Stal narzędziowa 2Cr13: kompleksowy przegląd

Stal narzędziowa 2Cr13 to wszechstronny materiał szeroko stosowany w produkcji form do tworzyw sztucznych, zwłaszcza tych, które wymagają równowagi wytrzymałości, wytrzymałości i odporności na korozję. Jako stal nierdzewna martenzytyczna o niskiej zawartości węgla jest zazwyczaj stosowana po hartowaniu i odpuszczaniu. Ta obróbka cieplna poprawia jej właściwości mechaniczne, dzięki czemu nadaje się do wymagających zastosowań.

Jedną z głównych zalet stali 2Cr13 jest jej dobra obrabialność, która umożliwia wydajne przetwarzanie i kształtowanie. Po obróbce cieplnej wykazuje doskonałą odporność na korozję, zapewniając długowieczność nawet w trudnych warunkach. Ponadto oferuje dobrą kombinację wytrzymałości i wytrzymałości, dzięki czemu jest niezawodna przy różnych obciążeniach.

Podczas gdy jego odporność na korozję i ciepło jest nieco gorsza od stali 1Cr13, 2Cr13 zachowuje stabilną odporność na utlenianie w powietrzu do 700℃. Dzięki temu nadaje się do zastosowań wymagających umiarkowanego narażenia na ciepło. Warto jednak zauważyć, że jego spawalność i plastyczność w stanie wyżarzonym nie są tak korzystne, jak stali 1Cr13. Mimo to stal 2Cr13 jest znana ze swoich doskonałych właściwości polerujących, co jest znaczącą zaletą w produkcji form, gdzie wykończenie powierzchni ma kluczowe znaczenie.

1. Skład chemiczny stali narzędziowej 2Cr13

Skład chemiczny stali 2Cr13 jest standaryzowany zgodnie z normą GB/T 1220—2007. Typowe ułamki masowe jej kluczowych pierwiastków to:

• Węgiel (C): 0,16% – 0,25% (zwykle około 0,16%)
• Krzem (Si): ≤1,00% (często ≤0,60%)
• Mangan (Mn): ≤1,00% (często ≤0,80%)
• Chrom (Cr): 12.00% – 14.00%
• Siarka (S): ≤0,030%
• Fosfor (P): ≤0,040% (czasami określane jako ≤0,035%)

Pierwiastki te przyczyniają się do wyjątkowych właściwości stali, przy czym chrom jest podstawowym pierwiastkiem stopowym zapewniającym odporność na korozję.

2. Stal narzędziowa 2Cr13 jest odpowiednikiem kilku innych norm:

• Niemiecki DIN: Numer materiału 1.4021, gatunek X20Cr13
• Brytyjski BS: Klasa S62
• Brytyjski EN: Klasy 56B/56C
• Francuski AFNOR: Klasa Z20C13
• Jednolity kod cyfrowy: S45830

Takie odsyłanie może być pomocne dla klientów z całego świata, którzy znają różne systemy normalizacyjne.

3. Właściwości fizyczne stali narzędziowej 2Cr13

Zrozumienie właściwości fizycznych stali 2Cr13 jest kluczowe dla jej zastosowania w różnych kontekstach inżynieryjnych. Oto kluczowe cechy fizyczne:

• Temperatura topnienia: 1450 – 1510℃
• Gęstość: 7,75 tony/m³
• Ciepło właściwe (cₚ): 459,8 J/(kg·K)

Właściwości te wpływają na zachowanie się stali podczas obróbki i eksploatacji.

Temperatury krytyczne:

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

Temperatury te mają istotne znaczenie w procesach obróbki cieplnej, gdyż definiują przemiany fazowe stali.

Moduł sprężystości (E):Sztywność stali 2Cr13 maleje wraz z temperaturą:

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

Współczynnik rozszerzalności liniowej (α): Mierzy on, o ile rozszerza się stal po podgrzaniu:

• 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

Przewodność cieplna (λ): Wskazuje, jak dobrze stal przewodzi ciepło:

• 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)

Rezystywność elektryczna (ρ): Wpływa na zachowanie stali w zastosowaniach elektrycznych:

• W temperaturze 20℃: 0,55 ×10⁻⁷ Ω·m
• W temperaturze 100℃: 0,65 ×10⁻⁷ Ω·m

Właściwości te są kluczowe dla projektantów i inżynierów przy wyborze stali 2Cr13 do konkretnych zastosowań, zwłaszcza tych, w których występują wahania temperatur lub elementy elektryczne.

