Forgiatura dell'acciaio per utensili: qualità, metodi e parametri di processo

La forgiatura dell'acciaio per utensili è il processo di modellatura delle leghe di acciaio per utensili sotto un'elevata forza di compressione, in genere compresa tra 1.900 °F e 2.200 °F (1.040 °C–1.200 °C) —per produrre matrici, punzoni, utensili da taglio e componenti strutturali con proprietà meccaniche superiori. Rispetto alle alternative lavorate o fuse, le parti in acciaio per utensili forgiate offrono tenacità, resistenza alla fatica e consistenza dimensionale significativamente più elevate, rendendo la forgiatura il percorso di produzione preferito per applicazioni di utensili ad alto stress.

Che tu stia acquistando grezzi per uno stampo per lavorazione a freddo o selezionando un metodo di forgiatura per un punzone per lavorazione a caldo, capire come il processo interagisce con specifici gradi di acciaio per utensili è essenziale per ottenere le prestazioni di cui hai bisogno.

Perché forgiare l'acciaio per utensili?

Gli acciai per utensili possono essere lavorati da barre o prodotti mediante metallurgia delle polveri, quindi la scelta di forgiare è deliberata, guidata da requisiti prestazionali che altri metodi non possono soddisfare pienamente.

La forgiatura rompe e ridistribuisce le reti di carburo che si formano durante la solidificazione. Negli acciai per utensili altolegati come D2 o M2, la fascettatura di carburo grezzo può ridurre la tenacità trasversale di 30-50% rispetto ad una billetta opportunamente forgiata e lavorata. La lavorazione meccanica chiude inoltre la porosità interna, allinea il flusso dei grani con la geometria del pezzo e produce una struttura dei grani raffinata che risponde in modo più prevedibile al trattamento termico.

In termini pratici, un inserto per matrice H13 forgiato in genere dura più di un equivalente lavorato a macchina di un fattore pari a 1,5–3× nelle applicazioni di pressofusione ad alta pressione, a seconda della gravità del ciclo termico.

Gradi comuni di acciaio per utensili e loro caratteristiche di forgiatura

Non tutti gli acciai per utensili si forgiano allo stesso modo. Il contenuto di lega, il livello di carbonio e il tipo di carburo influiscono tutti sulla forgiabilità e sulla finestra di processo richiesta.

D2, con il suo Contenuto di circa 12% di cromo e 1,5% di carbonio , è tra gli acciai per utensili più difficili da forgiare. L'elevato volume di carburi di cromo richiede riduzioni pesanti e controllate per rompere la rete di carburi eutettici. La forgiatura D2 al di sotto di 1.850 ° F rischia di rompersi; sopra i 1.975°F si rischia la fusione incipiente ai confini del carburo.

Metodi di forgiatura utilizzati per l'acciaio per utensili

La scelta del metodo di forgiatura influisce sul flusso del grano, sulla finitura superficiale, sulle tolleranze e sulla quantità di lavorazione post-forgiatura richiesta.

Forgiatura a stampo aperto (Smith).

La forgiatura a stampo aperto utilizza matrici piatte o di forma semplice per lavorare una billetta riscaldata attraverso una serie di compressioni incrementali. È il metodo più flessibile e l'approccio standard per la produzione di pezzi grezzi in acciaio per utensili, blocchi di stampi di grandi dimensioni e forme personalizzate che verranno lavorate a macchina.

• Adatto per billette da poche libbre fino a diverse tonnellate
• Consente il pieno controllo del rapporto di riduzione e della direzione di lavoro
• Rapporto di riduzione minimo pari a 4:1 tipicamente richiesto per un'adeguata degradazione del carburo negli acciai altolegati
• Utilizzato dalla maggior parte dei produttori di acciai speciali per la produzione standard di barre tonde, quadre e piatte

Forgiatura a stampo chiuso (impronta a stampo).

Nella forgiatura a stampo chiuso, il materiale riscaldato viene pressato tra le metà dello stampo accoppiate che contengono una cavità corrispondente alla forma del pezzo finito. Questo metodo produce pezzi fucinati di forma quasi netta con flusso di grano controllato e tolleranze dimensionali strette, in genere Da ±0,010 a ±0,030 pollici sulle dimensioni critiche.

