H21 инструментальная сталь: свойства и ключевые применения

Сталь H21 классифицируется как сталь быстрорежущего типа, специально разработанная для приложений, требующих высокой износостойкости и прочности. Она в первую очередь легирована вольфрамом, молибденом и хромом, что значительно повышает её твердость и термостойкость. Эта марка стали известна своей отличной производительностью в условиях высоких температур, что делает её подходящей для производства режущих инструментов, штамповых форм и матриц.

Общий обзор

Сталь H21 является частью категории быстрорежущих сталей AISI/SAE, характеризующейся способностью сохранять твердость и прочность при повышенных температурах. Основные легирующие элементы включают вольфрам (W), молибден (Mo), хром (Cr) и ванадий (V). Эти элементы способствуют общей прочности стали, износостойкости и способности противостоять термической усталости.

Основные характеристики стали H21 включают:

• Высокая твердость: Достигает уровней твердости 60 HRC и выше после термообработки.
• Отличная износостойкость: Подходит для приложений с высоким напряжением, где существует риск абразивного износа.
• Хорошая прочность: Сохраняет структурную целостность под ударными нагрузками.

Преимущества:
- Исключительная производительность в условиях высоких температур.
- Сохраняет острые края и устойчива к деформации во время резки.
- Широкий спектр применения в разных отраслях.

Ограничения:
- Сложнее обрабатывать по сравнению с менее легированными сталями.
- Требует точной термообработки для достижения оптимальных свойств.
- Более высокая стоимость по сравнению со стандартными сталями.

Исторически сталь H21 была предпочтительным выбором для производителей инструментов из-за своего баланса между твердостью и прочностью, что сделало её стандартом в производстве прецизионных инструментов и штампов.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Организация стандарта	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Замечания
UNS	T20821	США	Ближайший аналог AISI H21
AISI/SAE	H21	США	Общепринятое обозначение
ASTM	A681	США	Спецификация для инструментальных сталей
EN	1.2561	Европа	Схожие свойства, незначительные различия в составе
JIS	SKD6	Япония	Сравнимый класс с незначительными вариациями

Различия между этими эквивалентами могут повлиять на производительность в конкретных приложениях. Например, хотя H21 и SKD6 могут демонстрировать схожую твердость, их прочность и износостойкость могут различаться из-за различий в легирующих элементах и процессах термообработки.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (Углерод)	0.30 - 0.50
Cr (Хром)	4.00 - 5.00
Mo (Молибден)	1.00 - 1.50
W (Вольфрам)	11.00 - 13.00
V (Ванадий)	0.50 - 1.00

Основная роль вольфрама в стали H21 состоит в повышении твердости и износостойкости, особенно при высоких температурах. Молибден способствует прочности и стойкости, в то время как хром улучшает устойчивость к коррозии и закаливаемость. Ванадий помогает в улучшении зернистой структуры, что повышает прочность.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (метрические)	Типичное значение/Диапазон (имперские)	Справочный стандарт для метода испытания
Предельная прочность	Закаленный и отпущенный	Комнатная температура	1800 - 2200 МПа	261 - 319 ksi	ASTM E8
Прочность на текучесть (0.2% смещение)	Закаленный и отпущенный	Комнатная температура	1500 - 1900 МПа	217 - 276 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленный и отпущенный	Комнатная температура	5 - 10%	5 - 10%	ASTM E8
Твердость	Закаленный и отпущенный	Комнатная температура	58 - 62 HRC	58 - 62 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	Закаленный и отпущенный	-20 °C	20 - 30 Дж	15 - 22 фут-фунт	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на разрыв и текучесть, а также значительной твердости делает сталь H21 подходящей для приложений, связанных с высокими механическими нагрузками и износом, таких как режущие инструменты и штампы. Её ударная прочность гарантирует, что она может выдерживать внезапные удары без разрушения.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура плавления/Диапазон	-	1425 - 1450 °C	2600 - 2642 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	25 Вт/м·К	14.5 BTU·дюйм/ч·фут²·°F
Удельная теплоемкость	Комнатная температура	460 Дж/кг·К	0.11 BTU/фунт·°F
Электросопротивление	Комнатная температура	0.0005 Ω·м	0.0003 Ω·дюйм

Плотность стали H21 способствует её общему весу и стабильности в приложениях. Высокая температура плавления позволяет ей сохранять структурную целостность при экстремальных тепловых условиях, в то время как теплопроводность имеет решающее значение для диссипации тепла во время процессов обработки.

