AISI Stal narzędziowa A2 Stal A2 to hartowana w powietrzu, średniostopowa stal narzędziowa do obróbki na zimno, powszechnie stosowana, oferująca korzystny stosunek odporności na zużycie do udarności. Obecnie jedna z najpopularniejszych stali narzędziowych w Stanach Zjednoczonych, jest powszechnie stosowana w produkcji precyzyjnych narzędzi, takich jak sprawdziany, precyzyjne przyrządy pomiarowe oraz skomplikowane matryce do formowania, wykrawania i ciągnienia. Stal A2 to gatunek hartowany w powietrzu, który można hartować w powietrzu, oferując wysoką hartowność, dzięki czemu nadaje się do obróbki skomplikowanych, precyzyjnych elementów. Zaletą hartowania w powietrzu jest minimalizacja odkształceń materiału i poprawa stabilności wymiarowej podczas krytycznej przemiany austenitu w martenzyt, co zapewnia większe bezpieczeństwo hartowania w porównaniu z gatunkami hartowanymi w wodzie.
Zrozumienie zniekształcenia
Czym jest hartowanie?
Hartowanie to proces obróbki cieplnej mający na celu zwiększenie twardości i wytrzymałości stali. W przypadku stali narzędziowych proces ten zazwyczaj obejmuje trzy etapy: austenityzację (nagrzewanie w celu utworzenia austenitu), hartowanie (szybkie chłodzenie w celu przekształcenia austenitu w martenzyt) oraz odpuszczanie. Głównym celem jest uzyskanie wysokiej twardości, która poprawia odporność na zużycie i skrawalność. Kluczowym warunkiem hartowania jest utworzenie austenitu, który rozpuszcza węgliki i jest fazą wysokotemperaturową. Po szybkim schłodzeniu (hartowaniu) austenit ten przekształca się w martenzyt – drobnoziarnistą, twardą strukturę osnowy stali.
Trzy główne przyczyny zniekształceń
Zniekształcenie odnosi się do nieoczekiwanych lub niespójnych zmian rozmiaru i kształtu, które zachodzą podczas obróbki cieplnej. Jest to złożony problem, na który składają się trzy główne czynniki:
- Naprężenie cieplne: Wynika to z gradientów temperatury powstających podczas nagrzewania lub hartowania. Nierównomierne rozszerzanie lub kurczenie występuje, ponieważ powierzchnia elementu nagrzewa się lub stygnie szybciej niż jego wnętrze, co powoduje naprężenia. Generalnie równomierne chłodzenie stali hartowanych w powietrzu, takich jak A2, pomaga zminimalizować ten problem w porównaniu z gatunkami hartowanymi w cieczy.
- Naprężenia resztkowe po obróbce: Naprężenia te powstają w wyniku obróbki plastycznej na zimno, takiej jak obróbka skrawaniem czy szlifowanie. Te „zablokowane” naprężenia uwalniają się poprzez odkształcenie plastyczne stali po jej nagrzaniu, co powoduje obniżenie jej granicy plastyczności, co może prowadzić do odkształceń, zginania lub skręcania. Aby temu zapobiec, konieczne jest odprężenie po obróbce zgrubnej.
- Geometria części: Konstrukcja elementu ma istotny wpływ na odkształcenia. Cechy takie jak ostre narożniki, nagłe zmiany przekroju i cienkie ścianki utrudniają równomierne nagrzewanie i chłodzenie, zwiększając tym samym ryzyko pęknięć i odkształceń.
