دانلود مقاله فورج آلیاژهای آلومینیوم

بخشی از مقاله

فورج آلياژهاي آلومينيوم

(بخش اول)

مقدمه :

با توجه به اينكه تا به حال مقاله‌اي در مورد فورج فلزات غير آهني به چاپ نرسيده است سعي گرديده تا با ترجمه متن فوق كمكي به صنعت كشور در زمينه فورج آلومينيم بشود. اين سلسله مقالات شامل قستمهاي مختلفي از جمله فورج پذيري آلومينيم، تجهيزات فورج آلومينيوم، تكنولوژي طراحي قالب و آلياژهاي مختلف آلومينيوم مي‌باشد. در نخستين بخش در مورد روشهاي مختلف شكل دادن آلياژهاي آلومينيوم بحث خواهد شد.

آلياژهاي آلومينيوم در انواع و اشكال مختلف و در طيف وسيعي براي كاربردهاي مختلف مي‌توانند فورج شوند. فورج آلياژ آلومينيوم، مخصوصاً در فورج Close-die ، شكل نهايي قطعه فورج توليد شده را صافتر و شفافتر از فورج گرم آلياژ فولاد مي گرداند. آلياژ آلومينيوم بازتاب هاي مختلفي در حرارتهاي زياد در خلال فورج از خود نشان مي‌دهد. صنعتگراني كه به آلومينيم دسترسي دارند، مي توانند ا

ز آلياژهاي آلومينيم به جاي فولاد اسفتاده كنند چون اين دو در خيلي از موارد قابل مقايسه با يكديگر مي‌باشند. براي شكل دادن قطعات آلياژ آلومينيم، فشار مورد نياز در فورج مي‌تواند مختلف باشد كه بستگي به تركيبات شيميايي آلياژ، مراحل فورج به كار رفته، نرخ تغيير قطعه در فورج، نوع قطعه فورج، شرايط روانكاري و حرارت قالب دارد.

نمودار 1 تنشهاي جاري در فورج آلياژهاي آلومينيم در 350 تا 270 را مقايسه مي‌كند و نرخ تغييرات از 4 تا 10  در فولاد 1025 را با نرخ تغييرات حرارت در آلياژهاي ديگر مشخص مي‌كند. تنشهاي جاري سبب پايين بودن فشار مورد نياز براي فورج هستند، اگر چه، فشار حقيقي قطعه فورج معمولاً بيشتر است زيرا مراحل ديگر فاكتورهايي را به چارچوب بالا اضافه مي كنند. براي بعضي از آلياژها آلومينيوم از ضعيف تا متوسط مانند 1100 و 6061، تنشهاي مخصوصاً‌ آلياژهاي سري xxx7 مانند 7075، 7010، 7049،7050 ، تنشهاي جاري و در نتيجه فشار فورج در مقايسه با فولاد بيشتر است. بالاخره، آلياژهاي ديگر آلومينيوم، مانند 2219 ، تنشهاي جاري كاملاً مشابهت با فولاد دارد.

نمودار1- تنشهاي جريان فورج آلياژهاي آلومينيوم و فولاد 1025 در درجه حرارت نمونه فورج و درجات مختلف كرنش كلي

ضمناً بايد متذكر شويم كه در مقايسه آلياژ‌هاي مورد توجه آلومينيم با فولاد، فورج آلياژهاي آلومينيم مشكلتر مي باشد. تركيبات شيميايي و خواص مكانيكي آلياژهاي آلومينيوم رابه جلد دوم از چاپ نهم METALS HANDBOOK ارجاع مي دهيم.

فورج پذيري Forgeability

در مقايسه آلياژهاي نيكل، كبالت و تيتانيوم، آلياژهاي آلومينيم توانايي فورج قابل توجهي دارند، مخصوصاً در مراحل تكنولوژي فورج كه قالبها  يا كمتر، بايد گرم شوند.

تغييرات دماي فورج بكار برده شده براي آلياژها توانايي تغيير شكل هر كدام را تغيير مي‌دهد. همچنين مطلب قابل توجه در اين قسمت اين است كه تغيير شكلي كه در آن ترك ايجاد نگردد مشكل است. آلياژهاي آلومينيم مانند 1100 و 3003 توانايي فورج را با توجه به موارد بالا دارند، اگر چه اين آلياژها كاربرد محدودي در فورج به خاطر نداشتن مقاومت كافي در حرارت دارند.

نمودار 2- فورج پذيري و درجه حرارت فورج آلياژهاي مختلف آلومينيوم

تأثير حرارت: توانايي فورج كليه آلياژهاي آلومينيوم با افزايش دما زياد مي‌شود. براي مثال آلياژ حاوي سيليكون (4032) بيشترين تاثير را نشان مي‌دهد، در حاليكه آلياژهاي حاوي Cu,Mg,Zn.Al سري XXX7 تاثير كمي را نشان مي‌دهند. نمودار 3 اثر حرارت را بر حسب تنشهاي جاري با نرخ تغيير 10 براي آلياژ 6061 نشان مي دهد كه توانايي فورج خوبي در آلياژهاي آلومينيم دارد. نزديك به 5% افزايش در تنشهاي جاري بين بيشترين دما (480 يا 900 بيشترين دماي پيشنهادي براي 6061) و ( 370 و  700 كمترين دماي پيشنهادي براي 6061) مي‌باشد. براي موارد ديگر مثل آلياژهاي xxx2 و xxx7 مشكلات بيشتري در فورج وجود دارد، چون تغييرات دما در فلز كم است.

