Инструментальная сталь: свойства и ключевые применения объяснены

Инструментная сталь - это категория стали, специально разработанная для производства инструментов и штампов. Она характеризуется твердостью, стойкостью к абразивному износу и способностью сохранять острый режущий край. Инструментные стали обычно классифицируются на несколько подкатегорий в зависимости от их свойств и применения, включая холодную обработку, горячую обработку и быстрорежущие стали. Основные легирующие элементы в инструментных сталях включают углерод, хром, молибден, ванадий и tungsten, каждый из которых вносит вклад в общие эксплуатационные характеристики стали.

Обзор

Инструментные стали в основном классифицируются как высокоуглеродные легированные стали, которые предназначены для работы при высоких уровнях напряжения и износа. Добавление легирующих элементов повышает их твердость, прочность и стойкость к износу, что делает их подходящими для различных применений в производственном секторе. Инструментные стали часто используются для производства режущих инструментов, штампов, форм и других компонентов, которые требуют высокой прочности и точности.

Ключевые характеристики:
- Твердость: Инструментные стали могут достигать высокой твердости благодаря термообработке, что делает их идеальными для резки и формовки материалов.
- Стойкость к износу: Легирующие элементы способствуют отличной стойкости к износу, позволяя инструментам сохранять свои режущие кромки в течение длительного времени.
- Упругость: Несмотря на свою твердость, многие инструментные стали демонстрируют хорошую упругость, что помогает предотвращать сколы и трещины во время работы.

Преимущества (плюсы):
- Исключительная твердость и стойкость к износу.
- Разнообразные применения в различных отраслях.
- Возможность термообработки для улучшения свойств.

Недостатки (минусы):
- Могут быть дороже, чем другие марки стали.
- Некоторые типы могут быть трудными в обработке или сварке.
- Уязвимость к коррозии, если не обработаны или не покрыты должным образом.

Исторически инструментные стали сыграли важную роль в развитии производственных процессов, позволяя производить компоненты с высокой точностью. Их рыночная позиция остается сильной благодаря постоянным достижениям в металлургии и производственных технологиях.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Группа	Страна/Регион происхождения	Примечания/Комментарии
UNS	T1	США	Быстрорежущая сталь с отличной стойкостью к износу.
AISI/SAE	A2	США	Сталь для инструментов, закаливающаяся на воздухе, хорошая упругость.
ASTM	A681	США	Спецификация для инструментальных сталей.
EN	1.2379	Европа	Инструментальная сталь для холодной обработки с высокой стойкостью к износу.
DIN	X100CrMoV5	Германия	Эквивалент A2 с небольшими различиями в составе.
JIS	SKD11	Япония	Похожие на D2, известны высокой твердостью.
GB	Cr12MoV	Китай	Эквивалент D2, используется для холодной обработки.
ISO	4957	Международный	Стандарт для инструментальных сталей.

В таблице выше выделены различные стандарты и эквиваленты для инструментальных сталей. Особенно стоит отметить, что хотя такие марки, как A2 и D2, часто считаются эквивалентами, A2 предлагает лучшую упругость, что делает его более предпочтительным для применения, требующего высокой стойкости к ударам.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (Углерод)	0.5 - 1.5
Cr (Хром)	0.5 - 5.0
Mo (Молибден)	0.1 - 2.0
V (Ванадий)	0.1 - 1.0
W (Тунгстен)	0.5 - 20.0
Mn (Марганец)	0.2 - 1.0
Si (Кремний)	0.1 - 1.0

Основная роль ключевых легирующих элементов в инструментальной стали включает:
- Углерод (C): Увеличивает твердость и прочность через термообработку.
- Хром (Cr): Улучшает стойкость к износу и закаливаемость.
- Молибден (Mo): Улучшает упругость и стойкость к размягчению при высоких температурах.
- Ванадий (V): Увеличивает стойкость к износу и очищает зернистую структуру.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Закалка	Температура испытания	Типичное значение/диапазон (метрические)	Типичное значение/диапазон (дюймовые)	Справочный стандарт для метода испытания
Упругая прочность	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	700 - 1200 МПа	100 - 175 ksi	ASTM E8
Прочность на текучесть (0.2% смещение)	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	500 - 1000 МПа	73 - 145 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	5 - 20%	5 - 20%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	50 - 65 HRC	50 - 65 HRC	ASTM E18
Ударная прочность (Charpy)	Закаленное и отпущенное	-20°C	20 - 40 Дж	15 - 30 фунт-фут	ASTM E23

Сочетание этих механических свойств делает инструментальную сталь особенно подходящей для применения, связанного с высокой механической нагрузкой, таким как операции резки и формовки. Высокие прочности на разрыв и текучесть гарантируют, что инструменты могут выдерживать значительные нагрузки без деформации, в то время как твердость позволяет использовать их длительное время без износа.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрическое)	Значение (дюймовое)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура/диапазон плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °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
Электрическое сопротивление	Комнатная температура	0.0000015 Ом·м	0.0000009 Ом·дюйм

Ключевые физические свойства, такие как плотность и теплопроводность, имеют решающее значение для применения, где необходима тепловая обработка. Высокая температура плавления указывает на то, что инструментальные стали могут сохранять свою целостность при повышенных температурах, что делает их подходящими для высокотемпературных применений.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	5 - 10	20 - 60 / 68 - 140	Удовлетворительно	Риск коррозии
Кислоты	10 - 30	20 - 40 / 68 - 104	Плохо	Уязвимость к коррозии
Щелочные растворы	5 - 15	20 - 60 / 68 - 140	Удовлетворительно	Умеренная стойкость

Инструментные стали обычно показывают ограниченную коррозионную стойкость, особенно в кислых средах. Они подвержены коррозии и образованию трещин под напряжением, особенно при воздействии хлоридов. По сравнению с нержавеющими сталями, инструментные стали требуют защитных покрытий или обработки поверхности, чтобы улучшить их коррозионную стойкость.

