Jak prawidłowo poddać obróbce cieplnej stal D2

Stal narzędziowa D2 jest stalą hartowaną na powietrzu o wysokiej zawartości węgla i chromu, charakteryzującą się wyjątkowymi odporność na zużycie, doskonała stabilność wymiarowa podczas hartowania i wysoka odporność na zmiękczanie.

Pomimo trudnej obróbki skrawaniem i spawalności, wynikającej z wysokiej zawartości dodatków stopowych, ten gatunek stali pozostaje szeroko stosowany w formach o długiej żywotności, wykrojnikach i matrycach do formowania na zimno. Obróbka cieplna ma kluczowe znaczenie dla stali D2, ponieważ przekształca jej mikrostrukturę, aby uzyskać wymaganą wysoką twardość, odporność na zużycie i wytrzymałość. Podobnie, istotne jest rozwiązywanie problemów w przypadku stali narzędziowej D2. Nieprawidłowo przeprowadzona obróbka cieplna może spowodować, że stal D2 nie osiągnie wymaganej twardości i odporności na zużycie, co czyni ją nieprzydatną do wymagających zastosowań. Na przykład, stal D2 często zachowuje znaczną ilość austenitu po wstępnym hartowaniu, co może prowadzić do kruchości i niestabilności wymiarowej. Dlatego też, dwu- lub trzykrotne odpuszczanie jest niezbędne, aby przekształcić ten austenit szczątkowy w stabilną, sztywniejszą strukturę martenzytyczną i odciążyć naprężenia wewnętrzne, wydłużając tym samym żywotność narzędzia i zapewniając optymalną wydajność. Cykle podgrzewania wstępnego są również kluczowe dla zapobiegania szokom termicznym i minimalizacji odkształceń.

W tym artykule przedstawiono kompleksowy „przepis” na udaną obróbkę cieplną stali narzędziowej D2, obejmujący najlepsze praktyki dla każdego etapu, środki kontroli jakości oraz skuteczne techniki rozwiązywania typowych problemów, takich jak odkształcenia, pęknięcia oraz problemy z twardością lub mikrostrukturą. Zrozumienie i przestrzeganie tych wytycznych pozwala znacznie wydłużyć żywotność narzędzia i zoptymalizować jego wydajność.

Obróbka cieplna stali D2 zazwyczaj obejmuje trzy podstawowe etapy: nagrzewanie (austenityzację), szybkie chłodzenie (hartowanie) i ponowne nagrzewanie do niższej temperatury (odpuszczanie). Na każdym etapie precyzyjna kontrola czasu i temperatury jest kluczowa dla osiągnięcia pożądanego efektu. Właściwości stali D2 i mikrostruktury.

Konkretne etapy obróbki cieplnej stali narzędziowej D2

1. Przygotowanie i Podgrzewanie wstępne

Stal D2 musi zostać odtłuszczona przed obróbką cieplną, aby zapobiec odbarwieniom spowodowanym przez oleje na powierzchni stali.¹ Umieszczenie stali D2 w kontrolowanej atmosferze neutralnej, próżni lub neutralnym środowisku pieca solnego i owinięcie jej folią ze stali nierdzewnej może zapobiec odwęgleniu podczas obróbki cieplnej. To przygotowanie jest szczególnie ważne w przypadku mniejszych kawałków stali D2.

Po nałożeniu ochrony powierzchniowej należy wykonać podgrzewanie wstępne (nieutwardzone) stali D2 przed formalną obróbką cieplną, zwłaszcza gdy usunięto dużą objętość materiału (ponad 30-50% początkowego bloku). Celem podgrzewania wstępnego jest zmniejszenie ryzyka odkształceń i pęknięć podczas późniejszej obróbki cieplnej.

Kroki podgrzewania wstępnego są następujące: Powoli i równomiernie podgrzej stal D2 do 1200–1250°F (649–677°C). Mocz w tej temperaturze przez 1–2 godziny na cal (25,4 mm) grubości. Następnie powoli ostudź do temperatury pokojowej w piecu.

Najlepiej rozpocząć nagrzewanie stali D2 w zimnym piecu, ponieważ pozwala to na wolniejszy i bardziej równomierny proces nagrzewania. Jeśli piec został już nagrzany do temperatury wstępnego nagrzewania, zalecamy umieszczenie materiału D2 na piecu w celu jego wstępnego nagrzania, co eliminuje skurcz na zimno i zmniejsza szok termiczny, a tym samym minimalizuje pękanie.

2. Austenityzowanie (hartowanie)

To drugi etap obróbki cieplnej. Austenityzowanie przekształca strukturę ferrytyczno-perlityczną w austenit i rozpuszcza dużą część węglików. Stal D2 zależy od rozpuszczania różnych złożonych węglików stopowych podczas austenityzacji, aby rozwinąć swoje właściwości.

