Opanowanie obróbki cieplnej stali narzędziowej S7: kompleksowy przewodnik po osiąganiu maksymalnej wydajności

Szacowany czas czytania: 10 minut

Stal narzędziowa S7 to stal narzędziowa odporna na uderzenia. Jej największą zaletą jest wyjątkowa odporność na uderzenia. Cechą charakterystyczną stali S7 jest jej zdolność do “hartowania w powietrzu”. Po obróbce cieplnej można ją hartować poprzez naturalne chłodzenie w powietrzu, bez konieczności zanurzania w oleju lub wodzie. Stal S7 charakteryzuje się doskonałą stabilnością wymiarową podczas obróbki, zapobiegając odkształceniom i pęknięciom.

Jednak wrodzona, wyższa jakość stali S7 to zaledwie fundament. Aby w pełni wykorzystać jej optymalne właściwości, proces obróbki cieplnej jest kluczowym etapem. Tak jak wysokiej jakości składniki wymagają mistrzowskiego gotowania, aby stać się przysmakiem, tak stal S7 musi zostać poddana odpowiedniej obróbce cieplnej, aby przekształcić swoją wewnętrzną mikrostrukturę. Proces ten zapewnia wysoką twardość, wysoką wytrzymałość i doskonałą odporność na zużycie, których potrzebujemy.

Nieprawidłowo przeprowadzona obróbka cieplna może znacząco pogorszyć parametry nawet narzędzi wykonanych z najwyższej jakości stali S7. Proces obróbki cieplnej stali S7 obejmuje podgrzewanie wstępne, austenityzację, hartowanie i wielokrotne odpuszczanie.

Zrozumienie stali narzędziowej S7: skład chemiczny i podstawowe właściwości

Wyjątkowe właściwości stali narzędziowej S7 wynikają z jej składu chemicznego, w szczególności dodatku chromu (Cr) i molibdenu (Mo), które zapewniają jej znakomitą obrabialność i właściwości mechaniczne.

Dokładniej rzecz ujmując, jego skład chemiczny przedstawia się następująco:

• 0,50% Węgiel (C): Ta średnia zawartość węgla jest kluczowa dla uzyskania wysokiej wytrzymałości stali S7.
• 3.25% Chrom (Cr): Chrom znacznie zwiększa hartowność stali (zdolność do utwardzania się podczas obróbki cieplnej) oraz odporność na zużycie.
• 1.40% Molibden (Mo): Molibden to główny składnik zapewniający stali S7 zachowanie twardości (tj. doskonałej “twardości cieplnej”) w środowiskach o wysokiej temperaturze.
• 0,25% krzemu (Si): Jako charakterystyczny pierwiastek stali udarowych serii S, krzem jest stosowany głównie w celu zwiększenia wytrzymałości.

To właśnie takie połączenie elementów sprawia, że stal S7 zyskuje szereg kluczowych zalet:

Po pierwsze, stal narzędziowa S7 charakteryzuje się najwyższą odpornością na uderzenia wśród wszystkich stali narzędziowych, co czyni ją wyjątkowo wszechstronną w zastosowaniach od matryc do pracy na zimno i matryc do formowania tworzyw sztucznych po matryce do pracy na gorąco o średniej wytrzymałości.

Po drugie, stal S7 charakteryzuje się wyjątkową stabilnością i bezpieczeństwem podczas hartowania w procesie obróbki cieplnej. W porównaniu ze stalami wymagającymi hartowania w oleju lub wodzie, stal S7 jest mniej podatna na pękanie i odkształcenia wymiarowe podczas obróbki cieplnej.

Ponadto stal S7 charakteryzuje się doskonałą obrabialnością skrawaniem. Co ważniejsze, zachowuje minimalną utratę twardości nawet w temperaturach roboczych sięgających 1000°F (około 540°C), co czyni ją w pełni odpowiednią do obróbki cieplnej w średnich temperaturach.

Protokół obróbki cieplnej krok po kroku dla S7

Ostateczny proces hartowania stali narzędziowej S7 zwykle obejmuje cztery podstawowe etapy: podgrzewanie wstępne, austenityzacja, hartowanie i odpuszczanie.

