Нержавеющая сталь 2Cr13: свойства и основные применения

Нержавеющая сталь 2Cr13, также известная как сталь типа 420, является мартенситной нержавеющей сталью, которая в первую очередь характеризуется высоким содержанием хрома, обычно около 12-14%. Этот класс стали классифицируется как среднеуглеродистая легированная сталь, что способствует его уникальному сочетанию твердости и коррозионной стойкости. Основные легирующие элементы в 2Cr13 включают хром (Cr), углерод (C) и марганец (Mn), каждый из которых играет важную роль в определении свойств стали.

Общий обзор

Нержавеющая сталь 2Cr13 известна своей отличной твердостью и износостойкостью, что делает ее подходящей для применения, требующего долговечности и прочности. Высокое содержание хрома повышает ее коррозионную стойкость, в то время как содержание углерода позволяет закаливать материал с помощью термической обработки. Этот класс стали часто используется в таких приложениях, как столовые приборы, хирургические инструменты и различные промышленные компоненты.

Преимущества:
- Высокая твердость: 2Cr13 может достигать высоких уровней твердости благодаря термической обработке, что делает его идеальным для режущих инструментов и приложений, требующих износостойкости.
- Коррозионная стойкость: Содержание хрома обеспечивает хорошую устойчивость к окислению и коррозии, особенно в слабо коррозионных средах.
- Хорошая формуемость: Сталь может быть сформирована в различные формы и размеры, что позволяет обеспечить универсальность в производстве.

Ограничения:
- Хрупкость: При закаливании 2Cr13 может стать хрупким, что может ограничивать его использование в приложениях, требующих высокой ударной вязкости.
- Проблемы с сваркой: Этот класс стали может быть сложным в сварке из-за ее подверженности растрескиванию.
- Ограниченная работа при высоких температурах: Хотя он хорошо работает при комнатной температуре, его механические свойства могут ухудшаться при повышенных температурах.

Исторически 2Cr13 сыграла значительную роль в разработке нержавеющих сталей, особенно в производстве инструментов и приборов, которые требуют сочетания твердости и коррозионной стойкости. Ее рыночная позиция остается сильной, особенно в отраслях, где эти свойства имеют первостепенное значение.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Замечания
UNS	S42000	США	Ближайший эквивалент 2Cr13
AISI/SAE	420	США	Незначительные составные различия
ASTM	A276	США	Стандартная спецификация для нержавеющих стальных прутков
EN	1.4021	Европа	Эквивалентное обозначение в Европе
JIS	SUS420J2	Япония	Похожие свойства с небольшими вариациями

Различия между эквивалентными классами могут повлиять на выбор в зависимости от конкретных требований применения. Например, хотя 420 и 2Cr13 часто взаимозаменяемы, специфические процессы термической обработки и полученные микроструктуры могут привести к изменениям в производительности, особенно в твердости и вязкости.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Процентный диапазон (%)
Cr (Хром)	12.0 - 14.0
C (Углерод)	0.15 - 0.40
Mn (Марганец)	0.50 - 1.00
Si (Кремний)	0.40 макс
P (Фосфор)	0.04 макс
S (Сера)	0.03 макс

Основная роль хрома в 2Cr13 заключается в повышении коррозионной стойкости и улучшении твердости. Углерод способствует способности стали закаливаться с помощью термической обработки, в то время как марганец помогает в обезуглероживании и улучшает вязкость. Кремний добавляется для улучшения прочности и устойчивости к окислению.

Механические свойства

Свойство	Условие/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (Метрика)	Типичное значение/Диапазон (Имперская)	Эталонный стандарт для метода испытания
Узел плотности	Отожженный	Комнатная температура	520 - 750 МПа	75 - 109 ksi	ASTM E8
Предельное напряжение (0.2% сдвиг)	Отожженный	Комнатная температура	350 - 550 МПа	51 - 80 ksi	ASTM E8
Удлинение	Отожженный	Комнатная температура	15 - 25%	15 - 25%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленный и бедный	Комнатная температура	50 - 58 HRC	50 - 58 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	Закаленный и бедный	-20°C	30 - 50 Дж	22 - 37 фунт-фут	ASTM E23

Сочетание высокого предела прочности на растяжение и предела текучести, а также значительной твердости делает 2Cr13 подходящей для применения, требующего устойчивости к износу и деформации при нагрузке. Однако ее низкое удлинение указывает на ограниченную пластичность, что может быть проблемой в приложениях, подверженных динамическим нагрузкам.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрика)	Значение (имперская)
Плотность	Комнатная температура	7.75 г/см³	0.28 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1450 - 1510 °C	2642 - 2750 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	25 Вт/м·К	17.3 BTU·дюйм/ч·фут²·°F
Удельная теплоемкость	Комнатная температура	500 Дж/кг·К	0.12 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Комнатная температура	0.7 µΩ·м	0.7 µΩ·дюйм

Плотность 2Cr13 указывает на относительно тяжелый материал, что способствует его прочности. Температура плавления значима для приложений, связанных с процессами при высоких температурах. Теплопроводность умеренная, что делает ее подходящей для приложений, где необходима диссипация тепла, в то время как удельная теплоемкость указывает на то, сколько энергии требуется для изменения температуры материала.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	3-10	20-60 / 68-140	Удовлетворительно	Риск образования точечной коррозии
Кислоты	10-20	20-40 / 68-104	Плохо	Подверженность коррозии под напряжением
Щелочные растворы	5-15	20-60 / 68-140	Хорошо	Как правило, устойчива
Атмосферные	-	-	Хорошо	Хорошо работает в мягких средах

2Cr13 демонстрирует хорошую стойкость к атмосферной коррозии и щелочным растворам, но подвержена точечной коррозии в хлоридных средах и коррозии под напряжением в кислых условиях. По сравнению с другими нержавеющими сталями, такими как 304 и 316, коррозионная стойкость 2Cr13 ниже, особенно в сильно коррозионных средах. В то время как 304 предлагает лучшую общую коррозионную стойкость, твердость 2Cr13 делает ее предпочтительной для приложений, требующих износостойкости.

