Процес на изковки от никелова сплав с отворена срещу затворена матрица и сравнение на качеството

Коването изстисква горещ метал във форма, а начинът, по който се изстисква, оформя качеството на детайла. Никелови сплави катоСплав 625, Монел 400, Сплав C-276, иСплав 718добавете предизвикателство: те остават здрави при висока температура, така че са устойчиви на образуване и имат тесен диапазон от температури, при които може да се работи безопасно.

Това ръководство сравнява двата основни маршрута на коване, отворена матрица и затворена матрица, по отношение на процеса, качеството, разходите и инспекцията, като заключението е първо във всеки раздел и аргументите след това. Цитираните цифри идват от публикувани данни и спецификации на производителя; винаги потвърждавайте стойностите спрямо текущата спецификация и процедурите на вашия доставчик.

Ключови изводи

• Коването с отворена матрица оформя метал между плоски или прости матрици чрез повтарящи се удари, така че е подходящо за големи, тежки или части с малък обем. Коването със затворена матрица изстисква метала в оформени кухини на матрицата, така че да подхожда на повторяеми, почти чисти форми.
• Никеловите сплави са устойчиви на деформация при температура на гореща обработка и трябва да се обработват в определен прозорец: например сплав 625 се обработва на горещо при 1650–2150 градуса F (900–1177 градуса), като тежката работа е възможно най-близо до върха на този диапазон.
• Коването със затворена матрица дава по-стегнати форми, по-добре съчетан поток на зърното и по-малко машинна обработка; в един публикуван пример коването в затворена матрица с близка до мрежата избягва около 30% от обема на палачинка с отворена матрица, разлика на стойност около 10–20% от цената на артикула или повече за скъпи сплави на базата на никел.
• Коването с отворена матрица дава дълбока, добре обработена структура в големи секции без специални инструменти, но оставя повече материал за обработка.
• Нито един път не е автоматично по-добър: качеството зависи от контрола на температурата, намаляването, топлинната обработка и проверката. Посочете необходимите свойства и тестове, а не само името на процеса.
• ASTM B564 е основната спецификация за изковки от никелова сплав и нейните минимални свойства зависят от сплавта, състоянието и размера на сечението.

Каква е разликата между коване с отворена и затворена матрица?

При коване с отворена матрица нагретият метал се деформира между плоски или просто оформени матрици, които никога не го обхващат напълно; при коване в затворена матрица металът се пресова в прецизно оформени кухини на матрицата, които придават формата на частта.

Коването с отворена матрица работи като ковач с много голяма преса: детайлът се притиска, разтяга и завърта между ударите, за да го изтегли, размести или оформи във валове, дискове, блокове и пръстени. Крайната форма зависи от уменията на оператора и планираната последователност от стъпки. Коването със затворена матрица, наричано още коване с отпечатъчна матрица, използва съвпадаща двойка матрици с формата на детайла, изрязана в тях. Металът тече, за да запълни кухината, с малко количество излишък, изцеден като светкавица, която се отрязва. Трети път, пръстеновидно валцуване, разширява пробития диск в безшевен пръстен и често се групира с коване с отворена матрица за фланци и корпуси.

Защо никеловите сплави са по-трудни за коване от стоманата?

Никеловите сплави са по-трудни за коване, защото запазват висока якост при температури на гореща обработка, което означава, че е необходима повече сила, и тъй като имат тесен безопасен температурен прозорец, при който работата на твърде студено може да причини напукване, а работата на твърде висока температура може да повреди метала.

Сплав 625 е проектирана да запазва здравината си при висока температура, така че производителят отбелязва, че тя е устойчива на деформация, когато е гореща и се нуждае от подходящо мощно оборудване. Монел 400, обратно, се описва като по-мек от много стомани, когато е горещ, но може да бъде трайно повреден, ако се нагрее над 2150 градуса F (1175 градуса).

Свръхсплавите като Alloy 718 имат още по-тесен прозорец, където отчетените температури на коване са около 950–1050 градуса, тъй като техните фази на укрепване и размер на зърното реагират рязко на температурата и скоростта на деформация. При по-ниски температури напрежението на потока нараства бързо, поради което публикуваните методи определят минимална начална температура за коване на заготовки.

Поради тези ограничения, коването на никелова сплав зависи от точното управление на пещта, бързото прехвърляне, повторното нагряване, когато детайлът се охлади, и за някои високоякостни класове, нагрети или изотермични матрици, които поддържат метала и умират при подобни температури. Горивото и смазочните материали за пещите трябва да са с ниско съдържание на сяра, тъй като сярата може да стане крехка на никеловите сплави при висока температура.

