Углеродная инструментальная сталь: свойства и ключевые применения

Углеродная инструментальная сталь - это категория стали, которая состоит преимущественно из углерода и используется для производства инструментов и форм. Она классифицируется как сталь с высоким содержанием углерода, обычно содержащая от 0,5% до 1,5% углерода, что значительно увеличивает её твердость и стойкость к износу. Основным легирующим элементом в углеродной инструментальной стали является сам углерод, который играет решающую роль в определении твердости, прочности и общей производительности стали.

Полный обзор

Углеродные инструментальные стали известны своей отличной твердостью и способностью поддерживать острую кромку, что делает их идеальными для режущих инструментов, форм и других применений, где критически важна стойкость к износу. Высокое содержание углерода способствует образованию твёрдых микроструктур, таких как мартенсит, при воздействии на них термической обработки, такой как закалка и отпуск.

Преимущества:
- Высокая твердость: Углеродные инструментальные стали могут достигать высоких уровней твердости, что делает их подходящими для режущих и формующих инструментов.
- Износостойкость: Износостойкость этих сталей превосходна, что позволяет им выдерживать абразивные условия.
- Экономичность: В общем, углеродные инструментальные стали более экономичны по сравнению с легированными инструментальными сталями, что делает их популярным выбором для многих применений.

Ограничения:
- Хрупкость: Высокое содержание углерода может привести к хрупкости, что делает сталь подверженной растрескиванию под воздействием ударов.
- Ограниченная прочность: По сравнению с другими инструментальными сталями, углеродные инструментальные стали могут иметь более низкую прочность, что может быть недостатком в определенных приложениях.
- Подверженность коррозии: Углеродные инструментальные стали подвержены ржавению, если их не поддерживать в надлежащем состоянии, так как им не хватает легирующих элементов, которые усиливают коррозионную стойкость.

Исторически углеродные инструментальные стали сыграли важную роль в развитии промышленных инструментов и машин, с применением от ручных инструментов до сложных компонентов машин. Их рыночная позиция остается сильной благодаря балансу между производительностью и стоимостью.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Комментарии
UNS	T1	США	Скоростная инструментальная сталь, аналогичные свойства
AISI/SAE	AISI D2	США	Высокий углерод, высокая хромированная инструментальная сталь
ASTM	A681	США	Спецификация для инструментальных сталей
EN	1.2379	Европа	Эквивалент AISI D2, высокая износостойкость
JIS	SKD11	Япония	Похож на D2, с незначительными составными различиями
DIN	X153CrMoV12	Германия	Высокоуглеродная инструментальная сталь с хромом и молибденом

Различия между эквивалентными классами могут быть тонкими, но значительными. Например, хотя AISI D2 и JIS SKD11 часто считаются эквивалентными, SKD11 может иметь несколько отличительных характеристик прочности и износостойкости из-за своих специфических легирующих элементов.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и Название)	Диапазон процентов (%)
C (Углерод)	0.5 - 1.5
Mn (Марганец)	0.3 - 0.9
Si (Кремний)	0.1 - 0.4
Cr (Хром)	0.5 - 1.5
Mo (Молибден)	0.1 - 0.5
P (Фосфор)	≤ 0.03
S (Сера)	≤ 0.03

Основная роль углерода в углеродной инструментальной стали заключается в усилении твердости и прочности за счет образования твердых микроструктур во время термообработки. Марганец улучшает закаляемость и прочность, в то время как хром и молибден способствуют износостойкости и стабильности при повышенных температурах.

Механические свойства

Свойство	Условие/Температура	Температура испытания	Типичное значение/диапазон (метрические)	Типичное значение/диапазон (имперские)	Справочный стандарт для метода испытания
Упругость на растяжение	Закаленная и отожженная	Комнатная температура	700 - 900 МПа	101.5 - 130 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (с учетом 0.2% смещения)	Закаленная и отожженная	Комнатная температура	600 - 800 МПа	87 - 116 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная и отожженная	Комнатная температура	5 - 10%	5 - 10%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленная и отожженная	Комнатная температура	58 - 65 HRC	58 - 65 HRC	ASTM E18
Ударная прочность (Шарпи)	Закаленная и отожженная	-20°C	20 - 30 Дж	14.8 - 22.1 ft-lbf	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на растяжение и текучести, а также значительной твердости делает углеродную инструментальную сталь подходящей для применений, связанных с высокими механическими нагрузками и износом, таких как режущие инструменты и формы. Однако более низкие значения удлинения указывают на склонность к хрупкости, что необходимо учитывать при проектировании.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура/диапазон плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	45 Вт/м·К	31.2 BTU·ин/ч·фут²·°F
Удельная теплоемкость	Комнатная температура	0.46 кДж/кг·К	0.11 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Комнатная температура	0.0006 Ом·м	0.0004 Ом·дюйм

