12Cr1MoV против 15CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между близкими по составу низколегированными сталями при спецификации компонентов для оборудования под давлением, трубопроводов и высокотемпературных приложений. Типичные дилеммы выбора связаны с балансировкой прочности и сопротивления ползучести при высоких температурах против свариваемости, легкости обработки и стоимости. Одно из распространенных сравнений — между 12Cr1MoV и 15CrMo, которые используются в котлах, сосудах под давлением и структурных частях, подвергающихся воздействию тепла.

Основное различие между этими двумя сталями заключается в их стратегии легирования: одна марка включает более сильные элементы микроаллигирования, образующие карбиды, которые повышают закаляемость и прочность при высоких температурах, в то время как другая разработана для более простой композиции и легкости обработки. Это различие приводит к компромиссам в механических характеристиках, сварочных процедурах и пригодности для работы при более высоких температурах.

1. Стандарты и обозначения

• 12Cr1MoV
• Обычно встречается в национальных стандартах для сталей сосудов под давлением и котлов (например, различные китайские и восточноевропейские стандарты). Классифицируется как низколегированная сталь, предназначенная для работы при повышенных температурах (сталь для давления/котлов).
• 15CrMo
• Встречается в традиционных европейских и международных спецификациях для низколегированных сталей для котлов и сосудов под давлением (исторически в обозначениях, связанных с EN/BS). Это также низколегированная, жаропрочная сталь.

Классификация для обеих: низколегированная (ферритная) сталь для давления/котлов (не нержавеющая, не инструментальная сталь, не HSLA в современном смысле микроаллигирования, хотя элементы микроаллигирования могут присутствовать).

2. Химический состав и стратегия легирования

Обе марки используют разные стратегии легирования: одна акцентирует внимание на небольших добавках элементов микроаллигирования (образователей карбидов/нитридов) для улучшения прочности при высоких температурах и сопротивления ползучести, в то время как другая является более простой хромомолибденовой сплавом, оптимизированной для хорошей прочности и легкости свариваемости.

Таблица — качественное присутствие легирующих элементов | Элемент | 12Cr1MoV (качественное присутствие) | 15CrMo (качественное присутствие) | |---|---:|---:| | C (углерод) | Низкий до умеренного (контролирует прочность) | Низкий до умеренного | | Mn (марганец) | Присутствует (помощь в прочности/ударной вязкости) | Присутствует | | Si (кремний) | Присутствует в небольших количествах (обезуглероживание) | Присутствует в небольших количествах | | P (фосфор) | Остаточный/контролируемый (содержится на низком уровне) | Остаточный/контролируемый (содержится на низком уровне) | | S (сера) | Следы/контролируемая | Следы/контролируемая | | Cr (хром) | Умеренный (улучшает окисление и прочность) | Умеренный (основное легирование) | | Ni (никель) | Обычно отсутствует или в следах | Обычно отсутствует или в следах | | Mo (молибден) | Присутствует (улучшает прочность на ползучесть и закаляемость) | Присутствует (но обычно с более низким содержанием, чем у более сильно легированной марки) | | V (ванадий) | Небольшая добавка микроаллигирования (образует карбиды/нитриды) | Обычно отсутствует или только в следах | | Nb (ниобий) | Обычно отсутствует или в следах | Обычно отсутствует или в следах | | Ti (титан) | Возможны следы (обезуглероживание/стабилизация) | Возможны следы | | B (бор) | Не типично | Не типично | | N (азот) | Следы (влияет на образование микроаллигированных карбидов/нитридов) | Следы |

Как легирование влияет на свойства - Хром и молибден повышают прочность при высоких температурах, сопротивление ползучести и закаляемость; они также немного снижают свариваемость, если содержание значительное. - Ванадий (и другие элементы микроаллигирования, такие как ниобий) способствует укреплению за счет мелких карбидных/нитридных осадков и упрочнения зерна; это увеличивает предел прочности и сопротивление ползучести, но повышает закаляемость и риск образования мартенсита в зоне термического влияния (HAZ) во время сварки. - Углерод контролирует базовую прочность и закаляемость; в этих марках он поддерживается на низком или умеренном уровне, чтобы сохранить свариваемость и ударную вязкость. - Марганец и кремний в основном являются обезуглероживателями и умеренно способствуют прочности и ударной вязкости.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Типичные микроструктуры - Обе марки имеют ферритно-перлитные или нормализованные ферритные микроструктуры в поставляемом состоянии, когда нормализованы или нормализованы и закалены. Для типичных сталей сосудов под давлением целевая микроструктура — закаленная байнитная или мелкозернистая ферритно-перлитная структура в зависимости от термической обработки и скорости охлаждения. - 12Cr1MoV, благодаря микроаллигированию (ванадий) и молибдену, как правило, производит более мелкие осадки и может развивать более мелкозернистую, закаленную мартенситно-ферритную структуру в сильно охлажденных областях; это обеспечивает более высокую прочность и улучшенное сопротивление ползучести. - 15CrMo обычно имеет традиционную закаленную ферритно-перлитную микроструктуру, оптимизированную для ударной вязкости при умеренных повышенных температурах.

