P20 против 2738 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

P20 и 2738 — две широко используемые стали в секторе изготовления пресс-форм и оснастки для пластмасс. Инженерам, менеджерам по закупкам и планировщикам производства часто приходится выбирать между ними при подборе основы пресс-формы, сердечников, полостей или вставок. Основные факторы выбора включают баланс между обрабатываемостью и стоимостью, с одной стороны, и закаливаемостью, износостойкостью и долговременной размерной стабильностью при циклических термомеханических нагрузках — с другой.

Главное отличие этих двух марок — стратегия легирования и предполагаемый диапазон рабочих характеристик: P20 разработана как предварительно отпущенная, хорошо обрабатываемая сталь для пресс-форм со средней прочностью, отличной полируемостью и свариваемостью; 2738 — более высоколегированная инструментальная/пресс-форменная сталь, оптимизированная для большей закаливаемости, износостойкости и термоустойчивости. Поскольку обе марка широко применяются для пластмассовых форм, их часто сравнивают по компромиссным характеристикам стоимости, необходимости термообработки после мехобработки и эксплуатационной долговечности.

1. Стандарты и обозначения

• P20
• В Северной Америке обычно обозначается как AISI/ASTM P20 (сталь для пресс-форм). Аналоги или схожие обозначения встречаются в EN/ISO и национальных стандартах под торговыми названиями поставщиков стали.
• Классифицируется как низко- и среднелегированная инструментальная/пресс-форменная сталь (как правило, поставляется предварительно закаленной).
• 2738
• В некоторых системах поставщиков и национальных стандартах обозначается просто «2738» (обратите внимание, что точные номера марок варьируются в зависимости от страны и производителя). Обычно рассматривается как более высоколегированная инструментальная/пресс-форменная сталь.
• Классифицирована как легированная инструментальная сталь для пресс-форм с лучшей закаливаемостью по сравнению с P20.

Примечание: всегда проверяйте точный стандарт/техническую спецификацию и сертификат поставщика относительно химического состава и гарантированных механических свойств, так как обозначения и эквиваленты отличаются в разных регионах и у производителей.

2. Химический состав и стратегия легирования

В следующей таблице приведено типичное легирование для каждой марки. Значения носит описательный характер, поскольку точное содержание элементов зависит от стандарта и поставщика; для точных данных обращайтесь к сертификатам материала.

Элемент	P20 (типичная роль)	2738 (типичная роль)
C (Углерод)	Средний: сбалансирован для обрабатываемости, прочности и полируемости	Средний — повышенный: увеличивает потенциал твердости и износостойкость
Mn (Марганец)	Умеренный: деоксидант, поддержка прочности и ударной вязкости	Умеренный: способствует закаливаемости и прочности
Si (Кремний)	Низкий — следы: деоксидант и усилитель прочности	Низкий — следы: деоксидант и усилитель прочности
P (Фосфор)	Следы (контролируемая примесь)	Следы (контролируемая примесь)
S (Сера)	Следы (улучшает обрабатываемость при свободной резке)	Следы (обычно минимизирована для повышения вязкости)
Cr (Хром)	Умеренный: повышает закаливаемость, износостойкость и стабильность отпуска	Повышенный: сильный вклад в закаливаемость, износостойкость и термостойкость
Ni (Никель)	Низкий или отсутствует: не является основным легирующим элементом	Может присутствовать в небольших количествах для повышения вязкости в некоторых вариантах
Mo (Молибден)	Небольшое или умеренное: усиливает закаливаемость и термостойкость отпуска	Умеренное — значительное: улучшает закаливаемость и прочность отпуска
V (Ванадий)	Низкий (микролегирование): улучшает зеренную структуру и износостойкость	Присутствует в больших количествах в многих вариантах 2738 для улучшения карбидного состава и износостойкости
Nb/Ti/B (микролегирующие элементы)	Как правило, низкие или отсутствуют; иногда микролегирование для контроля зерна	Могут присутствовать в микроконцентрациях для улучшения структуры и контроля зерна
N (Азот)	Следы	Следы

Влияние легирования на свойства: - Углерод и легирующие элементы (Cr, Mo, V) контролируют закаливаемость, потенциал твердости и стабильность отпуска — повышение содержания легирующих элементов увеличивает закаливаемость и устойчивость к отпускной хрупкости при высоких температурах, но снижает свариваемость и увеличивает стоимость. - Микролегирующие элементы (V, Nb, Ti) улучшают структуру карбидов и зёрна, повышая вязкость и износостойкость, что продлевает срок службы пресс-форм. - Низкое содержание серы и фосфора необходимо для сохранения вязкости и усталостной прочности пресс-форменных сталей.

