Traducción Handbook volumen 15 “Forming and Forging”, página 470 Forja de carbono y aleaciones Aceros Introducción Carbono y aceros aleados son con mucho los materiales forjados más comunes, y se forjan fácilmente en una amplia variedad de formas utilizando caliente, calentamiento, o procesos y equipos estándar (ver las secciones frío forja "Forjando Procesos "y" Equipamiento de forja y muere "en este volumen). A pesar de la gran cantidad de composiciones disponibles, todos los materiales de esta categoría presentan características esencialmente forja similar. Las excepciones a esto son aceros que contienen aditivos de maquinado libre tales como sulfuros; estos materiales son más difíciles de falsificar que son grados de mecanizado que no son libres. En general, la capacidad de forjado en caliente de aceros al carbono y de aleación de mejora a medida que aumenta la tasa de deformación. La mejora en trabajabilidad se ha atribuido principalmente a la aumento de calor de la deformación generada a altas velocidades de deformación. Selección de forjar temperaturas para aceros al carbono y de aleación se basa en el contenido de carbono, composición de la aleación, el rango de temperatura óptima para la plasticidad, y la cantidad de reducción requerida para forjar la pieza de trabajo. De estos factores, contenido de carbono tiene la mayor influencia sobre las temperaturas de forja con límite superior. La Tabla 1 muestra el forjado en caliente típico temperaturas para una variedad de aceros al carbono y de aleación; se puede observar que, en general, las temperaturas de forja disminuyen con el aumento de contenido de carbono y aleación.
Fuente: Ref 1
Aceros se han forjado en cantidad ya que cerca del comienzo de la Revolución Industrial. A pesar de (o quizás debido a) esta larga historia , la forja de aceros es un proceso intuitivo , empírico, y la literatura sobre el tema es relativamente escasa. En este artículo trataremos de presentar los datos de forjabilidad para aceros al carbono y aleados siempre que sea posible , y proporcionar alguna lineamientos generales para la forja de estos materiales. El procesamiento termomecánico de alta resistencia y baja aleación ( microaleados ) aceros de forja también se discutirán Comportamiento de forja en caliente La forja en caliente de aceros al carbono y de aleación en formas intrincadas rara vez limitado por aspectos forjabilidad con la excepción de los grados de maquinado libre mencionadas anteriormente . De espesor de corte , forma la complejidad y el tamaño de la forja se limitan principalmente por el enfriamiento que se produce cuando la pieza de trabajo calentada entra en contacto con los troqueles fríos. Por esta razón el equipo que tiene tiempos de contacto de matriz relativamente cortos , tales como martillos , a menudo se prefiere para forjar formas intrincadas en de acero .
Forjabilidad Hot -Twist Pruebas. Una forma común de medir la capacidad de forjado de aceros es la prueba en caliente giro. Como su nombre implica, esta prueba implica la torsión de la barra de muestras calentadas a la fractura en un número de diferentes temperaturas seleccionadas para cubrir el posible rango de temperatura de trabajo en caliente del material de ensayo. El número de giros a la fractura, así como la par necesario para mantener la torsión a una velocidad constante, se informó. La temperatura a la cual el número de torsiones es la más grande, si existe un máximo tal, se supone que es la temperatura de trabajo en caliente óptima del material de ensayo. Figura 1 muestra forjabilidad de varios aceros al carbono según las pruebas realizadas en caliente giro. Más información sobre la prueba en caliente giro es disponible en Ref. 2, 3, y 4.