Реакция на термическую обработку - Нормализация: обе стали реагируют на нормализацию упрочнением зерна и улучшением ударной вязкости; элементы микроаллигирования в 12Cr1MoV помогают стабилизировать мелкие зерна при соответствующих циклах нормализации. - Закалка и отпуск: обе могут быть закалены и отпущены, но наличие ванадия и более высокая закаляемость в более сильно легированной марке требует тщательного контроля жесткости закалки и отпуска, чтобы избежать чрезмерной твердости HAZ и достичь необходимой ударной вязкости. - Термомеханическая обработка: 12Cr1MoV больше выигрывает от контролируемой прокатки/термомеханической обработки, потому что осадки микроаллигирования помогают закрепить границы зерен, улучшая прочность и ударную вязкость при температуре.

4. Механические свойства

Предоставление качественно сравнительных механических свойств избегает вводящих в заблуждение точных чисел, при этом делая различия ясными.

Таблица — сравнительное механическое поведение (качественное) | Свойство | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Устойчивость к растяжению | Более высокая тенденция (из-за микроаллигирования и Mo) | Умеренная | | Предел текучести | Более высокая тенденция | Умеренная | | Удлинение (пластичность) | Хорошее, может быть немного ниже, чем у 15CrMo, если сильно легирован | Хорошее, обычно более пластичное в стандартном состоянии | | Ударная вязкость | Хорошая при правильной термической обработке; чувствительна к условиям HAZ | Обычно очень хорошая, часто превосходная ударная вязкость HAZ при одинаковой сварочной практике | | Твердость | Может достигать более высокой твердости после закалки и отпуска | Ниже в сопоставимых условиях |

Объяснение - 12Cr1MoV разработана для обеспечения более высокой прочности при температуре и сопротивления ползучести за счет микроаллигирования и более высокого содержания молибдена; поэтому она обычно достигает более высоких пределов прочности и текучести после соответствующей термической обработки. - 15CrMo, с меньшим количеством добавок микроаллигирования, как правило, легче обрабатывается и сваривается, с немного лучшей сохраненной пластичностью и ударной вязкостью HAZ во многих сценариях обработки. - Фактические механические значения зависят от точной спецификации, маршрута термической обработки и формы продукта; инженеры должны обращаться к сертификатам поставщика для гарантированных минимумов.

5. Свариваемость

Свариваемость определяется эквивалентом углерода, легирующими элементами, которые увеличивают закаляемость, и микроаллигированными элементами, которые образуют стабильные карбиды/нитриды.

Полезные эмпирические индексы (для качественной интерпретации) - Эквивалент углерода (формула IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Формула Pcm для предрасположенности к трещинам при сварке: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация - Более высокие значения $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ указывают на большую закаляемость и повышенную необходимость в предварительном нагреве, контролируемых температурах межпрохода и термической обработке после сварки (PWHT). - 12Cr1MoV обычно дает более высокие вклады $CE$/$P_{cm}$ из-за молибдена и ванадия, поэтому сварочные процедуры должны учитывать повышенную закаляемость HAZ: предварительный нагрев, контролируемый тепловой ввод и PWHT обычно требуются для изготовления сосудов под давлением. - 15CrMo, с меньшим количеством микроаллигированных элементов, как правило, имеет более низкие рассчитанные значения CE и Pcm и обычно более прощает при сварке — хотя предварительный нагрев и PWHT часто все еще указываются для толстых секций и оборудования под давлением.

Практическое руководство - Обе марки, используемые в оборудовании под давлением, обычно требуют квалифицированных сварочных процедур и PWHT для восстановления ударной вязкости и снятия остаточных напряжений. - При выборе между двумя, учитывайте сложность требуемого цикла PWHT и производительность сварки. Сильно легированные стали требуют более строгого контроля.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни 12Cr1MoV, ни 15CrMo не являются нержавеющими; коррозионная стойкость соответствует низколегированным ферритным сталям. Выбор должен учитывать необходимость в защитных покрытиях или катодной защите, если коррозия является проблемой.
• Типичные защитные меры: системы покраски, эпоксидные/фенольные покрытия, обшивка (сварное покрытие) или горячее цинкование для условий окружающей среды, где галваническая защита уместна.
• Для полностью ненержавеющих сталей PREN не применим; однако для легированных сталей, где молибден способствует локальной коррозионной стойкости в особых средах, индекс PREN имеет значение только если сталь содержит значительное количество хрома и молибдена плюс измеримый азот — что не относится к стандартным маркам 12Cr1MoV или 15CrMo.
• Где важна стойкость к окислению при повышенных температурах, более высокие содержания Cr и Mo (как в более легированной марке) обеспечивают лучшую производительность, но эти стали все еще не являются заменой нержавеющим или жаропрочным сплавам.