(تغييرات تنشهاي جاري با دما بيشتر است). 15 نوع آلياژ  آلومينيم كه شبيه به هم فورج مي شوند، تغييرات دماي پيشنهادي آنها در جدول 1 ليست شده است. تمام اين آلياژها معمولاً‌ با يك فشار فورج مي‌شوند، اگر چه بعضي از آلياژها معمولاً بايك فشار فورج مي‌شوند، اگر چه بعضي از آلياژها احتياج

به قدرت بيشتري دارند و با عمليات فورج بيشتري نسبت به بقيه دارند، تغييرات دماي فورج براي بيشتر آلياژها معمولاً كوچك است ( به طور معمول كمتر از 55 يا 100) و براي هيچ آلياژي بيشتر از 85 (155) نيست. بدست آوردن خواص مورد نظر در فورج آلومينيم يك موفقيت چشمگير در مراحل فورج مي‌باشند. دماي قالب و نرخ تغيير شكل كليد به دست آوردن حرارت فورج واقعي مي باشد.

جدول 1- درجه حرارتهاي پيشنهادي براي فورج آلومينيوم

تاثير نرخ تغيير شكل : آلياژهاي آلومينيم با وسايل متعدد قابل فورج هستند. نرخ فشار يا تغيير شكل وارد آمده اختلاف قابل توجهي در تغيير شكل فلز به وجود مي آورد، مانند تغييرات خيلي تند (مثل بزرگتر از 10 با دستگاههايي مانند Hammer، پرسهاي ضربه‌ايي و پرسهاي با نرخ انرژي زياد) نسبت به تغييرات كم (مانند كوچكتر از 1/0 براي دستگاههايي مانند پرس هيدروليك بنابراين تغيير شكل يا نرخ فشار عناصر بحراني در قطعات فورج داده شده است. نمودار 4 تاثير دو نرخ فشار 10 و  1/0 را براي تنشهاي دو آلياژ آلومينيوم 6061 و 4014 در 570 نشان مي‌دهد. اين مسئله واضح است كه بالا بردن نرخ فشار تنش را در آلياژ آلومينيم افزايش مي‌دهد و اين افزايش تنش مشكلاتي را در فورج آلياژهاي آلومينيم مخصوصاً سريهاي xxx2 و xxx7 افزايش
مي دهد.  براي آلياژ 6061 توانايي فورج خيلي بيشتر است، و افزايش تنش معادل 70% افزايش نرخ فشار مي‌باشد، و براي آلياژ 2014 بالا بردن نرخ فشار دقيقاً دو برابر تنش مي باشد. اگر چه در آلياژهاي آلومينيم معمولاً توجهي به حساسيت نرخ فشار مانند تيتانيوم ،نيكل و كبالت نمي شود.

تاثير دماي قالب : برخلاف مراحل فورج براي كربن و آلياژ فولادها، قالبهاي مورد استفاده در مراحل فورج آلومينيوم به منظور تسهيل در مراحل فورج، گرم مي‌شوند. بنابراين حرارت قالب مسئله بحراني ديگري در توانايي فورج است و مراحل فورج را بهينه مي‌كند. جدول 2 خلاصه‌ايي از تغييرات دماي قالب مورد استفاده براي چندين مرحله فورج آلومينيوم نشان مي‌دهد .

بهينه كردن مراحل بستگي به بيشترين حرارت قالب، دستگاههاي مورد استفاده ، آلياژي كه فورج مي‌شود، و مقاومت تغيير شكل يا طراحي قالب صحيح دارد. براي تغيير شكل آرام، مانند پرسهاي هيدروليك فورج، حرارت قالب به وسيله فلزاتي كه در موقع حرارت تغيير شكل داده مي‌شوند كنترل مي گردد، و در حقيقت فورج آلياژهاي آلومينيوم در پرسهاي هيدروليك فورج ايزوترمال مي‌باشد و قالب همان درجه حرارت فلز را پيدا مي كند. بنابراين حرارت قالب ايجاد شده در پرسهاي هيدروليك از تغيير شكل در پرسهاي مكانيكي و Hammer تجاوز مي‌كند.

روشهاي فورج Forging Mehtods

قطعات آلياژهاي آلومينيومي با تمام روشهايي كه در دسترس مي‌باشد مي توانند توليد گردند كه شامل ring rolling, mandrel forging, spin forging, orbital forging,
 roll forging, up settind , close, die, open, die و اكستروژن مي باشد. انتخاب بهترين روش فورج كه شامل يك طرح خوب و قيمت مناسب مي باشد يك اصل در قطعات فورج مي باشد. در خيلي از حالات دو يا چند روش به منظور به دست آوردن شكل قطعه مورد نظر لازم مي باشد. بعنوان مثال معمولاً در فورج open- die نيز استفاده مي‌شود.

Open-die Forginigs : معمولاً براي فورج قطعات كوچك آلياژ آلومينيوم استفاده مي‌گردد، چون قالب open- die پرهزينه است و توجيه نمي‌گردد. همچنين در بعضي حالات لازم است كه براي آماده سازي قطعه براي قالب open- die از قالب open- die استفاده بشود. اگر چه فورج open- die به اين منظور نيست كه محدود به قطعات كوچك يا مقدار مشخصي از توليد گردد، بلكه در بعضي ازحالات استفاده از اين روش اثر اقتصادي دارد. براي مثال براي توليد بيش از 2000 قطعه بيسكويت از فورج open- die استفاده مي‌شود، چون با همان خواصي كه در close-die مي باشد توليد مي گردد و ارزش اقتصادي بهتري نياز دارد.