Przygotowanie i wyżarzanie

Przed formalną obróbką cieplną stal S7 jest zazwyczaj dostarczana w stanie wyżarzonym. Celem wyżarzania jest zmiękczenie stali, co czyni ją bardziej podatną na obróbkę skrawaniem. Stal S7 należy podgrzać do temperatury 843°C (1550°F) i wygrzewać przez odpowiedni czas, w zależności od grubości materiału. Na przykład, wygrzewać przez 1,5 godziny na każdy cal grubości lub 3,5 minuty na każdy milimetr grubości. Po wygrzewaniu stal musi być schładzana w piecu z szybkością 14°C/25°F na godzinę do temperatury 482°C (900°F). Po osiągnięciu tej temperatury, stal należy wyjąć z pieca i pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej na powietrzu. Stal S7 poddana temu pełnemu procesowi wyżarzania nie przekroczy maksymalnej twardości 230 HB (twardość Brinella), w której to temperaturze stal jest w stanie najmiększym, najbardziej odpowiednim do obróbki skrawaniem.

Po zgrubnym frezowaniu i toczeniu stali S7 zdecydowanie zaleca się obróbkę odprężającą. Celem jest wyeliminowanie naprężeń nagromadzonych w materiale podczas obróbki skrawaniem, zapobiegając w ten sposób nieoczekiwanym odkształceniom lub pęknięciom przedmiotu obrabianego podczas późniejszego hartowania w wysokiej temperaturze.

W przypadku nieutwardzonego materiału S7 proces odprężania obejmuje: powolne podgrzanie przedmiotu obrabianego do temperatury 677°C (1250°F), wygrzewanie w temperaturze zależnej od grubości, a następnie powolne schłodzenie do temperatury pokojowej. Czas wygrzewania wynosi 2 godziny na cal grubości lub 4,7 minuty na milimetr grubości.

Podgrzewanie wstępne

Po zakończeniu czynności przygotowawczych, takich jak wyżarzanie i odprężanie, proces hartowania stali S7 formalnie wkracza w fazę podgrzewania wstępnego. 

Spełnia ona dwa główne cele: po pierwsze, pomaga uwolnić resztkowe naprężenia wewnętrzne w obrabianym przedmiocie po procesie produkcji lub obróbki; po drugie, wstępnie reguluje strukturę molekularną stali, przygotowując ją do fazy austenityzacji. Stal S7 należy podgrzać do temperatury 650°C (1200°F) i po upewnieniu się, że cały obrabiany przedmiot – od powierzchni do rdzenia – równomiernie osiągnął tę temperaturę, należy ją wygrzać przez 10 do 15 minut. Należy unikać długotrwałego wygrzewania w temperaturze 650°C (1200°F), ponieważ może to destabilizować strukturę molekularną stali i niekorzystnie wpłynąć na końcowy efekt obróbki cieplnej.

Austenityzowanie

Po zakończeniu procesu podgrzewania wstępnego, obróbka cieplna stali S7 wkracza w trzeci krytyczny etap: austenityzacja, znana również jako faza hartowania. Celem jest podgrzanie stali do określonej, wysokiej temperatury, co pozwala na całkowite rozpuszczenie węglików stopowych w stali i przekształcenie jej struktury wewnętrznej w jednorodną fazę austenitu.

Zalecana temperatura austenityzacji dla stali narzędziowej S7 wynosi 1725°F (940°C). Po podgrzaniu przedmiotu obrabianego do tej temperatury wymagany jest odpowiedni czas wygrzewania, który należy precyzyjnie obliczyć na podstawie wymiarów przekroju poprzecznego przedmiotu obrabianego. Ogólna zasada mówi, że dla przedmiotów obrabianych o grubości powyżej 25 mm (1 cala) czas wygrzewania należy obliczać w oparciu o najcieńszy wymiar przekroju poprzecznego, z szybkością jednej godziny na cal. W przypadku cieńszych przedmiotów obrabianych wymagany czas ulega odpowiedniemu skróceniu; na przykład, element o grubości 3,175 mm (1/8 cala) może wymagać jedynie 30-minutowego wygrzewania. Czas wygrzewania należy obliczyć dopiero po osiągnięciu przez rdzeń przedmiotu obrabianego temperatury austenityzacji 940°C, odpowiadającej temperaturze komory pieca.

