NAK80 против P20 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
NAK80 и P20 — это две из самых часто используемых сталей для форм в отраслях литья под давлением и инструментального производства. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто взвешивают компромиссы между ними при выборе стали для вставок сердечника/полости, компонентов горячего канала и прототипов инструментов. Типичные контексты принятия решений включают балансировку между качеством поверхности и полируемостью против стоимости и обрабатываемости, или выбор между улучшенной коррозионной стойкостью и стандартными механическими характеристиками.
Основное практическое различие заключается в том, что NAK80 — это низкоуглеродная, никелевосодержащая предварительно закаленная сталь для форм, оптимизированная для высокой полируемости и улучшенной стойкости к коррозии, в то время как P20 — это легированная хромом и молибденом сталь для форм, разработанная для хорошей обрабатываемости, однородной закаливаемости и широкого доступности. Это различие влияет на выбор в отделке, обработке и долговечности деталей.
1. Стандарты и обозначения
- P20:
- Общие обозначения: AISI/UNS (часто упоминается как AISI P20), существуют эквиваленты DIN/EN в списках инструментальных сталей и различные национальные спецификации (например, списки JIS/GB, относящиеся к сталям для форм).
- Классификация: Легированная инструментальная сталь / предварительно закаленная сталь для форм.
- NAK80:
- Запатентованное/коммерческое название, широко используемое в индустрии пластиковых форм (продается несколькими производителями стали под обозначением NAK80).
- Классификация: Предварительно закаленная сталь для форм/инструментов с низким содержанием углерода и повышенным содержанием никеля, продаваемая как полируемая, коррозионно-стойкая сталь для форм.
Примечание: Ни один из классов не является нержавеющей сталью в строгом смысле (т.е. оба не относятся к аустенитной нержавеющей группе), но содержание никеля в NAK80 обеспечивает улучшенную коррозионную стойкость по сравнению с обычным P20.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица перечисляет типичные диапазоны состава, указанные в коммерческих технических листах. Составы варьируются в зависимости от поставщика; всегда проверяйте с сертификатом завода для данной партии.
| Элемент | Типичный состав (вт%) — NAK80 (приблизительно) | Типичный состав (вт%) — P20 (приблизительно) |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 0.25 – 0.35 |
| Mn | 0.20 – 0.80 | 0.40 – 0.80 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 0.8 – 1.6 | 1.2 – 1.8 |
| Ni | 2.5 – 4.5 | 0.2 – 0.8 |
| Mo | 0.2 – 0.6 | 0.1 – 0.4 |
| V | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
| Nb (Cb) | ≤ 0.03 | следы/− |
| Ti | следы/− | следы/− |
| B | следы/− | следы/− |
| N | следы/− | следы/− |
Как легирование влияет на поведение: - Углерод: Большое содержание углерода в P20 обеспечивает более высокий потенциал прочности в закаленном состоянии, но снижает полируемость и увеличивает риск образования твердых фаз, которые усложняют отделку и увеличивают вероятность трещин при сварке без предварительного нагрева/контролируемых процедур. - Никель: Повышенное содержание никеля в NAK80 улучшает прочность, пластичность и стойкость к коррозии (и способствует образованию тонкой, стабильной микроструктуры, благоприятной для высокоглянцевой полировки). - Хром и молибден: Оба класса включают Cr и Mo для обеспечения закаливаемости, стойкости к отпуску и износостойкости. Баланс P20 благоприятствует обрабатываемости и сквозной закалке; Cr/Mo в NAK80 настроен для дополнения Ni для качества поверхности и поведения при коррозии. - Микролегирующие элементы (V, Nb, Ti): Присутствуют в низких концентрациях для контроля размера зерна и поведения осаждения; влияют на обрабатываемость, прочность и реакцию на отпуск.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - P20: В предварительно закаленном (поставляемом) состоянии P20 обычно содержит закаленный мартенсит и закаленный бейнит с относительно более высоким содержанием карбидов (из-за более высокого углерода), которые распределены по всей матрице. После обычных циклов закалки и отпуска P20 достигает мартенситной микроструктуры с легированными карбидами. - NAK80: С более низким содержанием углерода и более высоким содержанием никеля, NAK80 в предварительно закаленном состоянии показывает закаленную мартенситную или бейнитную матрицу с меньшим и более тонким количеством карбидов. Никель стабилизирует более прочную, более пластичную матрицу и снижает образование крупных хромовых карбидов, проблематичных для зеркальной отделки.
