Kompleksowy przewodnik po obróbce cieplnej stali narzędziowej O1

Szacowany czas czytania: 11 minut

Stal narzędziowa O1 Stal O1 jest materiałem podstawowym do obróbki plastycznej na zimno, szeroko stosowanym w produkcji różnych form i narzędzi. Oznaczenie “O” wskazuje, że jest to stal hartowana w oleju. Wyjątkowy potencjał stali O1 można w pełni wykorzystać jedynie poprzez obróbkę cieplną. Ostateczna wydajność i żywotność narzędzia zależą wyłącznie od precyzji wykonania. obróbka cieplna Proces. Jeśli kontrola procesu jest niewystarczająca, właściwości materiału ulegną znacznemu pogorszeniu.

Aby uzyskać optymalne właściwości mechaniczne, proces obróbki cieplnej O1 musi ściśle spełniać cztery następujące po sobie krytyczne kroki:

1. Podgrzewanie wstępne:Przygotowuje materiał do późniejszego nagrzewania w wysokiej temperaturze i zmniejsza naprężenia cieplne.
2. Austenityzowanie:Ogrzewanie powyżej temperatury krytycznej w celu wywołania przemiany w wewnętrznej strukturze stali.
3. Gaszenie:Zwykle szybkie chłodzenie w oleju w celu uzyskania wysokiej twardości.
4. Odpuszczanie:Podgrzanie do niższej temperatury w celu dostosowania twardości, wyeliminowania kruchości i zwiększenia wytrzymałości.

Celem całego procesu jest osiągnięcie idealnego stanu równowagi dla stali narzędziowej O1 poprzez precyzyjną kontrolę parametrów, takich jak czas nagrzewania, temperatura i czynnik chłodzący. Ta równowaga zapewnia stali wysoką twardość, odporność na zużycie i wystarczającą wytrzymałość, aby sprostać wymaganiom pracy w trudnych warunkach w niskich temperaturach.

Zrozumienie stali narzędziowej O1: klasyfikacja, skład i właściwości rdzenia

Stal narzędziowa O1 (numer UNS T31501) należy do rodziny stali narzędziowych do obróbki na zimno, hartowanych w oleju. Jest znana w branży jako stal “robocza” lub “ogólnego przeznaczenia”, łatwo dostępna i stosunkowo niedroga.

Skład chemiczny i jego wpływ na wydajność

Idealne parametry stali O1 wynikają z precyzyjnego połączenia wysokiej zawartości węgla i umiarkowanej zawartości pierwiastków stopowych.

• Węgiel (C) – 0,85% do 1,00%: Jest to podstawowy składnik stali O1. Tak wysoka zawartość węgla stanowi podstawę jej zdolności do tworzenia struktury martenzytycznej o wysokiej twardości po hartowaniu.
• Mangan (Mn) – 1,00% do 1,40%: Mangan odgrywa kluczową rolę. Skutecznie stabilizuje fazę austenitu i obniża krytyczną temperaturę przemiany (A1). Dzięki temu stal O1 może być hartowana poprzez hartowanie w stosunkowo niskich temperaturach.
• Wolfram (W) i chrom (Cr) – od 0,40% do 0,60% każdy: Pierwiastki te są wykorzystywane głównie w celu zwiększenia trwałości. Wolfram (W) przyczynia się do wysokiej odporności stali na ścieranie i ostrych krawędzi skrawających. Chrom (Cr) znacznie zwiększa również hartowność i odporność na zużycie.
• Wanad (V) – zwykle do 0,30%: Służy jako dodatkowy pierwiastek stopowy.

Typowe zastosowania

Stal O1 wykazuje doskonałą odporność na zużycie w normalnych temperaturach, co sprawia, że doskonale nadaje się do produkcji różnorodnych matryc i elementów do pracy na zimno, w tym: wykrojników, wykrojników, ciągadeł, matryc formujących, sprawdzianów, torów maszynowych, form do tworzyw sztucznych, ostrzy nożycowych i matryc do przycinania.

Pomimo szerokiego zakresu zastosowań, O1 ma dwa główne ograniczenia, których należy ściśle przestrzegać:

1. Stal O1 charakteryzuje się wyjątkowo niską odpornością na mięknięcie w podwyższonych temperaturach. Po nagrzaniu narzędzia podczas pracy z powodu tarcia lub innych czynników, szybko traci twardość. Jej zastosowanie jest ściśle ograniczone do środowisk o niskiej temperaturze (temperatury pokojowej). Brakuje jej “czerwonej twardości”.”
2. Stal O1 jest podatna na odwęglenie i pękanie podczas obróbki cieplnej, dlatego wymaga ścisłej kontroli procesu obróbki cieplnej.