Fig. 1 Forgeabilities de diversos aceros al carbono como determinaron utilizando pruebas en caliente torsión . Fuente: Ref 2 . Otras pruebas forjabilidad. Numerosas otras pruebas se utilizan para evaluar la capacidad de forjado de aceros, incluyendo: · La prueba de cuña forja, en el que se forja un espécimen forma de cuña entre matrices planas y la vertical deformación que causa agrietamiento se establece · La prueba de presión lateral, que consiste en comprimir una muestra de barra cilíndrica entre plana, paralela muere con el eje del cilindro paralelo a los troqueles. Los extremos del cilindro son sin restricciones, y forjabilidad se mide por la cantidad de deformación obtenido antes de craqueo · La prueba molesto, en el que un cilindro se comprime entre matrices planas y las cepas de la superficie de rotura en el ecuador del cilindro se miden · La prueba de malestar-bar con muescas, que es similar a la prueba de malestar la excepción de que las muescas axiales se mecanizan en la muestra de ensayo para introducir altos niveles de esfuerzos locales. Estas tensiones más altas pueden ser más indicativo de las tensiones experimentadas durante las operaciones de forja reales que los producidos en la prueba estándar de malestar · La prueba de tracción en caliente, que a menudo se utiliza un aparato de prueba especial para variar ambas velocidades de deformación y temperaturas en un amplio rango Información más detallada sobre estos procedimientos de ensayo, así como otras técnicas utilizadas para evaluar la viabilidad de mayor materiales, está disponible en los artículos de la sección "Evaluación de viabilidad" en este volumen y en Ref 5 y 6.
Efecto de la velocidad de deformación en forjabilidad . Como se ha indicado anteriormente, la capacidad de forjado de aceros generalmente aumenta con el aumento de la velocidad de deformación. Este efecto ha sido demostrado para el acero bajo en carbono en las pruebas en caliente giro (Fig. 2 ) , donde el número de giros a los aumentos de fracaso con el aumento de velocidad de giro . Se cree que esta mejora en la capacidad de forjado en mayor cepa tasas es debido al aumento de calor de la deformación producida en altas velocidades de deformación . Los aumentos de temperatura excesivos de calor de la deformación , sin embargo , puede conducir a la fusión incipiente , lo que puede reducir forjabilidad y propiedades mecánicas
Fig. 2 Influencia de la velocidad de deformación en las características en caliente de la torcedura de aceros bajos en carbono en 1095 ° C (2000 ° F) . Fuente: Ref 7 . Flujo estrés y la presión de forja El flujo tensiones y las presiones de forja se pueden obtener de las curvas de par de torsión generado en las pruebas en caliente de torsión o de hotcompression o probar la tensión. La Figura 3 muestra el par frente a las curvas de temperatura para varios aceros al carbono y de aleación obtenida de las pruebas en caliente giro . Estos datos muestran que los requisitos de presión de forja relativas para este grupo de aleaciones hacen no variar ampliamente a temperaturas de forja en caliente normales. Una curva de AISI tipo 304 acero inoxidable se incluye para ilustrar la efecto del contenido de mayor aleación en la fuerza de flujo.
Fig. 3 Resistencia de la deformación frente a la temperatura para varios aceros al carbono y de aleación. Fuente: Ref 7 . La figura 4 muestra las mediciones de presión de forja reales para 1020 y 4340 de aceros y acero para herramientas AISI A6 para las reducciones de 10 y 50 %. Presiones de forja para 1020 y 4340 varían muy poco a temperaturas idénticas y velocidades de deformación . Se requieren considerablemente mayores presiones para el material aleado A6 más altamente , y esta aleación también exhibe una más aumento significativo en la creación de la presión con el aumento de la reducción.
Fig. 4 Forjar presión frente a la temperatura para tres aceros. Los datos se muestran para las reducciones de 10 y 50 %. Velocidad de deformación se mantuvo constante a 0,7 s - 1 . Fuente: Ref 9 Efecto de la velocidad de deformación en la forja de presión Forja presiones requeridas para un aumento dado de acero con el aumento velocidad de deformación. Estudios de acero de bajo carbono (Ref 8) indican que la influencia de la velocidad de deformación es más pronunciada en mayor forjar temperaturas. Este efecto se ilustra en la Fig. 5, lo que da curvas tensióndeformación para un acero de bajo carbono forjado en temperaturas y velocidades de deformación diferentes .
