0Cr13 против 1Cr13 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения

Введение

0Cr13 и 1Cr13 — это два часто указываемых сорта в пределах мартенситной нержавеющей стали, используемые в клапанах, насосах, столовых приборах, крепежах и износостойких компонентах. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между этими двумя сортами, когда необходимо сбалансировать твердость и износостойкость с прочностью, свариваемостью и стоимостью. Типичные контексты принятия решений включают выбор материала для коррозионно-стойкого вала или выбор материала для обрезки клапана, где твердость (износостойкость) конкурирует с прочностью на разрушение и легкостью обработки.

Основное практическое различие между 0Cr13 и 1Cr13 заключается в уровне углерода и в том, как углерод влияет на мартенситную закаливаемость: сорт с более высоким содержанием углерода предлагает большую твердость/прочность и износостойкость в состоянии после термообработки за счет прочности и свариваемости, в то время как сорт с более низким содержанием углерода более прощает в обработке и обеспечивает лучшую прочность, но меньшую максимальную твердость. Поскольку оба являются мартенситными нержавеющими сталями с аналогичными уровнями хрома, их часто сравнивают в проектировании, где требуется баланс коррозионной стойкости и механической производительности.

1. Стандарты и обозначения

• GB (Китай): 0Cr13, 1Cr13 (общие китайские обозначения для мартенситных нержавеющих сталей).
• JIS (Япония): аналогичные группы включают серии SUS410 / SUS420 (полезно для перекрестной ссылки).
• EN (Европа): мартенситные нержавеющие стали охватываются частями EN 10088, с эквивалентами, часто в сериях 410 / 420.
• ASTM/ASME: сопоставимые материалы находятся в классификациях AISI (410, 420, 430 и т.д.); точное соответствие требует перекрестной ссылки на номинальную химию и свойства.

Классификация: как 0Cr13, так и 1Cr13 являются мартенситными нержавеющими сталями (черные нержавеющие, закаливаемые). Они не являются аустенитными нержавеющими сталями (не дуплексными) и не являются сталями HSLA или инструментальными сталями в строгом смысле, хотя они используются в приложениях, требующих износостойких, закаливаемых нержавеющих свойств.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица дает типичные диапазоны состава, используемые в коммерческих целях; фактические пределы зависят от стандарта или поставщика. Эти данные приблизительны и предназначены для демонстрации относительных различий (не нормативные спецификационные пределы).

Элемент	0Cr13 (типичный, прибл.)	1Cr13 (типичный, прибл.)
C	0.03 – 0.08 мас.% (низкий углерод)	0.08 – 0.15 мас.% (высокий углерод)
Mn	≤ 1.0 мас.%	≤ 1.0 мас.%
Si	≤ 1.0 мас.%	≤ 1.0 мас.%
P	≤ 0.04 мас.%	≤ 0.04 мас.%
S	≤ 0.03 мас.%	≤ 0.03 мас.%
Cr	12.0 – 14.0 мас.%	12.0 – 14.0 мас.%
Ni	≤ 0.6 мас.%	≤ 0.6 мас.%
Mo	≤ 0.3 мас.% (часто отсутствует)	≤ 0.3 мас.% (часто отсутствует)
V	следы / не указано	следы / не указано
Nb, Ti, B, N	следовые уровни, если присутствуют	следовые уровни, если присутствуют

Как легирование влияет на производительность: - Углерод: основной элемент закалки для мартенситных сталей. Более высокий C увеличивает максимальную достижимую твердость и износостойкость, но снижает прочность и свариваемость. - Хром (≈12–14%): обеспечивает коррозионную стойкость, образуя пассивный оксидный слой; на этих уровнях обеспечивает базовое «нержавеющее» поведение в мягких средах, но менее устойчив к образованию ямок, чем высоколегированные нержавеющие стали. - Марганец и кремний: деоксидизаторы и умеренно влияют на закаливаемость. - Низкий Ni и Mo: обычно минимальны в этих сортах; отсутствие Mo ограничивает устойчивость к образованию ямок и коррозионную стойкость при высоких температурах.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура: - Оба сорта образуют мартенсит при закалке из температуры аустенитизации, учитывая их состав и маршрут термообработки. - В состоянии отжиг они могут показывать остатки феррита/перлита в зависимости от охлаждения, но для предполагаемой службы они обычно закалены до мартенсита + закаленного мартенсита.

