Stal 5CrNiMo to tradycyjna, niskostopowa stal narzędziowa do pracy na gorąco, szeroko stosowana w różnych zastosowaniach, szczególnie w matrycach kuźniczych. Charakteryzuje się doskonałą hartownością, dobrą udarnością i umiarkowaną wytrzymałością w podwyższonych temperaturach, choć ma pewne ograniczenia w zastosowaniach wymagających bardzo wysokich temperatur lub dużego zużycia. Stal 5CrNiMo jest gatunkiem zgodnym z chińską normą GB/T, z równoważnymi gatunkami, w tym amerykańskimi. AISI L6, japońska JIS SKT4 i niemiecka DIN W-Nr. 1.2713 i 1.2714.

1. Skład chemiczny stali 5CrNiMo (GB / T 1299—2000)

C	Si	Mn	Kr	Ni	Mo	P	S
0.50-0.60	≤0,40	0.50-0.80	0.50-0.80	1.40-1.80	0.15-0.30	≤0,030	≤0,030

2. Właściwości fizyczne 5CrNiMo

2.1 Temperatura krytyczna 5CrNiMo

Punkt krytyczny	Ac1	Ac3	Ar1	Ar3	SM
Temperatura/ °C	730	780	610	640	230

2.2 Współczynnik rozszerzalności liniowej 5CrNiMo

Temperatura / °C	100 ~ 250	250 ~ 300	350 ~ 600	600 ~ 700
Współczynnik rozszerzalności liniowej α / x10⁻⁶ °C⁻¹	12.55	14.1	14.2	15.0

2.3 Moduł sprężystości 5CrNiMo

Temperatura / °C	Temperatura pokojowa	100	200	300	400	500
E / MPa	209 720	206 780	203 840	198 940	193 060	186 200

2.4 Moduł ścinania 5CrNiMo

Temperatura / °C	Temperatura pokojowa	100	200	300	400	500
G/MPa	83 300	82 320	80 360	78 400	75 460	73 500

2.5 Przewodność cieplna

Temperatura / °C	Temperatura pokojowa	100	200	300	400	500
λ / [W / (m · K)]	0.44	0.44	0.43	0.43	0.39	0.35

2.6 Ciepło właściwe

Temperatura / °C	Temperatura pokojowa ~ 100	Temperatura pokojowa ~ 200	Temperatura pokojowa ~ 300	Temperatura pokojowa ~ 400	Temperatura pokojowa ~ 500
cₚ (20°C) / [J / (kg · K)]	0.484	0.497	0.509	0.531	0.552

2.7 Gęstość wynosi 7,804 g/cm³.

3. Specyfikacja procesu kucia na gorąco z 5CrNiMo

Przedmiot	Temperatura ogrzewania / °C	Początkowa temperatura kucia / °C	Końcowa temperatura kucia / °C	Metoda chłodzenia
Sztabka stali	1140 ~ 1180	1100 ~ 1150	800 ~ 880	Powolne chłodzenie (chłodzenie w dołku lub piasku)
Kęsy stalowe	1100 ~ 1150	1050 ~ 1100	800 ~ 850	Powolne chłodzenie (chłodzenie w dołku lub piasku)

Notatka: Stal 5CrNiMo można hartować przez chłodzenie w powietrzu, ale jest podatna na powstawanie białych plam, dlatego należy ją powoli schładzać po kuciu. W przypadku dużych odkuwek należy je wygrzewać w piecu w temperaturze 600°C do momentu ujednolicenia temperatury, a następnie powoli schładzać do 150-200°C i ostatecznie schładzać w powietrzu. W przypadku większych odkuwek odpuszczanie należy przeprowadzić natychmiast po schłodzeniu do 150-200°C.

4. Obróbka cieplna 5CrNiMo

4.1 Podgrzewanie wstępne

① Opcje wyżarzania po kuciu

Opcja wstępnej obróbki cieplnej	Parametry procesu
Wyżarzanie po kuciu	Nagrzać piec do 760–780°C, wygrzać przez 4–6 godzin, a następnie schłodzić poniżej 500°C przed rozładowaniem i schłodzeniem na powietrzu. Po wyżarzaniu twardość waha się od 197 do 241 HBW, z mikrostrukturą perlitu i ferrytu.
Wyżarzanie izotermiczne po kuciu	Temperatura nagrzewania: 850–870°C, utrzymywana przez 4–6 godzin; Temperatura izotermiczna: 680°C, utrzymywana przez 4–6 godzin; Schłodzenie w piecu do temperatury poniżej 500°C, następnie wyjęcie i schłodzenie na powietrzu; Twardość po wyżarzaniu: 197–241 HBW; Mikrostruktura: perlit + ferryt.
Odnawianie matryc kuźniczych Wyżarzanie	Podgrzać do temperatury 710–730°C, wygrzać przez 4–6 godzin, a następnie schłodzić w piecu do temperatury poniżej 500°C przed wyjęciem i schłodzeniem na powietrzu. Twardość po wyżarzaniu: 197–241 HBW.