Плотность углеродной инструментальной стали указывает на прочный материал, в то время как её температура плавления свидетельствует о хорошей термической стабильности. Теплопроводность умеренная, что полезно для рассеяния тепла в режущих приложениях. Удельная теплоемкость относительно низка, что указывает на быстрое нагревание, что может быть преимуществом в процессах обработки.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C)	Рейтинг стойкости	Примечания
Вода	0 - 100	20	Плохая	Подвержена ржавчине без защиты
Кислоты (HCl)	0 - 10	20	Плохая	Подвержена коррозии с образованием ямок
Щелочи	0 - 10	20	Средняя	Ограниченная стойкость, требуются покрытия
Хлориды	0 - 5	20	Плохая	Риск коррозионного растрескивания

Углеродная инструментальная сталь обладает плохой коррозионной стойкостью, особенно в влажной среде или при воздействии кислых или хлорированных условий. Эта подверженность требует защитных покрытий или регулярного обслуживания для предотвращения ржавчины. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как AISI 304, которые предлагают отличную коррозионную стойкость, углеродные инструментальные стали менее подходят для применений, где ожидается воздействие коррозионных сред.

Теплостойкость

Свойство/ограничение	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывного использования	200	392	Свыше этого свойства ухудшаются
Максимальная температура прерывистого использования	300	572	Только кратковременное воздействие
Температура коррозии	500	932	Риск окисления выше этого

При повышенных температурах углеродная инструментальная сталь может терять твердость и прочность, что делает её неподходящей для высокотемпературных применений без надлежащей термической обработки. Окисление может происходить при температурах выше 500 °C, что приводит к ухудшению состояния поверхности.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
MIG	ER70S-6	Аргон + CO2	Рекомендуется предварительный подогрев
TIG	ER70S-2	Аргон	Требует термообработки после сварки
Сварка электродом	E7018	Не применимо	Не идеально для толстых секций

Углеродные инструментальные стали можно сваривать, но следует быть осторожными, чтобы избежать растрескивания. Предварительный подогрев перед сваркой и термообработка после сварки часто необходимы для снятия напряжений и улучшения прочности.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Углеродная инструментальная сталь	AISI 1212	Примечания/советы
Относительный индекс обрабатываемости	70	100	Углеродная инструментальная сталь менее обрабатываема, чем 1212
Типичная скорость резания (точение)	30 м/мин	50 м/мин	Регулируйте в зависимости от износа инструмента

Обрабатываемость средняя; хотя углеродные инструментальные стали можно обрабатывать, они требуют тщательного выбора режущих инструментов и параметров, чтобы избежать чрезмерного износа.

Формуемость

Углеродные инструментальные стали в целом не так хорошо формуются, как сталей с низким содержанием углерода. Холодная формовка может привести к упрочнению, в то время как горячая формовка более осуществима, но требует тщательного контроля температуры, чтобы избежать хрупкости.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	700 - 800	1 - 2 часа	Воздух	Смягчение, улучшение обрабатываемости
Закалка	800 - 900	30 минут	Масло или вода	Закалка, образование мартенсита
Отпуск	150 - 300	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, повышение прочности

Процессы термообработки значительно влияют на микроструктуру и свойства углеродной инструментальной стали. Закалка преобразует сталь в твердую мартенситную структуру, тогда как отпуск снижает хрупкость и увеличивает прочность.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, использованные в этом применении	Причина выбора
Производство	Режущие инструменты	Высокая твердость, износостойкость	Ключевое значение для производительности резки
Автомобильная	Формы для штамповки	Прочность, стойкость	Необходим для высоконагруженных применений
Аэрокосмическая	Инструменты для обработки	Твердость, размерная стабильность	Точность и прочность имеют критическое значение

Другие применения включают:
* Ручные инструменты (долота, молотки)
* Формы для пластикового литья
* Установки и приспособления в производстве

Углеродная инструментальная сталь выбирается для этих применений благодаря своей способности сохранять острые кромки и противостоять износу, что делает её идеальной для инструментов и форм.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения

Особенность/Свойство	Углеродная инструментальная сталь	AISI D2	AISI 4140	Краткая заметка о предимствах/недостатках или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Более высокая износостойкость	Лучшая прочность	D2 предлагает лучшую износостойкость, но более дорогая
Ключевой аспект коррозии	Плохая	Удовлетворительная	Хорошая	4140 более подходит для коррозионных сред
Свариваемость	Умеренная	Плохая	Хорошая	4140 легче сваривать
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Удовлетворительная	D2 труднее обрабатывать, чем углеродная инструментальная сталь
Приблизительная относительная стоимость	Низкая	Умеренная	Умеренная	Углеродная инструментальная сталь экономически эффективна для многих применений
Типичная доступность	Высокая	Умеренная	Высокая	Углеродная инструментальная сталь широко доступна

При выборе углеродной инструментальной стали следует учитывать экономическую эффективность, доступность и специфические механические свойства, необходимые для применения. Хотя она предлагает отличную твердость и износостойкость, ее ограничения по прочности и коррозионной стойкости должны быть оценены в соответствии с требованиями предполагаемого использования.