W świecie obróbki metali zrozumienie właściwości procesowych powszechnie stosowanych materiałów blacharskich jest kluczowe dla osiągnięcia wysokiej jakości rezultatów. W trakcie mojego doświadczenia w branży nauczyłem się, że każdy materiał oferuje unikalne właściwości, które wpływają na wszystko, od… tworzenie się i cięcie do spawalniczy i wykończenie. W tym artykule omówię te właściwości, podkreślając ich wpływ na procesy produkcyjne. Niezależnie od tego, czy jesteś doświadczonym profesjonalistą, czy nowicjuszem w tej dziedzinie, zgłębienie wiedzy na temat tych materiałów pozwoli Ci podejmować świadome decyzje i zwiększyć ogólny sukces Twoich projektów.

Oprócz kształtu i dokładności obrabianej części oraz dostępnego sprzętu konstrukcyjnego, proces obróbki części jest również w dużej mierze powiązany z materiałem użytym do jej produkcji. Dlatego ważne jest, aby przeanalizować i zrozumieć właściwości przetwórcze różnych materiałów, które mają ogromne znaczenie dla procesu obróbki części z blachy i opracowywania specyfikacji operacji produkcyjnych. 

Właściwości procesowe zwykłej stali konstrukcyjnej węglowej

Ogólnie rzecz biorąc, elementy z blachy są wykonane ze zwykłej stali konstrukcyjnej węglowej (np. Q195, Q215, Q235 itp.) oraz wysokiej jakości stali konstrukcyjnej węglowej (np. 08, 10F, 20 itp.), które są najczęściej stosowane. Istnieje niewiele ograniczeń dotyczących formowania, z wyjątkiem tego, że wzrost grubości jest ograniczony przez szybkość odkształcania, a nagrzewanie jest ograniczone przez górną granicę temperatury. 

Podczas obróbki grubszego materiału płytowego, w celu zwiększenia stopnia odkształcenia materiału płytowego, zmniejszyć opór odkształcenia materiału płytowego, bardziej z formowaniem na gorąco lub częściowym nagrzewaniem głębokiego tłoczenia wykroju i procesem formowania, ale należy unikać nagrzewania w pewnych strefach temperaturowych, takich jak stal węglowa nagrzana do 200 ~ 400 ℃, ponieważ efekt starzenia (wtrącenia w postaci wydzieleń na granicy ziaren powierzchni poślizgu wydzieleń) zmniejsza plastyczność, odporność na odkształcenie wzrosła, ten zakres temperatur nazywany jest niebieską strefą kruchości Ten zakres temperatur nazywany jest niebieską strefą kruchości, gdy wydajność stali staje się zła, łatwo o kruche pęknięcie, pęknięcie jest niebieskie. A w zakresie 800 ~ 950 ℃, i pojawi się gorąca strefa kruchości, tak że plastyczność jest zmniejszona, dlatego w procesie operacji głębokiego tłoczenia płyty na gorąco, należy zwrócić szczególną uwagę na rzeczywistą odkształcalność temperatury prasowania na gorąco nie powinna znajdować się w niebieskiej strefie kruchości i gorącej strefie kruchości. Podczas operacji należy wziąć pod uwagę urządzenia grzewcze i prasę między miejscem odkształcenia a temperaturą prasowania na gorąco oraz ostrożnie używać chłodzącego urządzenia dmuchającego, aby uniknąć wystąpienia niebieskiej kruchości i gorącej kruchości. 

Właściwości procesowe stali stopowych

Do produkcji elementów konstrukcyjnych z blachy powszechnie stosuje się stale stopowe 16Mn, 15MnV i inne stale konstrukcyjne niskostopowe o wysokiej wytrzymałości. Ich właściwości procesowe są następujące. 

●16Mn. Stal 16Mn jest zazwyczaj dostarczana w stanie walcowanym na gorąco, nie wymaga obróbki cieplnej, szczególnie w przypadku stali walcowanej o grubości poniżej 20 mm. Jej właściwości mechaniczne są bardzo wysokie, dlatego bezpośrednio po obróbce stosuje się prasowanie na gorąco. W przypadku blach stalowych o grubości powyżej 20 mm, w celu poprawy granicy plastyczności i udarności w niskich temperaturach, można zastosować obróbkę normalizującą. 

Ponadto, jej parametry cięcia gazowego są takie same jak w przypadku zwykłej stali konstrukcyjnej niskowęglowej. Krawędź cięcia gazowego ma grubość 1 mm i tendencję do hartowania, ale ze względu na bardzo wąską strefę hartowania, problem ten można wyeliminować poprzez spawanie. Dzięki temu krawędź cięcia gazowego tej stali nie wymaga obróbki mechanicznej i może być bezpośrednio spawana. 