Термостойкость

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывного использования	500	932	Подходит для длительного использования
Максимальная температура прерываемого использования	600	1112	Кратковременное воздействие
Температура окисления	700	1292	Риск окисления выше этой температуры
Значение прочности на сдвиг начинает действовать примерно при	400	752	Производительность может ухудшаться выше этой температуры

Инструментные стали сохраняют свою твердость и прочность при повышенных температурах, что делает их подходящими для применения, связанного с теплом. Однако окисление может происходить при высоких температурах, что требует защиты покрытия или тщательного выбора материала для конкретных применений.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый filler-металл (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
MIG	ER70S-6	Аргон + CO2	Рекомендуется предварительный подогрев
TIG	ER80S-D2	Аргон	Требуется термообработка после сварки
Электрод	E7018	-	Не рекомендуется для высокоуглеродистых сталей

Инструментные стали могут быть сложными для сварки из-за их высокого содержания углерода, что может привести к растрескиванию. Часто требуется предварительный подогрев и термообработка после сварки, чтобы смягчить эти проблемы.

Станокобимость

Параметр обработки	Инструментальная сталь (A2)	Сравнительная сталь (AISI 1212)	Примечания/Советы
Индекс относительной обработчивости	60	100	A2 обрабатывается хуже, чем 1212
Типичная скорость резки (точение)	30 м/мин	50 м/мин	Используйте карбидные инструменты для A2

Обработка инструментальных сталей требует тщательного учета скоростей резания и инструмента. Рекомендуются карбидные инструменты благодаря своей прочности и эффективности при резке твердых материалов.

Формуемость

Инструментные стали обычно не подходят для обширных процессов формования из-за их высокой твердости и хрупкости. Холодное формирование ограничено, в то время как горячее формование может быть возможным с контролем температуры.

Термальная 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 обрабатываемости
Закалка	800 - 1200 / 1472 - 2192	30 - 60 минут	Масло или воздух	Увеличение твердости
Отпуск	150 - 650 / 302 - 1202	1 - 2 часа	Воздух	Снижение хрупкости, улучшение упругости

Процессы термообработки значительно изменяют микроструктуру инструментальных сталей, улучшая их твердость и упругость. Преобразование из аустенита в мартенсит во время закалки критически важно для достижения желаемых механических свойств.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Специфический пример применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора
Автомобильная	Режущие инструменты	Высокая твердость, стойкость к износу	Долговечность и точность
Аэрокосмическая	Формы для композитных материалов	Упругость, термостойкость	Высокие требования к производительности
Производственная	Штампы для литья	Твердость, стойкость к ударам	Долговечность инструмента
Металлообработка	Режущие лезвия	Стойкость к износу, сохранение остроты	Эффективность при резке

Другие применения включают:
- Инструменты для инжекционного литья
- Инструменты для формовки листового металла
- Штампы и матрицы для металлообработки

Инструментные стали выбираются за их способность выдерживать высокий износ и сохранять острые кромки, что делает их необходимыми в производственных процессах.

Важные аспекты, критерии выбора и дополнительные сведения

Свойство/Характеристика	Инструментальная сталь (A2)	Альтернативная группа 1 (D2)	Альтернативная группа 2 (H13)	Краткое замечание о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Отличная стойкость к износу	Высокая упругость	A2 предлагает баланс между твердостью и упругостью
Ключевой аспект коррозии	Удовлетворительно	Плохо	Хорошо	H13 имеет лучшую коррозионную стойкость
Свариваемость	Сложно	Трудно	Умеренно	A2 требует внимательных сварочных техник
Обрабатываемость	Умеренно	Низко	Умеренно	D2 труднее обрабатывается, чем A2
Приблизительная относительная стоимость	Умеренно	Высоко	Умеренно	D2 обычно дороже
Типичная доступность	Распространена	Распространена	Менее распространена	A2 широко доступна в различных формах

При выборе инструментальной стали необходимо сбалансировать такие факторы, как стоимость, доступность и специфические механические свойства в соответствии с требованиями применения. Инструментальные стали, такие как A2, часто предпочитаются за свою универсальность, в то время как D2 может быть выбрана для применения, требующего превосходной стойкости к износу. H13 предпочтительна в высокотемпературных применениях благодаря своей отличной упругости и термостойкости.

В заключение, инструментальные стали представляют собой важную категорию материалов в производственной отрасли, предлагая уникальное сочетание твердости, стойкости к износу и упругости. Понимание их свойств, применений и ограничений имеет большое значение для инженеров и производителей при выборе подходящей марки для их конкретных нужд.