فورج open- die شكلهاي متنوعي توليد مي كند و شمش گرد ساده را به مربع يا مربع مستطيل يا شكلهاي مركب ديگر تبديل مي كند. در گذشته تلرانسها قطعه فورج توليد شده بستگي به مهارت اپراتور پرس داشت، در صورتيكه با برنامه هاي كنترل كامپيوتري پرسهاي فورج open- die آلياژهاي آلومينيوم پيش فرمي براي فورج close-die مي باشد، اين كار بايستي خيلي دقيق انجام شود و اصلاح كردن اندازه ها و تلرانسها در فورج close- die ايجاد گردد تا هزينه كار كاهش بيابد. اطلاعات بيشتر از فورج open- die را رد همين فصل مشاهده مي‌كنيد.

Close-die Forgings : بيشتر قطعات آلياژ آلومينيوم به روش Clsoe-die توليد مي‌گردند. 4 نوع قالب در فروج Close-die وجود دارد كه عبارتند از : blocker-type(‌فقط فورج نهايي)، Conventional  ( block و فورج نهايي يا فقط فورج نهايي ) – high- definition (نزديك به شكل نهايي) و Precision (شكل نهايي) . اين نوع Close-die در شكل 5 مشاهده مي‌شود.

Blocker-Type Forgings: (شكل a5) يك دست از اين قالب نسبتاً ارزان تهيه مي شود. در اندازه هاي نهايي و تلرانسها دقت كمي دارد و براي تبديل به Conventional يا high-definition احتياج به ماشين كاري بيشتري دارد. قالب فورج blokcer-type هزينه كمتري نسبت به Converntional يا high-definition دارد.

Conventional Close-die (شكل b5) ، اين نوع قالب بيشتر در قالبهاي فورج آلومينيوم متداول است. اين نوع قالب يا با blocker-type و قالب نهايي مي باشد و يا خود قالب نهايي است كه بستگي به ملاك طراحي دارد اين نوع قالب با تلرانسهاي كمتر از blocker-type مي‌باشد، اما احتياج به هزينه بيشتري براي ساخت دارد.

High-Definition Forgings: با بهبود بخشيدن به لوازم كنترلي دستگاههاي فورج كه بعداً توضيح داده خواهد شد، مي توان شكل قطعه فورج در قالب بسته را نزديك به شكل اصلي آن توليد كرد (شكل C5). بالا بردن تلرانسها اثر بيشتري در كاهش هزينه ماشينكاري دارد. فورج high-definition با مجموعه ايي از قالبها كه شامل قالب blocker و قالب نهايي هستند توليد مي شود و معمولاً با همان سطوح ماشين كاري نشده به خريدار تحويل داده مي شود.

Precision Forgings: (شكل d5): نماينده بهترين طرحهاي فورج آلومينيوم توليد شده مي‌باشد. در اين نوع عمليات فورج كردن و ماشينكاري به صورت سري تركيب مي‌شوند كه هزينه آن بيشتر از قالب‌هاي فورج آلومينيوم ديگر است اما قطعه ديگر احتياج به ماشينكاري ندارد و براي خريدار هزينه كمي بعد از توليد در بر دارد. شكل نهايي قطعه فورج در دو يا سه مرحله توليد مي‌گردد و تلرانسهاي محدودي نسبت به ساير روشها دارد.

Upset Forgings:  در دستگاه مخصوص فورج كه Upsetter ناميده مي شود انجام مي‌گردد و براي سطوحي استفاده مي گردد كه احتياج به تغيير مقطع دارند مانند : پيچها، والوها، پيستونها و بلبرينگها. فورج upset ممكن است در يك مرحله مانند پيستونها استفاده شود يا مي تواند با ضربات متعدد شكلهاي خاصي را مانند چرخدنده ها به وجود آورد. براساس تجربه به دست آمده در فورج آلياژ آلومينيوم، طول قطعه فورج نبايد از سه برابر قطر مقطع مربع يا دايره تجاوز كند.

roll forging را مي‌توان براي تغيير شكل ناگهاني به منظور كاهش فلز ورودي و يا كاهش تعداد عمليات close-die انجام داد. در roll forging، فلز بين دو roll حركت كرده و شكل مي‌گيرد و اغلب براي قسمتهايي مانند اتصال محور استفاده مي شود كه حجم زيادي دارند و سطح مقطعهاي نسبتاً محدودي در قسمتهاي مختلف دارند.

جدول 2- درجه حرارتهاي پيشنهادي قالب براي فورج آلومينيوم

Orbital (Rotary) Forgings : به اشكال مختلف در Close-die بر روي پرسهاي مكانيكي يا هيدروليكي بسته مي شود و سبب چرخش يك يا دو قالب مي شود كه معمولاً قالبها نسبت به هم داراي زاويه مي باشند و تغيير شكل زيادي را در قطعه كار به وجود مي آورد. Orbital forging هم براي تغيير سطح به روش فورج گرم و هم سرد استفاده مي شود و شكل نهايي را با تلرانس پايين توليد مي كند.

Spin Forgings :تقريباً يكي از جديدترين تكنيكهاي فورج آلياژ آلومينيوم است كه تركيبي از Close-die forging و كنترل عددي كامپيوتري (CNC) مي‌باشد. اپراتور با استفاده از فورج گرم يا سرد مي‌تواند سوراخي با تلرانس بسته توليد كند كه در شكل 6 نشان داده شده است. چون فورج Spin با سنبه انجام مي شود، طرح قطر داخلي شكل واقعي را به وجود مي آورد، كه احتياج به ماشينكاري بعدي ندارد. طرح قطر خارجي مي‌ تواند به صورتي باشد كه شكل واقعي كه احتياج به ماشينكاري كمي داشته باشد را توليد كند. همچنين قابل ذكر است كه اين روش مشابه روش اكستروژن معكوس مي باشد كه مي‌تواند به فرمهاي يك طرف بسته، دو طرف بسته يا هر دو انتها باز توليد شود.