Gaszenie

Czwartym etapem obróbki cieplnej stali S7 jest hartowanie. Po zakończeniu procesu austenityzacji, stal musi zostać szybko schłodzona, aby przekształcić austenit powstały w wysokich temperaturach w niezwykle twardą strukturę martenzytyczną, wymaganą do produkcji narzędzi. Stal S7 jest stalą narzędziową hartującą się w powietrzu, co sprawia, że powietrze jest jej preferowanym medium hartowniczym.

Chłodzenie powietrzem ma jednak ograniczoną prędkość, dlatego dla stali S7 chłodzonej powietrzem istnieje limit rozmiaru przekroju. Elementy obrabiane o maksymalnej grubości przekroju przekraczającej 2 1/2 cala (około 63 mm) mogą nie zostać całkowicie utwardzone przez samo chłodzenie powietrzem. W przypadku dużych lub ciężkich elementów obrabianych przekraczających limit chłodzenia powietrzem, optymalną metodą jest hartowanie przerywane lub błyskawiczne w oleju. Zanurz element obrabiany S7 w oleju i energicznie mieszaj, aż do ustąpienia widocznego czerwonego żaru, około 540°C (1000°F). Natychmiast wyjmij element obrabiany z oleju i pozwól mu dalej stygnąć w nieruchomym powietrzu do temperatury 150°F (65°C). Ta metoda zapewnia dokładne hartowanie dużych elementów obrabianych przy jednoczesnej minimalizacji naprężeń cieplnych.

Niezależnie od zastosowanej metody hartowania, elementy S7 muszą zostać odpuszczone natychmiast po schłodzeniu do temperatury 65°C (150°F). Wynika to z faktu, że nowo powstały martenzyt znajduje się w stanie silnie naprężonym, a każde opóźnienie w odpuszczaniu znacznie zwiększa ryzyko pękania stali.

Odpuszczanie

Ostatnim etapem obróbki cieplnej stali S7 jest cykl odpuszczania, którego celem jest wyeliminowanie dużych naprężeń wewnętrznych powstających podczas hartowania, znaczne zwiększenie wytrzymałości i ciągliwości stali oraz zapewnienie stabilności wymiarowej obrabianego elementu.

Stal S7 musi zostać poddana dwukrotnemu odpuszczaniu. Jako stal hartowana w powietrzu, S7 może zachować częściowo nieprzekształcony austenit wewnątrz po pierwszym odpuszczaniu i chłodzeniu. Wykonanie drugiego odpuszczania zapewnia pełną przemianę tego austenitu w nowy martenzyt, maksymalizując tym samym właściwości stali.

Podczas każdego cyklu odpuszczania czas wygrzewania należy obliczać na podstawie grubości przedmiotu obrabianego, przy czym standardem są 2 godziny na cal (25 mm) grubości. Pomiędzy dwoma cyklami odpuszczania przedmiot obrabiany musi być całkowicie schłodzony do temperatury pokojowej.

Temperatura odpuszczania zależy od końcowego zastosowania przedmiotu obrabianego:

• W przypadku obróbki plastycznej na zimno, wymagającej wysokiej twardości i wytrzymałości, typowy zakres temperatur odpuszczania wynosi od 204°C (400°F) do 260°C (500°F). Pierwsze odpuszczanie przeprowadza się w temperaturze 230°C (450°F), a następnie drugie w temperaturze 220°C (425°F). Odpuszczanie w tym zakresie zazwyczaj zapewnia twardość roboczą stali S7 od 56 do 58 HRC. Nigdy nie odpuszczaj stali S7 poniżej 204°C (400°F).
• W przypadku zastosowań wymagających pracy na gorąco wymagana jest odporność na ciepło. Jeśli przedmiot obrabiany musi wytrzymać temperatury robocze przekraczające 540°C (1000°F), zalecany zakres temperatur odpuszczania powinien wynosić od 482°C (900°F) do 538°C (1000°F). W tym przypadku zalecana temperatura odpuszczania powinna być wyższa o 14°C (25°F) do 28°C (50°F) od przewidywanej maksymalnej temperatury roboczej, aby zapewnić stabilność przedmiotu obrabianego podczas użytkowania.

