อธิบายโลหะผสมเหล็กปลอมแปลง, ST 37, แหวนปลอมแปลง และความแข็งสแตนเลส 416

เหล็กโลหะผสมฟอร์จคืออะไร

เหล็กกล้าโลหะผสมหลอมคือเหล็กกล้าที่ขึ้นรูปโดยใช้แรงอัด เช่น การทุบด้วยค้อนหรือการอัดด้วยแม่พิมพ์ ที่อุณหภูมิสูง และองค์ประกอบดังกล่าวรวมถึงการเติมธาตุโลหะผสมโดยเจตนานอกเหนือจากสูตรเหล็ก-คาร์บอนพื้นฐาน การเติมโลหะผสมทั่วไป ได้แก่ โครเมียม โมลิบดีนัม นิกเกิล วาเนเดียม และแมงกานีส ซึ่งแต่ละอย่างมีส่วนช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลโดยเฉพาะ เช่น ความแข็งแรง ความเหนียว ความสามารถในการชุบแข็ง ความต้านทานการสึกหรอ หรือความต้านทานการกัดกร่อน

กระบวนการตีขึ้นรูปนั้นมีความสำคัญพอๆ กับเคมีของโลหะผสม เมื่อเหล็กร้อนทำงานภายใต้แรงอัด โครงสร้างเกรนแบบหล่อซึ่งประกอบด้วยช่องว่าง การแยกเดนไดรต์ และการรวมเข้าด้วยกันที่จัดเรียงในทิศทางแบบสุ่ม จะถูกแยกย่อยและปรับปรุง เมล็ดข้าวจะตกผลึกใหม่เป็นโครงสร้างที่ละเอียดและสม่ำเสมอยิ่งขึ้น และเส้นการไหลของวัสดุ (หรือที่เรียกว่าการไหลของเมล็ดพืช) จะสอดคล้องกับรูปร่างของการตีขึ้นรูป โครงสร้างเกรนที่มุ่งเน้นนี้เป็นข้อได้เปรียบเชิงกลหลักของเหล็กกล้าโลหะผสมหลอมที่เหนือกว่าการหล่อหรือเทียบเท่ากับการตัดเฉือนจากแท่ง : ชิ้นส่วนปลอมแปลงต้านทานการแตกร้าวจากความเมื่อยล้า แรงกระแทก และความเค้นในทิศทางที่มีภาระการบริการสูงสุด

เหล็กโลหะผสมฟอร์จครอบคลุมวัสดุหลากหลายเกรด เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ เช่น AISI 4140 (โครเมียม-โมลิบดีนัม) และ AISI 4340 (นิกเกิล-โครเมียม-โมลิบดีนัม) เป็นส่วนสำคัญในยานยนต์ น้ำมันและก๊าซ และการใช้งานเครื่องจักรกลหนัก เหล็กกล้าเครื่องมือโลหะผสมสูง เหล็กกล้าแม่พิมพ์ และเกรดสเตนเลสยังถูกผลิตขึ้นเป็นการตีขึ้นรูปเมื่อการใช้งานต้องการความสมบูรณ์ของโครงสร้างจุลภาคซึ่งการหล่อเพียงอย่างเดียวไม่สามารถเชื่อถือได้

เหล็ก ST 37 คืออะไร

ST 37 เป็นชื่อเหล็กโครงสร้างจากระบบมาตรฐาน DIN ของเยอรมนีในอดีต โดย "ST" หมายถึงเหล็กโครงสร้าง และ "37" หมายถึงความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำของ 370 เมกะปาสคาล . เกรดนี้เทียบเท่ากับ S235 ภายใต้มาตรฐานยุโรป EN 10025 ในปัจจุบัน และเทียบเคียงได้กับ ASTM A36 ในระบบของสหรัฐอเมริกาในวงกว้าง แม้ว่าความเท่าเทียมกันที่แน่นอนจะขึ้นอยู่กับเกรดย่อยเฉพาะและสภาวะการบำบัดความร้อน

ST 37 เป็นเหล็กโครงสร้างคาร์บอนต่ำที่ไม่มีการเจือ ปริมาณคาร์บอนโดยทั่วไปต่ำกว่า 0.17% ซึ่งทำให้มีความสามารถในการเชื่อมและขึ้นรูปได้ดี แต่จำกัดความแข็งแรงเมื่อเทียบกับโลหะผสมหรือเกรดที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อน โดยทั่วไปความแข็งแรงของผลผลิตจะอยู่ที่ประมาณ 235 เมกะปาสคาล และการยืดตัวที่จุดขาดประมาณ 26% สะท้อนถึงวัสดุที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อความเหนียวและความง่ายในการผลิต มากกว่าความสามารถในการรับน้ำหนักสูงสุด