Wydajność strugania łukiem węglowym jest taka sama jak w przypadku zwykłej stali konstrukcyjnej niskowęglowej. Chociaż występuje tendencja do hartowania krawędzi strugania gazowego, obszar hartowania jest bardzo wąski i można go wyeliminować poprzez spawanie. Dzięki temu krawędź strugania gazowego tego gatunku stali nie wymaga obróbki mechanicznej i może być bezpośrednio spawana. Rezultatem jest zasadniczo taka sama twardość strefy wpływu ciepła, jak w przypadku spawania po obróbce mechanicznej. 

W porównaniu z Q 235, granica plastyczności stali 16Mn przekracza 345 MPa, co oznacza, że siła formowania na zimno jest większa niż w przypadku stali Q 235. W przypadku dużych grubości stali walcowanej na gorąco, właściwości formowania na zimno można znacznie poprawić poprzez normalizowanie lub wyżarzanie. Jednakże, gdy grubość blachy osiągnie określoną wartość (t ≥ 32), musi ona zostać poddana formowaniu na zimno po obróbce cieplnej odprężającej. 

Po podgrzaniu do temperatury powyżej 800 ℃ można uzyskać dobre właściwości formowania na gorąco, jednak temperatura nagrzewania stali 16Mn nie powinna przekraczać 900 ℃, w przeciwnym razie łatwo o przegrzanie, co zmniejsza udarność stali. 

Ponadto stal 16Mn, po trzykrotnym nagrzewaniu płomieniowym ortopedycznym i chłodzeniu wodą po chłodzeniu mechanicznym, nie uległa znaczącej zmianie, przy zachowaniu oryginalnego materiału bazowego o takiej samej odporności na kruche uszkodzenia, dlatego stal może być stosowana w ortopedii wodnej, ale struktura obciążenia dynamicznego nie nadaje się do ortopedii wodnej. 

●15MnV. Cienka blacha stalowa 15MnV i 15MnTi, o podobnych właściwościach ścinania i walcowania na zimno, jak stal 16Mn, ale grubość blachy walcowanej na gorąco t ≥ 25 mm, w miejscu ścinania jest łatwa do ukrycia z powodu ścinania podczas hartowania na zimno spowodowanego małymi pęknięciami. Pęknięcie to mogło powstać przed hutą stali. Dlatego kontrole jakości powinny być wzmocnione, a po wykryciu należy je usunąć po cięciu gazowym lub obróbce mechanicznej pękniętej krawędzi. Ponadto grubsza blacha stalowa 15MnV walcowana na gorąco, walcowana na zimno, może być normalizowana w temperaturze 930 ~ 1000 ℃ w celu poprawy jej plastyczności i wytrzymałości, a także poprawy wydajności walcowania na zimno. 

Ponadto, ten typ stali do formowania na gorąco i gorących prac ortopedycznych, temperatura nagrzewania 850 ~ 1100 ℃ formowania na gorąco, wielokrotne nagrzewanie nie ma znaczącego wpływu na granicę plastyczności; i dobre parametry cięcia gazowego, wydajność strugania łukiem węglowym jest również dobra, struganie łukiem węglowym ma wpływ na wydajność połączeń spawanych bez negatywnych skutków. 

Przy takiej samej wydajności procesu jak stal klasy 15MnV, występują także gatunki 15MnTi, 15MnVCu, 15MnVRE, 15MnNTiCu, itp. 

●09Mn2Cu, 09Mn2. Ten rodzaj stali charakteryzuje się lepszymi parametrami tłoczenia na zimno. Blachy grube 09Mn2Cu, 09Mn2, 09Mn2Si można formować metodą walcowania na zimno, prasowania na gorąco, cięcia gazowego, strugania gazowego łukiem węglowym, prostowania płomieniowego oraz metodą Q235. 

●18MnMoNb. Ten rodzaj stali charakteryzuje się wysoką wrażliwością na karb. Cięcie gazowe blachy ma tendencję do utwardzania. Aby zapobiec pękaniu podczas gięcia, blachę stalową należy ciąć gazowo w temperaturze 580°C, w izolacji przez 1 godzinę, a następnie wyżarzać odprężająco. 

