CPM M4 Сталь: Свойства и Основные Применения

CPM M4 сталь (M4 HSS) является быстрорежущей сталью (HSS), известной своей отличной износостойкостью, прочностью и способностью сохранять твердость при высоких температурах. Классифицируется как инструментальная сталь, CPM M4 представляет собой порошковую металлургическую марку, которая включает в себя уникальную смесь легирующих элементов, включая молибден, ванадий и кобальт, которые способствуют ее превосходным эксплуатационным характеристикам.

Всеобъемлющий обзор

CPM M4 в первую очередь классифицируется как быстрорежущая сталь, предназначенная для режущих инструментов и применений, требующих высокой твердости и износостойкости. Ключевые легирующие элементы в CPM M4 включают:

• Молибден (Mo): Увеличивает закаливаемость и износостойкость.
• Ванадий (V): Улучшает прочность и улучшает микроструктуру, что приводит к лучшей износостойкости.
• Кобальт (Co): Увеличивает горячую твердость и улучшает способность стали сопротивляться высоким температурам без потери твердости.

Сочетание этих элементов приводит к получению стали, обладающей исключительной твердостью, достигающей значений 62-66 HRC после термообработки, а также хорошей прочностью и стойкостью к отколам.

Преимущества (Плюсы):
- Исключительная износостойкость, что делает ее идеальной для режущих инструментов.
- Высокая сохранность твердости при повышенных температурах.
- Хорошая прочность, что снижает риск разрушения инструмента.

Ограничения (Минусы):
- Дороже по сравнению с обычными инструментальными сталями.
- Необходима тщательная термообработка для достижения оптимальных свойств.
- Может быть сложной в механической обработке из-за своей твердости.

Исторически сложилось так, что CPM M4 имеет важное значение в производстве высокопроизводительных режущих инструментов, таких как сверла, концевые фрезы и ножи для пил, где ее свойства могут быть полностью использованы.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Комментарии
UNS	T11302	США	Ближайший эквивалент AISI M4
AISI/SAE	M4	США	Общепринятое обозначение
ASTM	A681	США	Спецификация для быстрорежущих сталей
JIS	SKH51	Япония	Похожие свойства, но с незначительными различиями в составе
DIN	1.3343	Германия	Эквивалентный класс с небольшими вариациями в составе

Различия между этими классами могут повлиять на производительность, особенно в отношении износостойкости и прочности. Например, хотя JIS SKH51 похожа, она может не показывать такую же производительность при высокотемпературных приложениях, как CPM M4.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Обозначение и название)	Диапазон процентов (%)
C (Углерод)	1.30 - 1.50
Cr (Хром)	3.75 - 4.50
Mo (Молибден)	4.00 - 5.00
V (Ванадий)	1.75 - 2.20
Co (Кобальт)	8.00 - 9.50
W (Вольфрам)	5.00 - 6.50

Основная роль углерода заключается в увеличении твердости и прочности, в то время как молибден повышает износостойкость и закаливаемость. Ванадий способствует прочности и улучшает зернистую структуру, а кобальт улучшает горячую твердость, что делает CPM M4 подходящей для высокоскоростных приложений.

Механические свойства

Свойство	Условие/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (метрические)	Типичное значение/Диапазон (имперские)	Ссылочный стандарт для метода испытания
Т прочность	Закаленная и отпущенная	Комнатная температура	2000 - 2200 МПа	290 - 320 ksi	ASTM E8
Предел текучести (0.2% сдвиг)	Закаленная и отпущенная	Комнатная температура	1800 - 2000 МПа	261 - 290 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная и отпущенная	Комнатная температура	2 - 5%	2 - 5%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленная и отпущенная	Комнатная температура	62 - 66 HRC	62 - 66 HRC	ASTM E18
Ударная прочность (Шарпи)	Закаленная и отпущенная	-20°C (-4°F)	20 - 30 Дж	15 - 22 ft-lbf	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на разрыв и текучести с отличной твердостью делает CPM M4 особенно подходящей для приложений, связанных с высокими механическими нагрузками и износом, таких как режущие инструменты и штампы.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрические)	Значение (имперские)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 lb/in³
Температура плавления/диапазон	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	25 Вт/м·К	14.5 BTU·in/h·ft²·°F
Удельная теплоемкость	Комнатная температура	460 Дж/кг·К	0.11 BTU/lb·°F
Электрическое сопротивление	Комнатная температура	0.0001 Ом·м	0.0001 Ом·фут

Высокая плотность и температура плавления CPM M4 способствуют ее долговечности и производительности в высокотемпературных приложениях. Теплопроводность умеренная, что полезно для рассеивания тепла во время механической обработки.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Заметки
Хлоры	5-10	25°C (77°F)	Умеренная	Риск коррозии с образованием ямок
Серная кислота	10-20	25°C (77°F)	Плохая	Не рекомендуется
Уксусная кислота	5-10	25°C (77°F)	Умеренная	Подвержена коррозионным трещинам

CPM M4 имеет умеренную коррозионную стойкость, особенно в хлорных средах, где может происходить образование ямок. По сравнению с другими быстрорежущими сталями, такими как M2, которая имеет лучшую коррозионную стойкость благодаря более высокому содержанию хрома, CPM M4 может потребовать защитных покрытий или обработки поверхности в коррозионных средах.