Ring Rolling:  براي توليد شكلهاي حلقه‌ايي آلياژ آلومينيوم استفاده مي شود. روش مورد استفاده در ring roll آلياژهاي آلومينيوم همان است كه براي فولاد نيز استفاده مي شود. مقاطع مربع مستطيل گردد در ring roll، بدون ماشينكاري بعدي در آلياژهاي آلومينيوم قابل توليد هستند. حرارت بكار رفته براي ring rolling آلياژهاي آلومينيوم مشابه مراحل ديگر فورج مي‌باشد، اگر چه در اين روش توجه مخصوصي به حرارت فلز نيز بايد شود، تغيير شكل به دست آمده در اين روش نتيجه قرار گرفتن دانه ها در جهت شيب دار يا دايره‌ايي شكل است. اگر قرار گرفتن دانه‌ها را در جهات ديگري مانند جهت محوري يا شعاعي بخواهيم، رينگ را به طريق ديگري بايد توليد كرد مانند فورج

سنبه‌اي يا اكستروژن معكوس يا پيش رونده مسائل اقتصادي در ring rolling آلياژهاي آلومينيم بستگي به حجم، اندازه و طرح فورج دارد. براي بعضي قسمتهاي رينگ ممكن است اقتصادي تر اين باشد كه شكل به وسيله فورج سنبه‌اي (Mandrel Forging) يا اكسترود استوانه توخالي توليد شود. هر دو روش در زير توضيح داده شده است.

Mandrel Forgings: براي توليد قطعات هم محور آلياژهاي آلومينيوم كه نسبتاً ساده هستند استفاده مي شود، مانند رينگ تو خالي يا شكلهاي استوانه‌اي شكل كه با Hammer يا پرس هيدروليكي فورج مي‌شوند، در مراحل فورج ضخامت ديواره در تغيير شكل كاهش مي‌يابد، و اين تغيير شكل قطر قطعه را افزايش مي‌دهد. Mandrel forging براي قطعاتي با حجم نسبتاً كم يا قطعات خيلي بزرگ شكلهاي رينگي (بيشتر از قطر m3/3 يا in130)‌اقتصادي هستند. با كنترل مراحل كاري mandrel forging و مواد ورودي مي‌توان دانه ها را در محيط دايره‌اي يا جهت محوري توليد كرد.

Reverse or forward extrusion: از انواع مختلف فورج close-die براي آلومينيم مي باشد، كه مي‌تواند براي توليد شكلهاي تو خالي و هم محور در آلياژهاي آلومينيوم استفاده شود. اصطلاح اكستروژن معكوس يا پيش رونده بستگي به جهت حركت فلز نسبت به حركت سرپرس دارد. در اكستروژن پيش رونده، فلز در همان جهت سرپرس اكسترود مي‌شود. برعكس، در اكستروژن معكوس، جريان فلز عكس حركت سرپرس مي‌باشد. انتخاب اكستروژن پيش رونده يا برعكس آن معكوس بستگي به نوع و محدوديتهاي پرس دارد. بعضي از پرسها داراي تجهيزات مخصوص با مقطع بالايي باز هستند كه مطابق عمليات اكستروژن معكوس مي باشد.

فورج آلياژهاي آلومينيوم

(قسمت دوم )‌

تجهيزات فورج
قطعات آلومينيومي با تجهيزات مخصوص به خود فورج مي‌شوند كه پتكها، پرسها و ماشينهاي مخصوص فورج مي‌باشد. انتخاب تجهيزات فورج بستگي به شكل و نوع قطعه فورج دارد.

Hammers: Hammer با قدرت ضربه‌اي خوب هم در فورج آلياژ آلومينيوم open-die و هم close-die استفاده مي شود ونسبتاً هزينه كمتري نسبت به تجهيزات متشابه دارد، اگر چه قدرت مورد نياز براي فورج آلومينيوم معمولاً بيشتر از فولاد است. Hammer ها قطعه را با سرعت زيادي تغيير شكل مي‌دهند، بنابراين كنترل كورس پرس، نيرو و سرعت در فورج آلياژ آلومينيوم مفيد است، چون

حساسيت آنها نسبت به نرخ كشش بستگي به مراحل تغيير شكل سريع دارد. اگر زاويه طرح به كار رفته در قالب در حدود 5 تا 7 درجه باشد مي‌توان از Hammer در close-die استفاده كرد. Hammer ها معمولاً براي عمليات مقدماتي در فورج استفاده مي‌شوند.

Mechnaical and screw presses: پرسهاي مكانيكي و پيچي در همه جا براي فورج close- die آلياژ آلومينيوم استفاده مي شود. اين نوع پرس مناسبترين دستگاه براي فورج آلياژ آلومينيوم با سايزهاي متوسط، حجم زيادي مي‌باشد.

پرسهاي مكانيكي و پيچي با تركيب عمل ضربه و فشار براي آلياژهاي آلومينيوم خاصيت جريان يافتن آنرا بهتر از Hammer مي‌كند. پرسهاي پيچي با پرسهاي مكانيكي در كنترل نرخ فشار اختلاف دارند كه مي‌تواند در تغيير شكل زياد آلياژهاي آلومينيوم استفاده شود. حالت پيشرفته تري كه در اين نوع پرسها مي توان استفاده كرد، سيستمهاي كنترل پرس مي باشد.

پرسهاي هيدروليكي : متداولترين نوع پرس مي‌باشند كه آرامتر از پرسهاي مكانيكي يا پيچي عمل مي كند ولي براي توليد قطعات با close-die بزرگ و قطعات خيلي بزرگ استفاده از پرسهاي هيدورليكي مناسب تر مي‎باشد.

