Cr12 против Cr12MoV – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Cr12 и Cr12MoV — это высокохромистые, высокоуглеродистые инструментальные стали, широко используемые для холодной обработки, ножей для резки, штампов и матриц. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора между приоритетом износостойкости (для долгого срока службы и точных допусков) и приоритетом устойчивости к сколам и разрушениям (для ударной или прерывистой резки). Ключевое практическое различие между этими марками заключается в балансе прочности и износостойкости, достигаемом за счет целенаправленного добавления Mo и V в Cr12MoV.

Обе стали часто сравниваются, поскольку они имеют богатую хромом, высокоуглеродистую базовую химию, которая образует твердые карбиды и высокую твердость после термообработки, в то время как вариации легирования создают значительные различия в закаливаемости, вторичной закалке и дисперсии карбидов — факторах, определяющих эксплуатационные характеристики и выбор обработки.

1. Стандарты и обозначения

Общие стандарты и обозначения, под которыми можно найти Cr12 и Cr12MoV или близкие эквиваленты:

• GB/T (Китай): Cr12 — это внутреннее обозначение; Cr12MoV — это вариант с добавлением Mo и V.
• EN: Сравнимые семейства инструментальных сталей обозначаются как D-серия (например, D2) или X-серия в зависимости от легирования; эквиваленты следует проверять по химическому составу.
• JIS: Японские стандарты инструментальных сталей перечисляют аналогичные высокохромистые стали для холодной обработки под серией JS; проверьте точное химическое соответствие.
• ASTM/ASME: Инструментальные стали охватываются стандартами ASTM A600/A681 для стальных прутков и других спецификаций — перекрестная ссылка по составу.
• Классификация: Как Cr12, так и Cr12MoV являются высокоуглеродистыми, высокохромистыми инструментальными сталями (семейство инструментальных сталей). Они не являются нержавеющими (в смысле коррозионной стойкости), и не являются конструкционными сталями HSLA.

Всегда подтверждайте эквивалентность, проверяя фактический химический состав и требования к механическим свойствам в сертификатах поставщиков.

2. Химический состав и стратегия легирования

Типичные номинальные составы (в % по массе), обычно указываемые для коммерческих марок Cr12 и Cr12MoV. Это представительные диапазоны, используемые производителями; проверьте фактические сертификаты завода для закупок.

Элемент	Cr12 (типичный, % по массе)	Cr12MoV (типичный, % по массе)
C	1.35 – 1.65	1.35 – 1.65
Mn	0.20 – 0.60	0.20 – 0.60
Si	0.20 – 0.80	0.20 – 0.80
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	≤ 0.10 (часто следовые)	0.20 – 1.00
V	≤ 0.10 (часто следовые)	0.05 – 0.50
Nb	≤ 0.02	≤ 0.02
Ti	≤ 0.02	≤ 0.02
B	≤ 0.001	≤ 0.001
N	Следы	Следы

Как легирующие элементы влияют на свойства: - Углерод (C): Основной элемент закалки; высокий углерод способствует высокой твердости за счет образования карбидов, но снижает свариваемость и прочность. - Хром (Cr): Способствует образованию твердых хромовых карбидов (похожие на M7C3/M23C6 в высокоуглеродистых сталях), улучшает износостойкость и способствует закаливаемости. - Молибден (Mo): Увеличивает закаливаемость, уточняет матрицу карбидов, придает вторичную закалку и прочность при повышенных температурах, а также улучшает прочность по сравнению с аналогом без Mo. - Ванадий (V): Образует очень твердые, мелкие ванадиевые карбиды, которые уточняют зерно и улучшают износостойкость и устойчивость к абразивному износу; способствует вторичной закалке и прочности, фиксируя границы зерен. - Марганец и кремний: Деоксидаторы и модификаторы прочности/закаливаемости в умеренных количествах. - P, S: Держатся на низком уровне, чтобы избежать хрупкости и проблем с обрабатываемостью.

Cr12 оптимизирован для максимизации содержания хромовых карбидов для износостойкости с минимальным содержанием Mo и V. Cr12MoV добавляет Mo и V для улучшения закаливаемости, прочности и дисперсии карбидов за счет незначительного увеличения стоимости и снижения свариваемости.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - В состоянии прокатки или нормализации: Смесь закаленного мартенсита/феррита с дисперсными хромистыми карбидами (похожие на Cr7C3/Cr23C6) и вторичными карбидами. Cr12 показывает более крупные хромовые карбиды; Cr12MoV показывает более мелкие, равномерно распределенные карбиды с осадками, богатыми Mo и V. - После закалки и отпускания: Преобладающая мартенситная матрица с сетью стабильных хромовых карбидов и мелких карбидов Mo/V для Cr12MoV. Cr12, как правило, сохраняет более крупные, непрерывные сети карбидов, которые максимизируют устойчивость к абразивному износу, но могут действовать как места инициирования трещин под ударными нагрузками.