Fig. 5 presión de forja de acero de bajo carbono molestar a varias temperaturas y dos velocidades de deformación. Fuente: Ref 8. Efectos similares se han observado en los aceros de aleación. La Figura 6 muestra las presiones de forja requieren malestar de acero 4340 en temperaturas y velocidades de deformación varios
Fig. 6 forja de presión para AISI 4340 acero molesto a diversas temperaturas y dos velocidades de deformación. Fuente: Ref. 9 Forja de carbono y aleaciones Aceros Efectos de la forja en Propiedades La conformación de una configuración compleja de una barra de carbono o de acero aleado o tocho requiere primero que el acero sea " arreglado " en una forma de partida adecuado (preformado) y después de que se hace fluir en la configuración de la pieza final. Esta reordenación del metal tiene poco efecto sobre la dureza y la resistencia del acero, pero ciertas propiedades mecánicas, tales como ductilidad, resistencia al impacto y resistencia a la fatiga, se han mejorado. Esta mejora en las propiedades se cree que tendrá lugar porque forja: · Rompe segregación, sana porosidad y ayudas homogeneización · Produce una estructura de grano fibroso (Fig. 7) que mejora las propiedades mecánicas paralelas al flujo de grano · Reduce como fundido siz grano
Fig. Gancho forjado 7 acero 4140 que muestra la estructura fibrosa (líneas de flujo) como resultado de forja en caliente. Grabado usando 50 % de HCl acuoso caliente. 0,5 × Mejoras típicas en la ductilidad y la resistencia al impacto de los aceros tratados térmicamente en función de forjar reducción se muestran en la Fig. 8 y 9. Estos datos ilustran que la máxima mejora en cada caso se produce en la dirección de máxima elongación. Toughness y alcance ductilidad máximos después de una cierta cantidad de reducción, después de que una mayor reducción es de poco valor.
Fig. 8 Efecto de la relación de forja en la reducción de la superficie de los aceros tratados térmicamente. (a) 4340 de acero en dos niveles de azufre. (b) Acero al manganeso. (c) de vacío se fundió 4340 con rotura por tracción de 2000 MPa ( 290 ksi) . Relación de forja es proporción de área de sección transversal final a área de sección transversal inicial. Fuente: Ref 8, 10, y 11.
Fig. 9 Efecto de la reducción de trabajo en caliente en la fuerza de impacto de acero - níquel-cromo con tratamiento térmico . relación Forjando es la relación del área de sección transversal inicial al área de sección transversal final. Fuente : Ref 12 . Las propiedades mecánicas longitudinales típicos de piezas forjadas de acero de bajo y medio carbono en el recocido , normalizado , y apagaron y condiciones templado se enumeran en la Tabla 2. Como era de esperar , la fuerza aumenta con el aumentocontenido de carbono , mientras que la ductilidad disminuye. Tabla 2 propiedades longitudinales de piezas forjadas de acero al carbono en cuatro contenidos de carbono
Se debe reconocer que las piezas de forja cerrada morir por la mayor parte son de palanquillas forjado que han recibido considerable trabajo previo. Forjas Open-die, sin embargo, se pueden hacer ya sea de palanquillas forjado o como fundido en lingotes. Metal fluye en varias direcciones durante la forja cerradamatriz. Por ejemplo, en la forja de una forma de costilla y web tal como una componente de fuselaje, casi todo el flujo de metal es en la dirección transversal. Dicho flujo transversal mejora la ductilidad en ese dirección con poca o ninguna reducción en la ductilidad longitudinal. Ductilidad transversal posiblemente podría igualar o superar ductilidad longitudinal si las reducciones de forja eran lo suficientemente grande y si el flujo de metal fueron principalmente en la dirección transversal. Efectos similares se observan en el
atropello de palanquillas forjado. En este caso, sin embargo, el eje longitudinal original de la el material se acorta por recalcado, y el desplazamiento lateral de metal es en la dirección radial. Reducciones cuando está alterado exceda de aproximadamente 50%, la ductilidad en la dirección radial excede generalmente que en la dirección axial (Fig. 10)
Fig. 10 influencia típica de la reducción de malestar en la ductilidad axial y radial de aceros forjados Forja de carbono y aleaciones Aceros Lubricantes de forja (Ref. 14) Durante muchos años, las mezclas de aceite de grafito eran los lubricantes más utilizados para forjar aceros al carbono y aleaciones. Los recientes avances en tecnología de lubricantes, sin embargo, han dado lugar a nuevos tipos de lubricantes, como el agua / grafito y mezclas a base de agua lubricantes sintéticos. Cada uno de los lubricantes utilizados habitualmente tiene ventajas y limitaciones (Tabla 3) que debe equilibrarse con los requisitos del proceso Cuadro 3 Ventajas y limitaciones de los principales lubricantes utilizados en la forja en caliente de aceros