การใช้งานสำหรับ ST 37 / S235 ส่วนใหญ่เป็นการผลิตโครงสร้างทั่วไป: โครงอาคาร สะพาน โครงสร้างรองรับ ฐานเครื่องจักร และส่วนประกอบทางวิศวกรรมทั่วไป ซึ่งการรับน้ำหนักปานกลางและความสามารถในการเชื่อมถือเป็นสิ่งสำคัญ ไม่ใช่เหล็กชุบแข็ง และโดยทั่วไปไม่ได้ใช้ในงานที่ต้องการความต้านทานความล้าสูงหรือความแข็งของพื้นผิว เมื่อต้องการความแข็งแรงสูงขึ้น จะถูกแทนที่ด้วย S355 (เดิมคือ ST 52) หรือด้วยเกรดโลหะผสม เช่น 4140

แหวนเหล็กหลอม : กระบวนการ ประเภท และการประยุกต์

วงแหวนเหล็กหลอมเป็นส่วนประกอบรูปวงแหวนที่ผลิตโดยการรีดแหวน ซึ่งเป็นกระบวนการตีขึ้นรูปพิเศษโดยวางเหล็กแท่งเล็กที่ถูกเจาะด้วยความร้อนไว้บนแมนเดรล และค่อยๆ รีดระหว่างแมนเดรลและม้วนที่ขับเคลื่อน ช่วยลดความหนาของผนังและเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางในขณะที่ยังคงรักษาโปรไฟล์หน้าตัดที่ควบคุมได้ กระบวนการนี้สามารถผลิตวงแหวนได้ตั้งแต่ไม่กี่เซนติเมตรขึ้นไป เส้นผ่านศูนย์กลาง 9 เมตร ขึ้นอยู่กับความจุของอุปกรณ์

กระบวนการรีดวงแหวนทำให้เกิดการไหลของเกรนเป็นเส้นรอบวงอย่างต่อเนื่องซึ่งเป็นไปตามรูปทรงของวงแหวน การวางแนวนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพ: ความเค้นในเครื่องจักรที่กำลังหมุน ภาชนะรับความดัน และการแข่งขันของตลับลูกปืนจะกระทำเป็นเส้นรอบวง และโครงสร้างเกรนที่เรียงชิดกันจะต้านทานความเค้นเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการตัดวงแหวนจากแผ่นหรือแท่ง โดยที่เกรนไหลในทิศทางเชิงเส้นคงที่ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับรูปทรงของชิ้นส่วน

ประเภทของแหวนเหล็กหลอม

แหวนฟอร์จผลิตขึ้นในสองประเภทหน้าตัดหลัก:

• วงแหวนแบน (หน้าตัดสี่เหลี่ยม): ชนิดที่พบบ่อยที่สุด ใช้เป็นหน้าแปลน ช่องเกียร์ ตลับลูกปืน และวงแหวนโครงสร้าง หลังจากการรีดแหวน แหวนแบบแบนมักจะได้รับการบำบัดด้วยความร้อน จากนั้นจึงกลึงให้เป็นขนาดสุดท้าย
• วงแหวนรีดรูปทรง (หน้าตัดทำโปรไฟล์): ผลิตโดยใช้แมนเดรลที่มีรูปทรงและม้วนตามแนวแกนเพื่อสร้างโปรไฟล์ที่มีรูปร่างใกล้ตาข่าย — หน้าแปลน ขั้นบันได ร่อง หรือเทเปอร์ — ในระหว่างกระบวนการรีด การกลิ้งตามโครงร่างช่วยลดปริมาณการตัดเฉือนที่ต้องการ ลดการสูญเสียวัสดุ และปรับปรุงการไหลของเกรนผ่านส่วนสำคัญของโปรไฟล์ได้

เกรดเหล็กทั่วไปสำหรับแหวนฟอร์จ

การเลือกใช้วัสดุสำหรับวงแหวนเหล็กหลอมขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการทำงานและข้อกำหนดทางกล:

• เหล็กกล้าคาร์บอน (AISI 1045, 1020): ใช้สำหรับหน้าแปลนทั่วไปและวงแหวนโครงสร้างที่ไม่จำเป็นต้องมีโลหะผสมสูง
• โลหะผสมเหล็ก (AISI 4140, 4340, 8620): ตัวเลือกมาตรฐานสำหรับแหวนที่มีความเครียดสูง รับภาระเมื่อยล้า หรือต้องผ่านการชุบแข็ง พบได้ทั่วไปในน้ำมันและก๊าซ การทำเหมือง และอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้า
• สแตนเลส (304, 316, 17-4 PH): ใช้เมื่อต้องการความต้านทานการกัดกร่อน — อุปกรณ์แปรรูปทางเคมี นอกชายฝั่ง อาหาร และยา
• เหล็กเครื่องมือและเหล็กแบริ่ง (52100, H13): ผลิตเป็นแหวนฟอร์จสำหรับการแข่งขันตลับลูกปืน ส่วนประกอบแม่พิมพ์ และการใช้งานที่มีการสึกหรอสูงซึ่งต้องการโปรไฟล์ความแข็งเฉพาะ