La forgiatura a stampo chiuso viene utilizzata per punzoni, inserti e componenti di utensili più piccoli laddove il volume giustifica l'investimento in attrezzature. Per gli acciai per utensili, la durata stessa dello stampo diventa un problema: gli stampi per impronta H13 sono comunemente usati per forgiare altri tipi di acciaio per utensili a temperature elevate.

Laminazione rotativa (anello) e forgiatura radiale

Per componenti cilindrici come anelli, boccole o barre tonde, i metodi di forgiatura rotativa forniscono un affinamento continuo del grano circonferenziale. La forgiatura radiale pressa una billetta tonda simultaneamente da più direzioni, producendo microstrutture molto uniformi in barre tonde o esagonali. Questo metodo è ampiamente utilizzato per la produzione barra tonda in acciaio rapido (HSS). per utensili da taglio grezzi.

Forgiatura isotermica

La forgiatura isotermica riscalda sia il pezzo che gli stampi alla stessa temperatura, eliminando il calo di temperatura che causa il raffreddamento superficiale e la fessurazione nelle leghe difficili da forgiare. È meno comune per gli acciai per utensili a causa del costo delle attrezzature, ma viene utilizzato per gli acciai per utensili HSS di grado aerospaziale e per la metallurgia delle polveri che hanno finestre di lavorazione a caldo estremamente strette.

Parametri di processo critici da controllare

Per ottenere la corretta metallurgia durante la forgiatura dell'acciaio per utensili è necessario uno stretto controllo di diverse variabili interdipendenti.

Temperatura di preriscaldamento e immersione

Gli acciai per utensili devono essere riscaldati lentamente e in modo uniforme per evitare shock termici. Un tipico protocollo di preriscaldamento per un blocco H13 di grandi dimensioni:

1. Riscaldare a 650 °C (1.200 °F) e tenere premuto finché la temperatura non si stabilizza attraverso la sezione trasversale
2. Rampa alla temperatura di forgiatura a ≤200°F/ora (110°C/ora)
3. Immergere alla temperatura di forgiatura per un minimo di 1 ora per pollice di spessore

L'ammollo rapido porta a un nucleo freddo, che produce una deformazione irregolare e può provocare crepe interne durante la pressatura.

Temperatura di forgiatura finale

Il lavoro deve essere completato al di sopra della temperatura minima di finitura per evitare di incrudire l'acciaio in condizioni fragili. Per la maggior parte degli acciai per utensili, la forgiatura non dovrebbe continuare di seguito 955 °C (1.750 °F) . Se il pezzo scende al di sotto di questa soglia, dovrebbe essere riportato al forno anziché forzato attraverso ulteriori riduzioni.

Rapporto di riduzione

Il rapporto di riduzione (sezione trasversale iniziale ÷ sezione trasversale finita) determina la rottura del carburo e l'affinamento del grano. Gli standard di settore per la forgiatura dell’acciaio per utensili richiedono in genere:

• Minimo 3:1 per qualità resistenti agli urti e temprabili in acqua (S7, W1)
• Minimo da 4:1 a 6:1 per qualità per lavorazioni a freddo (A2, D2)
• Minimo 6:1 o superiore per gli acciai rapidi (M2, T1) per rompere adeguatamente le reti di carburi eutettici

Raffreddamento dopo la forgiatura

Gli acciai per utensili devono essere raffreddati lentamente dopo la forgiatura per evitare fessurazioni dovute alle sollecitazioni di trasformazione. La pratica comune è quella di seppellire il pezzo fucinato in sabbia asciutta, vermiculite o calce isolante, oppure di metterlo direttamente in una fornace a 595–650°C (1.100–1.200°F) per un raffreddamento lento e controllato dell'ambiente. Il raffreddamento ad aria è accettabile solo per i gradi più tolleranti come S7 in piccole sezioni.

