Справочник по мартенситно-стареющим сталям: марки, свойства, области применения и обработка на станках с ЧПУ.

Мартенситно-стареющая сталь — это замечательный сплав с исключительной прочностью и ударной вязкостью, содержащий от 17 до 19% никеля. В отличие от других стальных сплавов, прочность которых обеспечивается содержанием углерода, мартенситно-стареющая сталь приобретает свою прочность за счет мартенситного состояния и старения. Для инженеров, ищущих высокопрочную сталь для деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, крайне важно знать о мартенситно-стареющей стали, поскольку это идеальный материал для обработки на станках с ЧПУ. Это руководство поможет им принять взвешенное решение при выборе материала. В этом руководстве объясняются марки мартенситно-стареющей стали, ее свойства, области применения и особенности обработки на станках с ЧПУ, чтобы помочь вам сделать правильный выбор при выборе материала.

Что такое мартенситно-стареющая сталь?

Как уже говорилось, мартенситно-стареющая сталь — это никелевый сплав с низким содержанием углерода. Она известна своей превосходной прочностью, ударной вязкостью и высоким соотношением прочности к весу. Название «марагинальная» происходит от мартенситного старения — процесса, при котором сплав приобретает прочность за счет дисперсионного упрочнения после образования мартенситной структуры. Но что делает мартенситно-стареющую сталь такой прочной: никель, низкое содержание углерода или другие легирующие элементы?

Что делает мартенситно-стареющую сталь такой прочной?

Твердость традиционных сталей определяется содержанием углерода. Но мартенситно-стареющая сталь – нет. Стареющая сталь имеет низкое содержание углерода и уникальные комбинации никеля, кобальта, молибдена и титана. Фактическую прочность сплав получает благодаря уникальной обработке. Первоначально мартенситно-стареющий сплав быстро охлаждают, в процессе чего образуется мартенсит.

Теперь сплав подвергается низкотемпературной термообработке. Такие элементы, как молибден, титан и никель, образуют мелкие осадки в мартенситной матрице, делая ее более плотной, твердой и прочной. Эти мелкие осадки упрочняют матрицу и являются основной причиной высокой прочности сплава.

Почему мартенситно-стареющая сталь широко используется?

Упомянутая выше высокая прочность на растяжение (2400 МПа) мартенситно-стареющего сплава в сочетании с низкой хрупкостью и легкостью сварки позволяет использовать его в высокоэффективных инженерных приложениях.

Химический состав мартенситно-стареющей стали

В зависимости от своей уникальной прочности на растяжение, мартенситно-стареющая сталь подразделяется на марки C250, C300 и C350. Здесь мы рассмотрим химический состав мартенситно-стареющей стали C300. В следующей таблице представлен химический состав мартенситно-стареющей стали:

Почему низкоуглеродная экономика важна

Снижение содержания углерода в стали оказывает огромное влияние на её общие характеристики. Как и в мартенситно-стареющей стали, в ней не образуются карбидные сетки, что приводит к хрупкости. Вместо них образуется мартенситная матрица, которая отвечает за высокую прочность. Низкое содержание углерода также облегчает свариваемость и старение, поскольку сталь остаётся мягкой и пластичной до термообработки.

Механические и физические свойства мартенситно-стареющей стали

Мартенситно-стареющая сталь обладает уникальными физическими и химическими свойствами, такими как высокая прочность на растяжение и ударная вязкость. Эти свойства делают ее пригодной для высокоэффективных применений после соответствующей обработки старением; ее свойства дополнительно улучшаются благодаря образованию межматричных осаждений. Здесь мы обсудим физические и механические свойства мартенситно-стареющей стали.

Физические свойства

Физические свойства мартенситно-стареющей стали оказывают сильное влияние на ее обработку на станках с ЧПУ. В приведенной таблице собраны физические свойства сталей марок Maraging 200 и 300.

Плотность

Мартенситно-стареющую сталь сложнее обрабатывать в состаренном состоянии, поскольку ее твердость и прочность значительно возрастают после старения. Это состояние требует жесткой установки, подходящих режущих инструментов, контролируемой скорости подачи, низких скоростей резания и эффективного охлаждения. Однако обработка на станках с ЧПУ в отожженном состоянии считается оптимальной, поскольку в отожженном виде сталь обладает низкой твердостью (до 35 HRC).

Обрабатываемость отожженной детали выше по сравнению с состаренной. Состаривание после механической обработки вызывает усадку в 0.05%. Именно поэтому в компании Tuofa наши специалисты рекомендуют обрабатывать отожженную деталь до получения формы, близкой к окончательной, а затем проводить состаривание.