Zależność między twardością a temperaturą odpuszczania stali S7¹

Typowym zastosowaniem stali S7 są matryce do kucia na zimno, gdzie zazwyczaj stosuje się ją przy twardości roboczej 56–60 HRC. Zalecane temperatury odpuszczania (230°C/450°F i 220°C/425°F) pozwalają na osiągnięcie twardości w tym zakresie od twardości w stanie zahartowanym wynoszącej około 60 HRC.

Odpuszczanie powoduje zmiany wymiarów. Po odpuszczeniu stali S7 w temperaturze 260°C (500°F) zgodnie ze specyfikacją, może ona wydłużyć się o około 0,0006 cala/cal (0,01524 mm/25 mm) wzdłuż kierunku włókien i o około 0,0002 cala/cal (0,00508 mm/25 mm) prostopadle do kierunku włókien. W celu uzyskania informacji o krytycznych wymiarach zaleca się zapoznanie z dedykowaną tabelą zmian wymiarów odpuszczania stali S7. Poniższa tabela przedstawia krzywe zmian wymiarów stali S7 w różnych temperaturach odpuszczania.

Osiąganie optymalnej wydajności i kontrola zniekształceń

Prawidłowa obróbka cieplna stali S7 nie tylko decyduje o ostatecznych właściwościach mechanicznych stali (takich jak twardość, udarność i odporność na zużycie), ale także bezpośrednio wpływa na jej stabilność wymiarową. Kluczem do stabilności wymiarowej stali S7 jest jej naturalna natura jako stali hartowanej w powietrzu. Po hartowaniu w powietrzu z odpowiedniej temperatury austenityzacji, stal S7 wykazuje przewidywalne zmiany wymiarów, zazwyczaj wykazując bardzo niewielkie rozszerzenie o około 0,001 cala na cal (lub 0,001 mm na mm).

Po hartowaniu i odpuszczaniu stali S7, jeśli obrabiany element wymaga dalszych, intensywnych operacji, takich jak wykańczanie, spawanie lub obróbka elektroerozyjna (EDM), procesy te wprowadzają nowe naprężenia szczątkowe. Aby je wyeliminować, zdecydowanie zaleca się zastosowanie procesu “odprężania po hartowaniu” po tych operacjach. Temperatura wyżarzania odprężającego powinna być ustawiona w zakresie od 14°C do 28°C (25°F do 50°F) niższym od temperatury końcowego odpuszczania.

Ponadto należy podkreślić, że dwukrotne odpuszczanie jest obowiązkowe w przypadku stali S7. Kluczowym powodem jest fakt, że po wstępnym hartowaniu i schłodzeniu stali S7, część nieprzekształconego austenitu nieuchronnie pozostaje w materiale. Pierwsze odpuszczanie i późniejsze chłodzenie sprzyjają przekształceniu tego szczątkowego austenitu w świeży martenzyt. Głównym celem kolejnego, drugiego odpuszczania jest odpuszczenie tego nowo utworzonego martenzytu, co pozwala na dalsze uwolnienie naprężeń szczątkowych w całym materiale i zapewnienie pełnej realizacji właściwości użytkowych stali.

Podsumowując, jedynie właściwa kontrola obróbki cieplnej stali narzędziowej S7 pozwala na zapewnienie jej rzeczywistej odporności na uderzenia. Niepowodzenie na dowolnym etapie tego procesu pozostawi w obrabianym przedmiocie naprężenia szczątkowe, uniemożliwiając osiągnięcie pożądanych parametrów i potencjalnie prowadząc do pęknięć.

1. Bryson, William E. Obróbka cieplna, dobór i zastosowanie stali narzędziowych. Wydanie 2., Hanser Publications, 2005, s. 1. 197. ↩︎

Powiązane linki

• Stal narzędziowa S7 | 1.2355
• S7 Twardość stali narzędziowej
• Jaka jest różnica pomiędzy stalą narzędziową S7 i A2?
• Przewodnik po obróbce cieplnej stali narzędziowej S7
• Właściwości stali narzędziowej S7