3. Микроструктура и отклик на термообработку

Типичные микроструктуры и реакция на термообработку у P20 и 2738 отличаются из-за их легирования:

• P20
• Обычно поставляется предварительно закаленной до средней твердости (в пределах, удобных для мехобработки и полировки).
• Микроструктура: отпущенный мартенсит или отпущенный бейнит с небольшой концентрацией карбидов, зеренная структура контролируется для улучшения полируемости.

• Отклик на термообработку: P20 хорошо поддается закалке и отпуску; при правильной аустенитизации и отпуске достигается оптимальный баланс твердости и вязкости, подходящий для большинства пластиковых пресс-форм. Часто используется в предварительно закаленном состоянии, чтобы избежать искажений, характерных для полной закалки.

• 2738
• Может поставляться как предварительно закаленной, так и в состоянии отожженной/нормализованной в зависимости от применения; рассчитана на закалку до более высоких уровней твердости.
• Микроструктура: после закалки и отпуска формируется отпущенный мартенсит с распределённым количеством легированных карбидов (карбиды Cr, Mo, V), которые повышают износостойкость и термостойкость.
• Отклик на термообработку: повышенное содержание легирующих элементов увеличивает закаливаемость и обеспечивает более стабильную термостойкость при высоких рабочих температурах. Правильные режимы аустенитизации и закалки необходимы для предотвращения остаточного аустенита и оптимизации распределения карбидов.

Влияние основных технологических операций: - Циклы нормализации и рафинирования улучшают структуру зерна и реакцию на последующую закалку. - Закалка и отпуск обеспечивают максимальную твердость и лучшую износостойкость — 2738 достигает более высокой конечной твердости при том же режиме благодаря легированию. - Поставка в предварительно закаленном состоянии (характерно для P20) снижает необходимость в термообработке после мехобработки и уменьшает риск деформаций.

4. Механические свойства

Точные механические свойства сильно зависят от термообработки и гарантий поставщика. Таблица ниже содержит сравнительные качественные характеристики, релевантные для практического применения.

Свойство	P20 (типичное состояние)	2738 (типичное состояние)
Временное сопротивление разрыву	Среднее — достаточно для большинства впрысковых и пресс‑формованных изделий	Повышенное — рассчитано на большие нагрузки и износ
Предел текучести	Средний	Повышенный
Относительное удлинение (пластичность)	Высокое/Хорошее — поддерживает мехобработку и полировку	Ниже, чем у P20 после закалки — компромисс ради повышения твердости
Ударная вязкость	Хорошая (особенно в предварительно закаленном или отпущенном состоянии)	От хорошей до средней — может снижаться при повышенной твердости
Твердость (в состоянии поставки / после закалки)	Средняя (предварительно закаленное, обрабатываемое состояние)	Выше достигаемая твердость после закалки и отпуска

Интерпретация: - 2738 обычно обеспечивает более высокую прочность и твердость после термообработки благодаря большему содержанию легирующих элементов и закаливаемости, что улучшает износостойкость, но снижает пластичность и усложняет сварку и ремонт. - P20 представляет собой лучший компромисс между обрабатываемостью, полируемостью и приемлемой вязкостью, поэтому часто применяется для крупных, сложных пластиковых пресс-форм, которые эксплуатируются без полной закалки.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от содержания углерода, легирующих элементов и закаливаемости. Чаще всего применяются два эмпирических индекса: углеродный эквивалент IIW и формула Pcm:

• Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Формула Pcm (используется для оценки требований к подогреву и режиму сварки): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная оценка: - Более низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ свидетельствуют о более легкой свариваемости и меньшем риске холодных трещин под воздействием водорода. - P20: при умеренном содержании углерода и легирующих элементов P20 обычно имеет лучшую свариваемость и чаще выбирается в случаях, когда возможны ремонтные сварочные работы или модификации. Тем не менее требуется подогрев и тщательная послесварочная термообработка согласно рекомендациям поставщика. - 2738: повышенное содержание Cr, Mo, V и углеродного эквивалента увеличивает закаливаемость, что повышает риск образования трещин без контролируемого подогрева и послесварочного отпуска. Сварка 2738 требует более строгих процедур, часто с контролем межслойной температуры и обязательным отпуском после сварки.

Рекомендации: - Всегда запрашивайте у поставщика методы сварки и следуйте квалифицированным процедурам (предварительный подогрев, межслойный подогрев, послесварочная термообработка, подбор расходных материалов). - При сомнениях рекомендуется проводить лабораторные сварочные испытания и проверку твёрдости в зоне теплообработки (HAZ).