Zakres temperatur dla tego etapu wynosi 980–1025°C (1796–1877°F), a czas moczenia wynosi zazwyczaj 45–60 minut na cal (1,8–2,4 minuty/mm) grubości. W przypadku przedmiotów o grubości poniżej 25,4 mm (1 cala) zalecany jest minimalny czas moczenia wynoszący 45–60 minut. Nadmierne namaczanie lub przegrzanie może zniszczyć strukturę molekularną i spowodować kruchość, a niedostateczne namaczanie prowadzi do niewystarczającej twardości.

3. Gaszenie

Po namoczeniu stal jest szybko schładzana do temperatury poniżej temperatury transformacji, co skutkuje twardą strukturą martenzytyczną. Hartowanie jest trzecim krokiem.

Stal D2 to stal narzędziowa hartowana w powietrzu, a hartowanie w powietrzu jest preferowaną metodą hartowania tego typu stali. Hartowanie w powietrzu może znacznie zmniejszyć odkształcenia i zmiany wymiarów. Jednak w przypadku bardzo dużych przekrojów samo chłodzenie w powietrzu może nie zapewnić pełnej twardości; w takich przypadkach można rozważyć hartowanie w oleju lub kąpiele solne z mieszaniem, aby zapewnić odpowiednią transformację.

Jeśli wybrano chłodzenie powietrzem, wyjmij element obrabiany D2 z pieca i pozwól mu naturalnie ostygnąć do około 150°F (66°C). Ważne jest, aby trzymać element szczelnie zamknięty w jego foliowej kopercie, aż całe widoczne czerwone ciepło zniknie, aby zapobiec kontaktowi z atmosferą.

Jeśli konieczne jest prostowanie, należy je wykonać w temperaturze powyżej 400°F (205°C).

4. Leczenie kriogeniczne (opcjonalne, ale zalecane)

Odpuszczanie to krytyczny etap obróbki cieplnej następujący po hartowaniu, mający na celu zmniejszenie kruchości, przekształcenie austenitu szczątkowego i utworzenie węglików w martenzycie, a tym samym optymalizację właściwości stali D2.

Typowe temperatury odpuszczania dla D2 wynoszą około 515°C (960°F) dla pierwszego odpuszczania i 480°C (900°F) dla drugiego. W przypadku stosowania wielu odpuszczań, każde kolejne odpuszczanie powinno być przeprowadzane w nieco niższej temperaturze (np. o 14°C lub 25°F) niż poprzednie, aby zachować pierwotny poziom twardości. Każdy cykl odpuszczania wymaga czasu wygrzewania wynoszącego 2 godziny na cal (25 mm) przekroju. Jest to kluczowe. nie Aby zminimalizować ilość austenitu szczątkowego, należy zawsze pozwolić części ostygnąć do temperatury pokojowej pomiędzy cyklami odpuszczania.

5. Odpuszczanie

Odpuszczanie (lub ciągnienie) to obróbka cieplna stosowana do hartowanych stali w celu zwiększenia wytrzymałości i ciągliwości, zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i uzyskania pożądanych właściwości mechanicznych. Przekształca ona martenzyt w stanie surowym w martenzyt odpuszczony. Martenzyt w stanie surowym jest bardzo twardy, ale jednocześnie kruchy, a bez odpuszczania jest bardzo podatny na pękanie. Odpuszczanie uszlachetnia również strukturę ziarna.

Odpuszczanie należy przeprowadzić natychmiast po hartowaniu, gdy tylko elementy osiągną temperaturę 125–150°F (52–65°C).

Zalecamy podwójne hartowanie dla D2, a nawet potrójne hartowanie, aby poprawić odporność na zużycie i odprężenie. Temperatura pierwszego hartowania wynosi 960°F (515°C), a czas wygrzewania 2 godziny na cal (25 mm) przekroju poprzecznego. Drugie hartowanie musi zostać wykonane, aż temperatura spadnie do temperatury pokojowej po pierwszym hartowaniu. Drugie hartowanie w temperaturze 900°F (480°C) z wygrzewaniem przez 2 godziny na cal przekroju poprzecznego.

Chociaż pojedyncze odpuszczanie w temperaturze 400°F (205°C) może pozwolić na osiągnięcie twardości 62 HRC, zalecamy podwójne odpuszczanie w temperaturze 900°F w celu zwiększenia odporności na zużycie i wyeliminowania naprężeń.