Устойчивость к коррозии

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C)	Оценка устойчивости	Примечания
Хлориды	5%	25 °C	Умеренная	Риск точечной коррозии
Серная кислота	10%	60 °C	Плохая	Не рекомендуется
Гидроксид натрия	50%	25 °C	Хорошая	Умеренная устойчивость

Сталь H21 обладает умеренной устойчивостью к хлоридам, что может привести к точечной коррозии, особенно в морских условиях. Её производительность в кислых условиях плохая, что делает её неподходящей для приложений, связанных с сильными кислотами. По сравнению с другими инструментальными сталями, такими как D2 или M2, устойчивость H21 к коррозии в целом ниже, что требует защитных покрытий или обработок в коррозионных условиях.

Термическая устойчивость

Свойство/Граница	Температура (°C)	Температура (°F)	Замечания
Максимальная температура непрерывной работы	540 °C	1000 °F	Подходит для приложений при высоких температурах
Максимальная температура прерывистой работы	600 °C	1112 °F	Только кратковременное воздействие
Температура зарастания	700 °C	1292 °F	Риск окисления после этой точки

Сталь H21 сохраняет свою твердость и прочность при повышенных температурах, что делает её идеальной для приложений, таких как инструменты для горячей обработки. Тем не менее, необходимо избегать длительного воздействия температур выше 600 °C, так как это может привести к окислению и разрушению материала.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый filler metal (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
MIG	ER70S-6	Смесь аргона/CO2	Рекомендуется предварительный подогрев
TIG	ER70S-2	Аргон	Требует термообработки после сварки

Сталь H21 можно сваривать, но это требует тщательного подхода к процессу сварки и filler materials. Предварительный подогрев часто необходим для предотвращения трещин, а термообработка после сварки рекомендуется для восстановления механических свойств.

Станочность

Параметр обработки	Сталь H21	AISI 1212	Примечания/Советы
Относительный индекс станочности	50%	100%	Сложнее обрабатывать
Типичная скорость резания	20 м/мин	30 м/мин	Используйте карбидные инструменты для наилучших результатов

Сталь H21 сложнее обрабатывать, чем менее легированные стали из-за её твердости. Использование быстрорежущих сталей или карбидных инструментов и оптимизация скоростей резания могут улучшить станочность.

Формуемость

Сталь H21 не особенно поддается формованию из-за её высокой твердости и прочности. Холодное формование, как правило, не рекомендуется, в то время как горячее формование можно выполнять с осторожностью, чтобы избежать трещин. Минимальный радиус изгиба должен учитываться при обработке.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	1 - 2 часа	Воздух	Снизить твердость, улучшить станочность
Закалка	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	30 - 60 минут	Масло	Достигнуть высокой твердости
Закалка	500 - 600 °C / 932 - 1112 °F	1 - 2 часа	Воздух	Снизить хрупкость, повысить прочность

Процессы термообработки существенно влияют на микроструктуру стали H21. Закалка превращает сталь в мартенситную структуру, в то время как отпуск снижает остаточные напряжения и хрупкость, увеличивая прочность.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора
Аэрокосмическая	Режущие инструменты	Высокая твердость, износостойкость	Точность и долговечность
Автомобильная	Формы для инъекционного формования пластика	Прочность, термостойкость	Высокий объем производства
Производственная	Штампы для штамповки	Износостойкость, ударная прочность	Долговечность инструмента

Другие применения включают:
- Инструменты для металлорежущей обработки
- Инструменты для холодной обработки
- Режущие инструменты высокой скорости

Сталь H21 выбирается для этих приложений благодаря своей способности сохранять твердость и прочность в сложных условиях, обеспечивая долговечность и надежность.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие Insights

Особенность/Свойство	Сталь H21	AISI D2	M2 Сталь быстрого резания	Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах
Твердость	Высокая	Высокая	Очень высокая	H21 предлагает баланс промежуточной прочности и твердости
Устойчивость к коррозии	Умеренная	Хорошая	Умеренная	D2 обладает лучшей устойчивостью к коррозии
Свариваемость	Умеренная	Плохая	Плохая	H21 можно сваривать с осторожностью
Станочность	Умеренная	Хорошая	Плохая	D2 проще обрабатывать, чем H21
Примерная относительная стоимость	Умеренная	Умеренная	Высокая	H21 является экономически эффективной для высокопроизводительных инструментов
Типич Availability	Общепринятая	Общепринятая	Менее распространенная	H21 широко доступна на рынках инструментальных сталей

При выборе стали H21 стоит учитывать её механические свойства, экономическую эффективность и доступность. Хотя она демонстрирует отличную производительность в условиях высоких температур, её обработка и свариваемость требуют аккуратного обращения. Выбор между H21 и альтернативными марками, такими как D2 или M2, зависит от конкретных требований приложения, включая износостойкость, прочность и устойчивость к коррозии.

В заключение, сталь H21 является универсальным материалом, который превосходит в требовательных приложениях, что делает её предпочтительным выбором для производителей инструментов и производителей, стремящихся к долговечности и производительности.