Stal narzędziowa D2 | 1.2379 | SKD11

3. Obróbka cieplna stali D2

Jak opisuje William E. Bryson w swojej książce Obróbka cieplna, dobór i zastosowanie stali narzędziowych, ten obróbka cieplna Stal narzędziowa D2 jest często porównywana do gotowania, gdzie precyzyjna kontrola czasu i temperatury jest kluczowa, aby uniknąć niedogotowania (prowadzącego do braku twardości) lub przegotowania (niszczącego strukturę molekularną i powodującego kruchość). Poniższe kroki opisują proces.

3.1 Przygotowanie materiału i podgrzewanie wstępne

Przed obróbką cieplną materiał należy dokładnie oczyścić odtłuszczony i najlepiej owinięte folią ze stali nierdzewnej aby chronić jej powierzchnię. Ze względu na wysoką zawartość chromu i niską przewodność cieplną tej stali, należy ją powoli i równomiernie podgrzewać do docelowej temperatury, aby zminimalizować ryzyko pęknięć podczas nagrzewania. Docelowa temperatura wynosi 1200°F (650°C), a czas nagrzewania wynosi 10 do 15 minut.

Celem całego procesu podgrzewania wstępnego jest zapewnienie równomiernego rozprowadzenia ciepła w całym materiale, co pozwala na uwolnienie naprężeń wewnętrznych zanim materiał stanie się zbyt miękki i wzrośnie jego plastyczność, zapobiegając w ten sposób odkształceniom.

3.2 Austenityzowanie (Hartowanie)

To drugi etap obróbki cieplnej, podczas którego struktura materiału zmienia się z ferrytu-perlitu na austenit, a różne złożone węgliki stopowe ulegają rozpuszczeniu. Temperatura nagrzewania dla tego etapu wynosi 1850°F (1010°C), z czasem namaczania 1 godzina na 1 cal (25 mm) przekroju poprzecznego. Ten czas namaczania zapewnia, że proces austenityzacji przebiega równomiernie. Należy jednak pamiętać, że zbyt długi czas moczenia, nawet trwający kilka minut, może mieć negatywny wpływ na stal.

3.3 Gaszenie

Stal narzędziowa D2 jest stalą hartowaną na powietrzu, której zaletą jest minimalizacja odkształceń i zmian wymiarów podczas formowania. martenzytProces obejmuje następujące kroki: Po namoczeniumateriał jest szybko schładzany do temperatury około 150°F (65°C). Podczas tego procesu, gdy temperatura osiągnie 1050°F (565°C) i zanim materiał przekształci się w utwardzoną strukturę 400°F (205°C), przedmiot obrabiany można wyjąć z opakowania foliowego i umieścić na kratce chłodzącej. Należy zachować ostrożność, aby nie kłaść materiału bezpośrednio na zimnej powierzchni stołu, ponieważ może to powodować lokalne wahania temperatury i prowadzić do odkształceń. Z perspektywy mikrostrukturalnej proces ten przekształca wewnętrzną strukturę stali w drobniejszy martenzyt, nadając D2 doskonałą odporność na zużycie.

Po odpowiednim hartowaniu materiał nadal zawiera pewną ilość „resztkowego austenitu”, przy czym optymalna zawartość martenzytu mieści się w zakresie od 95% do 96%.

3.4 Odpuszczanie

Odpuszczanie poprawia wytrzymałość stali, zmniejsza naprężenia wewnętrzne i zapewnia wtórne hartowanie. Odpuszczanie musi być wykonane natychmiast, gdy temperatura materiału spadnie do 125°F do 150°F (52°C do 65°C).

Jeśli D2 jest tylko zahartowany raz, temperatura odpuszczania wynosi 400°F (205°C) aby uzyskać twardość Rockwella 62HRC.

Zalecamy użycie proces hartowania wtórnego dla D2, co może poprawić jego odporność na zużycie wg 20-30%.

W procesie hartowania wtórnego pierwsza temperatura odpuszczania wynosi 960°F (515°C) przez 2 godziny na cal (25 mm) przekroju poprzecznego. Przed drugim odpuszczaniem, tj. w okresie między pierwszym a drugim odpuszczaniem, materiał musi zostać pozostawiony do ostygnięcia do temperatury pokojowej przed drugim odpuszczaniem. Okres ten może trwać kilka godzin. Może również potrwać kilka dni, ale kluczową kwestią jest to, że drugie odpuszczanie musi NIE zaczyna się od 150°F (65°C), co jest zupełnie inną temperaturą niż wspomniane wcześniej pojedyncze hartowanie. druga temperatura odpuszczania wynosi 900°F (480°C) przez 2 godziny na cal przekroju poprzecznegoDrugie hartowanie pozwala uzyskać twardość Rockwella wynoszącą 58 HRC.

Podczas gdy D2 ma słaba twardość wtórnaodpuszczanie w wyższych temperaturach (np. ~550°C/1020°F) można stosować w celu uzyskania twardości 60 HRC, poprawiając w ten sposób stabilność podczas azotowanie lub inne metody hartowania powierzchni. Może to jednak prowadzić do zwiększonego austenitu szczątkowego i wzrostu ziarna, potencjalnie zmniejszając wytrzymałość i powodując niestabilność mikrostrukturalną.

3.5  Obróbka kriogeniczna/w temperaturze poniżej zera (opcjonalnie)

Proces ten ma na celu wyeliminowanie lub zmniejszenie austenitu resztkowego i zwiększenie stabilności wymiarowej materiału. Ponieważ stal narzędziowa D2 może zachować znaczną ilość austenitu (do 20%) po standardowej obróbce cieplnej, może to prowadzić do niestabilności wymiarowej, ponieważ austenit resztkowy spontanicznie przekształca się w nieodpuszczony martenzyt z czasem w temperaturze pokojowej.

Proces ten obejmuje następujące kroki: Po zabiegu łagodzącym stres (ok. 150°C) materiał jest schładzany do ekstremalnie niskiej temperatury (ok. -300°F/-184°C), zbliżając się do lub poniżej końcowej temperatury Mf. Dalsze odpuszczanie jest nadal wymagane, aby zapobiec kruchości spowodowanej przez nowo powstały świeży martenzyt.

Proces ten tworzy bardziej zwartą strukturę molekularną w materiale (zmniejszając tarcie, ciepło i zużycie), redukuje naprężenia szczątkowe oraz zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość i stabilność wymiarową, co znacznie poprawia wydajność materiału.

[Źródła: Reardon, AC (red.). (2011). Metalurgia dla niemetalurgów (wydanie 2, str. 231). ASM International. ]

3.6 Potencjalne problemy

1. Pozostały austenit może powodować niestabilność wymiarową materiałów, zwłaszcza w wyższych temperaturach austenityzacji. Aby zarządzać tym procesem, stosuje się kontrolowane hartowanie, precyzyjne czasy utrzymywania oraz podwójne i potrójne odpuszczanie.
2. Czynniki takie jak nierównomierne nagrzewanie i chłodzenie, przemiany fazowe (zwłaszcza tworzenie martenzytu) i naprężenia szczątkowe podczas obróbki cieplnej mogą powodować odkształcenia i pęknięcia w materiałach. Dlatego ważne jest zapewnienie powolnego i równomiernego nagrzewania, odpowiednich mediów hartowniczych i obróbki odprężającej.
3. Stal D2 jest podatna na odwęglenie. Zalecamy ogrzewanie materiałów D2 w kontrolowanej atmosferze neutralnej, próżni lub neutralnym środowisku pieca solnego, aby zapobiec odwęgleniu.