Wydajność procesu stali nierdzewnej

Istnieje wiele rodzajów stali nierdzewnej, które według składu chemicznego można podzielić na dwie kategorie, mianowicie stal chromową i stal niklowo-chromową. Stal chromowa zawiera dużą ilość chromu lub niewielką ilość niklu, tytanu i innych pierwiastków; stal niklowo-chromowa zawiera dużą ilość chromu i niklu lub niewielką ilość tytanu, molibdenu i innych pierwiastków. Zgodnie z różnymi organizacjami metalograficznymi, stal nierdzewna dzieli się na kilka kategorii, takich jak austenityczna, ferrytyczna i martenzytyczna. Ze względu na różny skład chemiczny i organizację metalograficzną, właściwości mechaniczne różnych rodzajów stali nierdzewnej, właściwości chemiczne i właściwości fizyczne również znacznie się różnią, co stosunkowo zwiększa trudność procesu obróbki stali nierdzewnej. 

Powszechnie stosuje się dwa rodzaje gatunków stali nierdzewnej. 

Kategoria A: stal chromowa martenzytyczna, taka jak 1Cr 13, 2Crl 3, 3Crl 3, 4Crl 3 itp. 

Kategoria B: należy do stali austenitycznych niklowo-chromowych, takich jak 1Cr18Ni9Ti, 1Cr18Ni9, itp. 

Powyższe dwa rodzaje stali nierdzewnej mają następujące właściwości przetwórcze. 

●Aby uzyskać dobrą plastyczność, materiał należy zmiękczyć, a następnie poddać obróbce cieplnej. Obróbka cieplna stali nierdzewnej klasy A polega na wyżarzeniu, a obróbka cieplna stali nierdzewnej klasy B polega na hartowaniu. 

●W stanie miękkim właściwości mechaniczne obu rodzajów stali nierdzewnej mają dobrą przetwarzalność, zwłaszcza przy dobrej przetwarzalności odkształceń tłoczenia, co nadaje się do odkształcania podstawowego procesu tłoczenia, ale właściwości materiałowe stali nierdzewnej w porównaniu ze zwykłą stalą węglową są bardzo różne, nawet jeśli materiał ze stali nierdzewnej do głębokiego tłoczenia, pionowa plastyczność właściwości anizotropowych jest znacznie niższa niż w zwykłej stali węglowej, a jednocześnie, ze względu na wysoką granicę plastyczności, hartowanie na zimno jest poważne, więc nie tylko w procesie głębokiego tłoczenia łatwo jest wytwarzać zmarszczki, a materiał płyty w wklęsłym narożniku matrycy gięcia i odwrotnego gięcia spowodowanego odbiciem, często w bocznej ścianie części, tworząc wgłębienie lub ugięcie. Dlatego do głębokiego tłoczenia stali nierdzewnej, istnieje potrzeba posiadania bardzo dużej siły ściskającej i wymaga starannej regulacji formy. 

Ze względu na zjawisko hartowania na zimno stali nierdzewnej, która jest bardzo wytrzymała, głębokie tłoczenie łatwo powoduje zmarszczki, więc w rzeczywistym procesie operacyjnym należy podjąć następujące środki w celu zapewnienia płynnego działania głębokiego tłoczenia: ogólnie rzecz biorąc, w każdym głębokim tłoczeniu po wyżarzaniu pośrednim, stal nierdzewna nie jest jak miękka stal może być po 3 ~ 5 krotnym wyżarzaniu pośrednim, zwykle po każdym głębokim tłoczeniu do wyżarzania pośredniego; odkształcenie dużych części głębokiego tłoczenia, ostateczne Po głębokim tłoczeniu i formowaniu, należy następnie wyeliminować szczątkowe naprężenia wewnętrzne obróbki cieplnej, w przeciwnym razie części głębokiego tłoczenia wytworzą pęknięcia, do naprężeń wewnętrznych obróbki cieplnej specyfikacja to temperatura nagrzewania stali nierdzewnej 250 ~ 400 ℃, B temperatura nagrzewania stali nierdzewnej 350 ~ 450 ℃, a następnie w powyższej temperaturze izolacji 1 ~ 3h; Zastosowanie metody ciągnienia na ciepło może dać lepsze rezultaty techniczne i ekonomiczne, na przykład w przypadku stali nierdzewnej 1Cr18Ni9 podgrzanej do temperatury 80–120°C, można zmniejszyć hartowanie materiału podczas obróbki i szczątkowe naprężenia wewnętrzne, poprawić stopień odkształcenia głębokiego tłoczenia i zmniejszyć współczynnik ciągnienia. Natomiast stal nierdzewna austenityczna podgrzana do wyższej temperatury (300–700°C) nie może już poprawić procesu tłoczenia. Podczas głębokiego tłoczenia złożonych części, należy wybrać prasę hydrauliczną, zwykłą prasę hydrauliczną i inny sprzęt, aby nie wymagać dużej prędkości głębokiego tłoczenia (około 0,15–0,25 m/s) podczas odkształcania, co może dać lepsze rezultaty. 