Cztery kroki prawidłowej obróbki cieplnej stali narzędziowej O1

Ostateczna wydajność i żywotność narzędzi i matryc zależą wyłącznie od precyzji procesu obróbki cieplnej. Właściwości stali O1 muszą zostać osiągnięte poprzez ściśle kontrolowaną formułę obejmującą cztery podstawowe etapy: podgrzewanie wstępne, austenityzacja, hartowanie i odpuszczanie.

Faza 1: Podgrzewanie wstępne stali narzędziowej O1

Jego celem jest bezpieczne podniesienie temperatury przedmiotu obrabianego w celu przygotowania do kolejnego etapu austenityzacji wysokotemperaturowej. Temperatura wstępnego nagrzewania wynosi 1200°F (650°C), a przedmiot obrabiany jest wygrzewany przez 10 do 15 minut lub do momentu równomiernego nagrzania całego przekroju.

Cztery kluczowe funkcje podgrzewania wstępnego:

1. Zmniejsza szok termiczny: Umieszczenie zimnego przedmiotu obrabianego bezpośrednio w piecu wysokotemperaturowym powoduje silny szok termiczny. Podgrzewanie wstępne znacznie zmniejsza ryzyko nadmiernych odkształceń lub pęknięć.
2. Odprężanie: Podgrzewanie wstępne pomaga uwolnić naprężenia wewnętrzne powstające podczas obróbki skrawaniem lub formowania.
3. Wstępne przygotowanie mikrostruktury: Ten etap ma na celu wstępną regulację wewnętrznej struktury stali, dzięki czemu łatwiej będzie ją przekształcić w martenzyt podczas kolejnych etapów hartowania.
4. Minimalizuje efekty powierzchniowe: W piecach z atmosferą różną od neutralnej, podgrzewanie wstępne pomaga zmniejszyć stopień odwęglenia lub nawęglania zachodzącego na powierzchni przedmiotu obrabianego.

Należy bezwzględnie unikać długotrwałego wygrzewania! Stal O1 nie powinna być moczona zbyt długo w temperaturze wstępnego nagrzania 1200°F (650°C), ponieważ zaburzy to jej strukturę molekularną i negatywnie wpłynie na jej końcowe właściwości.

Mała wskazówka: Umieszczając przedmiot obrabiany w piecu rozgrzanym do 650°C, zaleca się najpierw umieścić go na chwilę w górnej części pieca, aby usunąć ewentualne schłodzenie. Stanowi to dodatkowe zabezpieczenie, które dodatkowo zmniejsza ryzyko szoku termicznego.

Faza 2: Austenityzowanie (hartowanie)

To druga główna operacja obróbki cieplnej. Stal jest podgrzewana do określonej temperatury, aby przekształcić jej strukturę wewnętrzną w jednolity austenit i rozpuścić węgliki w roztworze stałym.

Zalecana temperatura austenityzacji dla O1 wynosi 1500°F (815°C), a jej ogólny zakres wynosi od 760°C (1400°F) do 870°C (1600°F). Czas wygrzewania wynosi dodatkowe 5 minut na każdy cal minimalnej grubości przekroju. Na przykład, jeśli najcieńszy odcinek przedmiotu obrabianego ma 2 cale (5 cm), czas wygrzewania wynosi 10 minut. Niewystarczający czas wygrzewania powoduje niewystarczające rozpuszczenie pierwiastków stopowych, co prowadzi do nierównomiernego utwardzenia. W przypadku przedmiotów obrabianych o grubości powyżej 25 mm (1 cal), czas wygrzewania należy proporcjonalnie wydłużyć.

Kontrola temperatury ma kluczowe znaczenie. Zbyt wysoka temperatura powoduje nadmierne rozpuszczenie węglików stopowych. Prowadzi to do nadmiernej zawartości węgla w austenicie, obniżając tym samym temperaturę początku przemiany martenzytycznej (Ms) i ostatecznie zwiększając ilość austenitu szczątkowego po hartowaniu. Austenit szczątkowy obniża twardość i stabilność wymiarową stali. Zbyt niska temperatura może spowodować, że obrabiany element nie utwardzi się całkowicie, co może prowadzić do pęknięć.