Как се сравняват коването с отворена матрица и затворена матрица в ключовите измерения?

Коването в отворена матрица предлага гъвкавост за големи и малки по обем части с малко инструменти, докато коването в затворена матрица предлага повторяемост, по-близки форми и по-малко машинна обработка за средни до големи обеми.

Кой процес осигурява по-добър поток на зърното и механични свойства?

Коването в затворена матрица обикновено дава поток на зърно, който следва формата на частта и по-последователни свойства от парче на парче, докато коването в отворена матрица дава здрава, добре обработена структура в големи секции; и в двете свойствата се контролират повече от температурата, намаляването и топлинната обработка, отколкото от името на процеса.

Потокът на зърното е посоката, в която зърната на метала се разтягат по време на коване, подобно на зърното в парче дърво. Частите са най-здрави и най-устойчиви на умора, когато потокът от зърно се движи по протежение на основните натоварвания, вместо да се напречва чрез машинна обработка. Коването със затворена матрица оформя потока около контура на детайла, така че критични елементи като фланци и издатини получават непрекъснат поток. Коването в отворена матрица изтегля и разстройва метала, което усъвършенства грубата отлята структура в дебели секции, но обработката на сложна част от просто коване пресича потока.

Термичната обработка нулира голяма част от структурата в устойчивите на корозия сплави. ASTM B564 отбелязва, че горещата обработка или повторното отгряване може значително да промени свойствата в зависимост от работната история и температурите, а за сплав 625 степен 2 изисква отгряване в разтвор при минимум 2150 градуса F (1177 градуса), последвано от закаляване с вода или бързо охлаждане. За втвърдяващите се сплави като Alloy 718, размерът на зърната се контролира чрез температурата на коване и скоростта на деформация, като публикуваните методи достигат до много фини зърна (ASTM 12–14) при изотермично коване, които след това стават груби до около ASTM 6–8 след суперсолвусно отгряване. Това са контроли от аерокосмически клас, но те показват как процесът и термичната обработка работят заедно.

Колко машинна обработка и материал спестява или губи всеки процес?

Коването на затворена матрица с почти мрежова форма губи по-евтина никелова сплав: в едно публикувано сравнение за голям диск на турбина, коването с почти нетно затворена матрица избягва около 30% от обема на палачинката с отворена матрица, разлика, която може да достигне 10–20% или повече от цената на артикула.

Сравнението идва от патент, описващ големи дискови изковки от суперсплави на базата на никел, където плоска отворена щампова палачинка и близка до мрежата затворена щампа са положени върху крайната машинна част. И двете се нуждаят от окончателна обработка, но палачинката се нуждае от много повече. Тъй като никеловите сплави струват много повече на килограм от стоманата, материалът, отстранен като стружки, е реална цена, а дългото време за обработка на твърди, втвърдяващи се сплави се добавя към това. Спестяването е по-голямо за сложни части и големи обеми и по-малко за прости форми или еднократни части.

Проста формула за рентабилност

Количество на рентабилност=разходи за инструменти/спестяване на част

Пример с хипотетични числа: ако комплектът инструменти със затворена матрица струва $60 000 и спестява $150 на част в материал и обработка, рентабилността е около 400 части. Под това коване с отворена матрица може да бъде по-евтино; над него, затвореният зар печели. Заменете числата с реални цитати от ваша страна.

За какви дефекти и рискове трябва да следите във всеки процес?

Основните рискове са работа извън температурния прозорец (напукване или прегряване), припокриване и гънки, неравномерна зърнеста структура и замърсяване със сяра; затворената матрица добавя рискове от износване на матрицата и недостатъчно запълване, докато отворената матрица добавя груба или неравна структура в зле обработени зони.

Какво изисква ASTM B564 за изковки от никелова сплав?

ASTM B564 обхваща изковки на много никелови сплави, включително UNS N04400, N06625, N08825, N10276 и N06022, и определя минимални свойства на опън, които зависят от сплавта, условията на термична обработка и размера на сечението.

B564 се прилага независимо от използвания път на коване. Минималните свойства за закалени или загряти в разтвор изковки са показани по-долу като примери, извлечени от публикувани копия на спецификацията. Стойностите се различават според изданието и размера на раздела; например, загряти изковки от сплав 625 до 4 инча (102 mm) трябва да отговарят на по-високи минимуми от тези над 4 до 10 инча (254 mm), което отразява трудността на пълното обработване и равномерно топлинно третиране на дебели профили. Проверете текущото издание за точните изисквания.