●W porównaniu ze stalą węglową lub metalami nieżelaznymi, tłoczenie stali nierdzewnej charakteryzuje się dużą siłą odkształcenia i dużym odskokiem sprężystości. Dlatego, aby zapewnić dokładność rozmiaru i kształtu tłoczonych elementów, konieczne jest niekiedy zwiększenie przycinania, korekty i niezbędnej obróbki cieplnej. 

●Granica plastyczności stali nierdzewnej austenitycznej jest bardzo zróżnicowana w zależności od jej odmiany, dlatego w procesie ścinania i formowania należy zwrócić uwagę na wydajność urządzeń przetwórczych. 

Wydajność procesów obróbki metali nieżelaznych i stopów

W przypadku metali nieżelaznych i stopów w procesie formowania stykających się z urządzeniami, wymagania dotyczące gładkości powierzchni form są wyższe. 

●Miedź i stopy miedzi. Powszechnie stosowane są czysta miedź, mosiądz i brąz. Czysta miedź oraz mosiądze klasy H62 i H68 charakteryzują się dobrym procesem tłoczenia, a w porównaniu z H62, hartowanie na zimno jest bardziej intensywne. 

Brąz jest stosowany do produkcji elementów odpornych na korozję, sprężyn i części odpornych na zużycie, a jego parametry różnią się znacznie w zależności od gatunku. Ogólnie rzecz biorąc, brąz jest gorszy od mosiądzu pod względem tłoczenia, a jednocześnie bardziej wytrzymały niż mosiądz pod względem hartowania na zimno, co wymaga częstego wyżarzania pośredniego. 

Większość mosiądzu i brązu w stanie gorącym (w temperaturze poniżej 600 ~ 800 ℃) ma dobry proces tłoczenia, ale ogrzewanie powoduje wiele niedogodności w produkcji, a miedź i wiele stopów miedzi w stanie 200 ~ 400 ℃, ale plastyczność, w porównaniu z temperaturą pokojową, ma większe zmniejszenie, dlatego na ogół nie stosuje się tłoczenia w stanie gorącym. 

●Stopy aluminium. Stopy aluminium powszechnie stosowane w elementach z blachy to głównie aluminium twarde, aluminium nierdzewne i aluminium kute. 

Aluminium nierdzewne to głównie stop aluminium z manganem lub aluminium z magnezem. Efekt obróbki cieplnej jest bardzo słaby, a jedynie hartowanie na zimno poprawia wytrzymałość. Charakteryzuje się umiarkowaną wytrzymałością oraz doskonałą plastycznością i odpornością na korozję. Twarde aluminium i aluminium przetworzone plastycznie to stopy aluminium, które można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną. Większość aluminium przetworzonego plastycznie to stop aluminium, magnezu i krzemu, charakteryzujący się wysoką wytrzymałością w stanie gorącym, słabym efektem wzmocnienia po obróbce cieplnej i dobrą plastycznością po wyżarzaniu, nadający się do tłoczenia i kucia. Twarde aluminium to stop aluminium, miedzi i magnezu o wysokiej wytrzymałości i dobrym efekcie wzmocnienia po obróbce cieplnej. 

Aluminium odporne na rdzę można wyżarzać w celu uzyskania maksymalnej plastyczności, natomiast aluminium twarde i kute można wyżarzać i hartować w celu uzyskania maksymalnej plastyczności. Charakteryzują się one wyższą plastycznością w stanie zahartowanym i lepszymi właściwościami mechanicznymi do tłoczenia, co przekłada się na lepszy proces tłoczenia niż w stanie wyżarzanym. 

Twarde i przetworzone aluminium należą do stopów aluminium poddawanych obróbce cieplnej, które mogą być wzmacniane. Cechą charakterystyczną tych stopów jest stopniowe wzmacnianie po hartowaniu wraz z wydłużaniem czasu hartowania. Zjawisko to nazywane jest „wzmocnieniem starzeniowym”. Umocnienie starzeniowe przebiega w określonym tempie, a jego tempo różni się w zależności od gatunku. Ponieważ te stopy aluminium charakteryzują się umocnieniem starzeniowym, proces tłoczenia tych stopów aluminium musi zostać zakończony przed zakończeniem procesu umacniania starzeniowego. Zazwyczaj warsztat wymaga, aby proces ten został zakończony w ciągu 1,5 godziny od hartowania. 