② Mikrostruktura i twardość przed i po wyżarzaniu

Średnica wcięcia / mm	HBW	Mikrostruktura (przed wyżarzaniem)	Mikrostruktura (po wyżarzaniu)
3.9 ~ 4.3	241 ~ 197	Troostyt + Martenzyt	Perlit + Ferryt

4.2 Hartowanie

① Zalecana specyfikacja procesu hartowania

Temperatura hartowania/°C	Środek chłodzący do hartowania	Temperatura czynnika chłodzącego hartującego/°C	Dalszy	Twardość HRC
830 ~ 860	Olej	20 ~ 60	Odgrzać natychmiast po schłodzeniu do temperatury 150 ~ 180°C	53 ~ 58

Notatka:

• W przypadku dużych form należy stosować górną granicę temperatury hartowania; w przypadku małych form (długość boku poniżej 200–300 mm) należy stosować dolną granicę.
• Aby zminimalizować naprężenia i odkształcenia podczas hartowania, po podgrzaniu do temperatury 830–860°C, należy najpierw schłodzić wstępnie na powietrzu do temperatury 750–780°C, a następnie hartować w oleju do temperatury 150–180°C. Wyjąć i natychmiast odpuścić.
• W przypadku dużych form, powoli nagrzewaj do temperatury 600–650°C i utrzymuj ją przez 1–1,5 godziny. Temperaturę pieca zwiększaj dopiero po całkowitym nagrzaniu. Aby poprawić jakość nagrzewania, umieszczaj detale na płytach podkładowych o grubości 60–100 mm podczas nagrzewania.
• Hartowanie modułu w niskich temperaturach zanurzenia w oleju zwiększa ryzyko pęknięć. Aby temu zapobiec, w praktyce często stosuje się zanurzenie w oleju w temperaturze około 200°C. Chociaż tworzy to martenzytyczną warstwę powierzchniową, rdzeń pozostaje w stanie austenitycznym. Aby wydłużyć żywotność, można zastosować hartowanie izotermiczne.

② Proces hartowania izotermicznego

Typ procesu	Temperatura hartowania (°C)	Medium chłodzące	Średnia temperatura (°C)	Temperatura i czas izotermiczny	Twardość hartowania (HRC)	Mikrostruktura po hartowaniu
Hartowanie izotermiczne	830 – 860	Olej	20 – 60	Ostudzić powierzchnię formy do temperatury 150-200°C, następnie trzymać w kąpieli o temperaturze 280-300°C przez 2-3 godz.	–	Niewielka ilość bainitu + bainit dolny + austenit szczątkowy. Po odpuszczeniu bainit przekształca się w bainit dolny.
Hartowanie w wysokiej temperaturze	890 – 910	Olej	–	–	61.5	Martenzyt listwowy + austenit szczątkowy (ok. 9,2% objętościowo), wielkość ziarna 7-8.

Uwagi:

• Hartowanie izotermiczne: Proces ten zmniejsza tendencję formy do pękania i wydłuża jej żywotność.
• Hartowanie w wysokiej temperaturze: Temperatura odpuszczania wynosi 420-550°C, hartowanie dwukrotne, co skutkuje twardością 38-47 HRC.

4.3 Hartowanie

① Zalecane specyfikacje procesu hartowania

Plan	Cel hartowania	Specyfikacja matrycy kuźniczej	Temperatura odpuszczania (°C)	Sprzęt grzewczy	Twardość (HRC)
I	Wyeliminuj stres, stabilizuj strukturę i rozmiar	Mały	490 ~ 510	Piec gazowy czy piec elektryczny	44 ~ 47
		Średni	520 ~ 540		38 ~ 42
		Duży	560 ~ 580		34 ~ 37
II		Jaskółczy ogon (średni)	620 ~ 640		34 ~ 37
		Jaskółczy ogon (mały)	640 ~ 660		30 ~ 35

Notatka: Po odpuszczaniu należy przeprowadzić hartowanie w oleju, aby zapobiec kruchości odpuszczania. Aby odciążyć naprężenia powstające podczas hartowania w oleju, można przeprowadzić ponowne odpuszczanie w temperaturze 160–180°C. Dużych matryc kuźniczych nie wolno schładzać do temperatury pokojowej w oleju podczas hartowania ani odpuszczania, ponieważ może to spowodować pękanie.