Реакции на термообработку: - Аустенитизация (типично для мартенситной нержавеющей стали): растворная обработка при соответствующей температуре для формирования однородного аустенита, затем закалка для получения мартенсита. - Отжиг: снижает хрупкость, улучшает прочность и устанавливает окончательную твердость. Отжиг при более высоких температурах снижает твердость и повышает пластичность. - Нормализация против закалки: нормализация может использоваться на менее критичных деталях для уточнения размера зерна; полная закалка + отжиг используется, когда требуется высокая прочность или износостойкость.

Относительная реакция: - 1Cr13 (высокий C) достигает более высокой твердости после закалки и может быть отожжен до более высокого диапазона сохраненной твердости; он более чувствителен к температуре отжига при настройке прочности против прочности. - 0Cr13 (низкий C) развивает мартенсит с более низкой твердостью при той же термообработке и менее вероятно образует хрупкие мартенситные структуры, которые требуют очень осторожного отжига — это улучшает прочность и снижает риск растрескивания во время циклов закалки/отжига.

Термо-механическая обработка: - Ковка и контролируемая прокатка, за которыми следует правильная термообработка, могут уточнить микроструктуру и улучшить прочность в любом из сортов; однако более углеродистый 1Cr13 остается более закаливаемым и, следовательно, более чувствительным к толщине сечения и скорости охлаждения.

4. Механические свойства

Механические свойства сильно зависят от термообработки. Вместо абсолютных значений (которые варьируются в зависимости от отжига) таблица ниже сравнивает относительные тенденции для типичных условий закалки и отжига, используемых в промышленности.

Свойство	0Cr13	1Cr13
Устойчивость к растяжению	Умеренная	Выше
Устойчивость к текучести	Умеренная	Выше
Удлинение (пластичность)	Выше (более пластичный)	Ниже (менее пластичный)
Ударная прочность	Лучше (выше прочность)	Ниже (сниженная прочность при эквивалентной твердости)
Твердость (после закалки/отжига)	Умеренный максимум	Выше максимума, достижимого

Объяснение: - 1Cr13, с увеличенным содержанием углерода, позволяет достичь более высокой прочности и твердости после закалки и отжига; это делает его предпочтительным, когда критична износостойкость. - 0Cr13 предлагает лучшую прочность и пластичность при том же номинальном процессе, поскольку более низкий углерод снижает склонность к хрупкому мартенситу и остаточным напряжениям. - Выбор режима термообработки и отжига может сбалансировать твердость и прочность в любом из сортов; 1Cr13 дает более широкий диапазон твердости, но требует более тщательной термообработки, чтобы избежать хрупкости.

5. Свариваемость

Свариваемость мартенситных нержавеющих сталей определяется содержанием углерода, общей закаливаемостью и наличием элементов, которые расширяют область аустенита.

Ключевые формулы эквивалента углерода, полезные для качественной оценки: - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Формула Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация (качественная): - Поскольку 1Cr13 имеет более высокое содержание углерода, он дает более высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с 0Cr13, увеличивая склонность к холодному растрескиванию, образованию мартенсита в зоне термического влияния (HAZ) и растрескиванию, вызванному водородом. - 0Cr13, с более низким содержанием углерода, легче сваривается с использованием обычных сварочных материалов и протоколов термообработки до/после сварки (PWHT), и требует менее агрессивного предварительного нагрева. Практическое руководство: - Предварительный нагрев и PWHT обычно требуются для обоих сортов при сварке более толстых сечений или критических сборок. Для 1Cr13 более высокий предварительный нагрев и контролируемые температуры межпрохода и более строгий PWHT снижают твердость HAZ и риск растрескивания. - Выбор сварочного материала: используйте совместимый мартенситный или аустенитно-ферритный наполнитель в зависимости от желаемых свойств; аустенитные наполнители могут минимизировать риск растрескивания HAZ, но изменят коррозионное и механическое поведение локально.

6. Коррозия и защита поверхности

Оба сорта 0Cr13 и 1Cr13 являются нержавеющими, поскольку они содержат хром в диапазоне ~12–14%, что поддерживает образование пассивной пленки во многих атмосферах. Однако их коррозионная стойкость умеренная и значительно ниже, чем у высоколегированных нержавеющих сталей (например, 304/316).

• Общая коррозия: адекватная в слабо коррозионных средах (воздух, вода), но не рекомендуется для сред, богатых хлором, или для сред с образованием ямок без защитных мер.
• Устойчивость к образованию ямок и трещин: ограниченная — содержание Mo обычно низкое или отсутствует; поэтому общий эквивалент числа устойчивости к образованию ямок (PREN) низкий и менее применим для этих сортов.

Полезный индекс коррозии (при применимости): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Для 0Cr13 и 1Cr13, с незначительным содержанием Mo и N, PREN в основном определяется хромом и будет умеренным по сравнению с дуплексными или аустенитными нержавеющими сталями.

