10CrMo910 против 12Cr1MoV – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

10CrMo910 и 12Cr1MoV — это два хромомолибденовых легированных сталей, которые часто рассматриваются для деталей под давлением при повышенных температурах, таких как котельные трубы, трубопроводы и компоненты турбин. Инженеры и специалисты по закупкам обычно взвешивают компромиссы между прочностью при высоких температурах и долговременной стойкостью к ползучести по сравнению со стойкостью к окислению, свариваемостью и стоимостью. Типичные контексты принятия решений включают выбор материалов для парового обслуживания при различных диапазонах температуры/давления, выбор труб для электростанций или спецификацию кованых изделий и труб, где важны легкость изготовления и характеристики после сварки.

Основное практическое различие между этими марками заключается в их стратегии легирования: одна подчеркивает баланс хрома с микроалюминиевыми элементами для максимизации прочности при высоких температурах и стойкости к ползучести, в то время как другая содержит более высокий процент хрома, нацеленный на улучшение стойкости к окислению и образованию накипи с другой закалкой и рабочим диапазоном. Поскольку они занимают перекрывающиеся, но не идентичные рабочие окна, их часто сравнивают при оптимизации для температурной способности, свариваемости и жизненного цикла стоимости.

1. Стандарты и обозначения

• 10CrMo910
• Обычно ассоциируется с высокохромными, мартенситными/ферритными сталями, используемыми для трубопроводов и труб электростанций. Он предлагается по национальным стандартам в Европе и Китае и часто используется как альтернативное обозначение для сталей семейства P9x (обратитесь к конкретному национальному стандарту для точного эквивалента).
• Типичные типы стандартов: варианты EN и GB; обратитесь к применимому стандарту (например, EN или GB/Китай) и данным производителя для точного обозначения и пределов.

• Классификация: легированная сталь (термостойкая / усиленная ползучестью сталь).

• 12Cr1MoV

• Легированная сталь с более высоким содержанием хрома, ванадия и молибдена, исторически использовавшаяся в оборудовании для ископаемого топлива и нефтехимии.
• Появляется в стандартах Восточной Европы и России (ГОСТ) и некоторых национальных каталогах; также упоминается в международной литературе для паровых приложений.
• Классификация: легированная сталь (высокохромная термостойкая сталь).

Примечание: Ни одна из марок не является нержавеющей сталью по современным определениям (т.е. >11–12% Cr и специфическая коррозионно-стойкая металлургия), хотя 12Cr1MoV может приближаться к уровням хрома, где улучшается стойкость к окислению. Всегда проверяйте точное стандартное обозначение и сертифицированные химические пределы для закупок.

2. Химический состав и стратегия легирования

Типичные номинальные диапазоны состава (вес.%) обычно сообщаемые для этих семейств показаны ниже. Это репрезентативные диапазоны — всегда подтверждайте с сертификатом поставщика или конкретным стандартом.

Элемент	10CrMo910 (типичный номинальный диапазон, вес%)	12Cr1MoV (типичный номинальный диапазон, вес%)
C	0.05 – 0.12	0.08 – 0.18
Mn	0.20 – 0.60	0.30 – 0.70
Si	0.10 – 0.60	0.10 – 0.50
P (макс)	≤ 0.025	≤ 0.030
S (макс)	≤ 0.010	≤ 0.020
Cr	8.5 – 10.5	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.05	0.30 – 0.70
V	0.05 – 0.30	0.08 – 0.30
Nb (или Ta)	0.03 – 0.12 (где указано)	–
Ti	≤ 0.02 (где указано)	–
B	≤ 0.003 (возможные небольшие добавки)	–
N	≤ 0.03	≤ 0.03

Интерпретация эффектов легирования - Хром (Cr): повышает стойкость к окислению и образованию накипи при высокой температуре, увеличивает закаливаемость и стойкость к отпуску. Более высокий Cr в 12Cr1MoV обеспечивает лучшую стойкость к окислению поверхности и прилипанию накипи при некоторых температурах. - Молибден (Mo): укрепляет матрицу при повышенной температуре и улучшает стойкость к ползучести. 10CrMo910 обычно имеет более высокий Mo для повышения прочности при высоких температурах. - Ванадий (V): образует мелкие карбиды/нитриды, которые фиксируют дислокации и границы зерен, улучшая прочность на ползучесть и смягчение после длительного воздействия. - Ниобий (Nb), титан (Ti), бор (B): микроалюминиевые добавки уточняют размер зерна, стабилизируют карбиды/нитриды и могут улучшать ползучесть и прочность. - Углерод (C): способствует прочности и закаливаемости; более высокий C увеличивает прочность, но снижает свариваемость и прочность, если не контролировать.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - 10CrMo910: Разработан для формирования закаленной мартенситной микроструктуры после нормализации и отпуска. Микроструктура состоит из закаленного лопаточного мартенсита с дисперсными карбидами и карбонитридами (осадки, содержащие V, Nb, Mo), которые обеспечивают высокую прочность на ползучесть. - 12Cr1MoV: Также обычно нормализуется и закаливается для получения закаленного мартенсита, но более высокий Cr может способствовать образованию различных карбидов типа M23C6 и более стабильных оксидов, образующих накипь. Микроалюминирование дает осадочное упрочнение, аналогичное 10CrMo910, но химия карбидов изменяется.