تغيير شكل بدست آمده در پرسهاي هيدروليكي قابل كنترل تر از پرسهاي مكانيكي با پيچي مي باشد. بنابراين پرسهاي هيدروليكي انتخاب خوبي براي كنترل نرخ فشار براي كمترين مقاومت تغيير شكل آلياژ آلومينيوم يا شكل قطعه فورج ، كاهش فشار مورد نياز زاويه طرح دقيق و راحت بدست آوردن شكل مورد نياز مي‌باشد.

از انواع پرسهاي هيدروليكي كه دستگاههايي با قدرت بالا مي‌باشد، پرس 50000 ton مي باشد كه سرعت و فشار آن قابل كنترل است و داراي قابليت برنامه ريزي مي باشد. اين توانايي ها كه شامل كاركرد كمترين زاويه طرح مورد استفاده در اين نوع پرسها براي آلياژ آلومينيم زاويه 3 درجه مي باشد، كه براي پرسهاي هيدروليك دقيق زاويه بين 0 تا 5/0 درجه و براي زاويه طرح داخلي بين 5/0 تا 1 درجه مي باشد.

مواد، طراحي و تكنولوژي ساخت قالب:

انتخاب جنس قالب، طرح قالب وتكنولوژي ساخت آن از عوامل مهم در مراحل فورج آلومينيوم در قالب close-die مي‌باشد، چون قالبها عوامل اصلي در هزينه تمام شده اين چنين فورجهايي مي‌باشد. طرح قالب و اندازه‌هاي فورج نهايي پارامترهايي مي باشند كه بر مراحل فورج اثر مي گذارند. بنابراين فورج قطعات آلياژهاي آلومينيوم احتياج به استفاده از قالبهاي مخصوصي براي آلومينيوم به دلايل زير دارد:

1- رفتار تغيير شكل آلياژهاي آلومينيوم يا ديگر فلزات تفاوت دارد، بنابراين در طرح قالب پيشكوب و نهايي بايستي تغيير شكل بهينة فلز در جريان فورج تحت نظر باشد و عيب و نقص كمي در قسمت نهايي بوجود آيد.

2- حد مجاز shrinkage در آلياژهاي آلومينيوم نسبت به دو نوع مشابه قطعه فولادي و ديگر فلزات بزرگتر است.

3- كنترل حرارت قالبهاي مورد استفاده براي فورج آلياژهاي آلومينيوم مهم و بحراني است، بنابراين روش گرم نگهداشتن قالب در موقع فورج بايستي مورد توجه قرار بگيرد.

مواد قالب:

جنس قالب مورد استفاده براي فورج آلياژهاي آلومينيوم همانهايي مي باشند كه براي فولاد نيز به كار برده مي شود. البته فرقي كه بين آنها است، سختي كم قالبها مي باشد كه به خاطر انعطاف پذيري استفاده مي شوند.

با پيشرفت تكنولوژي ساخت فولاد، مي‌توان از فولادهايي با مشخصات vacum degassing , ladle metallurgy , argon oxygen decarburization كه به صورت استاندارد مي‌باشد استفاده گردد و با روشهاي فوق فولاد بصورت خوبي اصلاح مي شود و قطعه فورج آلياژ آلومينيوم بطور برجسته ايي اصلاح مي گردد.

سايش قالب در فورج آلياژهاي آلومينيوم كمتر از فولاد يا ديگر فلزات مي باشد ولي اگر حجم زيادي از آلياژ آلومينيوم فورج شود باعث سايش قالب مي‌گردد، بهمين دليل بايستي سختي قالب را كاهش دهيم تا انعطاف قالب بهتر شود. سختي زياد را فقط در قالبهاي upsetting مي توان استفاده كرد تا درون قالب upset به خوبي سخت گردد.

بعد از سايش قالب، بيشترين عاملي كه باعث شكست قالبهاي فورج آلومينيوم مي‌گردد، شكاف قالب يا ترك مي‌باشد كه اگر به آن بي توجهي شود مي‌تواند باعث اتفاق مصيب باري گردد. اين نوع تركها معمولاً به علت بالا رفتن تنشهاي پسماند در قالب اتفاق مي افتد. بهبود بخشيدن انعطاف فولادهاي قالب ، اصلاح عمق قالب، بهبود دادن طرح قالب و كم كردن سختي قالب ها باعث كاهش ترك دو قالب فورج آلياژهاي آلومينيوم مي شود.

بيشتر قالبهاي فورج آلومينيوم توسط جوش دادن تعمير مي شود كه از فلز با گاز خنثي، تنگستن با گاز خنثي يا ديگر تكنيكهاي جوش استفاده مي شود.

جدول 1- محدوده دمايي پيشنهاد شده فورج براي آلياژهاي آلومينيوم

براي upsetting، هم كفشك قالب پايين و هم بالا معمولاً ازجنس :  با سختي 42HRC تا 46HRC مي باشد. فولاد با درجه  با ، با خواص متنوعي كه دارند، معمولاً بطور گسترده براي مواد قالب در فورج آلومينيوم استفاده مي شود. اگر قطعه‌اي كه بايستي فورج شود بزرگ باشد هزينه را افزايش مي‌دهد، و براي انجام اكر گرم بر آلياژ آلومينيوم معمولاً از فولاد H13,H12,H11 استفاده مي شود و معمولا بين 44 تا 50 HRC سختي مي گيرد.

