M50 сталь: свойства и ключевые применения в подшипниках HSS

Сталь M50, также известная как HSS (высокоскоростная сталь) подшипниковая сталь, является высокопроизводительной легированной сталью, в первую очередь классифицируемой как среднеуглеродистая легированная сталь. Она характеризуется уникальным сочетанием твердости, устойчивости к износу и прочности, что делает её подходящей для требовательных приложений, таких как подшипники, зубчатые колёса и другие компоненты, подвергающиеся высоким нагрузкам и износу.

Обширный обзор

Сталь M50 в основном легирована хромом, молибденом и ванадием, которые значительно улучшают её механические свойства. Наличие этих легирующих элементов способствует образованию мелкозернистой микроструктуры, что жизненно важно для достижения желаемой твердости и прочности. Сталь M50 часто используется в приложениях, где критически важны высокая усталостная прочность и устойчивость к износу.

Ключевые характеристики:
- Высокая твердость: Сталь M50 может достигать уровней твердости, превышающих 60 HRC после соответствующей термообработки.
- Отличная устойчивость к износу: Легирующие элементы обеспечивают превосходную устойчивость к износу, что делает её идеальной для приложений с высокой нагрузкой.
- Хорошая прочность: Несмотря на свою твердость, M50 сохраняет хорошую прочность, уменьшая риск хрупкого разрушения.

Преимущества:
- Исключительная производительность в условиях высоких нагрузок.
- Сохраняет твердость при повышенных температурах, что делает её подходящей для высокоскоростных применений.
- Разнообразные применения в различных отраслях, включая аэрокосмическую и автомобильную.

Ограничения:
- Более сложна в обработке по сравнению с низколегированными сталями из-за своей твердости.
- Требует тщательной термообработки для достижения оптимальных свойств, что может увеличить затраты на производство.
- Ограниченная коррозионная стойкость по сравнению с нержавеющими сталями.

Исторически сталь M50 сыграла важную роль в разработке высокоэффективных подшипников и инструментария, утвердив себя как предпочтительный выбор в отраслях, требующих прочных и надежных материалов.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Заметки
UNS	M50	США	Ближайший эквивалент AISI M50
AISI/SAE	M50	США	Часто используется в подшипниковых приложениях
ASTM	A681	США	Спецификация для высокоскоростной стали
EN	1.3255	Европа	Небольшие различия в составе
JIS	SKH51	Япония	Сходные свойства, но разные рекомендации по термообработке

Ближайшие эквиваленты стали M50, такие как SKH51, могут иметь незначительные различия в составе, которые могут повлиять на производительность в конкретных приложениях. Например, процессы термообработки и получившиеся микроструктуры могут привести к варьированию в твердости и прочности.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (Углерод)	0.90 - 1.05
Cr (Хром)	3.75 - 4.25
Mo (Молибден)	4.00 - 5.00
V (Ванадий)	1.75 - 2.25
Mn (Марганец)	0.20 - 0.50
Si (Кремний)	0.20 - 0.50
P (Фосфор)	≤ 0.030
S (Сера)	≤ 0.030

Основные легирующие элементы в стали M50 играют ключевую роль:
- Хром улучшает закаливаемость и коррозионную стойкость.
- Молибден вносит вклад в прочность и прочность при высоких температурах.
- Ванадий уточняет зернистую структуру, улучшая устойчивость к износу и прочность.

Механические свойства

Свойство	Условие/температура	Типичное значение/диапазон (метрическая)	Типичное значение/диапазон (имперская)	Справочный стандарт для метода испытания
Устойчивость к растяжению	Закаленный и отпускной	1,800 - 2,200 МПа	261 - 319 ksi	ASTM E8
Прочность на текучесть (0.2% смещение)	Закаленный и отпускной	1,600 - 1,800 МПа	232 - 261 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленный и отпускной	5 - 10%	5 - 10%	ASTM E8
Твердость	Закаленный и отпускной	58 - 64 HRC	58 - 64 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	Закаленный и отпускной (20°C)	20 - 30 Дж	15 - 22 фут-фунт	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на растяжение и прочности, вместе с значительной твердостью, делает сталь M50 особенно подходящей для приложений, требующих сопротивления деформации под нагрузкой, таких как подшипники и зубчатые колёса.

Физические свойства

Свойство	Условие/температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1,400 - 1,500 °C	2,552 - 2,732 °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
Коэффициент теплового расширения	20 - 100 °C	11.5 x 10⁻⁶/К	6.36 x 10⁻⁶/°F

Плотность и температура плавления стали M50 указывают на её прочность, в то время как теплопроводность и удельная теплоемкость говорят о её пригодности для приложений с термическими колебаниями. Коэффициент теплового расширения критичен в приложениях, где необходима размерная стабильность.