ในกรณีที่ใช้แหวนเหล็กหลอม

วงแหวนเหล็กหลอมปรากฏอยู่ในแทบทุกภาคส่วนอุตสาหกรรมหนักที่ต้องใช้ส่วนประกอบวงแหวนแบบหมุน บรรจุแรงดัน หรือรับน้ำหนัก พื้นที่การใช้งานที่สำคัญ ได้แก่ :

• กังหันลม: หน้าแปลนทาวเวอร์ หน้าแปลนเพลาหลัก และวงแหวนลูกปืนระยะพิทช์และการหันเห กังหันลมขนาดใหญ่หนึ่งตัวอาจมีหน้าแปลนแหวนปลอมแปลงมากกว่า 20 อัน ข้อกำหนดอายุการใช้งานความล้าสำหรับส่วนประกอบเหล่านี้ — ออกแบบมาสำหรับการโหลดแบบวนเป็นเวลา 20 ปี — ทำให้วัสดุปลอมแปลงเป็นข้อกำหนดมาตรฐาน
• น้ำมันและก๊าซ: หน้าแปลนหลุมผลิต หัวฉีดภาชนะรับความดัน วงแหวนเชื่อมต่อใต้ทะเล และหน้าแปลนท่อ อัตราแรงดันและความเหนียวของวัสดุที่อุณหภูมิต่ำ (สำหรับการใช้งานในอาร์กติกหรือน้ำลึก) เป็นตัวขับเคลื่อนการเลือกส่วนประกอบที่หล่อทับ
• การบินและอวกาศ: ปลอกเครื่องยนต์ วงแหวนกังหัน และโครงโครงสร้าง แหวนไทเทเนียมและนิกเกิลซูเปอร์อัลลอยด์ยังถูกรีดด้วยแหวนสำหรับส่วนประกอบส่วนที่ร้อนของเครื่องยนต์ไอพ่น ตามหลักกระบวนการเดียวกันกับเหล็กกล้า
• การทำเหมืองแร่และเครื่องจักรกลหนัก: ช่องว่างแหวนแกว่ง ส่วนประกอบเครื่องบด และช่องว่างเกียร์ขนาดใหญ่สำหรับรถขุดและโรงงาน
• พลังงานนิวเคลียร์: วงแหวนถังแรงดันของเครื่องปฏิกรณ์และส่วนประกอบเครื่องกำเนิดไอน้ำ โดยต้องมีการตรวจสอบย้อนกลับของวัสดุ การทดสอบแบบไม่ทำลาย และขั้นตอนการตีขึ้นรูปที่มีการควบคุม

ความแข็งของเหล็กกล้าไร้สนิม 416: คุณสมบัติและข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ

AISI 416 เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกที่ตัดเฉือนฟรี ซึ่งเป็นเกรดสเตนเลสทุกประเภทที่สามารถแปรรูปได้มากที่สุด โดยเติมซัลเฟอร์ (ขั้นต่ำ 0.15%) ลงในองค์ประกอบโครเมียมมาร์เทนซิติกมาตรฐาน 12–13% ซัลเฟอร์ก่อให้เกิดการรวมตัวของแมงกานีสซัลไฟด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวหักเศษระหว่างการตัดเฉือน ช่วยลดการสึกหรอของเครื่องมือและรอบเวลาได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเกรดเช่น 410 หรือ 420 ข้อดีคือลดความต้านทานการกัดกร่อนและความเหนียวลดลงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเกรดมาร์เทนซิติกที่ปราศจากซัลเฟอร์

ความแข็งในสภาพอบอ่อน

ในสภาวะอบอ่อน (อ่อนตัว) เหล็กกล้าไร้สนิม 416 มีความแข็ง Brinell โดยทั่วไป 185–200 ฮ ความต้านทานแรงดึงประมาณ 515 MPa และความแข็งแรงของผลผลิตประมาณ 275 MPa นี่คือเงื่อนไขที่วัสดุได้รับการจัดหาและตัดเฉือนโดยทั่วไป การเติมซัลเฟอร์ทำให้สามารถตัดได้อย่างอิสระในสถานะอบอ่อน และส่วนประกอบที่มีความแม่นยำส่วนใหญ่จะถูกตัดเฉือนก่อนที่จะใช้การบำบัดความร้อนใดๆ