W stopach aluminium, stopy aluminium i magnezu (głównie aluminium nierdzewne) są silniej hartowane na zimno, dlatego przy produkcji skomplikowanych elementów z takich materiałów stosuje się zazwyczaj 1-3-krotne wyżarzanie pośrednie. Po głębokim tłoczeniu i formowaniu przeprowadza się końcowe wyżarzanie w celu wyeliminowania naprężeń wewnętrznych. 

Aby poprawić przetwarzalność, tłoczenie stosuje się również w produkcji stopów aluminium w stanie ciepłym. Tłoczenie na ciepło stosuje się głównie w przypadku materiałów hartowanych na zimno. Po ogrzaniu (około 100-200°C) materiał zachowuje część swoich właściwości hartowania na zimno i poprawia swoją plastyczność, co poprawia stopień odkształcenia podczas tłoczenia i dokładność wymiarową tłoczonych elementów. 

Podczas tłoczenia na gorąco temperatura nagrzewania musi być ściśle kontrolowana. Zbyt niska spowoduje pęknięcia w tłoczonych elementach, a zbyt wysoka – gwałtowny spadek wytrzymałości, a także pęknięcia. Podczas procesu tłoczenia, wypukła matryca ma tendencję do przegrzewania się, co po przekroczeniu określonej temperatury powoduje silne zmiękczenie materiału tłoczonego i pękanie głęboko tłoczonego elementu. Utrzymywanie temperatury wypukłej matrycy poniżej 50–75°C może poprawić stopień odkształcenia podczas głębokiego tłoczenia na gorąco. Podczas tłoczenia na gorąco należy stosować specjalne smary odporne na wysoką temperaturę. 

●Tytan i stopy tytanu. Tytan i stopy tytanu są mniej podatne na obróbkę, charakteryzują się wyższą wytrzymałością, wysokimi siłami odkształcenia i silnym utwardzaniem przez zgniot, i są najczęściej stosowane do tłoczenia na gorąco, z wyjątkiem kilku gatunków, które można tłoczyć na zimno w celu uzyskania części o niewielkim odkształceniu. Temperatura nagrzewania podczas tłoczenia na gorąco jest wysoka (300–750°C) i różni się w zależności od gatunku. Zbyt wysoka temperatura nagrzewania spowoduje kruchość materiału i nie będzie sprzyjać tłoczeniu. Ponieważ tytan jest pierwiastkiem bardzo aktywnym chemicznie, temperatury wymagane do reakcji tlenu, wodoru i azotu nie są wysokie, a związki powstające z tlenu, wodoru i azotu są głównymi czynnikami powodującymi kruchość, dlatego nagrzewanie tytanu i stopów jest ściśle ograniczone. W przypadku konieczności obróbki w wysokiej temperaturze należy ją przeprowadzać w atmosferze gazu ochronnego lub w całkowicie zabezpieczonym, szczelnym opakowaniu do integralnego nagrzewania. Podczas obróbki tłoczonych elementów z tytanu i stopów tytanu należy stosować najniższą możliwą prędkość tłoczenia. 

Ponadto tytan można ciąć metodami mechanicznymi, takimi jak piłowanie, cięcie wodą pod wysokim ciśnieniem, toczenie, obrabiarki do cięcia rur itp. Prędkość cięcia powinna być niska, nigdy nie należy używać płomienia tlenowo-acetylenowego ani innych gazów do cięcia poprzez podgrzewanie, ale również nie należy używać piły tarczowej do cięcia, aby uniknąć strefy wpływu ciepła nacięcia przez zanieczyszczenie gazem, jednocześnie nacięcie przy zadziorze nie jest zbyt duże, ale również aby wydłużyć proces obróbki zadzioru. 

Rury z tytanu i stopów tytanu można giąć na zimno, ale zjawisko odbicia jest oczywiste. Zazwyczaj w temperaturze pokojowej jest ono dwa do trzech razy większe niż w przypadku stali nierdzewnej. Dlatego gięcie na zimno rur tytanowych, aby poradzić sobie z odbiciem, wymaga promienia gięcia rur tytanowych, który nie powinien być mniejszy niż 3,5-krotność średnicy zewnętrznej rury. Aby zapobiec lokalnemu występowaniu eliptyczności lub marszczenia, rury można wypełnić suchym piaskiem rzecznym i ubić drewnianym lub miedzianym młotkiem. Giętarka do gięcia na zimno powinna być wyposażona w trzpień. Podczas gięcia na gorąco, temperatura wstępnego nagrzewania powinna wynosić od 200 do 300°C. 

Do wykonywania kołnierzy 90° należy stosować trzy zestawy form prasowanych etapami, 30°, 60°, 90°, aby uniknąć pęknięć.