Przewodnik po obróbce cieplnej stali narzędziowej S7

Stal narzędziowa S7 jest klasyfikowana jako stal narzędziowa odporna na uderzenia przez Amerykański Instytut Żelaza i Stali (AISI). Optymalną wydajność można uzyskać wyłącznie poprzez odpowiednią obróbkę cieplną. Niniejszy przewodnik systematycznie przedstawia podstawowe kroki i krytyczne zagadnienia dotyczące efektywnej obróbki cieplnej stali narzędziowej S7, w oparciu o uznane zasady metalurgiczne oraz nasze bogate doświadczenie w produkcji i przetwórstwie. Obróbka cieplna stali narzędziowej S7 zazwyczaj obejmuje cztery etapy: podgrzewanie wstępne, austenityzowanie, hartowanie i odpuszczanie.

1. Podgrzewanie wstępne 

Proces podgrzewania wstępnego jest kluczowym etapem początkowym dla niemal wszystkich stali narzędziowych, w tym stali narzędziowej S7. Wstępnie reguluje on strukturę molekularną materiału, pomagając wyeliminować naprężenia powstające podczas obróbki skrawaniem lub cięcia. Temperatura podgrzewania wstępnego stali narzędziowej S7 wynosi 650°C (1200°F), a materiał jest podgrzewany przez 10 do 15 minut, aż do uzyskania równomiernego nagrzania. Należy zachować ostrożność, aby uniknąć długotrwałego narażenia na tę temperaturę, ponieważ może to zaburzyć strukturę molekularną i negatywnie wpłynąć na kolejne cykle obróbki cieplnej. W przypadku złożonych lub wielkogabarytowych elementów obrabianych, można przeprowadzić wstępne podgrzanie wstępne w niższej temperaturze, takiej jak 650°C (1200°F), aby dodatkowo zminimalizować ryzyko szoku termicznego.

2. Austenityzowanie

Austenityzowanie to proces nagrzewania stali do temperatury, w której jej struktura przekształca się z agregatu ferrytyczno-perlitycznego w austenit, rozpuszczając znaczną część węglików. Zalecana temperatura austenityzacji dla stali narzędziowej S7 wynosi 940°C (1725°F). Czas wygrzewania należy obliczyć na podstawie najmniejszego przekroju poprzecznego elementu. W przypadku elementów o grubości powyżej 25 mm (1 cala) ogólną zasadą jest jedna godzina na każdy cal (25 mm). Dla mniejszych przekrojów poprzecznych:

• 1/8 cala (3,175 mm): 30 minut
• 1/4 cala (6,350 mm): 40 minut
• 1/2 cala (12,70 mm): 45–50 minut
• 3/4 cala (19,05 mm): 50–55 minut 

Przed rozpoczęciem wygrzewania należy koniecznie upewnić się, że dana część osiągnęła taką samą temperaturę jak piec, co można wizualnie potwierdzić podobnym kolorem.

3. Hartowanie

Hartowanie to proces szybkiego chłodzenia stali austenitycznej w celu przekształcenia austenitu w martenzyt, twardą strukturę osnowy. Stal narzędziowa S7 to stal narzędziowa hartowana w powietrzu, którą można hartować w powietrzu. Hartowanie w powietrzu jest najwolniejszą metodą hartowania, oferującą zaletę redukcji szoku termicznego i naprężeń wewnętrznych.

Chociaż stal S7 posiada właściwości hartowania w powietrzu, istnieją ograniczenia wymiarowe. Gdy wymiary przekroju poprzecznego przekraczają około 63 mm (2,5 cala), samo chłodzenie powietrzem może nie zapewnić pełnego utwardzenia, ponieważ objętość materiału znacznie zmniejsza szybkość hartowania. W takich przypadkach należy rozważyć hartowanie w oleju, aby zapewnić bezpieczniejsze i bardziej wydajne hartowanie.

Po hartowaniu elementy muszą zostać schłodzone do temperatury bezpiecznej dla rąk (52-65°C). Na tym etapie stal jest niestabilna i bardzo podatna na pękanie. Resztkowy austenit może się ustabilizować, co utrudnia późniejsze procesy. Dlatego elementy muszą zostać natychmiast przekazane do odpuszczania. Jeśli wymagane jest prostowanie, należy je wykonać, gdy temperatura materiału utrzymuje się powyżej 205°C (400°F).

4. Hartowanie

Odpuszczanie to proces ponownego nagrzewania po hartowaniu, mający na celu zwiększenie wytrzymałości i redukcję naprężeń wewnętrznych, a jednocześnie uzyskanie pożądanej twardości końcowej. Jak wspomniano w poprzednim etapie hartowania, odpuszczanie musi zostać przeprowadzone natychmiast po schłodzeniu elementu do temperatury 52-65°C (125-150°F) po hartowaniu, co jest kluczowe dla zapobiegania pęknięciom.

W przypadku stali S7 zalecana temperatura odpuszczania początkowego wynosi 230°C (450°F). W przypadku odpuszczania wtórnego temperaturę należy obniżyć do 220°C (425°F). Temperatura odpuszczania wtórnego jest zazwyczaj o 14°C (25°F) niższa niż temperatura odpuszczania początkowego. Każdy cykl odpuszczania powinien trwać 2 godziny na każdy cal (25 mm) przekroju. Należy bezwzględnie unikać niedopuszczania do odpuszczania.

Zależność między twardością a temperaturą odpuszczania stali S7¹

Temperatura hartowania	Twardość Rockwella C
Jak ugasić	62
300°F / 150°C	59
400°F / 205°C	58
600°F / 315°C	55
800°F / 425°C	52
1000°F / 540°C	50
1200°F / 650°C	41

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.

W przypadku większości stali narzędziowych zdecydowanie zaleca się wielokrotne cykle odpuszczania (zazwyczaj dwa, a nawet trzy) w celu zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego, udoskonalenia struktury ziarna, zwiększenia odporności na zużycie i zmniejszenia naprężeń. Pomiędzy odpuszczaniami, przedmiot obrabiany powinien całkowicie ostygnąć do temperatury pokojowej, aby zminimalizować ilość austenitu szczątkowego. Należy pamiętać, że kolejne odpuszczanie w tej samej temperaturze jest nieskuteczne.

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.

Skuteczna obróbka cieplna stali narzędziowej S7 bezpośrednio decyduje o jej ostatecznych właściwościach i trwałości użytkowej, oszczędzając w ten sposób czas i koszty produkcji. Niewystarczający czas wygrzewania lub niewłaściwe odpuszczanie podczas obróbki cieplnej znacznie skrócą żywotność narzędzia i obniżą jego wydajność. Ścisłe przestrzeganie procedur nagrzewania wstępnego, austenityzacji, hartowania i odpuszczania, w połączeniu ze szczególną uwagą na czynniki takie jak kontrola odkształceń, gwarantuje, że stal narzędziowa S7 osiągnie swój maksymalny potencjał wydajnościowy.

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