② Wpływ temperatur hartowania i odpuszczania na udarność

	Temperatura odpuszczania (°C)	300	350	400	450	500
Temperatura hartowania (°C)840	Wartości w tabeli przedstawiają udarność, a_k / (J/cm²).	21	25	29	35	45
Temperatura hartowania (°C)950		19	20	23	25	35
Temperatura hartowania (°C)1000		13	16	20	23	30

Notatka: Po odpuszczeniu modułu stalowego 5CrNiMo w temperaturze 380–450°C przechłodzony austenit w rdzeniu przekształca się w strukturę górnego bainitu, co skutkuje wyjątkowo słabą udarnością.

③ Wpływ temperatur hartowania i odpuszczania na twardość z 5CrNiMo

	Temperatura odpuszczania (°C)	300	350	400	450	500	550	600
Temperatura hartowania (°C)850	Twardość HRC	52	50	48	45	41	38	32
Temperatura hartowania (°C)900		52	50	48	45	41	38	32
Temperatura hartowania (°C)950		53	51	49	46	42	39	33
Temperatura hartowania (°C)1000		54	52	50	47	43	40	34

5. Właściwości mechaniczne

Stal 5CrNiMo to tradycyjna stal matrycowa do kucia na gorąco, charakteryzująca się dobrą plastycznością i udarnością, a także odpowiednią wytrzymałością i odpornością na zużycie. Jest odporna na wpływ wielkości, a jej właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej są niemal identyczne z właściwościami w zakresie temperatur od 500 do 600°C. Po podgrzaniu do 500°C zachowuje twardość na poziomie około 300 HBW. Ze względu na niską zawartość pierwiastków węglikotwórczych, efekt hartowania wtórnego jest słaby, co skutkuje niską stabilnością termiczną i niską wytrzymałością w wysokich temperaturach.

5.1 Twardość wysokotemperaturowa 5CrNiMo

Temperatura (°C)	300	450	600	650	710	750
Twardość (HV)	383	351 ~ 354	254 ~ 274	201 ~ 203	147 ~ 154	71.3 ~ 72.7

5.2 Wytrzymałość na uderzenia w wysokiej temperaturze 5CrNiMo

Temperatura (°C)	300	600	650	700
Energia absorpcji uderzenia (KU/J)	48.4	36.4	36.3	70.3

5.3 Wydajność zmęczenia cieplnego

Metoda i stan testu	20°C ←→ 650°C (1000 cykli)	20°C ←→ 750°C (1000 cykli)
Poziom¹	13.4	20.0

¹Im wyższy poziom, tym gorsza odporność na zmęczenie cieplne.

5.4 Odporność na zużycie termiczne

Liczba obrotów	300	600	900	1200	1500	2500
Utrata masy ciała / mg	1.00	2.43	3.27	4.2	4.97	5.97

Notatka: Stosując metodę SR Tittagala, w temperaturze 800 ~ 850°C i ciśnieniu 784 ~ 850 N.

5.5 Właściwości mechaniczne powierzchni i właściwości mechaniczne rdzenia

Część	Lokalizacja	RM/ MPa (wytrzymałość na rozciąganie)	Rel/ MPa(Granica plastyczności)	A (%)(Wydłużenie)	Z (%)(Zmniejszenie powierzchni)	KU/J (Energia uderzeniowa)
Temperatura pokojowa	Powierzchnia	1310	–	–	41	31.3
Temperatura pokojowa	Rdzeń	1020	761	16	42	14.1
300°C	Powierzchnia	1214	–	–	58	48.4
300°C	Rdzeń	1011	833	26	62	59.2

Notatka: Podczas hartowania elementów o dużych przekrojach, różnice w szybkości chłodzenia między warstwą powierzchniową a rdzeniem skutkują odmiennymi właściwościami mechanicznymi. Zjawisko to w stali nazywane jest efektem masy, znanym również jako efekt wielkości.

6. Zastosowania

Stal 5CrNiMo, dzięki doskonałej hartowności, charakteryzuje się niemal równomierną twardością w całym przekroju, gdy duże bloki (300 mm × 400 mm × 300 mm) są hartowane w oleju w temperaturze 820°C, a następnie odpuszczane w temperaturze 560°C. Stosowana głównie do produkcji różnego rodzaju małych i średnich matryc kuźniczych o długości boku ≤300 mm i temperaturach pracy poniżej 500°C. Nadaje się bardziej do produkcji dużych i średnich modułów w produkcji masowej, a także do wytwarzania elementów form odlewniczych o złożonych kształtach.