Zmiana rozmiaru kontra zmiana kształtu
Odkształcenie objawia się w dwóch głównych formach: zmianie rozmiaru i zmianie kształtu. Zmiana rozmiaru odnosi się do nieodwracalnej zmiany objętości (wzrostu lub skurczu) spowodowanej głównie zmianami struktury krystalicznej i objętości przemiany fazowej. To rozszerzenie występuje, gdy wyżarzana mikrostruktura przekształca się w martenzyt. Zmiany rozmiaru są zazwyczaj przewidywalne dla danego gatunku stali; na przykład stal narzędziowa A2, po schłodzeniu w powietrzu z odpowiedniej temperatury hartowania, powinna rozszerzyć się o około 0,001 cala na cal. Zmiana kształtu, znana również jako deformacja, obejmuje zmiany formy geometrycznej, takie jak zginanie lub skręcanie. Wynika ona głównie z nierównomiernych naprężeń termicznych i transformacyjnych lub relaksacji naprężeń szczątkowych.Stal narzędziowa A2Płyty ze stali narzędziowej A2
5 kroków do zminimalizowania odkształceń stali narzędziowej A2
Krok 1 – Przygotowanie i łagodzenie stresu
Obróbka zgrubna stali A2 powoduje odkształcenia plastyczne i duże odkształcenia powierzchniowe w wyżarzanej mikrostrukturze. Połączenie tych naprężeń z naprężeniami termicznymi i związanymi z przemianami fazowymi podczas późniejszego hartowania może prowadzić do znacznych odkształceń lub pęknięć w materiale A2. Aby wyeliminować te naprężenia, zdecydowanie zaleca się przeprowadzenie obróbki odprężającej pomiędzy obróbką zgrubną a wykańczającą.
Powoli i równomiernie nagrzać niehartowaną stal narzędziową A2 do temperatury 649-677°C (1200-1250°F). Obrabiany przedmiot należy utrzymywać w tej temperaturze przez czas obliczony jako 4,7 minuty na milimetr grubości. Po wygrzaniu należy go powoli schłodzić do temperatury pokojowej w piecu grzewczym.
Krok 2 – Wygrzewanie austenityczne
Proces hartowania rozpoczyna się od Austenityzowanie, gdzie stal jest nagrzewana do postaci austenitu, niezbędnego warunku uzyskania struktury martenzytycznej (utwardzonej). Szybkość nagrzewania musi być starannie kontrolowana; szybkie nagrzewanie może powodować odkształcenia lub pęknięcia z powodu różnic temperatur (gradientów termicznych) powstających między powierzchnią a rdzeniem.
Aby zapewnić równomierny rozkład temperatury i zminimalizować szok termiczny, w przypadku stali narzędziowych zazwyczaj stosuje się podejście dwuetapowe, chociaż stal A2 opiera się głównie na wstępnym podgrzaniu. Po podgrzaniu temperatura jest szybko zwiększana do końcowej temperatury austenityzacji, która w przypadku stali A2 wynosi zazwyczaj 925–980°C (1697–1796°F). Należy pamiętać, że zbyt niska temperatura ogranicza rozpuszczanie węglików i obniża twardość, natomiast zbyt wysoka powoduje nadmierną ilość austenitu szczątkowego, co obniża twardość i stwarza ryzyko pękania. Standardowy czas wygrzewania dla stali A2 wynosi około 1 godziny na cal (25 mm) przekroju, co zapewnia jednorodność bez niepożądanych skutków nadmiernego wygrzewania.
Krok 3 – Hartowanie (utwardzanie na powietrzu)
A2 to stal narzędziowa hartowana w powietrzu. Hartowanie w powietrzu znacznie zmniejsza intensywność odkształceń i szok termiczny, na jakie narażona jest stal, minimalizując w ten sposób odkształcenia i zwiększając odporność na pękanie.
Proces chłodzenia powinien odbywać się w nieruchomym powietrzu, zapewniając odpowiednią przestrzeń dla równomiernego przepływu powietrza. Aby zapobiec odwęgleniu powierzchni, stal A2 można uszczelnić folią ze stali nierdzewnej. Podobnie jak w przypadku wszystkich stali hartowanych w powietrzu, pełna hartowność stali A2 jest ograniczona rozmiarem przekroju; przekroje o średnicy przekraczającej 4 cale (102 mm) zazwyczaj nie osiągają pełnego utwardzenia podczas chłodzenia powietrzem.
