Термообработка инструментальной стали: руководство по процессу

Инструментальная сталь необходима в производстве, известна своей твердостью, износостойкостью и способностью выдерживать высокие нагрузки. От режущих инструментов до промышленного оборудования ее производительность зависит от одного критического процесса: термообработки.

В SteelPro Group мы предлагаем инструментальную сталь как в отожженном, так и в предварительно закаленном состоянии. Наши специалисты также могут предоставить подробные рекомендации по термообработке для обеспечения оптимальной твердости, прочности и долговечности.

Термическая обработка инструментальной стали

Термическая обработка — это важная процедура, включающая нагрев и охлаждение сплавов для достижения желаемых механических характеристик. Этот процесс для инструментальной стали обычно включает несколько ключевых этапов: отжиг, предварительный нагрев, аустенизацию, закалку и отпуск.

Как термообработать инструментальную сталь?

• Ковка обычно выполняется на инструментальной стали перед термической обработкой. Процесс выравнивает структуру зерна, снижает внутренние напряжения и обеспечивает однородность, что приводит к улучшению эксплуатационных характеристик после термической обработки.

Отжиг — размягчение инструментальной стали

Процесс:

1. Нагревают сталь до определенной температуры, обычно от 700°C до 900°C, в зависимости от типа стали. 
2. Сталь выдерживается при этой температуре в течение некоторого времени, чтобы обеспечить полное превращение. 
3. Наконец, сталь постепенно охлаждают, часто прямо в печи, чтобы избежать теплового удара и достичь желаемого эффекта размягчения.

Снижая твердость и хрупкость, отжиг облегчает обработку стали или ее формовку. Он также способствует достижению однородности микроструктуры, что необходимо для дальнейшей термообработки.

Закалка — повышение прочности и износостойкости

1. Предварительный нагрев

Предварительный нагрев не является частью фактической реакции закалки, но служит для минимизации термического удара, снижая риск деформации, коробления или растрескивания. Сложные инструменты и быстрорежущие стали часто предварительно нагреваются в два этапа.

2. аустенитизация

Нагрев инструментальной стали до температуры аустенизации в диапазоне от 760°C до 1300°C (от 1400°F до 2400°F). Целевая температура варьируется в зависимости от типа инструментальной стали.

Достижение правильной температуры аустенизации имеет решающее значение. Слишком низкая температура приведет к неполному превращению в аустенит, а слишком высокая температура может привести к росту зерна, что снизит прочность материала.

3. Закалка

После аустенизации сталь быстро охлаждают в закалочная среда—обычно масло, вода или воздух. Скорость охлаждения должна тщательно контролироваться, так как недостаточная закалка может привести к неполному превращению или короблению. 

• Закалка в масле

Закалка в масле подразумевает погружение нагретой стали в масло для достижения быстрого охлаждения с умеренной скоростью. Этот метод часто используется для инструментальных сталей, чтобы минимизировать деформацию и трещины, поскольку масло охлаждается медленнее, чем вода, обеспечивая более контролируемое затвердевание.

• Закалка водой

Закалка в воде охлаждает сталь гораздо быстрее, чем в масле, что делает ее пригодной для сталей, которые могут выдерживать быстрое охлаждение. Она обеспечивает высокую твердость, но увеличивает риск растрескивания или деформации из-за более агрессивной скорости охлаждения.

• Воздушная закалка

Закалка на воздухе — это более медленный метод охлаждения, при котором сталь охлаждается на окружающем воздухе или нагнетаемом воздухе. Этот процесс используется для сплавов, предназначенных для этой цели, например, для некоторых быстрорежущих сталей, которым требуется менее быстрое охлаждение, чтобы избежать деформации и при этом достичь оптимальной твердости.

Закалка — снижение хрупкости и повышение прочности

Процесс:

1. Повторно нагрейте закаленную сталь до определенной температуры, обычно от 150°C до 700°C (от 300°F до 1300°F).
2. Поддерживайте заданную температуру в течение определенного времени, которое может составлять от 30 минут до нескольких часов.
3. Охлаждают сталь с контролируемой скоростью, как правило, на воздухе или в масле, для достижения желаемых механических свойств.

Температура отпуска напрямую влияет на конечные механические свойства стали. Более низкие температуры отпуска делают материал тверже, но менее прочным, а более высокие температуры делают его более прочным, хотя и немного мягче.

Соображения при термообработке инструментальной стали

Защита поверхности во время аустенизации

Воздействие кислорода во время процесса аустенизации может вызвать масштабирование и обезуглероживание, что приводит к постоянной потере твердости на поверхности инструмента. Чтобы избежать этих проблем, важно обеспечить защита поверхности. 

Распространенные методы включают использование вакуумные печи, печи с контролируемой атмосферой, или печи с нейтральной соляной ванной. Другой вариант — обернуть инструментальную сталь в нержавеющая сталь фольга чтобы свести к минимуму воздействие кислорода.

Изменение размера при термической обработке

Термическая обработка неизбежно вызывает изменения размеров инструментальных сталей из-за изменений в их микроструктуре. Большинство инструментальных сталей испытывают рост в диапазоне от 0,0005–0,002 дюйма на дюйм их первоначальной длины в ходе процесса. 

Остаточный аустенит

Во время закалки превращение аустенита в мартенсит может быть неполным. Например, инструментальная сталь D2 может сохранять более 20% аустенита после закалки. Это может привести к внутренним напряжениям или искажениям. Для решения этой проблемы можно использовать такие методы, как криогенная обработка, чтобы преобразовать остаточный аустенит в стабильный мартенсит.

Низкотемпературная обработка, также известная как обработка при отрицательных температурах или криогенная обработка, используется для улучшения свойств инструментальных сталей. Этот процесс охлаждает сталь до очень низких температур, обычно ниже -70°C (-94°F). Это помогает уменьшить остаточный аустенит, делая сталь более твердой, износостойкой и стабильной с течением времени.

Как термообработка изменяет микроструктуру инструментальной стали?

Термическая обработка работает путем изменения микроструктуры инструментальной стали на атомном уровне. В ходе процесса создаются такие фазы, как аустенит и мартенсит, которые повышают ее производительность в различных областях применения.

аустенитизация

При нагревании инструментальной стали до температуры аустенизации она преобразует свою первоначальную кристаллическую структуру (феррит или перлит) в аустенит. На этом этапе атомы углерода растворяются в железе, что позволяет стали достигать более высокой твердости при охлаждении.

Формирование мартенсита

При быстром охлаждении (закалке) аустенит превращается в мартенсит. Процесс охлаждения предотвращает диффузию углерода, заставляя атомы железа располагаться в объемно-центрированной тетрагональной (ОЦТ) структуре, которая намного тверже и прочнее аустенита.

Мартенситная фаза значительно повышает твердость и износостойкость, что делает сталь пригодной для режущих инструментов и применения в условиях высоких нагрузок.

Очищение мартенсита

Во время отпуска сталь снова нагревается до более низкой температуры. Это позволяет некоторым атомам углерода выделиться и стабилизировать структуру. Эта процедура минимизирует внутренние напряжения, делая сталь менее хрупкой, сохраняя при этом большую часть ее прочности и долговечности.

Решения из инструментальной стали с отожженными и предварительно закаленными вариантами

В SteelPro Group мы предлагаем высококачественную продукцию Д2, Н13, и инструментальная сталь Т1 пластины, стержни и прутки как в отожженном, так и в предварительно закаленном состоянии. Наша команда экспертов готова предоставить профессиональное руководство для удовлетворения конкретных потребностей вашего проекта, гарантируя оптимальный выбор материала и производительность.