Nástrojová ocel 2Cr13: Komplexní přehled

Nástrojová ocel 2Cr13 je všestranný materiál široce používaný při výrobě plastových forem, zejména těch, které vyžadují rovnováhu mezi pevností, houževnatostí a odolností proti korozi. Jako nízkouhlíková martenzitická nerezová ocel se typicky používá po kalení a popouštění. Toto tepelné zpracování zlepšuje jeho mechanické vlastnosti, takže je vhodné pro náročné aplikace.

Jednou z klíčových výhod oceli 2Cr13 je její dobrá obrobitelnost, která umožňuje efektivní zpracování a tvarování. Po tepelném zpracování vykazuje vynikající odolnost proti korozi a zajišťuje dlouhou životnost i v drsném prostředí. Navíc nabízí dobrou kombinaci pevnosti a houževnatosti, díky čemuž je spolehlivý při různém zatížení.

Zatímco jeho odolnost proti korozi a teplu je o něco nižší než u oceli 1Cr13, 2Cr13 si udržuje stabilní odolnost proti oxidaci na vzduchu až do 700 ℃. Díky tomu je vhodný pro aplikace vyžadující mírné vystavení teplu. Je však třeba poznamenat, že jeho svařitelnost a plasticita v žíhaném stavu nejsou tak příznivé jako u oceli 1Cr13. Navzdory tomu je ocel 2Cr13 známá svými vynikajícími leštícími vlastnostmi, což je významnou výhodou při výrobě forem, kde je povrchová úprava rozhodující.

1. Chemické složení nástrojové oceli 2Cr13

Chemické složení oceli 2Cr13 je standardizováno podle GB/T 1220—2007. Typické hmotnostní zlomky jejích klíčových prvků jsou:

• Uhlík (C): 0,16% – 0,25% (běžně kolem 0,16%)
• Křemík (Si): ≤1,00% (často ≤0,60%)
• Mangan (Mn): ≤1,00% (často ≤0,80%)
• Chrom (Cr): 12.00% – 14.00%
• Síra (S): ≤0,030%
• Fosfor (P): ≤0,040% (někdy uváděno jako ≤0,035%)

Tyto prvky přispívají k jedinečným vlastnostem oceli, přičemž chrom je primárním legujícím prvkem, který dodává odolnost proti korozi.

2. Nástrojová ocel 2Cr13 je ekvivalentní několika dalším normám:

• německý DIN: Číslo materiálu 1.4021, třída X20Cr13
• Britská BS: Třída S62
• Britská EN: Třídy 56B/56C
• francouzský AFNOR: Třída Z20C13
• Jednotný digitální kód: S45830

Toto křížové odkazování může být užitečné pro globální zákazníky, kteří znají různé standardizační systémy.

3. Fyzikální vlastnosti nástrojové oceli 2Cr13

Pochopení fyzikálních vlastností oceli 2Cr13 je klíčové pro její aplikaci v různých inženýrských kontextech. Zde jsou klíčové fyzické vlastnosti:

• Bod tání: 1450 - 1510 ℃
• Hustota: 7,75 t/m³
• Specifická tepelná kapacita (cₚ): 459,8 J/(kg·K)

Tyto vlastnosti ovlivňují, jak se ocel chová během zpracování a provozu.

Kritické teploty:

• Aa₁: Přibližně 820℃
• Aa₃: Přibližně 950℃
• Ac₁: Přibližně 780℃

Tyto teploty jsou důležité pro procesy tepelného zpracování, protože definují fázové přeměny oceli.