4. Obróbka cieplna stali narzędziowej 2Cr13

Właściwy obróbka cieplna jest niezbędne, aby uwolnić pełny potencjał stali 2Cr13. Powszechnie stosuje się następujące procesy:

4.1 Kucie

• Ogrzewanie: Stal należy powoli podgrzewać do temperatury 850℃, przy obciążeniu pieca temperaturą ≤800℃.
• Temperatura kucia: Rozpocznij kucie w temperaturze 1160-1200℃ i zakończ w temperaturze ≥850℃.
• Chłodzenie: Po kuciu ostudź w piasku lub natychmiast wyżarzaj. Ze względu na słabą przewodność cieplną, nagrzewanie poniżej 850℃ powinno być stopniowe.
• Po kuciu: Powoli schładzaj odkuwki i natychmiast je odpuszczaj.

4.2 Zabieg zmiękczający

Aby zmniejszyć twardość podczas obróbki skrawaniem:

• Hartowanie w wysokiej temperaturze: 750-800℃
• Metoda alternatywna: Utrzymywać w temperaturze 875-900℃ przez 1-2 godziny, następnie chłodzić w temperaturze 15-20℃/h do temperatury poniżej 600℃, a następnie schładzać na powietrzu. Uzyskuje się twardość 170-200 HB.

Otrzymana struktura jest bogatym w chrom ferrytem z węglikami (Cr, Fe)₂₃C₆.

4.3 Hartowanie

• Temperatura: Zwykle około 1050℃.
• Chłodzenie: W przypadku małych form możliwe jest chłodzenie powietrzem w celu zminimalizowania deformacji. Większe formy są zazwyczaj hartowane olejem.

4.4 Hartowanie

Stal 2Cr13 jest często stosowana w dwóch stanach odpuszczenia:

• Aby uzyskać wysoką twardość i odporność na korozję: Hartować w temperaturze 200–350℃.
• Aby uzyskać zrównoważoną wytrzymałość, plastyczność i wytrzymałość: Hartować w temperaturze 650-750℃.

Notatka: Unikaj hartowania w temperaturze 400–600℃, aby zapobiec niepożądanym właściwościom.

4.5 Zalecane hartowanie i odpuszczanie

• Gaszenie: Hartowanie olejowe w temperaturze 980-1000℃.
• Ruszenie: Różni się w zależności od pożądanych właściwości.

4.6 Wyżarzanie odprężające

• Hartować w temperaturze 730-780℃, a następnie chłodzić na powietrzu.
• Po spawaniu odpuścić, aby odprężyć. Powolne chłodzenie w wysokich temperaturach może prowadzić do powstania bainitu.

4.7 Obróbka cieplna wstępnego utwardzania

• Podgrzać do temperatury 860-900℃ i schłodzić piec do temperatury 160-187 HBW.

4.8 Standardowe hartowanie i odpuszczanie

• Gaszenie: Podgrzać do temperatury 1000–1050℃, następnie schłodzić olejem lub wodą do ≥45 HRC.
• Ruszenie: W temperaturze 660-670℃ z chłodzeniem powietrznym do 20-23 HRC.

Procesy obróbki cieplnej pozwalają na dostosowanie właściwości stali do wymagań konkretnego zastosowania, zapewniając optymalną wydajność w różnych scenariuszach.