Criterio De Selección. Selección de lubricante para la forja se basa en varios factores, como la temperatura de forja, die la temperatura, la creación de equipos, el método de aplicación del lubricante, la complejidad de la pieza que se forjó y ambiental y las consideraciones de seguridad. A temperaturas de forja en caliente normales para aceros al carbono y de aleación, lubricantes de grafito a base de agua se utilizan casi exclusivamente, aunque algunas tiendas de martillo todavía pueden emplear grafito a base de aceite. El rango de temperatura-caliente formando más común para aceros al carbono y de aleación es 540-870 ° C (1000-1500 ° F). Debido a la gravedad de forjar condiciones a estas temperaturas, revestimientos de palanquilla se utilizan a menudo en conjunción con troquel lubricantes. Los recubrimientos de palanquilla utilizadas incluyen grafito en un vehículo a base de agua o de fluidos revestimientos utilizados en conjunción con revestimiento de conversión de fosfato de la pieza de trabajo. Para temperaturas aún más bajas de forja (menos de aproximadamente 400 ° C, o 750 ° F), disulfuro de molibdeno tiene una mayor carga en libros capacidad que hace grafito. El disulfuro de molibdeno o bien se puede aplicar en forma sólida o dispersa en un vehículo fluido. Más información sobre la química del lubricante, la aplicación y la selección está disponible en Ref 14. Forja de carbono y aleaciones Aceros Aceros para la Forja Carbono y acero de aleación de lingotes , tochos , palanquillas y lingotes, laminados en caliente o se echan a la aproximación de la sección transversal dimensiones ; Por lo tanto , la rectitud , la comba , tolerancias giro , y planitud no se aplican . Productos de acero semiterminados para forja se producen ya sea a pesos unitarios especificados o longitudes especificadas
Acondicionamiento de superficies. Productos de acero semiterminados para la forja pueden estar condicionados por escarpado, picar o moler a eliminar o minimizar imperfecciones de la superficie. Debe tenerse en cuenta que, independientemente de acondicionamiento de la superficie , el producto todavía es probable que contenga algunas imperfecciones de la superficie. Peso tolerancias para palanquillas , tochos , y losas son a menudo ± 5 % para piezas individuales o por lotes que pesan menos de 18 Mg ( 20 toneladas ) . Un montón de peso superior a que con frecuencia son objeto de ponderar las tolerancias de ± 2,5 % . Cutting. Productos de acero semiterminados para la forja en general se cortan a la longitud de esquila caliente. Dependiendo del acero composición , aserrado o corte con llama caliente también se pueden utilizar . Calidad, como el término se aplica a los productos de acero semiterminados para la forja , depende de muchos factores diferentes , incluyendo el grado de solidez interna , relativa uniformidad de la composición química y la libertad relativa de imperfecciones de la superficie . La forja de acero semiacabado calidad se utiliza en aplicaciones de forjado en caliente que pueden implicar el tratamiento térmico posterior operaciones de mecanizado . Tales aplicaciones requieren relativamente cerca de control de la composición química y la fabricación de acero .Productos de acero al carbono y de aleación de calidad de forja se producen a las pautas descritas en la referencia 15 Metalurgia de polvos (M / P) aceros están también forjó desde ambos preformas sinterizadas y verdes preformas ( no sinterizados ) . La información detallada de la forja de aceros P / M y las propiedades de los productos resultantes está disponible en el artículo" La forja de polvo " en este volumen . Forja de carbono y aleaciones Aceros Tratamiento térmico de carbono y aleaciones de acero de forja ( Ref 16 ) Normalmente piezas forjadas de acero son especificados por el comprador en una de cuatro condiciones principales : como forjado sin más térmica procesamiento ; con tratamiento térmico para maquinabilidad ; con tratamiento térmico para las propiedades mecánicas / físicas finales ; o especialmente tratado térmicamente para mejorar la estabilidad dimensional, particularmente en configuraciones de piezas más complejas.