Теплопроводность

По сравнению с другими сталями, такими как низкоуглеродистая сталь, теплопроводность которой находится в диапазоне от 45 до 50 Вт/м·К, мартенситная сталь обладает низкой теплопроводностью. Она демонстрирует низкую теплопроводность как в отожженном, так и в состаренном состоянии.

Тепло выделяется при трении режущего инструмента о поверхность материала. Из-за низкой теплопроводности это тепло задерживается в одном месте, вызывая износ инструмента и затрудняя удаление стружки. Именно поэтому при обработке требуется высококачественная охлаждающая жидкость.

Механические свойства

Исключительные механические свойства делают мартенситно-стареющую сталь пригодной для применения в современных технологиях. Здесь мы собрали воедино механические свойства состаренной мартенситно-стареющей стали:

Сверхвысокая прочность

Благодаря своей высокой прочности, как указано в таблице, мартенситно-стареющая сталь используется для изготовления компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам. Например, в аэрокосмической промышленности шасси самолетов изготавливаются из мартенситно-стареющей стали. Такая высокая прочность является результатом образования мартенсита и дисперсионного упрочнения.

Отличная вязкость разрушения

Традиционные легированные стали на основе углерода хрупки из-за образования карбидов. Мартенситно-стареющая сталь имеет очень низкое содержание углерода, что исключает риск образования карбидов. В мартенситно-стареющей стали никель-железная матрица мягкая и пластичная до старения. Именно поэтому она обладает превосходной трещиностойкостью.

Высокая устойчивость к усталости

Высокое сопротивление усталости обусловлено высокой прочностью на растяжение и отсутствием карбидов. Это позволяет материалу выдерживать циклические нагрузки. Именно поэтому он используется для изготовления компонентов, работающих в условиях непрерывных нагрузок, например, высокопроизводительных валов.

Хорошая пластичность

Хорошая пластичность обусловлена ​​низкоуглеродистой мартенситной матрицей, которая упрочняется за счет мелкодисперсных осадков, а не хрупких карбидов. Такая матрица позволяет осуществлять пластическую деформацию без преждевременного разрушения.

Распространенные марки мартенситной стали

Как уже говорилось ранее, мартенситно-стареющие стали — это класс стальных сплавов с исключительной прочностью на разрыв, твердостью и пластичностью. В зависимости от прочности на разрыв и химического состава мартенситно-стареющие стали подразделяются на 18Ni(250), 18Ni(300) и 18Ni(350). Мы подробнее обсудим эти марки и влияние их прочности на разрыв на их применение. Но прежде чем это сделать, вот таблица с химическим составом этих мартенситно-стареющих легированных сталей:

Мартенситная сталь 250

Мартенситная сталь 250 обладает сравнительно меньшей прочностью на растяжение, чем 18Ni(300) и 18Ni(350); это объясняется более низким содержанием Co и Mo. В то же время она обладает лучшей пластичностью благодаря своей четкой, мягкой мартенситной структуре. Она находит применение там, где важны высокая ударная вязкость и пластичность, например, в шасси самолетов.

Мартенситная сталь 300

Что касается мартенситно-стареющей стали 300, она занимает промежуточное положение между легированными сталями MS марок 250 и 350. Она демонстрирует более высокую твердость, чем MS 18Ni (250). Если вам нужен баланс между прочностью и ударной вязкостью, выбирайте мартенситно-стареющую сталь 300 для вашего следующего проекта по изготовлению инструментов.

Мартенситная сталь 350

Благодаря более высокому содержанию кобальта и титана, мартенситный сплав 350 обладает самой высокой прочностью среди этих распространенных марок, но его пластичность и ударная вязкость ниже, чем у мартенситных сплавов 250 и 300. Однако по сравнению с другими более низкими марками он обладает меньшей пластичностью. Мартенситная матрица становится менее гибкой и более чувствительной к надрезам. Это приводит к уменьшению удлинения и снижению пластичности по сравнению с менее прочными марками.

Как выбрать между 250, 300 и 350

Выбор марки легированной стали MS зависит от конкретного применения компонентов. Необходимо знать назначение, а также прочность, твердость или пластичность. Следует учитывать условия эксплуатации компонентов; например, для высокой прочности и хорошей усталостной стойкости предпочтительнее использовать сталь марки C300.

Здесь мы составили таблицу, которая поможет вам разобраться, как выбрать подходящий вариант из всех этих оценок.

Для чего используется мартенситная сталь?

Благодаря своим исключительным физическим и механическим свойствам, мартенситно-стареющая сталь находит применение во многих отраслях промышленности. Благодаря высокой прочности на растяжение и ударной вязкости она используется в производстве компонентов для аэрокосмической отрасли . Вот более подробная информация о её применении:

Компоненты для авиакосмической промышленности

В аэрокосмической отрасли, где важны высокая прочность на растяжение, высокое соотношение прочности к весу, ударная вязкость и усталостная стойкость, такие материалы, как мартенситно-стареющая сталь, занимают особое место. Она используется для изготовления шасси и конструкционных элементов. Эти компоненты постоянно подвергаются нагрузкам; именно поэтому другие углеродистые стали не справляются с этой задачей и со временем могут трескаться.