5. Właściwości mechaniczne stali 2Cr13

Właściwości mechaniczne stali 2Cr13 zależą w dużym stopniu od obróbki cieplnej, której jest poddawana. Poniżej przedstawiono typowe właściwości uzyskiwane poprzez różne procesy:

5.1 Po hartowaniu i odpuszczaniu

W przypadku próbek hartowanych w temperaturze 980–1000℃, chłodzonych olejem, a następnie odpuszczanych:

• Granica plastyczności (Rp0,2): ≥440 MPa
• Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): ≥640 MPa
• Wydłużenie (A): ≥20%
• Redukcja powierzchni (Z): ≥50%
• Energia uderzenia (Ku₂): ≥63 J
• Twardość (HBW): 192-223

5.2 Stan wyżarzony

W przypadku blach i taśm walcowanych na zimno ze stali nierdzewnej martenzytycznej wyżarzanej:

• Granica plastyczności (Rp0,2): ≥225 MPa
• Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): ≥520 MPa
• Wydłużenie (A): ≥18%
• Gięcie na zimno (180°): d = 2a
• Twardość (HBW): ≤223

5.3 Właściwości wysokotemperaturowe

Po hartowaniu w temperaturze 1000–1020℃, chłodzeniu olejem i odpuszczaniu w temperaturze 720–750℃ stal wykazuje następujące właściwości w podwyższonych temperaturach:

Temperatura testu (∘C)	Rozciąganie (Rm​, MPa)	Wydajność (Rp0,2​, MPa)	Wydłużenie (δ, %)	Czerwony. Obszar (ψ, %)	Uderzenie (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	–

Właściwości te świadczą o zdolności stali do zachowania wytrzymałości i ciągliwości w wyższych temperaturach, dzięki czemu nadaje się ona do zastosowań, w których występuje narażenie na działanie wysokich temperatur.

6. Zastosowania stali 2Cr13

Ze względu na zrównoważone właściwości stal 2Cr13 jest popularnym wyborem do różnych zastosowań. Szczególnie dobrze nadaje się do:

• Formy plastikowe: Szczególnie tam, gdzie występują duże obciążenia i środowiska korozyjne, w tym formy do przezroczystych wyrobów z tworzyw sztucznych.
• Elementy narażone na duże naprężenia: Takie jak łopatki turbin, wały i tuleje pomp oleju gorącego, wirniki oraz płyty zaworowe pras hydraulicznych.
• Dobra przemysłowe i konsumpcyjne: Należą do nich zastosowania w przemyśle papierniczym, sprzęcie medycznym oraz artykułach gospodarstwa domowego, takich jak noże i sztućce.

Ponadto stal 2Cr13 może być stosowana jako zamiennik stali typu Cr12 w produkcji matryc do wykrawania i ciągnienia. Po nawęglaniu, hartowaniu i odpuszczaniu może osiągnąć twardość powierzchniową 62-65 HRC i twardość rdzenia 38-41 HRC, co potencjalnie wydłuża żywotność form 1-2 razy w porównaniu z tradycyjnymi metodami obróbki stali Cr12.

7. Porównanie z innymi stalami

Zrozumienie, jak stal 2Cr13 wypada na tle podobnych materiałów, może pomóc w wyborze odpowiedniej stali do konkretnych potrzeb:

• W porównaniu ze stalą 1Cr13: 2Cr13 oferuje wyższą wytrzymałość i twardość po hartowaniu i odpuszczaniu, ale ma nieco niższą odporność na korozję i ciepło. Jego spawalność i plastyczność w stanie wyżarzonym są również gorsze.
• W porównaniu ze stalą 30Cr13: Stal 30Cr13 ma jeszcze większą wytrzymałość, twardość i hartowność niż stale 2Cr13 (20Cr13) i 12Cr13 po hartowaniu. Zapewnia pewną odporność na korozję w rozcieńczonym kwasie azotowym i słabych kwasach organicznych w temperaturze pokojowej, choć mniejszą niż 12Cr13 i 20Cr13.
• W porównaniu ze stalą 4Cr13: Stal 4Cr13 ma większą wytrzymałość i twardość niż stal 30Cr13, lecz niższą wytrzymałość i odporność na korozję oraz gorszą spawalność.
• W porównaniu ze stalą 20Cr13: 20Cr13 ma podobne właściwości jak 12Cr13, ale charakteryzuje się nieco większą wytrzymałością i twardością, a także niższą ciągliwością i odpornością na korozję.

Porównania te podkreślają kompromisy między różnymi właściwościami, umożliwiając inżynierom wybór najodpowiedniejszej stali w oparciu o specyficzne wymagania danego zastosowania.