طراحي قالب:

يك عامل اصلي در كنترل هزينه‌هاي قالب فورج آلومينيوم، موفقيت در فورج قطعات با دقت‌هاي مورد نياز و ارائه سيستم مهندسي در قالب است.

قالبها درون كفشك قرار گرفته و فورج مي‌شوند كه باعث كاهش هزينه قالبها مي‌شود. سيستم كفشك قالبها ممكن است به صورت عمومي قابل استفاده باشد. طرح قالب فورج وابسته به مهارتهاي مهندسي و تجربه وسيع و آزمايش مي‌باشد.

ساخت قالب:

قالبهاي فورج آلياژهاي آلومينيم توسط يكي از روشهاي زير توليد مي شود كه شامل: براده برداري دستي، فرز كپي از روي مدل، EDM و براده برداري مستقيم CNC مي‌باشد. با در اختيار داشتن CAD، CAM بوسيله CNC مي‌شود مستقيماً قالب براده برداري و يا EDM لبه هاي قالب را براي فورج آلياژ آلومينيم حالت دهيم.

اين تكنيكها هزينه قالب ها را كاهش مي‌دهد و مهمتر از آن دقت قالبها را بيش از 50% افزايش مي دهد كه كادر مقايسه با ديگر تكنيكها قابل مقايسه مي باشد. براي مثال تلرانس استاندارد ساخت قالب 0.1  مي‌باشد، اما با CAM و دستگاههاي EDM/CNC تلرانسها به 0.07  ميلي متر كاهش مي يابد.

قالبهاي نهايي مورد استفاده در فورج آلياژهاي آلومينيم بحراني تر از قالبهاي مورد استفاده براي فولاد است.

مراحل فورج آلياژ آلومينيم:

آماده كردن ميله‌هاي فورج: اره كردن و بريدن دو روشي هستند كه بيشترين كاربرد را براي آماده كردن قطعه براي فورج دارند. برش بوسيله سايش را نيز مي توان استفاده كرد، اما كندتر از روش اره كردن مي باشد.

اره كردن يكي از روشهايي مي باشد كه بيشترين و قابل قبول ترين كاربرد را توليد قطعه دارد، اگر چه در توليد به اين روش لبه هاي تيز در قطعه بوجود مي‌آيد كه به وسيله زدن پخ بر سر قطعات قابل رفع مي باشد. البته در دستگاههاي اره جديد اين پخ زدن بر سر قطعات در اره كردن ايجاد مي شود.

برش روش ديگري مي باشد كه براي آلومينيم كمتر از فولاد استفاده مي‌شود. چون آلومينيوم نرم مي باشد برش باعث مي شود تا انتهاي ميله بريده شده مسطح مقطع نامناسبي ايجاد گردد و مشكلاتي را در فورج پديد آورد. برش را فقط مي توان براي مقاطع با قطر بيش از 50 ميليمتر به كار برد.

پيشگرم براي فورج: يكي از عوامل مهم در گرم كردن آلياژهاي آلومينيم دماي بحراني آن مي‌باشد. آلياژهاي آلومينيم داراي اكسيدهايي مي باشد كه مثل پوششي بر روي سطح ميله چسبيده اند. تغيير شكل اين پوشش خيلي محدود است، بنابراين آلياژهاي آلومينيوم به اندازه فولاد تغيير شكل نمي‌دهند.

تجهيزات گرم كردن:

آلياژهاي آلومينيوم به روشهاي مختلفي گرم مي‎شوند كه شامل كوره هاي الكتريكي، كوره هاي گازي، كوره هاي نفتي، واحدهاي القايي و واحدهاي مقاومتي هستند. كوره هاي semimuffled گازي معمولاً بيشتر استفاده مي‎شود. هم در كوره هاي گازي و هم نفتي بايستي از سوخت با سولفور پايين استفاده كرد. هيدروژن اضافي از سطح آلياژ آلومينيوم آشكارا كنده مي‎شود. چون بيشتر آلياژهاي آلومينيوم مستعد براي جدا كردن هيدروژن هستند.

هيدروژن به دو طريق از سطح كنده مي‎شود. طريقه اول با دماي بالاي احتراق كه معمولاً بوسيله تاول بر روي سطح آشكار مي‎شود. طريقه دوم با پوسته هاي نازك يا سوراخهاي درمان ناپذير كه معمولاً در طي بازرسي هاي، آلتراسونيك در قطعات فورج نهايي پيدا مي‎شوند. هر دو علت جدا شدن هيدروژن از سطح فلز، حرارت كوره مي‎باشد. معمولاً به وسيله استفاده از روشهاي شيميايي و بخار آب براي كم كردن اين مورد استفاده مي‌كنند.

كنترل دما:

آلياژهاي آلومينيوم در تلرانس پاييني كه حدود  است مي‎توانند تغيير دما دهند.

زمان گرم كردن آلياژهاي آلومينيوم متنوع است، كه بستگي به ضخامت شمش و توانايي كوره دارد. معمولاً 10 تا 20 دقيقه در اينچ از ضخامت مقطع صرف مي‎شود تا حرارت دادن آلياژهاي آلومينيوم بحراني تر از ديگر فلزات نمي باشد.

گرم كردن قالبها:

دومين عامل مهم در فورج آلياژهاي آلومينيوم گرم كردن قالبها مي‎باشد. قالبها هميشه قبل از فورج آلياژهاي آلومينيوم، گرم مي‎شوند كه عامل مهمي در فورج مي‎باشد.

حرارت دادن قالب روي پرس يكي از تكنيكهاي مهندسي مي‎باشد كه طراحي اين سيستم بايستي در تلرانس حرارتي بسته باشد، بعلاوه پرسهاي مورد استفاده براي فورج دقيق آلياژهاي آلومينيوم معمولاً داراي بالشتكي هستند كه در مورد لزوم قالب را گرم يا خنك مي‌كند. بهترين تلرانس حرارت قالبها  مي‎باشد.

