Orodno jeklo 2Cr13: obsežen pregled

Orodno jeklo 2Cr13 je vsestranski material, ki se pogosto uporablja pri izdelavi plastičnih kalupov, zlasti tistih, ki zahtevajo ravnotežje med trdnostjo, žilavostjo in odpornostjo proti koroziji. Kot nizkoogljično martenzitno nerjavno jeklo se običajno uporablja po kaljenju in popuščanju. Ta toplotna obdelava izboljša njegove mehanske lastnosti, zaradi česar je primeren za zahtevne aplikacije.

Ena izmed ključnih prednosti jekla 2Cr13 je njegova dobra obdelovalnost, ki omogoča učinkovito obdelavo in oblikovanje. Po toplotni obdelavi izkazuje odlično odpornost proti koroziji, kar zagotavlja dolgo življenjsko dobo tudi v težkih okoljih. Poleg tega ponuja dobro kombinacijo trdnosti in žilavosti, zaradi česar je zanesljiv pri različnih obremenitvah.

Medtem ko je njegova odpornost proti koroziji in toploti nekoliko slabša od tistih iz jekla 1Cr13, 2Cr13 ohranja stabilno odpornost proti oksidaciji na zraku do 700 ℃. Zaradi tega je primeren za aplikacije, ki vključujejo zmerno izpostavljenost toploti. Vendar je treba omeniti, da njegova varivost in plastičnost v žarjenem stanju nista tako ugodni kot pri jeklu 1Cr13. Kljub temu je jeklo 2Cr13 znano po odličnih lastnostih poliranja, kar je pomembna prednost pri izdelavi kalupov, kjer je površinska obdelava kritična.

1. Kemična sestava orodnega jekla 2Cr13

Kemična sestava jekla 2Cr13 je standardizirana v skladu z GB/T 1220—2007. Tipični masni deleži njegovih ključnih elementov so:

• Ogljik (C): 0,16% – 0,25% (običajno okoli 0,16%)
• Silicij (Si): ≤1,00% (pogosto ≤0,60%)
• Mangan (Mn): ≤1,00% (pogosto ≤0,80%)
• Krom (Cr): 12.00% – 14.00%
• Žveplo (S): ≤0,030%
• Fosfor (P): ≤0,040% (včasih navedeno kot ≤0,035%)

Ti elementi prispevajo k edinstvenim lastnostim jekla, pri čemer je krom primarni legirni element, ki daje odpornost proti koroziji.

2. Orodno jeklo 2Cr13 je enakovredno več drugim standardom:

• nemški DIN: Številka materiala 1.4021, razred X20Cr13
• Britanski BS: Stopnja S62
• Britanski EN: Stopnje 56B/56C
• Francoski AFNOR: Stopnja Z20C13
• Enotna digitalna koda: S45830

To navzkrižno sklicevanje je lahko koristno za globalne stranke, ki poznajo različne sisteme standardizacije.

3. Fizikalne lastnosti orodnega jekla 2Cr13

Razumevanje fizikalnih lastnosti jekla 2Cr13 je ključnega pomena za njegovo uporabo v različnih inženirskih kontekstih. Tu so glavne fizične značilnosti:

• Tališče: 1450 – 1510 ℃
• Gostota: 7,75 t/m³
• Specifična toplotna kapaciteta (cₚ): 459,8 J/(kg·K)

Te lastnosti vplivajo na obnašanje jekla med predelavo in uporabo.

Kritične temperature:

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

Te temperature so pomembne za postopke toplotne obdelave, saj določajo fazne transformacije jekla.

Modul elastičnosti (E): Togost jekla 2Cr13 se zmanjšuje s temperaturo:

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

Koeficient linearne ekspanzije (α): To meri, koliko se jeklo razširi pri segrevanju:

• 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

Toplotna prevodnost (λ): Označuje, kako dobro jeklo prevaja toploto:

• 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)

Električna upornost (ρ): Vpliva na obnašanje jekla v električnih aplikacijah:

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

Te lastnosti so bistvenega pomena za oblikovalce in inženirje, ki jih morajo upoštevati pri izbiri jekla 2Cr13 za posebne aplikacije, zlasti tiste, ki vključujejo temperaturne spremembe ali električne komponente.