Реакция на термообработку: - Нормализация: Обе стали реагируют на нормализацию для уточнения размера зерна, но NAK80 обычно поставляется вакуумно-обработанной и предварительно закаленной, чтобы минимизировать деформацию после обработки; нормализация менее распространена для деталей NAK80, предназначенных для высокой полировки. - Закалка и отпуск: P20 предназначена для термообработки до более высоких уровней твердости (и часто поставляется в предварительно закаленном состоянии для производственных форм). Закалка P20 требует осторожности с температурой аустенитизации для управления остаточным аустенитом и растворением карбидов. Более низкое содержание углерода в NAK80 ограничивает максимальную закаленную твердость, но обеспечивает более прощающее реагирование на отпуск и лучший контроль размеров для полировки. - Термомеханическая обработка: Обычно не применяется в контексте сталей для форм по сравнению со строительными сталями; оба класса полагаются на контролируемую термообработку, а не на горячекатаные процессы для достижения конечных свойств.
4. Механические свойства
Значения значительно варьируются в зависимости от термообработки и поставщика. Таблица показывает представительные диапазоны в поставляемом состоянии, часто встречающиеся в коммерческих данных.
| Свойство | NAK80 (типичное предварительно закаленное состояние) | P20 (типичное предварительно закаленное состояние) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~800 – 1,200 | ~800 – 1,100 |
| Предельная прочность (0.2% смещение, МПа) | ~600 – 900 | ~550 – 850 |
| Удлинение ( % ) | ~8 – 15 | ~8 – 15 |
| Ударная вязкость (Дж, Charpy V-образный вырез) | умеренная до хорошей (в зависимости от поставщика) | умеренная (зависит от термообработки) |
| Твердость (HRC) | ~28 – 36 (предварительно закаленная) | ~28 – 34 (предварительно закаленная) |
Интерпретация: - Прочность: В поставляемых образцах обе могут обеспечить схожие диапазоны прочности на растяжение/предельной прочности; более высокий углерод в P20 дает незначительно более высокий потенциал закалки, если полностью закалена и отпущена, но легирование NAK80 дает сопоставимые значения прочности на растяжение в коммерческих предварительно закаленных условиях. - Ударная вязкость и пластичность: NAK80, как правило, демонстрирует лучшую ударную вязкость и более пластичную склонность к разрушению при сопоставимой твердости благодаря никелю и более низкому углероду, что снижает количество хрупких карбидов и улучшает стойкость к ударам. - Твердость: Обе предлагаются в схожих предварительно закаленных диапазонах, оптимизированных для производства форм; максимальная достижимая твердость после полной закалки обычно выше для P20 из-за его более высокого углерода, но это связано с компромиссами в отделке.
5. Сварка
Соображения по сварке зависят от эквивалента углерода и микролегирования.
Два распространенных измерения: - Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden–Bennett / Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - P20 обычно имеет более высокое содержание углерода, что увеличивает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, повышая риск трещин, вызванных водородом, и требуя предварительного нагрева, контроля температуры между проходами и термообработки после сварки для критических ремонтов инструментов или толстых секций. - Низкое содержание углерода и более высокий никель в NAK80 снижают склонность к образованию твердых, хрупких зон, затронутых теплом при сварке; никель улучшает ударную вязкость и толерантность к температурным градиентам, что делает NAK80 более прощающим для сварки и локальных ремонтов. Тем не менее, из-за требований к точности форм и потенциальной сенсибилизации/контаминации сварка должна быть запланирована и проверена (включая выбор присадочного материала и PWHT, где это необходимо). - Оба класса выигрывают от низкогидрогенных расходных материалов, предварительного нагрева, где это рекомендуется, и пробных сварок для установления параметров. Для высокоточных форм сварка часто избегается на готовых поверхностях или сопровождается повторной обработкой/полировкой.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни NAK80, ни P20 не являются нержавеющей сталью, предназначенной для долгосрочной стойкости к коррозии при погружении. Однако повышенное содержание никеля в NAK80 обеспечивает заметно лучшую стойкость к легким коррозионным средам (влажным, слабоагрессивным условиям литья и многократной очистке) по сравнению с P20.
- Когда требуется коррозионная стойкость, обе стали обычно защищены с помощью поверхностных мер:
- Электропокрытие (никель, твердый хром) для защиты от износа и коррозии.
- Химическая или физическая пассивация не применима, как в случае с нержавеющими сталями.
- Регулярное обслуживание и контроль сушки/осушителей в хранилище инструментов уменьшают ржавление.
- PREN (число эквивалента стойкости к питтингу) имеет значение только для нержавеющих классов; для информационных целей: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не применим к NAK80 или P20 как к сталям для форм (они не являются хромосодержащими нержавеющими сталями с значительным содержанием азота).
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- P20: Исторически предпочитается за обрабатываемость. Более высокое содержание углерода, предсказуемое распределение карбидов и установленные параметры инструмента делают P20 простым для фрезерования, сверления и EDM перед финальной термообработкой. Элементы, образующие карбиды, и микроструктура совместимы со стандартными высокоскоростными инструментами.