روغنكاري:

روغنكاري قالب سومين عامل بحراني در مراحل فورج آلومينيوم مي‎باشد. روانكاوي كه در فورج آلياژ آلومينيوم استفاده مي‎شود بايد توانايي اصلاح در سطح قالب بخاطر ايجاد كردن اصطكاك كم، مقاومت بالاي قالب در برابر حرارت فلز و فشار وارده را داشته باشد. تركيبات روغن كاري كه به كار مورد توجه به مراحل فورج و نوع فورج متنوع هستند. عنصر فعال اصلي در روغنكاري آلياژ آلومينيوم گرافيت است، اگرچه مواد ارگانيك و غيرارگانيك ديگري بمنظور بدست آوردن نتايج قابل قبولتري به آن اضافه مي‎شود.

دوربري، شكل دهي و اصلاح

دوربري مرحله اي از كار مي‎باشد كه براي بدست آوردن شكل نهايي استفاده مي‎شود. پرت توليد شده در بيشتر مراحل فورج آلومينيوم بوسيله دوربري سرد يا گرم ماشينكاري برداشته مي‎شود. روشهاي ذكر شده بستگي به شكل، نوع و حجم قطعه توليد شده دارد. قالبهاي دوربري سرد يا گرم معمولاً براي دوربري قطعات بزرگ، مخصوصاً براي قطعاتي كه پيچيدگي متوسطي دارند استفاده مي‎شود. انتخاب دوربري سرد يا گرم بستگي زيادي به پيچيدگي قطعه و هزينه آن دارد. پرسهاي به كار رفته در دوربري، مكانيكي يا هيدروليكي مي باشند. قالبهاي دوربري معمولاً از فولادهاي با جنس 6G يا 6F2 با سختي در حدود 444 HB تا 477 HB ساخته مي‎شوند. فولاد اين قالبها داراي هزينه پاييني مي باشند، چون آنها اغلب از قطعات شكسته يا فرسوده قالبهاي فورج ساخته مي‎شوند. لبه ها و اطراف قالب با درجه D1 يا D2 با سختي بين 58 HRC تا 60 HRC براي دوربري آلياژ آلومينيوم استفاده مي‎شود. دوربري گرم آلياژ آلومينيوم معمولاً بلافاصله بعد از فورج انجام مي‎گيرد.

شكل دادن Forming : براي بدست آوردن شكل بعضي از قطعات آلومينيومي بايد تركيبي از فورج و تغيير شكل داغ، گرم يا سرد انجام داد. شكل دادن معمولاً با پرسهاي مكانيكي يا هيدروليكي يا تجهيزات مخصوص در حين عمليات فورج انجام مي‎شود.

اصلاح Repair : يك حالت مياني در فورج آلومينيوم مي‎باشد. معمولاً لازم است كه سطوح قطعات از ناپيوستگيهايي كه در فورج بوجود مي‎آيد اصلاح شود. بنابراين ناپيوستگيها نبايد در فورج نهايي تأثير بگذارد. نياز به اصلاح معمولاً بستگي به پيچيدگي قطعه و قالبهاي ساخته شده براي قطعه دارد. اصلاح آلياژهاي آلومينيوم معمولاً با سوهان دستي،‌ سنگ، ماشينكاري و غيره … انجام مي‎شود.

تميزكاري: قطعات فورج شده آلياژ آلومينيوم را معمولاً بعد از فورج فوراً تميز مي‎شوند. روش استاندارد تميز كردن به منظور زدودن چربي از روي سطح و بدست آوردن رنگ طبيعي آلومينيوم به قرار زير است:

فرو كردن قطعه در محلول جوش شيرين (4 تا 8 درصد) 70 درجه به مدت 5/0 تا 5 دقيقه.
شستن آن در آب گرم 75 درجه به مدت 5/0 تا 5 دقيقه.
معلق كردن قطعه در محلول اسيد نيتريك 10% در دماي 88 درجه.
شستن قطعه در آب گرم.
زمان غوطه وري دو حالت اول، بستگي به مقدار چرك و لكه بر قطعه فورج دارد. همچنين زمان تميزكاري بستگي به شكل قطعه فورج و مراحل مورد استفاده در فورج دارد. بعضي از قطعات قبل از بازرسي نهايي بايد تميز شوند.

عمليات حرارتي: تمام آلياژهاي آلومينيوم به جز آلياژهاي سري 1xxx ، 3 xxx ، 5xxx را مي‎توان به منظور بدست آوردن خواص مكانيكي موردنظر تحت عمليات حرارتي قرار داد.

بازرسي: بازرسي آلياژهاي آلومينيوم به دو صورت انجام مي‎گيرد: در حين عمليات و بازرسي نهايي، بازرسي در حين عمليات به خاطر اطمينان از مراحل فورج و روشهاي بكاررفته در حين كار و مشخص كردن گلوگاه ها انجام مي‎گيرد. بازرسي نهايي، شامل تست خواص مكانيكي مورد لزوم كه توليد قطعه فورج شده را كامل مي‌كند انجام مي‎گيرد. اصولاً بازرسي نهايي آلياژهاي آلومينيوم شامل كنترل ابعادي، آزمايش عمليات حرارتي و تست غيرمخرب مي‎باشد.