4. Toplotna obdelava orodnega jekla 2Cr13

Pravilno toplotna obdelava je ključnega pomena za sprostitev celotnega potenciala jekla 2Cr13. Običajno se uporabljajo naslednji postopki:

4.1 Kovanje

• Ogrevanje: Počasi segrevajte jeklo, preden dosežete 850 ℃, pri čemer je peč napolnjena pri ≤800 ℃.
• Temperatura kovanja: Kovanje začnite pri 1160-1200 ℃ in končajte pri ≥850 ℃.
• Hlajenje: Po kovanju ohladite v pesku ali takoj žarite. Zaradi slabe toplotne prevodnosti mora biti segrevanje pod 850 ℃ postopno.
• Naknadno kovanje: Kovane dele počasi ohladite in takoj popustite.

4.2 Mehčanje

Za zmanjšanje trdote za obdelavo:

• Visokotemperaturno kaljenje: 750-800 ℃
• Alternativna metoda: Držite pri 875-900 ℃ 1-2 uri, nato ohladite pri 15-20 ℃/h pod 600 ℃, čemur sledi zračno hlajenje. S tem dosežemo trdoto 170-200 HB.

Nastala struktura je s kromom bogat ferit s karbidi (Cr, Fe)₂₃C₆.

4.3 Kaljenje

• Temperatura: Običajno okoli 1050 ℃.
• Hlajenje: Pri majhnih kalupih je možno zračno hlajenje za zmanjšanje deformacije. Večje kalupe običajno kalimo v olju.

4.4 Kaljenje

Jeklo 2Cr13 se pogosto uporablja v dveh pogojih kaljenja:

• Za visoko trdoto in odpornost proti koroziji: Kaljenje pri 200-350 ℃.
• Za uravnoteženo trdnost, plastičnost in žilavost: Kaljenje pri 650-750 ℃.

Opomba: Izogibajte se kaljenju med 400-600 ℃, da preprečite neželene lastnosti.

4.5 Priporočeno kaljenje in popuščanje

• Kaljenje: Olje zaduši od 980-1000 ℃.
• Kaljenje: Razlikuje se glede na želene lastnosti.

4.6 Žarjenje za lajšanje napetosti

• Kaljenje pri 730-780 ℃, ki mu sledi zračno hlajenje.
• Po varjenju popustite, da zmanjšate napetost. Počasno ohlajanje pri visokih temperaturah lahko povzroči nastanek bainita.

4.7 Toplotna obdelava pred utrjevanjem

• Segrejte na 860-900 ℃ in peč ohladite, da dosežete 160-187 HBW.

4.8 Standardno kaljenje in popuščanje

• Kaljenje: Segrejte na 1000-1050 ℃, nato olje ali vodo ohladite na ≥45 HRC.
• Kaljenje: Pri 660-670 ℃ z zračnim hlajenjem na 20-23 HRC.

Ti postopki toplotne obdelave omogočajo prilagajanje lastnosti jekla specifičnim zahtevam uporabe, kar zagotavlja optimalno delovanje v različnih scenarijih.