Пример формулы PREN (обычно не применимо к этим маркам): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: обе стали достаточно обрабатываемы в нормализованном или отожженном состоянии. Немного более высокая твердость и упрочнение осадками в 12Cr1MoV могут сократить срок службы инструмента по сравнению с 15CrMo.
• Формуемость: 15CrMo, как правило, немного легче поддается холодной формовке и изгибу из-за более простой микроструктуры и немного более низкого предела текучести в поставляемом состоянии.
• Сварка и обработка: 12Cr1MoV требует более строгого контроля теплового ввода и контроля водорода (чистые электроды, предварительный нагрев) из-за более высокой закаляемости от Mo и V. Использование квалифицированных сварочных материалов, оцененных для PWHT и соответствующих механическим свойствам, является обязательным.
• Финишная обработка: обе марки принимают стандартную шлифовку, механическую обработку и подготовку поверхности для покрытий. Осадки карбидов в микроаллигированных сталях могут вызывать локальную твердость, влияющую на операции финишной обработки.

8. Типичные применения

Таблица — типичные применения по маркам | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---| | Трубки и коллекторы для высокотемпературных котлов, где требуется повышенное сопротивление ползучести | Трубопроводы для котлов и сосудов под давлением для умеренных температур | | Компоненты сосудов под давлением, требующие более высокой долговременной прочности при повышенной температуре | Общие оболочки сосудов под давлением, фланцы и фитинги, где приоритетом является легкость обработки | | Компоненты, где улучшенная стабильность зерна и сопротивление ползучести за счет микроаллигирования являются полезными | Применения с частой сваркой и более высокой потребностью в хорошей ударной вязкости HAZ и легкости квалификации | | Паровые трубопроводы и коллекторы, работающие при более высоких температурах/давлениях (в зависимости от спецификации) | Экономичные трубопроводы и конструктивные части для низких и умеренных температур |

Обоснование выбора - Выберите более сильно микроаллигированную марку, когда срок службы при повышенной температуре, прочность на ползучесть и стабильность зерна имеют первостепенное значение, и бюджет проекта и контроль сварки могут позволить более строгие процедуры. - Выберите более простую хромомолибденовую сплав, когда скорость обработки, меньшая чувствительность к сварке и экономическая эффективность более важны, а температура эксплуатации умеренная.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: как правило, марка с дополнительными элементами микроаллигирования (ванадий, немного более высокий Mo) будет дороже на тонну, чем более простая хромомолибденовая марка из-за стоимости легирующих элементов и потенциально более строгих контролей обработки.
• Доступность: обе марки обычно производятся в стандартных формах продуктов (пластины, трубы, кованые изделия) для рынка котлов/сосудов под давлением. Доступность варьируется по регионам — проверьте местные заводы и дистрибьюторов на предмет сроков поставки. Стандартные формы и размеры более доступны для более простой 15CrMo в некоторых рынках.

10. Резюме и рекомендации

Таблица — краткое сравнение | Критерий | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Свариваемость | Умеренная — требует более строгого контроля предварительного нагрева/PWHT | Хорошая — более прощающая при сварке | | Баланс прочности и ударной вязкости | Более высокая прочность при высоких температурах; хорошая ударная вязкость при правильной термической обработке | Хорошая ударная вязкость и пластичность; умеренная прочность | | Стоимость | Более высокая (из-за микроаллигирования и обработки) | Более низкая (более экономичная) |

Рекомендация - Выберите 12Cr1MoV, если: ваш компонент должен выдерживать более высокие температуры или более длительный срок ползучести, вам нужна лучшая стабильность зерна и более высокая долговременная прочность, и вы можете реализовать более строгие сварочные процедуры, предварительный нагрев и PWHT. - Выберите 15CrMo, если: применение — это оборудование под давлением или трубопроводы для умеренных температур, где скорость обработки, легкость свариваемости и более низкая стоимость материала являются основными факторами, и проект не требует повышенной прочности на ползучесть микроаллигированной стали.

Заключительная заметка: всегда подтверждайте точные химические и механические требования в соответствии со спецификацией проекта и сертификатами завода. Квалификация сварочной процедуры, графики PWHT и критерии механического принятия должны быть установлены на основе выбранной марки, толщины и предполагаемой температуры эксплуатации.