Реакция на термообработку: - Нормализация: Уточняет зерно и помогает растворить некоторые карбиды; полезно перед механической обработкой или дальнейшей переработкой. - Закалка (аустенизация и закалка): Типичные температуры аустенизации для инструментальных сталей семейства Cr12 высокие (например, в диапазоне 1000–1050°C в зависимости от размера сечения и состава), чтобы растворить карбиды насколько это возможно для максимальной вторичной закалки; следуйте рекомендациям поставщика. Быстрая закалка (масло или прерывистое масло) приводит к образованию мартенсита; содержание легирующих элементов контролирует остаточную аустенитность и закаливаемость. - Отпуск: Проводится на нескольких стадиях отпуска, чтобы снизить остаточную аустенитность, развить вторичную твердость (особенно в марках с Mo) и снять напряжения. Cr12MoV часто демонстрирует более сильную вторичную закалку благодаря карбидам Mo/V; это позволяет достичь немного лучшего баланса прочности/твердости после отпуска.

Термо-механическая обработка (контролируемая прокатка, ковка) может улучшить прочность и однородность карбидов и особенно полезна для Cr12MoV, чтобы использовать его легирование для уточненных карбидов.

4. Механические свойства

Типичные диапазоны механических свойств после соответствующей закалки и отпуска; значения варьируются в зависимости от рецепта термообработки, размера сечения и поставщика. Подтвердите значения из отчетов испытаний завода для проектирования.

Свойство	Cr12 (типичный диапазон)	Cr12MoV (типичный диапазон)
Устойчивость к растяжению (МПа)	900 – 1800	1000 – 2000
Устойчивость к текучести (МПа)	700 – 1500	800 – 1700
Удлинение (%)	2 – 10	2 – 12
Ударная вязкость (Дж, Шарпи)	Низкая до умеренной; улучшается с отпуском	Умеренная; как правило, выше, чем у Cr12 при аналогичной твердости
Твердость (HRC)	55 – 62 (полностью закаленная)	55 – 62 (полностью закаленная); может лучше сохранять твердость в больших сечениях

Объяснение: - Прочность и твердость в основном определяются углеродом и мартенситной матрицей; обе марки могут достигать схожей пиковой твердости. Cr12MoV часто достигает сопоставимой твердости, обеспечивая при этом лучшую прочность и полную закалку благодаря Mo и V. - Прочность: Cr12MoV обычно более прочный (менее хрупкий) при эквивалентной твердости, поскольку Mo увеличивает закаливаемость, а V уточняет карбиды и границы зерен, снижая склонность к распространению трещин. - Пластичность: Обе марки имеют низкую пластичность при высокой твердости, но Cr12MoV может обеспечить немного более высокое удлинение в определенных обработках.

5. Свариваемость

Свариваемость высокоуглеродистых, высокохромистых инструментальных сталей обычно является сложной задачей. Ключевые факторы: высокое содержание углерода, сеть карбидов и закаливаемость.

Отраслевые формулы для оценки свариваемости и требований к предварительному нагреву: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более детальный параметр (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация: - Обе формулы показывают влияние C, Cr, Mo и V на закаливаемость и склонность к холодным трещинам. Более высокие значения указывают на необходимость предварительного нагрева, контролируемого теплового ввода и постсварочной термообработки. - Cr12 (с высоким содержанием C и Cr) обычно требует значительного предварительного нагрева и постсварочного отпуска; свариваемость плохая без строгих процедур. - Cr12MoV, с добавлением Mo и V, увеличивает закаливаемость и может еще больше повысить значения CE/Pcm, что может ухудшить свариваемость в терминах риска трещин, но контролируемые сварочные процедуры и соответствующие filler metals с аналогичной или немного более низкой закаливаемостью, предварительный нагрев для снижения скорости охлаждения и местный постсварочный отпуск могут обеспечить приемлемые соединения. - Лучшие практики: избегайте сварки, когда это возможно; предпочитайте механическое крепление или пайку. Если сварка необходима, проконсультируйтесь с техническими условиями сварки (WPS) от поставщика материала и проведите квалификационные испытания.

6. Коррозия и защита поверхности

Ни Cr12, ни Cr12MoV не являются нержавеющими в общепринятом смысле; их содержание хрома немного улучшает коррозионную стойкость по сравнению с обычной углеродной сталью, но не обеспечивает пассивацию, сопоставимую с нержавеющими сплавами.