Тепловая стойкость

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной эксплуатации	400	752	Подходит для умеренных температур
Максимальная температура прерывистой эксплуатации	600	1112	Только кратковременное воздействие
Температура, при которой начинается кавитация	600	1112	Риск окисления выше этой температуры
Учет прочности на спокойствии	300	572	Начинает значительно ухудшаться

При повышенных температурах 2Cr13 сохраняет свою прочность до около 400 °C (752 °F), но может страдать от окисления и кавитации при более высоких температурах. Ее прочность на спокойствии значительно уменьшается выше 300 °C (572 °F), что ограничивает ее использование в высокотемпературных приложениях.

Свойства обработки

Сварка

Информация по сварке	Рекомендуемый сварочный материал (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
TIG	ER420	Аргон	Рекомендуется предварительный подогрев
MIG	ER420	Смесь аргону и CO2	Требует термической обработки после сварки
Электродная сварка	E420	-	Не рекомендуется для толстых секций

Сварка 2Cr13 может быть сложной из-за ее подверженности растрескиванию. Предварительный подогрев перед сваркой и термическая обработка после сварки часто необходимы для снятия напряжений и улучшения пластичности. Тщательный выбор сварочных материалов имеет решающее значение для обеспечения совместимости и производительности.

Обрабатываемость

Параметр обработки	2Cr13	AISI 1212	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60%	100%	Умеренная обрабатываемость
Типичная скорость резки	30-50 м/мин	60-80 м/мин	Используйте карбидные инструменты

2Cr13 имеет умеренную обрабатываемость, которую можно улучшить с помощью правильного инструмента и условий резки. Рекомендуется использовать карбидные инструменты для эффективной обработки, а поддержание оптимальных скоростей резки может увеличить срок службы инструмента.

Формуемость

2Cr13 демонстрирует ограниченную формуемость, особенно в закаленном состоянии. Холодная формовка возможна, но необходимо быть внимательным, чтобы избежать растрескивания. Горячая формовка может выполняться при повышенных температурах, что позволяет создавать более сложные формы, но требует тщательного контроля охлаждения, чтобы избежать деформаций.

Термическая обработка

Процесс обработки	Диапазон температур (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	800 - 900 / 1472 - 1652	1-2 часа	Воздух	Снижение твердости, улучшение пластичности
Закалка	1000 - 1100 / 1832 - 2012	30 минут	Масло или вода	Достижение высокой твердости
Темперирование	200 - 600 / 392 - 1112	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, повышение вязкости

Процессы термической обработки значительно влияют на микроструктуру и свойства 2Cr13. Отжиг снижает твердость и повышает пластичность, в то время как закалка с последующим темперированием увеличивает твердость, уменьшая хрупкость. Понимание этих преобразований имеет решающее значение для оптимизации производительности компонентов, изготовленных из этой стали.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора (Кратко)
Медицина	Хирургические инструменты	Высокая твердость, коррозионная стойкость	Долговечность и гигиеничность
Производство	Режущие инструменты	Износостойкость, твердость	Долгий срок службы
Автомобильная	Компоненты клапанов	Прочность, коррозионная стойкость	Надежность под напряжением
Аэрокосмическая	Компоненты двигателя	Высокое отношение прочности к весу	Производительность при высоких температурах

Другие применения включают:
- Кухонные принадлежности
- Промышленные ножи
- Валы насосов
- Крепежные изделия

2Cr13 часто выбирается для приложений, требующих баланса твердости и коррозионной стойкости. Его способность поддерживать острые края делает его идеальным для режущих инструментов, в то время как его прочность полезна в конструктивных компонентах.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие сведения

Особенность/Свойство	2Cr13	AISI 304	AISI 316	Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссе
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Хорошая пластичность	Отличная коррозионная стойкость	2Cr13 тверже, но менее пластична
Ключевой аспект коррозии	Удовлетворительно в хлоридах	Отлично	Отлично	2Cr13 менее устойчива к точечной коррозии
Сварка	Сложная	Хорошая	Хорошая	2Cr13 требует больше заботы при сварке
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Умеренная	2Cr13 менее обрабатываема, чем 304
Формуемость	Ограниченная	Хорошая	Хорошая	2Cr13 менее формуемая, чем 304
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Низкая	Умеренная	2Cr13 может быть дороже из-за обработки
Типичная доступность	Умеренная	Высокая	Высокая	304 и 316 чаще всего есть на складе

При выборе 2Cr13 учитываются ее твердость и износостойкость, что является преимуществом в конкретных приложениях. Однако ее ограничения в сварке и формуемости должны быть взвешены против требований применения. Экономические затраты и доступность также играют значительную роль в выборе материала, особенно в конкурентных отраслях.

В заключение, нержавеющая сталь 2Cr13 является универсальным материалом с уникальным сочетанием свойств, которые делают ее подходящей для различных приложений. Понимание ее характеристик, преимуществ и ограничений является важным для инженеров и дизайнеров для принятия обоснованных решений в выборе материала.