขึ้นรูป

TMCP ผสานรวมการปลอมแปลงการเสียรูปกับการทำความเย็นแบบควบคุมในลำดับที่ประสานกันเป็นลำดับเดียว แทนที่รอบการอุ่นและการดับแบบเดิม สำหรับโลหะผสมเหล็ก TMCP สามารถบรรลุขนาดเกรนที่ต่ำกว่าได้ 10 ไมโครเมตร — ละเอียดกว่าวัสดุหลอมและผ่านกระบวนการความร้อนทั่วไปมาก ขนาดเกรนที่ละเอียดยิ่งขึ้นจะช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความเหนียว และความต้านทานต่อความเมื่อยล้าไปพร้อมๆ กัน โดยไม่เพิ่มปริมาณโลหะผสม ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานในการรักษาความร้อนได้มากถึง 25% ในการดำเนินการตีขึ้นรูปบางอย่าง

การผลิตสารเติมแต่งเป็นส่วนเสริมของการตีขึ้นรูป

แม้ว่าการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) ไม่สามารถจำลองโครงสร้างเส้นใยและความหนาแน่นของการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กได้ แต่ก็มีการใช้มากขึ้นสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นที่มีรูปร่างใกล้เคียงตาข่ายซึ่งจะถูกปลอมแปลงในภายหลัง วิธีการแบบผสมผสานนี้ช่วยลดการสิ้นเปลืองวัสดุจาก อัตราส่วนการซื้อต่อการบิน 60–70% โดยทั่วไปในการตีขึ้นรูปทั่วไปที่ต่ำกว่า 30% สำหรับรูปร่างที่ซับซ้อน ขณะเดียวกันก็รักษาคุณประโยชน์ด้านความสมบูรณ์ของโครงสร้างของกระบวนการตีขึ้นรูป ผงโลหะผสมเหล็กสำหรับ AM เป็นกลุ่มผลิตภัณฑ์พิเศษที่กำลังเติบโต โดยมีองค์ประกอบที่สะท้อนถึงเกรดโลหะผสมที่เป็นที่ยอมรับอย่างใกล้ชิด

การออกแบบโลหะผสมเชิงคำนวณ

เครื่องมืออุณหพลศาสตร์เชิงคำนวณที่ใช้ CALPHAD ช่วยให้นักโลหะวิทยาสามารถออกแบบส่วนประกอบเหล็กอัลลอยด์ใหม่ได้ โดยการทำนายแผนภาพเฟส อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง และวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคก่อนที่เหล็กหนึ่งกิโลกรัมจะละลาย แนวทางนี้ช่วยเร่งวงจรการพัฒนาเกรดการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กใหม่ได้อย่างมาก — ลดเวลาจากแนวความคิดไปสู่เกรดการผลิตที่ผ่านการรับรองจากแบบเดิม 10–15 ปี ไปจนถึง 3–5 ปีในบางโปรแกรม