5. Mehanske lastnosti jekla 2Cr13

Mehanske lastnosti jekla 2Cr13 so močno odvisne od toplotne obdelave, ki ji je podvrženo. Spodaj so tipične lastnosti, dosežene z različnimi postopki:

5.1 Po kaljenju in kaljenju

Za vzorce, kaljene od 980-1000 ℃, ohlajene z oljem in nato temperirane:

• Meja tečenja (Rp0,2): ≥440 MPa
• Natezna trdnost (Rm): ≥640 MPa
• Raztezek (A): ≥20%
• Zmanjšanje površine (Z): ≥50%
• Energija udarca (Ku₂): ≥63 J
• Trdota (HBW): 192-223

5.2 Razbeljeno stanje

Za hladno valjane pločevine in trakove iz žarjenega martenzitnega nerjavnega jekla:

• Meja tečenja (Rp0,2): ≥225 MPa
• Natezna trdnost (Rm): ≥520 MPa
• Raztezek (A): ≥18%
• Hladno upogibanje (180°): d = 2a
• Trdota (HBW): ≤223

5.3 Lastnosti pri visokih temperaturah

Po kaljenju pri 1000-1020 ℃, hlajenju z oljem in popuščanju pri 720-750 ℃ ima jeklo pri povišanih temperaturah naslednje lastnosti:

Testna temperatura (∘C)	Natezna trdnost (Rm​, MPa)	Izkoristek (Rp0,2​, MPa)	Raztezek (δ, %)	Rdeča. Površina (ψ, %)	Udar (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	–

Te lastnosti dokazujejo sposobnost jekla, da ohrani trdnost in duktilnost pri višjih temperaturah, zaradi česar je primerno za uporabo pri izpostavljenosti toploti.

6. Uporaba jekla 2Cr13

Zaradi svojih uravnoteženih lastnosti je jeklo 2Cr13 priljubljena izbira za različne aplikacije. Še posebej je primeren za:

• Plastični kalupi: Še posebej tiste pod visokimi obremenitvami in korozivnimi okolji, vključno s kalupi za prozorne plastične izdelke.
• Visoko obremenjene komponente: Kot so turbinske lopatice, gredi in tulci črpalk za vroče olje, rotorji in plošče hidravličnega tlačnega ventila.
• Industrijsko in potrošniško blago: To vključuje uporabo v papirni industriji, medicinski opremi in gospodinjskih predmetih, kot so noži in jedilni pribor.

Poleg tega se jeklo 2Cr13 lahko uporablja kot nadomestek za jeklo tipa Cr12 pri izdelavi orodij za prebijanje in vlečenje. Pri obdelavi z naogljičenjem, kaljenjem in popuščanjem lahko doseže površinsko trdoto 62–65 HRC in trdoto jedra 38–41 HRC, kar potencialno podaljša življenjsko dobo kalupov za 1–2 krat v primerjavi s tradicionalno obdelavo jekla Cr12.

7. Primerjava z drugimi jekli

Razumevanje primerjave jekla 2Cr13 s podobnimi materiali lahko pomaga pri izbiri pravega jekla za posebne potrebe:

• Vs. Jeklo 1Cr13: 2Cr13 ponuja višjo trdnost in trdoto po kaljenju in popuščanju, vendar ima nekoliko nižjo korozijsko in toplotno odpornost. Tudi njegova varivost in plastičnost v žarjenem stanju sta slabši.
• Vs. Jeklo 30Cr13: 30Cr13 ima še večjo trdnost, trdoto in kaljivost kot jekla 2Cr13 (20Cr13) in 12Cr13 po kaljenju. Zagotavlja nekaj korozijske odpornosti na razredčeno dušikovo kislino in šibke organske kisline pri sobni temperaturi, čeprav manj kot 12Cr13 in 20Cr13.
• Vs. Jeklo 4Cr13: 4Cr13 ima večjo trdnost in trdoto kot 30Cr13, vendar nižjo žilavost in odpornost proti koroziji, s slabšo varljivostjo.
• Vs. Jeklo 20Cr13: 20Cr13 ima podobne lastnosti kot 12Cr13, vendar z nekoliko večjo trdnostjo, trdoto ter nižjo žilavostjo in odpornostjo proti koroziji.

Te primerjave poudarjajo kompromise med različnimi lastnostmi, kar inženirjem omogoča, da izberejo najustreznejše jeklo glede na specifične zahteve njihove aplikacije.