Faza 3: Hartowanie — zapotrzebowanie na olej

Aby uzyskać wymaganą twardość i głębokość hartowania, jako medium hartownicze należy użyć oleju. Temperatura oleju hartowniczego nie może spaść poniżej 80°C (176°F), a olej należy energicznie mieszać, aby zapewnić równomierne przenoszenie ciepła do przedmiotu obrabianego. Przedmiot obrabiany należy schłodzić w oleju, aż jego temperatura osiągnie zakres od 52°C do 65°C (125-150°F), po czym należy go wyjąć z oleju. Gdy przedmiot obrabiany osiągnie temperaturę od 52°C do 65°C, należy go natychmiast przenieść do pieca do odpuszczania. Stal w stanie surowym osiąga wyjątkowo wysoką twardość (zwykle 64-65 HRC), ale jest również silnie naprężona i krucha. Opóźnione odpuszczanie sprawia, że stal jest bardzo podatna na pękanie hartownicze. Jeśli natychmiastowe odpuszczanie jest nieuniknione, zaleca się utrzymywanie stali w temperaturze od 50°C do 100°C w oczekiwaniu na odpuszczanie.

Dodatkowym punktem technicznym jest to, że Hartowanie stali (przemiana martenzytyczna) zachodzi w temperaturach poniżej około 205°C (400°F). Chociaż temperatura przedmiotu obrabianego utrzymuje się powyżej 205°C, jest on nadal stosunkowo miękki i na tym etapie możliwe jest wykonanie drobnych operacji prostowania.

Faza 4: Odpuszczanie stali narzędziowej O1

Odpuszczanie to ostatni etap obróbki cieplnej stali narzędziowej O1 po hartowaniu. Hartowanie nadaje stali ekstremalną twardość, ale jednocześnie pozostawia ją w niebezpiecznym stanie wysokich naprężeń i kruchości. Głównym celem odpuszczania jest wyeliminowanie tych krytycznych naprężeń wewnętrznych, przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości i ciągliwości stali oraz zapewnieniu końcowej stabilności wymiarowej. Podczas procesu odpuszczania stali O1 twardość stale spada wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania.

Najczęściej stosowany zakres temperatur odpuszczania dla stali O1 wynosi 149–232°C (300–450°F). Odpuszczanie w tym niższym zakresie temperatur pozwala stali O1 znacznie zwiększyć wytrzymałość przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokiej twardości, zazwyczaj sięgającej 62–63 HRC. Najczęściej wybieraną temperaturą jest 175°C (350°F). Czas wygrzewania musi być wystarczający, aby zapewnić całkowite wniknięcie ciepła. Na każdy cal (25 mm) grubości przekroju poprzecznego wymagane jest 2-godzinne wygrzewanie w temperaturze odpuszczania. Należy bezwzględnie unikać niedogrzania. Po wygrzaniu zaleca się powolne chłodzenie przedmiotu obrabianego w nieruchomym powietrzu, aby zminimalizować powstawanie nowych naprężeń szczątkowych podczas chłodzenia.

Stal narzędziowa O1 zazwyczaj wymaga tylko jednego odpuszczania. Jednak aby zmaksymalizować właściwości metalurgiczne – takie jak rozdrobnienie ziarna, zwiększenie odporności na zużycie lub uzyskanie lepszego odprężenia – czasami preferowane jest dwukrotne odpuszczanie. To wtórne odpuszczanie można przeprowadzić w nieco niższej lub zasadniczo tej samej temperaturze, aby zapewnić całkowitą przemianę mikrostrukturalną i poprawić stabilność mikrostrukturalną.

Wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania, twardość i wytrzymałość stali w temperaturze pokojowej generalnie maleją, podczas gdy ciągliwość rośnie. W przypadku stali narzędziowej O1 typowe wartości twardości po odpuszczaniu wynoszą¹:

Charakterystyka wydajności i zapobieganie awariom

Musimy zachować czujność w obliczu ryzyka potencjalnych awarii stali narzędziowej O1, które mogą być spowodowane niewłaściwymi procedurami obróbki cieplnej, wadami materiału lub nierozsądną konstrukcją narzędzia.

Twardość i właściwości mechaniczne

Stal O1 charakteryzuje się zazwyczaj twardością roboczą w zakresie 56-62 HRC. Pomimo wysokiej twardości, stal O1 charakteryzuje się lepszymi właściwościami mechanicznymi, szczególnie w porównaniu z Stal narzędziowa D2:

1. Wyższa granica plastyczności: W próbie rozciągania stal O1 osiąga granicę plastyczności wynoszącą 829 MPa, co znacznie przewyższa stal D2, która osiąga 411 MPa.
2. Dobra ciągliwość: O1 wykazuje “wyraźne przewężenie” (zmniejszenie pola przekroju poprzecznego o 19,71 TP3T) przed pęknięciem. To przewężenie wyraźnie wskazuje na dobrą ciągliwość i wytrzymałość materiału. Natomiast D2 praktycznie nie wykazuje przewężenia, a jego powierzchnia zmniejsza się jedynie o 1,31 TP3T, co świadczy o jego kruchości.