Автомобильная промышленность:

В автомобильной промышленности высокоточные компоненты, такие как валы и рычаги подвески, изготавливаются из легированной стали MS. Другие углеродистые стали подвергаются закалке или последующей обработке, что может существенно повлиять на их размеры. В случае мартенситно-стареющей стали она обрабатывается в отожженном состоянии, а затем еще раз. Таким образом, не возникает никаких неточностей в размерах. Также сталь используется для компонентов Формулы-1 благодаря высокому соотношению прочности к весу.

Оборонная и военная промышленность

Сплав MS обеспечивает редкое сочетание исключительной прочности, трещиностойкости, усталостной стойкости и стабильности размеров, чего обычным углеродистым сталям сложно достичь одновременно. Именно поэтому он используется для изготовления таких компонентов, как корпуса ракетных двигателей, корпуса систем наведения и многое другое.

Плесень и оснастка

Для изготовления деталей в пресс-формах и инструментальной промышленности требуются высокая точность и способность выдерживать циклические нагрузки. Традиционная углеродистая сталь не может обеспечить ни того, ни другого. Именно поэтому для производства сердечников литьевых форм, вставок для литья под давлением и прецизионных штамповочных пуансонов в пресс-формах и контрактной промышленности используется мартенситно-стареющая сталь.

Легко ли обрабатывать мартенситную сталь?

Ответ на этот вопрос кроется в состоянии мартенситно-стареющей стали: отожженной или состаренной. В отожженном состоянии никель-железная матрица мягкая и пластичная, что облегчает механическую обработку и сварку. После состаривания мелкие осадки упрочняют мартенситную матрицу, делая материал намного тверже и затрудняя механическую обработку. Такая структура трудно поддается обработке и требует использования специализированного инструмента.

Почему мартенситно-стареющую сталь легче обрабатывать на станках до старения?

До старения сплав легче обрабатывать, поскольку он еще не достиг своей окончательной твердости. Материал имеет относительно пластичную никель-железную мартенситную матрицу. Эта матрица пластична и мягка, что облегчает механическую обработку. По сравнению с твердой мартенситной структурой после старения.

Типичные проблемы обработки мартенситно-стареющей стали на станках с ЧПУ

При работе с мартенситно-стареющей сталью инженеры сталкиваются со многими проблемами, для преодоления которых требуется стратегическое планирование. Вот некоторые из распространенных проблем:

• Ускоренный износ инструмента особенно характерен для твердосплавных инструментов.
• Тенденция к упрочнению при обработке, если скорость подачи не оптимизирована.
• Концентрация тепла в зоне резания обусловлена ​​умеренной теплопроводностью.
• Плохое качество обработки древесины происходит из-за налипания стружки на кромку. Это приводит к образованию длинной, нитевидной стружки.
• Проблемы вибрации (дребезжания) в тонких или сложных геометрических формах.

Как обрабатывать мартенситную сталь?

Как уже говорилось ранее, для механической обработки методом мартенситной деформации требуются специальные технологии и стратегии; вот что предлагают наши эксперты в этом отношении.

Машина до старения

Предпочтительно проводить механическую обработку детали до ее старения. На этом этапе материал мягкий и не содержит углерода. Он не проявляет хрупкости, и после старения обработанных деталей практически не наблюдается деформации размеров.

Используйте высокопроизводительные режущие инструменты

Несмотря на то, что обработка в отожженном состоянии проста, материал сохраняет высокую прочность, что требует высокоэффективного режущего инструмента. Инструменты изготавливаются из кубического нитрида бора (CBN) или покрываются слоем TiAlN.

Контроль температуры во время обработки на станках с ЧПУ

Когда режущий инструмент обрабатывает деталь, трение генерирует тепло. Такое тепло может привести к износу инструмента, а также к тепловому расширению детали. Это влияет на точность ее размеров. Именно поэтому для контроля тепла, выделяемого при обработке на станках с ЧПУ, используются охлаждающие жидкости.

Обработка поверхности мартенситно-стареющей стали

Несмотря на высокую прочность, ударную вязкость и пластичность, многие детали, изготовленные на станках с ЧПУ, подвергаются специальной обработке поверхности для улучшения их типичных свойств. Ниже приведены наиболее часто используемые методы обработки поверхности для мартенситно-стареющей легированной стали.