Modul pružnosti (E): Tuhost oceli 2Cr13 klesá s teplotou:

• Při 20 ℃: 210 – 223 GPa
• Při 400 ℃: 193 GPa
• Při 500 ℃: 184 GPa
• Při 600℃: 172 GPa

Lineární expanzní koeficient (α): Toto měří, jak moc se ocel roztahuje při zahřátí:

• 20-100℃: 10,5 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-200℃: 11,0 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-300℃: 11,5 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-400℃: 12,0 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-500℃: 12,0 × 10⁻⁶ ℃⁻¹

Tepelná vodivost (λ): Udává, jak dobře ocel vede teplo:

• 20-100℃: 23,0 W/(m·K)
• 20-200℃: 23,4 W/(m·K)
• 20-300℃: 24,7 W/(m·K)
• 20-400℃: 25,5 W/(m·K)
• 20-500℃: 26,3 W/(m·K)

Elektrický odpor (ρ): Ovlivňuje chování oceli v elektrických aplikacích:

• Při 20 °C: 0,55 × 10⁻⁷ Ω·m
• Při 100℃: 0,65 × 10⁻⁷ Ω·m

Tyto vlastnosti jsou zásadní pro konstruktéry a inženýry, které je třeba vzít v úvahu při výběru oceli 2Cr13 pro specifické aplikace, zejména ty, které zahrnují změny teploty nebo elektrické součásti.

4. Tepelné zpracování nástrojové oceli 2Cr13

Správný tepelné zpracování je nezbytný pro uvolnění plného potenciálu oceli 2Cr13. Běžně se používají následující procesy:

4.1 Kování

• Topení: Pomalu zahřívejte ocel před dosažením 850 ℃, s pecí naloženou na ≤ 800 ℃.
• Teplota kování: Začněte kování při 1160-1200℃ a dokončete při ≥850℃.
• Chlazení: Po vykování zchladit v písku nebo ihned žíhat. Kvůli špatné tepelné vodivosti by mělo být zahřívání pod 850 ℃ postupné.
• Dodatečné kování: Kované díly pomalu ochlaďte a ihned temperujte.

4.2 Změkčující ošetření

Pro snížení tvrdosti pro obrábění:

• Vysokoteplotní temperování: 750-800 ℃
• Alternativní metoda: Udržujte při 875-900 °C po dobu 1-2 hodin, poté ochlaďte při 15-20 °C/h pod 600 °C a poté vzduchem. Tím je dosaženo tvrdosti 170-200 HB.

Výsledná struktura je ferit bohatý na chrom s karbidy (Cr, Fe)233C6.

4.3 Kalení

• Teplota: Obvykle kolem 1050 ℃.
• Chlazení: U malých forem je možné chlazení vzduchem, aby se minimalizovala deformace. Větší formy jsou obvykle kalené olejem.

4.4 Temperování

Ocel 2Cr13 se často používá ve dvou temperovaných podmínkách:

• Pro vysokou tvrdost a odolnost proti korozi: Teplota na 200-350 ℃.
• Pro vyváženou pevnost, plasticitu a houževnatost: Teplota na 650-750 ℃.

Poznámka: Vyhněte se temperování mezi 400-600 ℃, abyste předešli nežádoucím vlastnostem.

4.5 Doporučené kalení a temperování

• Kalení: Kalení oleje od 980-1000℃.
• Temperování: Liší se podle požadovaných vlastností.

4.6 Žíhání uvolňující napětí

• Teplota na 730-780 ℃ s následným chlazením vzduchem.
• Po svařování temperujte, aby se uvolnilo napětí. Pomalé ochlazování při vysokých teplotách může vést k tvorbě bainitu.

4.7 Tepelné zpracování před vytvrzením

• Zahřejte na 860-900 ℃ a pec ochlaďte pro dosažení 160-187 HBW.

4.8 Standardní kalení a temperování

• Kalení: Zahřejte na 1000-1050℃, poté olej nebo vodu ochlaďte na ≥45 HRC.
• Temperování: Při 660-670℃ se vzduchovým chlazením na 20-23 HRC.

Tyto procesy tepelného zpracování umožňují přizpůsobit vlastnosti oceli specifickým požadavkům aplikace a zajistit optimální výkon v různých scénářích.