Spośród stali serii O, stal O1 charakteryzuje się najwyższą udarnością w typowym zakresie twardości roboczej od 57 do 64 HRC.

Kontrola zniekształceń i stabilności wymiarowej

Stal narzędziowa O1 charakteryzuje się umiarkowanym ryzykiem odkształcenia podczas obróbki cieplnej. Natomiast stal hartowana w wodzie charakteryzuje się wysokim ryzykiem odkształcenia, podczas gdy stal hartowana w powietrzu charakteryzuje się mniejszym ryzykiem. Hartowanie w oleju, a nie w wodzie, jest kluczowym czynnikiem minimalizującym ryzyko odkształcenia stali O1.

Odkształcenia podczas obróbki cieplnej są spowodowane głównie naprężeniami cieplnymi i naprężeniami związanymi z przemianą fazową. W przypadku stali O1 hartowanej w oleju w odpowiedniej temperaturze obróbki cieplnej, oczekiwany wzrost wymiarów wynosi około 0,0015 cala na cal (0,0015 milimetra na milimetr). Na przykład, 100-milimetrowy kawałek stali O1 zwiększy swój rozmiar o około 0,15 milimetra po obróbce cieplnej, co jest oczekiwaną wartością zmiany.

Aby zminimalizować ryzyko odkształceń i pęknięć stali O1 podczas obróbki cieplnej, należy podjąć następujące środki ostrożności:

1. Przed formalnym hartowaniem w wysokiej temperaturze należy zastosować odpowiedni cykl podgrzewania wstępnego, aby skutecznie wyeliminować naprężenia wewnętrzne, które mogły powstać w trakcie obróbki.
2. W fazie projektowania projektanci muszą ściśle przestrzegać unikać włączenie do obrabianego przedmiotu następujących cech, gdyż działają one jako punkty koncentracji naprężeń, które znacznie zwiększają prawdopodobieństwo pęknięć hartowniczych i odkształceń:
   • Ostre krawędzie i rogi.
   • Bliskie sąsiedztwo przekrojów grubych i cienkich.
   • Ślady stemplowania.
   • Nieprawidłowo rozmieszczone otwory.
3. W przypadku przedmiotów obrabianych poddawanych intensywnej obróbce skrawaniem po obróbce cieplnej, takiej jak szlifowanie precyzyjne lub elektroerozyjne, zdecydowanie zaleca się późniejsze “odpuszczanie odprężające”. Wynika to z faktu, że te kolejne procesy ponownie wprowadzają nowe naprężenia w powierzchnię utwardzonego materiału. Temperatura odpuszczania odprężającego powinna być o 14–28°C (25–50°F) niższa niż temperatura końcowego (głównego) odpuszczania, aby skutecznie odpuszczać nowo wprowadzone naprężenia bez znaczącego obniżenia twardości.

Unikanie odwęglenia i pękania

Aby zapewnić całkowite bezpieczeństwo podczas obróbki w wysokiej temperaturze, należy zapobiegać odwęgleniu i unikać “nieodpuszczonego martenzytu”.

Odwęglenie odnosi się do utraty węgla powierzchniowego ze stali w podwyższonych temperaturach. Powoduje to utworzenie “miękkiej warstwy” na powierzchni przedmiotu obrabianego, co zwiększa podatność narzędzi na szybkie zużycie podczas obróbki. Chociaż stal O1 jest ogólnie uważana za wysoce odporną na odwęglenie, to ze względów bezpieczeństwa procesy wyżarzania lub hartowania (utwardzania) powinny być przeprowadzane w kontrolowanej atmosferze obojętnej, na przykład w piecach próżniowych, piecach z atmosferą ochronną lub piecach z kąpielą solną.

Świeżo zahartowany lub nieodpuszczony martenzyt jest bardzo kruchy. Struktura ta powstaje w wyniku przemiany austenitu szczątkowego podczas chłodzenia. Odpuszczanie stabilizuje mikrostrukturę i znacząco zmniejsza kruchość.

Powiązane linki

• Stal narzędziowa O1 | 1.2510 | SKS3
• Stal narzędziowa O1 a D2: jakie są różnice?
• Stal narzędziowa O1: solidny wybór do produkcji noży?
• Stal narzędziowa A2 czy O1: Która z nich najlepiej odpowiada potrzebom Twojej fabryki?
• Twardość stali O1

1. Leed, RM (Rok wydania). ROZWIĄZYWANIE PROBLEMÓW W PRODUKCJI NARZĘDZI I WYKONAWCÓW (str. 244). Stowarzyszenie Inżynierów Produkcji. ↩︎