ความแข็งหลังการอบชุบด้วยความร้อน

สแตนเลส 416 เป็นเกรดที่สามารถชุบแข็งได้ ด้วยการออสเทนไนซ์ที่อุณหภูมิ 925–1,010°C ตามด้วยการชุบน้ำมันและการอบคืนสภาพ วัสดุสามารถนำไปสู่ระดับความแข็งที่สูงขึ้นอย่างมาก:

• สภาวะเทียบเท่ากับ H900 (อุณหภูมิการอบคืนตัวต่ำ ~175°C): บรรลุความแข็งได้ถึง 38–42 เหล็กแผ่นรีดร้อน (ประมาณ 370–400 HB) ความต้านทานแรงดึงสูงกว่า 1,200 MPa
• การแบ่งเบาบรรเทาช่วงกลาง (400–500°C): ความแข็งประมาณ 28–35 เหล็กแผ่นรีดร้อน โดยมีความเหนียวที่ดีขึ้นและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าสภาวะที่มีความแข็งสูง
• อุณหภูมิการแบ่งเบาบรรเทาสูง (600–650°C): ความแข็งตกอยู่ที่ 22–26 เหล็กแผ่นรีดร้อน เพิ่มความเหนียวและความเหนียวสูงสุดโดยแลกกับความแข็งแกร่ง ใช้ในกรณีที่ความต้านทานแรงกระแทกมีความสำคัญมากกว่าความแข็ง

การเลือกอุณหภูมิการอบคืนตัวถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจาก 416 เช่นเดียวกับสเตนเลสมาร์เทนซิติกอื่นๆ มีแนวโน้มที่จะเกิดการเปราะจากการอบคืนตัวในช่วง 425–595°C การแบ่งเบาบรรเทาภายในหน้าต่างนี้จะทำให้ได้วัสดุที่มีความเหนียวในการรับแรงกระแทกต่ำ แม้ว่าจะอ่านค่าความแข็งที่ยอมรับได้ก็ตาม ควรหลีกเลี่ยงช่วงนี้ ; การแบ่งเบาบรรเทาที่อุณหภูมิต่ำกว่า 200°C หรือสูงกว่า 600°C จะทำให้ประสิทธิภาพทางกลโดยรวมดีขึ้น

การใช้งานทั่วไปของเหล็กกล้าไร้สนิม 416

การผสมผสานระหว่างความสามารถในการขึ้นรูปและความสามารถในการชุบแข็งทำให้เหล็กกล้าไร้สนิม 416 เป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับส่วนประกอบที่ผลิตด้วยความแม่นยำในปริมาณมาก ซึ่งต้องการความต้านทานการกัดกร่อนปานกลางและระดับความแข็งที่กำหนดหลังจากการอบชุบด้วยความร้อน:

• ส่วนประกอบอาวุธปืน: กลุ่มทริกเกอร์ โบลต์ และส่วนประกอบการทำงานที่ต้องการความแม่นยำด้านมิติ ความแข็ง และความต้านทานการกัดกร่อนพร้อมกัน และมีปริมาณการตัดเฉือนสูง
• สกรู น็อต และสลักเกลียว: ตัวยึดที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนนอกเหนือจากเหล็กกล้าคาร์บอน แต่ผลิตด้วยเครื่องสกรูอัตโนมัติที่ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยกำมะถันช่วยให้เกิดประสิทธิภาพในการผลิต
• เพลาปั๊มและก้านวาล์ว: การใช้งานที่ต้องการความแข็งพื้นผิว ความแม่นยำของขนาด และความต้านทานปานกลางต่อตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอ่อน
• เกียร์และบูช: ในกรณีที่ต้องการความต้านทานการสึกหรอและความแข็งในสภาพแวดล้อมที่ไม่รุนแรงพอที่จะต้องใช้เกรดที่ทนต่อการกัดกร่อนมากขึ้น เช่น 316 หรือสเตนเลสดูเพล็กซ์

ข้อจำกัดที่สำคัญประการหนึ่ง: การเติมซัลเฟอร์ของ 416 ช่วยลดความต้านทานการกัดกร่อนเมื่อเปรียบเทียบกับเกรดมาร์เทนซิติกที่ไม่ตัดเฉือนแบบอิสระ ไม่ควรระบุสำหรับการสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์ กรด หรือการแช่ในน้ำเป็นเวลานานโดยไม่มีการเคลือบป้องกัน ในกรณีที่เกรดสเตนเลสตัดเฉือนอิสระต้องการความต้านทานการกัดกร่อนที่สูงขึ้น เกรด 303 (ออสเทนนิติก) ก็เป็นทางเลือกที่ใช้กันทั่วไป แม้ว่าจะไม่สามารถชุบแข็งได้ด้วยกรรมวิธีทางความร้อนก็ตาม