Стойкость к теплу

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной эксплуатации	500°C	932°F	Сохраняет твердость и прочность
Максимальная температура прерывистой эксплуатации	600°C	1112°F	Подходит для кратковременного воздействия
Температура раскисления	700°C	1292°F	Риск окисления при этой температуре

При повышенных температурах CPM M4 сохраняет свою твердость и прочность, что делает ее подходящей для высокоскоростной механической обработки. Однако длительное воздействие температур выше 600°C может привести к окислению и образованию налета, что требует защитных мер.

Свойства обработки

Сварка

Процесс сварки	Рекомендуемый сварочный материал (классификация AWS)	Типичные защитные газы/флюс	Заметки
TIG	ER80S-D2	Аргон	Рекомендуется предварительный подогрев
MIG	ER80S-D2	Аргон/CO2	Требуется термообработка после сварки

Сварка CPM M4 может быть сложной из-за ее высокой твердости и потенциальной вероятности трещин. Предварительный подогрев и термообработка после сварки являются обязательными для снятия напряжений и предотвращения дефектов.

Механическая обработка

Параметр обработки	CPM M4	AISI 1212	Заметки/Советы
Индекс относительной обработаемости	50%	100%	CPM M4 сложнее обрабатывать
Типичная скорость резания	20 м/мин	40 м/мин	Используйте карбидные инструменты для наилучших результатов

Обработка CPM M4 требует специализированного инструмента и более медленных скоростей резания из-за ее твердости. Рекомендуются карбидные инструменты для эффективной обработки.

Формуемость

CPM M4 обычно не используется для формовочных применений из-за своей высокой твердости и низкой пластичности. Процессы холодной и горячей формовки, как правило, нецелесообразны, и материал в основном используется в приложениях, где требуются резка и формовка, а не формовка.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Закалка	1200 - 1250 °C (2192 - 2282 °F)	30 - 60 мин	Масло/вода	Достижение высокой твердости
Отпуск	500 - 600 °C (932 - 1112 °F)	1 - 2 часа	Воздух	Улучшение прочности и снижение хрупкости

Процесс термообработки имеет решающее значение для достижения желаемой твердости и прочности в CPM M4. Правильные времена выдержки и методы охлаждения важны для предотвращения трещин и обеспечения оптимальной производительности.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора (кратко)
Аэрокосмическая	Режущие инструменты для турбинных лопастей	Высокая твердость, износостойкость	Требуется для высокопроизводительных приложений
Автомобильная	Инструменты для высокоскоростной обработки	Прочность, стойкость к теплу	Необходима для точности и долговечности
Производственная	Ножи для пил	Износостойкость, твердость	Необходима для резки твердых материалов

Другие применения включают:
- Сверла для металлообработки.
- Концевые фрезы для обработки сложных форм.
- Формовочные штампы для высокопрочных материалов.

CPM M4 выбирается для этих применений благодаря своей способности сохранять твердость и сопротивляться износу при высокоскоростных условиях, что делает ее идеальной для сложных операций по обработке.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшая информация

Особенность/Свойство	CPM M4	M2	D2	Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Умеренная твердость	Высокая прочность	CPM M4 превосходит по износостойкости
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Умеренная	Плохая	CPM M4 требует защитных покрытий
Сварочность	Сложная	Умеренная	Хорошая	Требует предварительной/послесварочной термообработки
Обрабатываемость	Низкая	Умеренная	Высокая	Сложнее обрабатывать, чем M2
Приблизительная относительная стоимость	Высокая	Умеренная	Низкая	Высокая стоимость отражает преимущества производительности
Типичная доступность	Умеренная	Высокая	Высокая	M2 и D2 более доступны

При выборе CPM M4 необходимо учитывать его экономическую эффективность относительно производительности, доступность и конкретные требования применения. Его высокая твердость и износостойкость делают его подходящим для высокопроизводительных приложений, в то время как проблемы с обрабатываемостью и сваркой требуют тщательного планирования и выполнения.

В заключение, CPM M4 является первоклассным выбором для высокоскоростных приложений, где долговечность и производительность имеют первостепенное значение. Понимание его свойств и ограничений позволяет принимать обоснованные решения при выборе материалов и проектировании применения.