W przypadku hartowanego materiału stalowego D2, po znacznym szlifowaniu, spawaniu lub obróbce elektroerozyjnej (EDM), zalecamy również odpuszczanie w celu odprężenia. Odbywa się to w temperaturze o 25-50°F (14-28°C) niższej od poprzedniej temperatury odpuszczania. ²

Rozwiązywanie problemów z obróbką cieplną D2

1. Niska twardość lub wytrzymałość

Może to być spowodowane niewystarczającą temperaturą austenityzacji lub niewystarczającym czasem wytrzymywania („niedogrzaniem”), co skutkuje niepełną przemianą martenzytyczną.

Zaleca się dostosowanie temperatury austenityzacji oraz zapewnienie odpowiedniego czasu wytrzymywania lub zastosowanie wielu cykli odpuszczania, a także rozważenie obróbki kriogenicznej w celu rozwiązania problemów z austenitem resztkowym.

2. Zniekształcenia i odkształcenia

Główną przyczyną są naprężenia szczątkowe powstające podczas obróbki skrawaniem lub kucia stali D2. Możliwe jest jednak również, że przyczyną problemu była niewystarczająca równomierność nagrzewania przedmiotu obrabianego D2 podczas obróbki cieplnej.

Rozwiązanie polega na zastosowaniu obróbki odprężającej po obróbce zgrubnej i przed hartowaniem, a także zapewnieniu równomiernego nagrzewania elementów D2 podczas obróbki cieplnej. Równomierność nagrzewania można ocenić, obserwując, czy kolor ściany pieca jest zgodny z kolorem przedmiotu obrabianego. Jednolita barwa ściany pieca i przedmiotu obrabianego wskazuje na równomierne nagrzanie elementu D2.

3. Pękanie hartownicze

Zbyt szybkie lub nierównomierne chłodzenie może powodować pękanie, dlatego należy kontrolować tempo chłodzenia. Odprężenie przed hartowaniem w powietrzu również może zmniejszyć ryzyko pękania.

4. Przegrzanie i spalenie

Nadmierna temperatura austenityzacji lub długotrwałe wygrzewanie poza zalecany czas może prowadzić do przegrzania, a nawet do wypalenia stali. Powoduje to zniszczenie lub spalenie struktury molekularnej, powodując kruchość i zgrubienie ziarna.

Należy ściśle przestrzegać zalecanych temperatur austenityzacji i czasu wygrzewania.

5. Odwęglanie i utlenianie

Nagrzewanie stali do wysokich temperatur bez odpowiedniej kontroli atmosfery może prowadzić do utleniania (zgorzeliny) i odwęglenia (utraty węgla z powierzchni). Odwęglenie zmniejsza twardość powierzchni i odporność na zużycie.

Zastosowanie pieców solnych lub pieców z kontrolowaną atmosferą może zapobiec tym problemom lub je zminimalizować. Alternatywnie, owinięcie elementów obrabianych D2 folią ze stali nierdzewnej może zmniejszyć prawdopodobieństwo odwęglenia.

6. Nadmierna ilość austenitu szczątkowego

Wysokie temperatury austenityzacji, szybkie tempo chłodzenia i specyficzne dodatki stopowe mogą powodować powstawanie znacznych ilości austenitu szczątkowego po hartowaniu. Może to prowadzić do niestabilności wymiarowej, ponieważ austenit szczątkowy może spontanicznie przekształcić się w nieodpuszczony martenzyt podczas eksploatacji.

Wielokrotne odpuszczanie pozwala na transformację austenitu szczątkowego i odpuszczanie nowo powstałego martenzytu. Chłodzenie do temperatury pokojowej pomiędzy cyklami odpuszczania jest również kluczowe dla minimalizacji ilości austenitu szczątkowego.

Streszczenie

Podsumowując, powyższy schemat przedstawia standardowy schemat obróbki cieplnej stali D2. W tym procesie należy uwzględnić kilka szczegółów, w tym nierównomierne nagrzewanie, które może prowadzić do odkształceń lub pęknięć. Przegrzanie lub nadmierne wygrzewanie podczas austenityzacji może prowadzić do nadmiernego rozrostu ziarna, co powoduje kruchość stali. Aby uzyskać wyniki obróbki cieplnej stali D2, Twardość stali D2 Sam pomiar nie wystarczy, aby potwierdzić, czy obróbka cieplna jest odpowiednia. Inne wskaźniki wydajności, takie jak wytrzymałość, udarność, odporność na zużycie i właściwości mikrostrukturalne, lepiej odzwierciedlają jakość.

1. ASM Międzynarodowe. (1991). Podręcznik ASM, tom 4: Obróbka cieplna. ASM Międzynarodowe. ↩︎
2. Leed, RM (2007). Rozwiązywanie problemów z produkcją narzędzi i matryc. Stowarzyszenie Inżynierów Produkcji (SME). ↩︎