Ricottura dopo la forgiatura

La forgiatura indurisce l'acciaio per utensili e blocca le tensioni residue. Prima di qualsiasi lavorazione o trattamento termico, i pezzi grezzi di acciaio per utensili forgiati devono essere ricotti per:

• Ammorbidire l'acciaio fino alla durezza lavorabile (tipicamente HB 180–250 a seconda del grado)
• Alleviare le tensioni residue di forgiatura
• Producono una microstruttura uniforme in carburo sferoidale per una risposta ottimale al trattamento termico

Una ricottura sferoidizzante completa per l'acciaio per utensili D2, ad esempio, comporta il mantenimento di 870 °C (1.600 °F) per 2–4 ore, quindi raffreddamento lento del forno a ≤25°F/ora (14°C/ora) a meno di 1.000 ° F (540 ° C). Saltare o accorciare questo passaggio spesso porta a crepe o distorsioni durante l'indurimento.

Difetti comuni nei pezzi fucinati di acciaio per utensili e come evitarli

Forgiatura di acciai per utensili e metallurgia delle polveri: sapere quando sceglierli

Gli acciai per utensili della metallurgia delle polveri (PM), prodotti mediante atomizzazione e sinterizzazione di polveri di leghe, offrono una distribuzione del carburo estremamente uniforme che la sola forgiatura non può ottenere negli acciai altolegati. Le qualità PM come CPM 3V, CPM M4 o Vanadis 4 Extra sono diventate alternative popolari ai D2 o M2 forgiati convenzionalmente per applicazioni impegnative.

Tuttavia, la forgiatura presenta ancora evidenti vantaggi in diversi scenari:

• Costo: La barra in acciaio per utensili forgiata convenzionalmente è tipicamente 30–60% meno costoso rispetto ai gradi PM equivalenti
• Grandi sezioni trasversali: La disponibilità delle barre PM è limitata nelle sezioni pesanti; i blocchi di acciaio per utensili forgiati vengono regolarmente prodotti in dimensioni superiori a 24 pollici
• Forme personalizzate: La forgiatura a stampo aperto può produrre preforme dalla forma quasi netta che riducono lo spreco di materiale nei blocchi di stampi di grandi dimensioni
• Prestazioni comprovate: Forged H13, A2 e S7 dispongono di decenni di dati sulle prestazioni sul campo praticamente per ogni applicazione di utensili

La PM è la scelta migliore quando la tenacità in tutte le direzioni è critica, il contenuto di vanadio supera il 3–4% circa (rendendo impraticabile la forgiatura convenzionale) o quando l'applicazione richiede la struttura in carburo più fine in assoluto. Per la maggior parte degli utensili da lavoro, l'acciaio per utensili convenzionale adeguatamente forgiato rimane la soluzione più conveniente .

Approvvigionamento e verifica della qualità

Quando si acquista acciaio per utensili forgiato, le principali pratiche di garanzia della qualità includono:

• Certificazioni del mulino: Richiedere l'analisi chimica (certificato termico) e, ove disponibili, i risultati delle prove meccaniche (trazione, impatto) dal calore di forgiatura
• Test ad ultrasuoni (UT): Fondamentale per blocchi di stampi di grandi dimensioni; ASTM A388 è il metodo UT standard per i pezzi fucinati in acciaio ed è in grado di rilevare vuoti interni o segregazione superiori ai limiti di accettazione specificati
• Valutazione della rete in carburo: Per i gradi altolegati, i fornitori dovrebbero essere in grado di fornire o organizzare un'ispezione metallografica che confermi un'adeguata distribuzione del carburo secondo uno standard di accettazione definito (ad esempio, SEP 1520 per la fascettatura del carburo)
• Controllo della durezza ricotta: Una lettura della durezza Brinell al ricevimento conferma che il materiale è stato ricotto correttamente e rientra nell'intervallo previsto per il grado

Fornitori affidabili di acciaio per utensili come Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology e Crucible Industries (per i gradi PM) forniscono certificazioni di prodotto standardizzate, ma è consigliabile una verifica indipendente per programmi di utensili critici per la sicurezza o ad alto volume.