Защита поверхности для нестрогих условий: - Гальванизация: не распространена на нержавеющих сталях; может использоваться на недорогих углеродных сталях вместо этого. - Покраска, покрытие: распространены для дополнительной защиты от коррозии, где требуются эстетика и защита. - Пассивация: химическая пассивация (азотная или лимонная кислота) может восстановить/оптимизировать пассивный слой после обработки.

Уточнение: PREN имеет смысл для нержавеющих сортов с заметным содержанием Mo и N; для этих мартенситных сортов PREN лишь подчеркивает их ограниченную устойчивость к образованию ямок.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: более углеродистый 1Cr13 обычно более твердый и, следовательно, более труден в обработке в состоянии после закалки. Обрабатываемость лучше в отожженном или диапазоне низкой твердости. 0Cr13 легче обрабатывать, когда требуется аналогичная термообработанная твердость.
• Шлифовка и отделка: более высокая твердость 1Cr13 делает абразивную отделку более сложной и увеличивает износ инструмента; 0Cr13 более прощает.
• Формуемость и изгиб: более низкий углерод 0Cr13 имеет лучшую формуемость и характеристики упругости в состоянии размягчения (отжиг). Мартенситные нержавеющие стали, в общем, не так формуемы, как аустенитные сорта.
• Поверхностная отделка и травление: обе стали реагируют на общую отделку нержавеющей стали; однако шлифовка после сварки и пассивация часто требуются для восстановления коррозионной стойкости после обработки.

8. Типичные применения

0Cr13 (низкий углерод)	1Cr13 (высокий углерод)
Корпуса и обрезки клапанов, где приоритет отдается улучшенной прочности и свариваемости	Износостойкие компоненты, такие как лезвия ножей, режущие кромки и валы, требующие более высокой твердости
Валы, крепежи, компоненты насосов в условиях умеренной коррозии с рутинным PWHT	Корпуса шарикоподшипников, седла клапанов и уплотнительные кольца, где критична твердость/износостойкость
Структурные нержавеющие детали общего назначения, где важна легкость обработки	Инструменты, износостойкие пластины и компоненты, подвергающиеся абразивному износу, где требуется более высокая твердость

Обоснование выбора: - Используйте 0Cr13, когда свариваемость, прочность и пластичность более критичны, чем пиковая твердость; он предпочтителен для компонентов с динамическими нагрузками и там, где важна производительность после сварки. - Используйте 1Cr13, когда максимальная достижимая твердость и износостойкость являются ключевыми факторами, и когда приемлемы строгие контроль термообработки и сварки.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 1Cr13 и 0Cr13 обычно схожи по стоимости базового материала, поскольку содержание хрома доминирует в цене сплава. 1Cr13 может быть немного дешевле по единичной стоимости обработки, если окончательная твердость снижает операции отделки, но дополнительные контроль сварки и термообработки могут увеличить общую стоимость детали.
• Доступность: оба сорта широко производятся и доступны в виде листов, прутков и кованых форм в регионах, производящих по стандартам GB и эквивалентным спецификациям. Конкретные формы продуктов, строгие контроль состава или специализированные состояния термообработки могут повлиять на сроки поставки.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Характеристика	0Cr13	1Cr13
Свариваемость	Хорошая (лучше, чем 1Cr13)	Удовлетворительная до плохой (требует более строгого предварительного нагрева и PWHT)
Компромисс прочности и прочности	Сбалансировано в сторону прочности	Сбалансировано в сторону более высокой прочности/твердости
Стоимость (только материал)	Сравнимая	Сравнимая

Заключение — выбирайте на основе потребностей приложения: - Выберите 0Cr13, если вам нужна улучшенная свариваемость, высокая прочность и лучшая пластичность для компонентов, подверженных динамическим нагрузкам, или где важна простота обработки. - Выберите 1Cr13, если вам требуется более высокая твердость после термообработки и износостойкость и вы можете применять строгие контроль термообработки и сварки, чтобы управлять хрупкостью и риском растрескивания HAZ.

Заключительные замечания для спецификации и закупок: - Всегда запрашивайте у поставщика сертифицированный химический анализ и состояние термообработки; указывайте требуемые механические свойства и режим термообработки/отжига в заказах на покупку. - Для сварных сборок предоставляйте спецификации сварочных процедур (WPS), подробно описывающие предварительный нагрев, контроль межпрохода, расходные материалы и требования к PWHT, и учитывайте НК/инспекции, где последствия отказа значительны.