- NAK80: В некоторых случаях немного сложнее обрабатывать, чем P20 из-за тенденций никеля к упрочнению при деформации и более прочной матрицы; однако современные инструменты и параметры резания уменьшают различия. NAK80 хорошо обрабатывается при использовании высококачественных карбидных инструментов и отрегулированных подач.
- EDM и отделка поверхности:
- Обе стали подходят для EDM. NAK80 часто дает превосходную зеркальную полировку и целостность краев благодаря меньшему количеству крупных карбидов и тонкой матрице — это важно для оптических поверхностей и глянцевых пластиковых деталей.
- Формуемость/гибкость:
- Поскольку стали для форм используются в блоках, формование не является первоочередной задачей; однако для толстых секций и сварочных обрезков NAK80 лучше переносит деформацию и ремонтную сварку, чем высокоуглеродные альтернативы.
- Отделка поверхности:
- NAK80 разработана для высокополируемых классов (RA и зеркальная отделка) с меньшей склонностью к микропиттингу и "апельсиновой корке" после многократных циклов. P20 можно полировать до высокого блеска, но может потребоваться больше корректирующей шлифовки и пассивации.
8. Типичные применения
| NAK80 | P20 |
|---|---|
| Каверны и сердечники форм для литья под давлением с высоким блеском, где зеркальная отделка и коррозионная стойкость (влажность/очистка) являются приоритетами | Базы форм общего назначения, вставки и сердечники/полости, где стоимость и широкая обрабатываемость являются приоритетами |
| Малые и средние производственные формы, где требуется частая полировка и косметическое качество поверхности | Крупные производственные формы, прототипы и формы, где необходимы стандартные характеристики и широкая доступность |
| Компоненты горячего канала, деликатные оптические детали и вставки для тонкостенных форм, где важна стойкость поверхности к коррозии/дефектам | Структурные компоненты форм, опоры и детали, которые будут сильно обрабатываться/термообрабатываться после изготовления |
| Формы, требующие частых циклов обслуживания с повторной полировкой поверхности | Формы, где требуется более высокая конечная твердость после закалки/отпуска и планируется обработка после термообработки |
Обоснование выбора: - Выбирайте NAK80, когда качество поверхности, коррозионная стойкость и минимальные усилия по полировке в течение жизненного цикла формы являются основными требованиями. - Выбирайте P20, когда стоимость, стандартизированная обработка и максимальная закаливаемость или более высокая конечная твердость важнее.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: P20, как правило, дешевле на килограмм из-за более простого легирования и широкого объема производства. NAK80 обычно имеет надбавку за содержание легирующих элементов (в частности, никеля), вакуумное плавление и маркетинг как полируемой стали для форм.
- Доступность: P20 широко доступна в различных размерах и формах (блоки, пластины, предварительно закаленные пластины). NAK80 также широко доступна, но может иметь более длительные сроки поставки или ограниченную доступность в очень крупных секциях в зависимости от поставщика и региональных запасов.
- Формы продукции: Обе доступны в виде предварительно закаленных пластин, блоков и иногда сквозно закаленных прутков; NAK80 чаще указывается в предварительно закаленном состоянии для сохранения качества поверхности.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | NAK80 | P20 |
|---|---|---|
| Сварка (качественная) | Лучше (низкий C, высокий Ni) | Хорошо до умеренно (высокий C → больше предосторожностей при сварке) |
| Баланс прочности и ударной вязкости | Отличная ударная вязкость при сопоставимой твердости | Хороший потенциал прочности; ударная вязкость зависит от термообработки |
| Стоимость | Выше (премиальное легирование, готовый товар) | Ниже (коммерческая сталь для форм) |
Выбирайте NAK80, если: - Зеркальная отделка/полируемость и косметическое качество детали критичны. - Форма будет подвергаться воздействию влажности, регулярной очистке или слабо коррозионным средам, и вам требуется улучшенная коррозионная стойкость без покрытия. - Ожидается частая повторная полировка на форме и долгий косметический срок службы, и вы хотите минимизировать циклы отделки.
Выбирайте P20, если: - Бюджет и доступность материала являются основными ограничениями. - Вам нужна хорошо понятная, легко обрабатываемая сталь для форм, подходящая для широкого спектра литьевых приложений. - Требуется более высокая закаливаемость или возможность закалки/отпуска до более высокой твердости, а требования к косметическому качеству поверхности умеренные или будут решены с помощью покрытий/покрытия.
Заключительная заметка: Для производственных решений получите и сравните сертификаты завода, подтвердите рекомендуемые поставщиком практики обработки и термообработки, а также проведите пробные обработки/полировки и, где это применимо, сварочные испытания. Фактическая производительность детали зависит от конкретного легирования, размера секции и применяемых термических и механических процессов.