بازرسي ابعادي: كليه قعات فورج شده در مرحله نهايي بايستي كنترل ابعادي گردند. در فورج قالب باز، بازرسي ابعاد نهايي شامل اندازه گيري تمام قسمتها يا محلهايي كه بيشتر در قطعه استفاده مي‎شود مي‎باشد. درفورج قالب بسته، مطابقت دادن حفره قالب با نقشه موردنظر (كه عنصر بحراني در كنترل اندازه مي‎باشد) مشخص مي‌كند كه قالبها احتياج به تعويض دارد.

توسعه مواد در فورج آلومينيوم

زياد كردن آلياژهاي آلومينيوم براي فورج از تكنيكهايي مي‎باشد كه امروز در دنيا مطرح مي‎باشد و كار بر روي اقتصادي كردن آن در حال انجام است. پيشرفت آلياژ آلومينيوم شامل متالورژي شمش (I/M) و تكنيكهاي ديگر است و در سه گروه اصلي صورت گرفته است كه بيشتر مخصوص كاربردهاي هوا فضا مي‎باشد.

اين سه گروه بدين ترتيب مي باشند:

آلياژهاي آلومينيوم ليتيوم
آلياژهايي كه توسط متالورژي پودر (P/M) به منظور سرعت دادن در جامد شدن و همچنين دادن خواص مكانيكي لازم تهيه مي گردد.
كامپوزيتهاي آلومينيوم كه توسط روش I/M يا P/M تهيه مي‎شود.
هيچ كدام از سه روش فوق به صورت اقتصادي توليد نمي‎شود ولي مراحل توليد آن پيشرفت كرده كه اين موضوع تأثير زيادي در اقتصادي توليد شدن آن و در دسترس بودن آن داشته است.

آلياژهاي آلومينيوم ليتيوم

كاهش جرم حجمي آلياژهاي آلومينيوم با خواص مكانيكي ثابت به منظور بدست آوردن كشش زياد آلياژ، از اهدافي مي‎باشد كه تأثير بسزايي در كاهش وزن براي كاربردهاي هوافضا مي گذارد.

اضافه كردن ليتيوم به آلومينيوم (بالاي حدود 4%) ، جرم حجمي را بين 1% تا 10% كاهش مي‎دهد و مدول الاستيسيته را افزايش مي‎دهد. استفاده از آلياژهاي آلومينيوم ليتيوم از سال 1950 شروع شد ولي پيشرفت تكنولوژي آن از سال 1980 بود.

آلياژهاي آلومينيوم ليتيوم به راحتي قابل فورج هستند. مقدار تنشي كه در حين كار بر آنها اعمال مي‎شود. اخيراً پيشنهادهايي براي دماي فورج موردنياز مشخص شده است، اگرچه براي آلياژهاي 8090  2091 , 2090 I/M و براي بعضي از آلياژهاي P/M دماي موردنياز مشابه آلياژهاي 2219, 2014 يا 2618 مي‎باشد. براي آلياژهاي ديگر P/M ، دماي موردنياز كمتر از مقادير فوق مي‎باشد. در نهايت براي آلياژ IN 905 Xl ، عمليات حرارتي لازم نمي باشد، چون مقاومت و سختي در هنگام كار بدست مي‎آيد.

داشتن خواص مكانيكي، مخصوصاً كشش زياد و سختي بالا، در چند سال اخير در آلياژهاي آلومينيوم ليتيم با زياد كردن ليتيم (4 تا 8 درصد) زياد شده است. بدست آوردن اين نوع فلز با مشخصات گفته شده در قالبهاي بسته فورج مشكل مي‎باشد، بنابراين بيشتر الياژهاي آلومينيوم ليتيوم را مانند مراحل آلياژ T6xxx گرم مي‌كنند تا خواص مكانيكي لازم را بدست آورند.

سريع جامد شدن، خواص مكانيكي خوب و ديگر مزاياي P/M ، مراتب منحصر به فردي مي باشند كه باعث افزايش كشش، مقاومت در برابر گرما و افزايش مقاوومت در برابر خوردگي فلز را بالا مي‎برد كه در روش I/M نيز بدست نمي آيد.

جدول 4 ليست تركيبات چندين آلياژ با مقاومت بالا را كه با روش P/M توليد شده را نشان مي‎دهد. اين آلياژهاي آلومينيوم داراي كشش بالا، مقاومت در برابر گرما و خوردگي در هنگام فورج مي باشند.

جدول 4- آلياژهاي توليد شده توسط روش متالورژي پودر P/M

تركيبات آلياژهاي آلومينيوم

پيشرفت در پيدا كردن عنصر تركيبي در آلياژهاي آلومينيوم و ساخت شمش آلياژها توسط روش مذاب يا ريخته گري و يا تكنيك P/M ، فصل جديدي در تركيبات آلومينيوم را گشود. در اين آلياژها، مواد تقويتي (براي مثال، سيليكون كاربيد boron carbide يا boron nitride) به طور مجزا به آلياژ اضافه مي‎گردد و تركيباتي كه به صورت غيردائم براي مورد مخصوصي اضافه مي گردند، همگي براي موارد خاصي يا شرايط مخصوصي اضافه مي‎شود.

اين مواد علاوه بر تقويت آلياژهاي آلومينيوم داراي خواص ديگري نيز مي باشند كه باعث افزايش مدول الاستيك و ديناميك، افزايش كشش، كاهش خاصيت شكنندگي، افزايش مقاومت به سايش و افزايش مقاومت به خوردگي مي‎شود.

جدول 5 انواع فلز كامپوزيت كه به صورت جداگانه به آلياژ اضافه مي گردد و در كار فورج مورد مصرف دارد را نشان مي‎دهد. هيچ كدام از اين موادها به تنهايي خاصيتي ندارد و در موقع تركيب شدن با آلياژ، خواص خوبي پيدا مي‌كنند.