Коррозионная стойкость

Коррозирующий агент	Концентрация (%)	Температура (°C)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	Различается	Приемлемая	Умеренная	Риск точечной коррозии
Кислоты	Различается	Приемлемая	Низкая	Не рекомендуется для кислых сред
Щелочные растворы	Различается	Приемлемая	Умеренная	Умеренная стойкость
Атмосферные условия	-	Приемлемая	Хорошая	Требуются защитные покрытия

Сталь M50 обладает умеренной коррозионной стойкостью, особенно в атмосферных условиях. Однако она подвержена точечной коррозии в среде с хлором и не должна использоваться в кислых условиях. По сравнению с нержавеющими сталями, коррозионная стойкость M50 ограничена, что делает её менее пригодной для приложений, подверженных суровым условиям.

Теплостойкость

Свойство/Предел	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной службы	300	572	Подходит для высокоскоростных приложений
Максимальная температура промежуточной службы	400	752	Только кратковременное воздействие
Температура окисления	600	1,112	Риск окисления выше этой точки
Сопротивление ползучести начинает учитываться примерно	500	932	Значительная потеря прочности при повышенных температурах

Сталь M50 сохраняет свою твердость и прочность при повышенных температурах, что делает её подходящей для высокоскоростных приложений. Однако она может подвергнуться окислению и наслоению, если подвергнется температуре выше 600 °C, что может скомпрометировать её структурную целостность.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый filler металл (классификация AWS)	Типичная защитная газ/флюс	Примечания
TIG	ER80S-D2	Аргон	Рекомендуется предварительный подогрев
MIG	ER80S-D2	Аргон + CO2	Рекомендуется термообработка после сварки
Электрод	E7018	-	Требует предварительного подогрева

Сталь M50 в целом не рекомендуется для сварки из-за своей высокой твердости и восприимчивости к растрескиванию. Предварительный подогрев и термообработка после сварки необходимы для минимизации риска дефектов. Важно тщательно подбирать filler металлы для обеспечения совместимости и производительности.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Сталь M50	AISI 1212	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	50	100	M50 сложнее обрабатывать
Типичная скорость резания	20 м/мин	40 м/мин	Используйте карбидные инструменты для наилучших результатов

Твердость стали M50 делает её более сложной в обработке по сравнению с низколегированными сталями, такими как AISI 1212. Оптимальные условия резки и инструменты жизненно важны для достижения желаемых качеств поверхности и допусков.

Формуемость

Сталь M50 не легко формуется из-за своей высокой твердости. Холодная формовка обычно невозможна, в то время как горячая формовка может быть возможна при тщательном контроле температуры и скорости деформации. Может произойти упрочнение, что требует тщательных проектных решений для радиусов изгиба и процессов формовки.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	800 - 850 / 1,472 - 1,562	1 - 2 часа	Воздух	Размягчение, улучшение обрабатываемости
Закалка	1,000 - 1,050 / 1,832 - 1,922	30 минут	Масло	Закаливание
Отпуск	500 - 600 / 932 - 1,112	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, улучшение прочности

Процессы термообработки для стали M50 включают аустенизацию, закалку и отпуск для достижения желаемой твердости и прочности. Металлические преобразования в процессе этих обработок значительно влияют на микроструктуру, что приводит к равномерному распределению карбидов, увеличивающих устойчивость к износу.

Типичные приложения и области использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора (кратко)
Аэрокосмическая	Подшипники для самолётов	Высокая твердость, устойчивость к износу	Критично для высокоскоростной работы
Автомобильная	Зубчатые колёса	Высокая прочность на растяжение, прочность	Критично для несущих компонентов
Производственная	Режущие инструменты	Устойчивость к износу, твердость	Требуется для долговечности и производительности

Другие применения включают:
* - Высокопроизводительные автомобильные компоненты
* - Запчасти для промышленного оборудования
* - Инструментальная оснастка для процессов металлообработки

Сталь M50 выбирается для приложений, требующих высокой производительности в экстремальных условиях, где её сочетание твердости, устойчивости к износу и прочности не имеет аналогов.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие сведения

Особенность/Свойство	Сталь M50	AISI 52100	D2 инструментальная сталь	Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Отличная устойчивость к износу	Хорошая прочность	M50 предлагает лучшую производительность при высоких температурах
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Хорошая	Плохая	M50 менее коррозионно-устойчива, чем 52100
Свариваемость	Плохая	Умеренная	Плохая	Все марки требуют тщательных практик сварки
Обрабатываемость	Сложная	Умеренная	Трудная	M50 сложнее обрабатывать, чем обе альтернативы
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Низкая	Умеренная	M50 может быть более дорогой из-за легирующих элементов
Типичная доступность	Умеренная	Высокая	Умеренная	M50 может быть менее доступной, чем 52100

При выборе стали M50 стоит учитывать её рентабельность, доступность и специфические требования к производительности. Хотя она предлагает превосходные свойства для приложений с высокой нагрузкой, её сложности в обрабатываемости и сварке требуют тщательного планирования и исполнения во время обработки. Кроме того, магнитные свойства M50 могут быть важным аспектом в приложениях, где важна магнитная интерференция.

В заключение, сталь M50 является высокопроизводительным материалом, который превосходно подходит для требовательных приложений, но её уникальные свойства требуют тщательного учета при выборе и обработке для максимизации её потенциальных преимуществ.