Реакция на термообработку: - Нормализация: Обе марки выигрывают от контролируемой нормализации для растворения крупных карбидов и получения однородного аустенитного зерна, которое превращается в мартенсит при охлаждении. - Закалка и отпуск: Типичный маршрут — нормализация, за которой следует отпуск при температурах, подобранных для достижения желаемого баланса прочности и прочности. Отпуск снижает твердость, стабилизирует карбиды и восстанавливает пластичность. - Термомеханическая обработка: Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP) может уточнять зерна и осаждать мелкие дисперсии — особенно ценна для труб и листов для улучшения прочности и ползучести. - Старение и длительное воздействие: Обе стали показывают смягчение закаленного мартенсита и увеличение размеров осадков с течением времени при температуре. Более высокий Mo и контролируемое микроалюминирование замедляют деградацию в сталях, подобных 10CrMo910.

4. Механические свойства

Таблица ниже дает качественное сравнительное представление, а не абсолютные значения (поскольку уровни свойств зависят от термообработки и точного подтипа). Обратитесь к сертификатам завода и соответствующим проектным кодам для числовых проектных значений.

Свойство	10CrMo910	12Cr1MoV	Комментарий
Прочность на растяжение	Выше (обычно)	Умеренная	Сплавы типа 10CrMo910 оптимизированы для более высокой прочности на растяжение при повышенных температурах благодаря Mo и микроалюминированию.
Предельная прочность	Выше (обычно)	Умеренная	Микроалюминирование и химия Cr–Mo повышают предельную прочность и прочность на ползучесть при высоких температурах в 10CrMo910.
Удлинение (пластичность)	Хорошее (зависит от отпуска)	Хорошее	Обе марки могут достигать приемлемой пластичности после правильного отпуска; более высокий C снижает пластичность.
Ударная вязкость (при комнатной температуре)	Хорошая до очень хорошей при правильной термообработке	Хорошая	Вязкость зависит от чистоты и термообработки; обе марки могут быть вязкими, если контролировать.
Твердость (в состоянии отпуска)	Выше (для целей прочности)	Умеренная	10CrMo910, как правило, закаливается до уровней твердости, поддерживающих более высокие проектные напряжения.

Кто сильнее, прочнее или более пластичен и почему - Прочность: Стали типа 10CrMo910 обычно указываются для более высоких проектных напряжений и стойкости к ползучести из-за более высокого Mo и микроалюминирования (V, Nb), которые помогают осадочному упрочнению. - Вязкость: При правильной нормализации и отпуске обе марки могут обеспечить удовлетворительную вязкость. Более чистое производство стали и строгий контроль C и N помогают поддерживать ударные свойства. - Пластичность: Обе марки достигают приемлемой пластичности, но более высокий углерод и сильное осаждение могут снизить удлинение, если не обрабатывать осторожно.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от углеродного эквивалента, легирующих элементов и наличия микроалюминиевых элементов, которые увеличивают закаливаемость.

Полезные предсказательные формулы: - Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (WRC) для предсказания холодного растрескивания, вызванного водородом: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 10CrMo910: Более высокий Mo и микроалюминирование повышают закаливаемость и CE/Pcm, увеличивая риск образования жесткой мартенситной зоны термического влияния (HAZ), холодного растрескивания и необходимости предварительного нагрева и термообработки после сварки (PWHT). PWHT является обязательным для приложений под давлением, чтобы закалить HAZ и снять остаточные напряжения. - 12Cr1MoV: Более высокое содержание Cr также увеличивает закаливаемость, но более низкий Mo может снизить некоторую закаливаемость по сравнению с 10CrMo910; тем не менее, предварительный нагрев и PWHT часто требуются. Обе марки требуют квалифицированных сварочных процедур, контролируемых температур межпрохода и иногда соответствующих filler metals, чтобы избежать мягких зон или хрупких фаз. - Практическое руководство: Используйте низкогидрогеновые сварочные материалы, адекватный предварительный нагрев, контролируемый тепловой ввод и PWHT до указанной температуры. Всегда следуйте требованиям кодов (ASME, EN или национальных) для PWHT и испытаний после сварки.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни одна из марок не является нержавеющей сталью в смысле коррозионной стойкости в влажных условиях. Необходимы стратегии защиты для атмосферных, водных или коррозионных сред.
• Защита поверхности: оцинковка обычно не используется для высокотемпературного парового обслуживания; вместо этого применяются защитные покрытия (термостойкие краски), легированная обшивка или внутренние покрытия по мере необходимости. Катодная защита и коррозионный запас являются типичными в проектировании.
• Окисление и образование накипи: Более высокий Cr в 12Cr1MoV улучшает образование прилипших оксидных накипей, богатых хромом, и может снизить окислительную массу потерь при более высоких температурах пара по сравнению с сталями с более низким содержанием Cr. Однако фактическая производительность окисления зависит от температуры, химии пара и времени воздействия.
• PREN (не применяется в общем случае): Для нержавеющих сплавов используется индекс PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не применим к этим нестабилизированным легированным сталям для общего выбора коррозии — используйте его только для нержавеющих сплавов.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: Более высокая прочность и более жесткие условия обработки снижают обрабатываемость. 12Cr1MoV с более высоким Cr может быть немного более абразивным; 10CrMo910 с микроалюминированными осадками может снижать срок службы инструмента. Обработка должна проводиться в нормализованных или отожженных условиях, где это возможно.
• Формуемость и изгиб: Обе марки ограничены в холодной формовке в нормализованном и закаленном состоянии; формование легче, когда поставляется в нормализованном состоянии (или в состоянии, обработанном раствором, если доступно). Термообработка после формования часто требуется.
• Финишная обработка: Шлифовка и финишная обработка аналогичны другим легированным сталям; используйте соответствующее охлаждающее средство и инструменты для управления твердостью и абразивностью.