Други спецификации се отнасят за специфични употреби: ASTM B637 обхваща пръти от никелова сплав, изковки и изковки за умерена и висока температура, а ASTM B462 и ASME B16.5 се отнасят за ковани фланци и фитинги. Аерокосмическите продукти използват AMS спецификации като AMS 5662 и 5663 за Alloy 718.

Как се сравняват разходите и времето за изпълнение?

Коването с отворена матрица има по-ниски първоначални разходи и по-кратко време за изпълнение, тъй като се нуждае от малко инструменти, специфични за частта, докато коването с затворена матрица има по-високи разходи за инструменти и по-дълго време за изпълнение, но по-ниска цена на част при обем.

Затворените щампи трябва да бъдат проектирани, обработени от инструментална стомана за гореща обработка или, за изотермично коване, щанцови сплави на базата на никел, и доказани с пробни изковки. Тази инвестиция се изплаща, когато са необходими много еднакви части. Коването с отворена матрица избягва етапа на инструментална обработка и може да започне със заготовка или слитък, но всяка част се нуждае от повече машинна обработка. Следователно общите разходи зависят от количеството, размера, сложността, цената на сплавта, разходите за обработка и риска от скрап. Поискайте оферти, които включват допуск за машинна обработка и тестване, така че сравнението да е на готовата цена.

Кой процес да изберете?

Изберете отворена матрица или пръстеновидно валцувани изковки за големи, прости или части с малък обем и затворени изковки за повторяеми, сложни, почти чисти части със среден до голям обем; използвайте горещо матрица или изотермични методи само за сплави с висока якост, които изискват строг контрол на зърното.

Какво трябва да посочите, когато поръчвате изковки от никелова сплав?

Посочете сплавта и UNS номера, спецификацията на продукта, условията на термична обработка, размера и допустимите стойности за обработка, необходимите свойства и тестове и документация и посочете всички изисквания за потока на зърното или маршрута на процеса, така че доставчикът да може да цитира правилния процес.

Сплав и UNS номер (например UNS N06625) и управляващата спецификация, като ASTM B564.

• Състояние: закален, закален в разтвор или състарен, а за сплав 625 се прилага клас 1 или клас 2.
• Размери: завършен чертеж, резерв за обработка и размер на сечението, тъй като свойствата зависят от това.
• Процес: отворена матрица, затворена матрица или пръстеновидно валцуване, или необходимата производителност, като посока на потока на зърното или минимално намаляване.
• Тестване: местоположение и посока на изпитване на опън, твърдост, размер на зърното, ултразвукова и течна проникваща проверка и изпитване на корозия, когато услугата го изисква.
• Документация: сертификати за изпитване на мелницата, записи за топлинна обработка, проследимост до топлината и всякакви проверки от трета страна.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между коване с отворена матрица и коване със затворена матрица?

Коването с отворена матрица деформира метала между плоски или прости матрици, които не го обхващат, подхождайки на части с голям или малък обем. Коването в затворена матрица притиска метала в оформени кухини на матрицата, придавайки почти чисти, повтарящи се форми.

Какъв температурен диапазон се използва за коване на Inconel 625?

Диапазонът на гореща обработка на производителя за Alloy 625 е 1650–2150 градуса F (900–1177 градуса), с тежка обработка възможно най-близо до 2150 градуса F.

Защо никеловите сплави се нуждаят от повече сила за коване от стоманата?

Много никелови сплави, особено сплав 625, поддържат висока якост при високи температури на обработка, така че са устойчиви на деформация и се нуждаят от мощни преси и внимателен температурен контрол.

Кой процес осигурява по-добър поток на зърното?

Коването в затворена матрица оформя потока на зърното около контура на частта и е повторяемо, докато коването в отворена матрица усъвършенства структурата в големи секции. Крайните свойства зависят от температурата, редуцирането и топлинната обработка.

Какъв стандарт обхваща изковките от никелова сплав?

ASTM B564 обхваща изковки на много никелови сплави, включително N04400, N06625, N08825, N10276 и N06022, с минимални свойства по сплав, състояние и размер на сечението. ASTM B637 обхваща втвърдяващи се сплави като сплав 718.

Винаги ли коването в затворена матрица е по-евтино?

Не. Спестява материал и машинна обработка на част, но се нуждае от матрици. Обикновено е по-евтино за средни до големи обеми и сложни форми, а отворената матрица обикновено е по-евтина за части с голям или малък обем.

Може ли коването да промени устойчивостта на корозия?

Коването и топлинната обработка, която следва зададения размер на зърното и фазовото разпределение, така че неподходящите температури или охлаждането могат да намалят устойчивостта на корозия. Посочете необходимото състояние и тестване за корозия за взискателни услуги.