5. Mechanické vlastnosti oceli 2Cr13

Mechanické vlastnosti oceli 2Cr13 velmi závisí na tepelném zpracování, které prochází. Níže jsou uvedeny typické vlastnosti dosažené různými procesy:

5.1 Po kalení a temperování

Pro vzorky kalené na 980-1000 ℃, chlazené olejem a poté temperované:

• Mez kluzu (Rp0,2): ≥440 MPa
• Pevnost v tahu (Rm): ≥640 MPa
• Prodloužení (A): ≥20%
• Zmenšení plochy (Z): ≥50%
• Energie nárazu (Ku₂): ≥63 J
• Tvrdost (HBW): 192-223

5.2 Žíhaný stav

Pro plechy a pásy válcované za studena z martenzitické nerezové oceli:

• Mez kluzu (Rp0,2): ≥225 MPa
• Pevnost v tahu (Rm): ≥520 MPa
• Prodloužení (A): ≥18%
• Ohýbání za studena (180°): d = 2a
• Tvrdost (HBW): ≤223

5.3 Vysokoteplotní vlastnosti

Po kalení při 1000-1020 ℃, ochlazení oleje a popouštění při 720-750 ℃ ocel vykazuje při zvýšených teplotách následující vlastnosti:

Testovací teplota (∘C)	Tah (Rm​, MPa)	Výtěžek (Rp0,2, MPa)	Prodloužení (δ, %)	Červený. Plocha (ψ, %)	Náraz (αk​, J/cm2)
20	720	520	21.0	68.0	65-175
300	555	400	18.0	66.0	120
400	530	405	16.5	58.5	205
450	495	380	17.5	61.0	–
500	495	420	22.5	66.0	–
550	440	365	32.5	72.5	–

Tyto vlastnosti demonstrují schopnost oceli udržovat pevnost a tažnost při vyšších teplotách, takže je vhodná pro aplikace vystavené teplu.

6. Aplikace oceli 2Cr13

Díky svým vyváženým vlastnostem je ocel 2Cr13 oblíbenou volbou pro různé aplikace. Je zvláště vhodný pro:

• Plastové formy: Zejména ty ve vysokém zatížení a korozivním prostředí, včetně forem na průhledné plastové výrobky.
• Vysoce namáhané komponenty: Such as turbine blades, hot oil pump shafts and sleeves, impellers, and hydraulic press valve plates.
• Industrial and Consumer Goods: These include applications in the paper industry, medical equipment, and household items like knives and cutlery.

Additionally, 2Cr13 steel can be used as a substitute for Cr12 type steel in manufacturing punching and drawing dies. When treated with carburizing, quenching, and tempering, it can achieve a surface hardness of 62-65 HRC and a core hardness of 38-41 HRC, potentially extending the service life of molds by 1-2 times compared to traditional Cr12 steel treatments.

7. Comparison to Other Steels

Understanding how 2Cr13 steel compares to similar materials can help in selecting the right steel for specific needs:

• Vs. 1Cr13 Steel: 2Cr13 offers higher strength and hardness after quenching and tempering, but has slightly lower corrosion and heat resistance. Its weldability and plasticity in the annealed state are also inferior.
• Vs. 30Cr13 Steel: 30Cr13 has even higher strength, hardness, and hardenability than 2Cr13 (20Cr13) and 12Cr13 steels after quenching. It provides some corrosion resistance to dilute nitric acid and weak organic acids at room temperature, though less than 12Cr13 and 20Cr13.
• Vs. 4Cr13 Steel: 4Cr13 has higher strength and hardness than 30Cr13 but lower toughness and corrosion resistance, with poorer weldability.
• Vs. 20Cr13 Steel: 20Cr13 has properties similar to 12Cr13 but with slightly higher strength, hardness, and lower toughness and corrosion resistance.

These comparisons highlight the trade-offs between different properties, allowing engineers to choose the most appropriate steel based on their application’s specific requirements.