8. Типичные применения

10CrMo910	12Cr1MoV
Трубопроводы для высокотемпературного пара, трубы подогревателей/супернагревателей, компоненты, требующие повышенной прочности на ползучесть при средне-высоких температурах пара	Паровые коллекторы, высокотемпературные трубопроводы, где важна повышенная стойкость к окислению и контроль накипи
Компоненты электростанций, где проект требует более высоких допустимых напряжений или увеличенного срока службы ползучести	Компоненты, где приоритетом является стойкость к окислению поверхности наряду с умеренной стойкостью к ползучести
Детали под давлением, требующие строгих процедур PWHT и высокопрочных свариваемых решений	Компоненты под давлением в тепловых электростанциях и нефтехимических заводах с обслуживанием в окислительных атмосферах

Обоснование выбора: - Выбирайте сплавы, подобные 10CrMo910, когда высокотемпературная прочность, стойкость к ползучести и долговременная механическая стабильность под напряжением являются основными факторами проектирования. - Выбирайте 12Cr1MoV, когда стойкость к окислению/накипи и стабильность поверхности при повышенных температурах относительно более важны и когда приемлемы несколько другие компромиссы в обработке.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: Стоимость материала зависит от содержания легирующих элементов и производственного маршрута. Сплавы с более высоким содержанием Mo и микроалюминирования (семейство 10CrMo910) обычно дороже за килограмм, чем более простые стали Cr–Mo из-за легирования и более строгого контроля обработки.
• Доступность: Обе марки доступны в виде труб, трубопроводов, листов и кованых изделий от специализированных заводов. Доступность может варьироваться в зависимости от региона; стали типа P91 (семейство 10CrMo910) широко доступны на рынках с крупными тепловыми энергетическими отраслями, в то время как регионально специфические марки, такие как 12Cr1MoV, могут быть более распространены в Восточноевропейских и некоторых азиатских цепочках поставок.
• Сроки поставки: Для высокоспецификационных марок и квалифицированных материалов сроки поставки увеличиваются — планируйте закупки заранее и требуйте сертификаты испытаний завода и записи о термообработке.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	10CrMo910	12Cr1MoV
Свариваемость	Удовлетворительная (требует предварительного нагрева/PWHT; более высокая закаливаемость)	Удовлетворительная (требует предварительного нагрева/PWHT)
Прочность–Вязкость (при повышенной Т)	Высокая прочность и стойкость к ползучести	Умеренная–высокая, хорошая вязкость
Стоимость	Выше (из-за Mo и микроалюминирования)	Умеренная

Заключительные рекомендации - Выбирайте 10CrMo910, если: - Проект требует более высоких допустимых напряжений при повышенной температуре или превосходной стойкости к ползучести. - Долговременная механическая стабильность при длительном воздействии высоких температур и напряжений является приоритетом. - Вы можете учесть более строгие требования к сварке (предварительный нагрев, PWHT) и немного более высокую стоимость материала.

• Выбирайте 12Cr1MoV, если:
• Стойкость к окислению/накипи и более высокое содержание хрома важны для вашей рабочей среды.
• Вы ищете баланс хорошей производительности при повышенных температурах с умеренной стоимостью и доступностью поставок в определенных регионах.
• Ограничения по обработке и закупкам способствуют более простой химии легированной стали Cr–Mo.

Заключительная заметка: Эти марки определяются конкретными стандартами, чьи точные пределы и механические проектные значения варьируются. Всегда используйте точный стандарт материала и сертификат испытаний завода для проверки химического состава, состояния термообработки и сертифицированных механических свойств перед принятием проектного решения или закупкой.