W przypadku tak dużych przekrojów alternatywą jest np. Szybkie hartowanie oleju Można zastosować metodę, w której element jest zanurzany wyłącznie w oleju, aż do rozproszenia widocznego czerwonego ciepła (około 1000°F lub 540°C), a następnie schładzany w nieruchomym powietrzu do temperatury 150°F (65°C). Niezależnie od metody hartowania, celem jest schłodzenie elementu do temperatury 150°F (65°C) (ale nie niższej), aby umożliwić przemianę martenzytyczną, a następnie natychmiastowe odpuszczanie.
Krok 4 – temperament „Snap”
Po zahartowaniu stali A2, przedmiot obrabiany należy natychmiast przenieść do pieca do odpuszczania, gdy temperatura osiągnie 65°C (150°F). Przeniesienie musi być szybkie, w przeciwnym razie nowo powstały martenzyt sprawi, że stal stanie się krucha pod wpływem wysokich naprężeń. Jeśli odpuszczanie nie zostanie przeprowadzone szybko, austenit szczątkowy ustabilizuje się w temperaturze pokojowej lub spontanicznie przekształci się w kruchy, nieodpuszczony martenzyt, co doprowadzi do niekontrolowanych zmian wymiarów i pęknięć.
Krok 5 – Ostateczne hartowanie
Odpuszczanie eliminuje naprężenia wewnętrzne, zwiększa wytrzymałość i ciągliwość oraz poprawia stabilność wymiarową poprzez przekształcenie austenitu szczątkowego. W przypadku stali narzędziowej A2, aby uzyskać optymalne właściwości, wymagane są wielokrotne cykle odpuszczania.
Typowa temperatura odpuszczania stali A2 wynosi 205°C (400°F), a czas wygrzewania 2 godziny na każdy cal (25 mm) grubości przekroju. Zalecana temperatura odpuszczania wtórnego stali A2 wynosi 190°C (375°F), czyli o 14°C (25°F) mniej niż początkowa temperatura odpuszczania. Proces ten uszlachetnia strukturę ziarna, zwiększa wytrzymałość i żywotność narzędzia, a także jest szczególnie odpowiedni do części o złożonej geometrii.
Krytyczne protokoły bezpieczeństwa dla obróbki cieplnej stali A2
Środki ochrony indywidualnej (PPE)
Wszystkie operacje związane z roztopionym metalem muszą być wykonywane ze szczególną dbałością o bezpieczeństwo operatora. Wymagany sprzęt ochrony osobistej (PPE) do obróbki cieplnej obejmuje kask, osłonę twarzy (noszoną na okularach ochronnych), izolowane rękawice ochronne oraz ochronne fartuchy lub fartuchy odporne na wysokie temperatury (takie jak aluminiowane lub skórzane). Do ochrony stóp wymagane są stalowe ochraniacze na buty lub wysokie skórzane buty z metalowymi osłonami. Podczas obsługi pieców solnych personel musi nosić osłony, rękawice, fartuchy i okulary ochronne. Powinien on również zostać dokładnie przeszkolony w zakresie postępowania z toksycznymi solami zawierającymi cyjanek. Personel musi również zostać przeszkolony w zakresie bezpiecznej obsługi i konserwacji całego sprzętu.
Bezpieczeństwo pieca i środowiska
Osiągnięcie dobrych właściwości obróbki cieplnej zależy od odpowiedniego doboru pieca i rodzaju utrzymywanej w nim atmosfery. Kontrolowana atmosfera jest niezbędna do ochrony powierzchni stali przed utlenianiem i odwęglaniem. Zaleca się prawidłowe odpowietrzanie pieca i zbiorników płuczących na zewnątrz, aby zabezpieczyć przed oparami i odpryskami oraz zminimalizować korozję w miejscu pracy. W przypadku stosowania gazów egzotermicznych lub endotermicznych do kontroli atmosfery, nie wolno ich wprowadzać, dopóki temperatura w piecu nie osiągnie lub nie przekroczy 760°C (1400°F), aby uniknąć ryzyka wybuchu. Temperatura w piecu musi być równomiernie kontrolowana, a załadunek zrównoważony, aby zminimalizować odkształcenia i naprężenia termiczne. Niezbędne jest również utrzymanie porządku w obszarach roboczych i na drogach bezpieczeństwa.