6. Коррозия и защита поверхности

• Стали P20 и 2738 не являются нержавеющими; при необходимости коррозионной стойкости требуется защита поверхности.
• Типичные методы защиты:
• Покраска, гальваническое покрытие (никель, хром) и правильная обработка поверхности (полировка, нитридирование) для замедления коррозии и увеличения ресурса износа.
• Твердое хромирование или нитридирование могут повысить твёрдость поверхности и улучшить износостойкость и коррозионную стойкость при целесообразности применения.
• PREN (эквивалентный показатель стойкости к точечной коррозии) применяется только к нержавеющим сталям: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не применим к P20 и 2738, так как они не являются нержавеющими сплавами. Для пресс-форм, эксплуатируемых в агрессивных или влажных условиях, рекомендуется использовать нержавеющие инструментальные стали либо применять защитные поверхностные обработки.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость
• P20: как правило, легче обрабатывается в предварительно закалённом состоянии; обеспечивает хорошее качество поверхности и полируемость. Меньшие силы резания и более длительный срок службы инструмента по сравнению с высоколегированными инструментальными сталями.
• 2738: сложнее обрабатывается в закалённом состоянии из-за повышенной твёрдости и содержания карбидов; часто обрабатывается в более мягком состоянии с последующей финишной обработкой (шлифование, полировка) после термообработки.
• Формуемость/гибка
• Обе марки являются стали, однако формовка и гибка ограничены по сравнению с низкоуглеродистыми конструкционными сталями. Холодная пластическая деформация, как правило, не рекомендуется для закалённых деталей; для сложных элементов предпочтительны мехобработка и электроэрозионная обработка (ЭЭО).
• Шлифование/ЭЭО/полировка
• Содержание карбидов в 2738 усложняет мелкую полировку, однако обеспечивает более высокий ресурс износа в эксплуатации.
• P20 хорошо полируется и предпочтительна там, где важна высокая отделка поверхности и зеркальный блеск (например, оптические или декоративные пластиковые детали).

8. Типичные области применения

P20	2738
Общая основа для литьевых форм, крупные многополостные формы, прототипы и серийное производство, где важны полируемость и скорость обработки	Сердечники, полости и вставки, требующие повышенной износостойкости и долговечности; оснастка для абразивных пластиков или длительных производственных серий
Плиты форм, полости с умеренной твёрдостью, где возможен ремонт сваркой	Высонагруженные компоненты форм, подвергающиеся частым температурным циклам и абразивному износу
Компоненты пресс-форм для мягкой формовки или лёгких нагрузок	Вставки или сердечники, требующие последующей закалки и высокой температуры отпуска

Выбор материала: - Выбирайте P20, если приоритетом являются лёгкость обработки, полируемость, сниженная стоимость, а условия эксплуатации не предполагают сильного абразивного износа или экстремальных температурных циклов. - Выбирайте 2738, если детали должны выдерживать повышенный износ, высокие температуры отпуска или длительный срок службы оправдывает более высокие затраты на материал и обработку.

9. Стоимость и наличие

• Стоимость
• P20: обычно ниже стоимость материала и обработки (часто поставляется предварительно закалённым, что снижает затраты на закалку и контроль коробления).
• 2738: более высокая цена за килограмм из-за повышенного легирования и необходимости контролируемой термообработки и более сложной отделки, что увеличивает общую стоимость.
• Наличие
• Обе марки широко доступны у поставщиков инструментальной стали, однако конкретные формы выпуска (листы, прутки, предварительно закалённые блоки) и сроки поставки зависят от региона и складских запасов.
• P20 обычно более доступен в стандартных размерах для оснований форм; 2738 может потребовать заказа нестандартных размеров или дополнительного времени на сквозную закалку.

10. Итог и рекомендации

Сводная таблица (качественная оценка)

Показатель	P20	2738
Свариваемость	Хорошая	Средняя → требует контролируемых процедур
Баланс прочности и вязкости	Средняя прочность / хорошая вязкость	Повышенная прочность / пониженная пластичность при высокой твёрдости
Стоимость (материал и обработка)	Ниже	Выше

Рекомендации по выбору: - Выбирайте P20, если: - Требуется хорошая обрабатываемость и полируемость. - Нужна экономичная предварительно закалённая плита формы, простая в ремонте и сварке. - Условия эксплуатации предполагают умеренный износ, а максимальная твёрдость не обязательна.

• Выбирайте 2738, если:
• Компонент требует повышенной закаливаемости, высокой износостойкости и стабильности при отпуске для длительных серий.
• Можно обеспечить интенсивную термообработку, строгий контроль сварки и немного более высокие затраты ради увеличения ресурса инструмента.

Заключительное замечание: выбор материала следует подтвердить на основании сертифицированных химического и механического состава поставщика, запланированного цикла термообработки, ожидаемых нагрузок и условий эксплуатации, а также стратегии обслуживания и ремонта. Для критичных форм рекомендуется провести анализ стоимости жизненного цикла, включая время обработки, термообработки, финишной отделки, ожидаемое число циклов и риски простоя, чтобы выбрать наиболее экономичное и надёжное решение.