• Варианты защиты поверхности: гальванизация, горячее цинкование (ограничено для инструментальных сталей из-за изменений в термообработке), покраска, порошковая окраска и специальные покрытия, такие как PVD/CVD, хромирование или нитрование для улучшения срока службы поверхности и защиты от коррозии.
• Термо-химические обработки: Нитрование может улучшить твердость поверхности и износостойкость для определенных марок инструментальной стали, но должно быть оценено с учетом желаемых размеров и прочностных свойств.
• Формула PREN не применима к этим не нержавеющим инструментальным сталям: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Использование PREN имеет смысл только для коррозионно-стойких нержавеющих сталей; для сталей семейства Cr12 защита поверхности и покрытия определяют эксплуатационные характеристики коррозии.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: В состоянии отжига обе марки обрабатываемы, но сложнее, чем низколегированные стали из-за высокого содержания углерода и твердых карбидов. Cr12MoV может быть немного менее обрабатываемым из-за мелких карбидов Mo/V; используйте инструмент из карбида, высокие скорости резания и жесткие установки. Грубая обработка обычно выполняется в состоянии отжига.
• Шлифовка и отделка: Обе требуют абразивов, подходящих для твердых карбидов; более крупные карбиды Cr12 могут вызывать вибрацию, если инструмент не оптимизирован.
• Формование и изгиб: Ограниченная холодная формуемость из-за высокого содержания углерода и карбидов; формование обычно выполняется в состоянии отжига или избегается. Горячее формование возможно, но потребует повторного нагрева и полной термообработки.
• Соображения по термообработке: Риск деформации во время закалки и отпуска требует тщательной фиксации и допуска на механическую обработку.

8. Типичные применения

Cr12 (распространенные применения)	Cr12MoV (распространенные применения)
Ножи для резки, ножи гильотины	Инструменты для тяжелых ударов и матрицы, подверженные ударам и износу
Ножи для резки, инструменты для холодной резки	Компоненты прогрессивных матриц, где необходима полная закалка и прочность
Полости форм для пластмасс для абразивных материалов	Матрицы для высоких нагрузок с прерывистой резкой
Износостойкие пластины с умеренным воздействием ударов	Инструменты, требующие улучшенной устойчивости к сколам и более длительного срока службы в больших сечениях

Обоснование выбора: - Выбирайте Cr12, когда важны максимальная устойчивость к абразивному износу и экономическая эффективность, и когда нагрузки в основном непрерывные (скольжение или постоянный абразивный износ) с ограниченным воздействием или ударом. - Выбирайте Cr12MoV, когда инструменты подвергаются более высоким ударам, прерывистой резке, большим сечениям, где важна полная закалка, или когда требуется немного более высокая прочность и устойчивость к распространению трещин.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Cr12, как правило, дешевле, чем Cr12MoV из-за отсутствия молибдена и значительного ванадия. Mo и V являются более дорогими легирующими элементами и увеличивают производственные затраты.
• Доступность: Обе марки широко доступны у производителей инструментальных сталей и сервисных центров в обычных формах продукции (круглые прутки, плоские прутки, пластины, закаленные и отпущенные блоки). Варианты Cr12 без Mo/V могут быть немного более распространены и дешевле в товарных партиях; Cr12MoV может потребовать планирования запасов для специализированных размеров или состояний термообработки.
• Формы продукции: Прутки, пластины и предварительно закаленные блоки; кованые и отожженные заготовки доступны для обеих марок, с сроками выполнения в зависимости от термообработки и услуг механической обработки.

10. Резюме и рекомендации

Свойство	Cr12	Cr12MoV
Свариваемость	Плохая; требует строгого предварительного нагрева/после нагрева	Плохая до умеренной; требует тщательного контроля, может быть хуже по CE, но предлагает способы снижения риска трещин
Баланс прочности и прочности	Высокая твердость и износостойкость; низкая прочность	Схожая пиковой твердость, но улучшенная прочность и полная закалка
Стоимость	Ниже	Выше

Рекомендация: - Выбирайте Cr12, если вам нужна экономически эффективная, высокоизносостойкая инструментальная сталь для абразивного скольжения, резки тонким краем или применения, где ударные нагрузки ограничены и сварка должна быть избегнута. - Выбирайте Cr12MoV, если применение связано с прерывистой резкой, более высокими ударными или шоковыми нагрузками, большими размерами сечений, где важна полная закалка, или когда вам требуется лучший баланс прочности без значительной потери твердости поверхности — принимая более высокую стоимость материала и необходимость более тщательной термообработки и сварочных процедур.

Заключительная практическая заметка: всегда проверяйте сертификаты завода поставщика на химический состав и практику термообработки, проводите пробные термообработки и испытания на эксплуатацию для критически важных инструментов и консультируйтесь с техническими паспортами производителя стали, чтобы соответствовать конкретному варианту (например, точные уровни Mo и V) вашим потребностям в применении.