Азотирование

Азотирование подходит для компонентов, подверженных высоким поверхностным нагрузкам, трению и циклическим напряжениям. Например, в автомобильной и аэрокосмической промышленности азотированию подвергаются клапаны двигателей и коленчатые валы. Такая обработка приводит к образованию нитридного комплекса с железом, что делает его прочнее и повышает усталостную прочность.

Полировка:

Компоненты, такие как валы и детали трансмиссии, поверхность которых постоянно соприкасается с другими поверхностями, нуждаются в полировке. Это уменьшает шероховатость поверхности, делая ее более гладкой. В результате увеличивается усталостная долговечность компонента.

Покрытие и гальваника

Поскольку углеродистая сталь представляет собой сплав на основе железа и никеля, она подвержена точечной и коррозионной очистке в агрессивных условиях. Для предотвращения контакта поверхности с жесткими условиями ее подвергают нанесению покрытий и полировке. Покрытия и гальваническое покрытие применяются, например, на экструзионные матрицы и литейные формы.

Мартенситно-стареющая сталь против других материалов

Правильный выбор материалов для вашего проекта — ключевой фактор его успеха. Здесь мы поможем вам выбрать из распространенных легированных сталей и мартенситно-стареющих сталей в соответствии с вашими требованиями.

мартенситная сталь против инструментальной стали

Выбирайте инструментальную сталь, когда износостойкость, режущие характеристики и низкая стоимость материала важнее, чем максимальное соотношение прочности к весу и стабильность размеров после старения. Например, при изготовлении штампов и пуансонов. Если же вам нужна сверхвысокая прочность с хорошей ударной вязкостью и низкой деформацией после термообработки, выбирайте мартенситно-стареющую сталь для прецизионных пластиковых деталей.

Маргинация Легированная сталь против нержавеющей стали

И мартенситно-стареющая сталь, и нержавеющая сталь являются материалами, упрочненными осаждением (PH). Выбор, очевидно, зависит от экологических требований и прочности. Если ваши компоненты обладают исключительной прочностью и хорошим соотношением прочности к весу, а воздействие окружающей среды не является столь важным фактором, выбирайте мартенситно-стареющую сталь. Если вам необходима высокая прочность и коррозионная стойкость, выбирайте нержавеющую сталь, например, 17-4PH (нержавеющая сталь).

мартенситная сталь против титана

Для изготовления высокоточных высокопрочных компонентов, таких как вставки для литьевых форм и ракетные двигатели, используйте мартенситно-стареющую сталь. В этом случае критически важны стабильность размеров и сверхвысокая прочность. Если ваш проект включает производство легких, подверженных коррозии конструкций, таких как панели фюзеляжа самолетов и морские крепежные элементы, выбирайте титан.

мартенситная сталь против инконеля

Инконель и мартенситно-стареющая сталь — это исключительные сплавы с замечательными свойствами. Если вам нужна сверхвысокая прочность, прецизионная обработка и минимальная деформация после старения для изготовления инструментов, в аэрокосмических конструкциях используется сталь средней твердости. Однако для обеспечения экстремально высоких температур и коррозионной стойкости предпочтительнее использовать инконель.

Заключение

Мартенситно-стареющая сталь — один из замечательных сплавов стали, обладающий исключительными физическими и механическими свойствами. Она находит применение во многих отраслях промышленности. Понимание её свойств поможет вам принимать обоснованные решения при выборе материала для вашего проекта. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна смета на этот материал, не стесняйтесь обращаться к нам. Наши эксперты всегда готовы решить ваши проблемы. Возможности обработки стали в компании Tuofa позволяют изготавливать высокопрочные детали в соответствии с вашими требованиями.

FAQ

Обладает ли мартенситная сталь магнитными свойствами?

Да, мартенситная сталь обычно обладает магнитными свойствами, поскольку это сплав на основе железа с ОЦК-структурой, имеющий ферромагнитные свойства.

Что эквивалентно маржажу 350?

Эти материалы имеют тот же химический состав и предел текучести, что и мартенситная сталь 350. Различия заключаются главным образом только в конкретном производителе:

• Vascomax 350 (зарегистрированный товарный знак Allegheny Technologies/Allvac)
• UNS S35000 (идентификатор Единой системы нумерации)
• DIN 1.6355/1.6356 (Европейские стандарты)
• ATI C-350 (специальные сплавы ATI)

Является ли мартенситная сталь нержавеющей сталью?

Нет, нержавеющая сталь — это не мартенситно-стареющая сталь. Обе стали содержат никель, но мартенситно-стареющая сталь содержит кобальт, обеспечивающий прочность и твердость. В нержавеющей стали хром в основном отвечает за коррозионную стойкость, образуя защитный оксидный слой.

Ржавеет ли мартенситная сталь?

Да, он ржавеет при воздействии влаги и определенных условий. Именно поэтому при использовании в высокоэффективных областях применяется защитное покрытие.