Como forjado . Aunque la gran mayoría de piezas forjadas de acero son tratados con calor antes de su uso , un gran tonelaje de acero de bajo carbono (0,10 a 0,25% C ) se utiliza en la condición como forjado . En tales piezas forjadas , maquinabilidad es buena, y poco se gana en términos de la fuerza por tratamiento térmico. De hecho, un número de ASTM ampliamente utilizado y las especificaciones federales permite este económica opción. También es interesante observar que , en comparación con las propiedades producidas por la normalización , la fuerza y la maquinabilidad Tratados térmicamente para maquinabilidad . Cuando un componente mecanizado acabado debe ser producido a partir de una más o menos dimensionado de forja , la maquinabilidad se convierte en una consideración vital para optimizar la vida de la herramienta, aumentar la productividad, o ambos. La comprar especificación o forjar dibujo puede especificar el tratamiento térmico. Sin embargo , cuando las especificaciones dan sólo máxima dureza o especificaciones microestructurales , deben seleccionar el ciclo térmico más económica y eficaz .Tratamientos térmicos disponibles incluyen recocido completo , recocido spheroidize , recocido subcrítico , normalizar o normalizan y temperamento .El tratamiento térmico elegido depende de la composición del acero y las operaciones de la máquina que se realizará. algunos de acero las calificaciones son intrínsecamente suave , otros se vuelven bastante duro en el enfriamiento de la temperatura de acabado después de forja en caliente . algunos tipo de recocido se requiere generalmente o especificados para mejorar la maquinabilidad son ligeramente mejor, que es más probablemente atribuible al hecho de que el tamaño de grano es algo más gruesa que en el normalizada condición. Tratamiento térmico a finales Propiedades Físicas. La normalización o normalización y revenido puede producir el requerido dureza mínima y resistencia mínima a la rotura por tracción. Sin embargo, para la mayoría de los aceros, un endurecimiento (austenitize) y enfriamiento rápido (en aceite, agua, o algún otro medio, dependiendo del tamaño de sección y templabilidad) se emplea ciclo, seguido de un revenido para producir las propiedades de dureza, resistencia, ductilidad y de impacto adecuadas. Para piezas forjadas de acero sean de calor tratada por encima del 1,034 MPa (150 ksi) nivel de fuerza y que tiene variaciones de tamaño de sección, es práctica general para normalizar antes de austenización para producir un tamaño de grano uniforme y minimizar las tensiones residuales internas. En algunos casos, es práctica común de utilizar el calor para forjar como el ciclo de austenización y para saciar a la unidad de forja. La forja es entonces templado para completar el ciclo de tratamiento térmico. Aunque hay limitaciones obvias de este procedimiento, las economías son definitivas posible cuando el procedimiento es aplicable (por lo general para las formas simétricas de aceros
al carbono que requieren poca definitiva mecanizado). Tratamientos térmicos especiales son a veces Tratamientos térmicos especiales A veces se utilizan para controlar la distorsión dimensional, aliviar tensiones residuales antes o después operaciones de mecanizado, evitar enfriamiento agrietamiento o prevenir los choques térmicos o superficie (caso) de endurecimiento. Aunque la mayor parte de los ciclos de tratamiento térmico discutidos anteriormente se puede aplicar, pueden ser necesarios tratamientos muy específicos. Estos tratamientos suelen aplicar a configuraciones complejas de forja con diferencias adyacentes en el espesor de corte, o con los aceros de muy alta templabilidad y aleaciones. Cuando la estabilidad de las piezas acabadas dimensionados críticamente permite sólo la luz de mecanizado de la forja después de calor tratamiento a las propiedades finales, tratamientos especiales están disponibles, incluyendo marquenching (martemple), aliviar el estrés, y múltiple de templado. Muchas aplicaciones, como los cigüeñales, árboles de levas, engranajes, cilindros forjados, anillos, algunos cojinetes, y otras máquinas componentes, requieren una mayor dureza de la superficie de resistencia al desgaste. Las superficies importantes son generalmente endurecen después de mecanizado por llama o endurecimiento por inducción, cementación, carbonitruración, o nitruración. Estos procesos se enumeran en la orden aproximada de costo creciente y la disminución de la temperatura máxima. Esta última consideración es importante en que distorsión dimensional generalmente disminuye con la disminución de la temperatura. Esto es particularmente cierto de nitruración, que es generalmente se realiza por debajo de la temperatura de revenido para el acero utilizado en la forja. La información detallada de calor las prácticas de tratamiento de aceros al carbono y de aleación está disponible en Tratamiento de calor, Volumen 4 del Manual de ASM.