Bezpieczne obchodzenie się z gorącą stalą
Silnie rozgrzane części, zwłaszcza powyżej temperatury transformacji, stają się śliskie i należy obchodzić się z nimi ze szczególną ostrożnością. Gorące części należy zawsze chwytać długimi szczypcami, a zaleca się posiadanie dwóch par. Szczypce należy ogrzać przed uchwyceniem gorącej części, aby zmniejszyć szok termiczny i naprężenia stali. Podczas zanurzania części i uchwytów podtrzymujących przedmiot obrabiany w kąpieli z roztopionej soli, ich wstępne podgrzanie jest kluczowe, aby usunąć wilgoć i zapobiec rozpryskiwaniu. Ponadto, stopione sole azotanowo-azotynowe nie mogą stykać się z solami azotowymi w stanie stopionym, ponieważ kontakt ten może spowodować wybuch. Podczas prostowania gorącej stali o temperaturze powyżej 205°C (400°F) konieczne jest stosowanie sprzętu ochronnego, ponieważ stal w takich warunkach jest bardzo niestabilna.
Rozwiązywanie problemów: Krótki przewodnik po typowych problemach
Problem 1: Część zdeformowana lub skręcona
Przyczyny: Odkształcenia powstają w wyniku uwolnienia istniejących naprężeń mechanicznych (w wyniku obróbki skrawaniem) lub w wyniku dużych gradientów cieplnych/przekształceniowych.
Rozwiązania: Odpręż element przed hartowaniem, najlepiej w temperaturze 649–677°C (1200–1250°F). Zapewnij równomierne nagrzewanie, podgrzewając go wstępnie do 650°C (1200°F), aby wyrównać temperaturę. Hartowanie w powietrzu stali A2 minimalizuje odkształcenia w porównaniu ze stalami hartowanymi w cieczy.
Problem 2: Część pęknięta
Przyczyny: Pęknięcia powstają w wyniku lokalnych naprężeń przekraczających wytrzymałość materiału, często inicjowanych przez wady konstrukcyjne, takie jak ostre narożniki lub otwory. Przegrzanie podczas austenityzacji prowadzi do powstawania grubych ziaren, kruchości i zwiększonej podatności27….
Rozwiązania: Odpuszczać natychmiast po hartowaniu do temperatury 65°C (150°F), aby uwolnić wysokie naprężenia szczątkowe i zapobiec opóźnionym pęknięciom. Unikać ostrych narożników i gwałtownych zmian przekroju w projekcie.
Problem 3: Twardość jest zbyt niska
Przyczyny: Niska twardość może być spowodowana odwęglaniem powierzchni lub niewystarczającym czasem moczenia. Ponadto, jeśli temperatura austenityzacji jest zbyt wysoka, powstaje nadmierna ilość austenitu szczątkowego.
Rozwiązania: Ponieważ A2 jest podatny na odwęglenie, należy zabezpieczyć powierzchnię folią lub atmosferą kontrolowaną, aby zapobiec temu problemowi. Podwójne odpuszczanie (200°C, a następnie 190°C) jest kluczowe dla przekształcenia austenitu szczątkowego w świeży martenzyt, zwiększając tym samym ostateczną twardość i stabilność narzędzia.
Jeśli masz jakiekolwiek pytania dotyczące stali narzędziowej A2 lub chcesz ją kupić, skontaktuj się z nami. Nasza firma, AoboSteel, posiada ponad 20-letnie doświadczenie w kuciu stali narzędziowej, dogłębną wiedzę na temat stali narzędziowej i bogate doświadczenie w zakresie praktycznych zastosowań.
