15CrMo против 20CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

15CrMo и 20CrMo — это два хромомолибденовых легированных стали, которые часто встречаются в приложениях для сосудов под давлением, генерации энергии и механических компонентов. Инженеры и команды по закупкам часто выбирают между ними, балансируя требования, такие как прочность при повышенных температурах и стойкость к ползучести, против твердости и прочности по толщине для сильно нагруженных деталей. Типичные контексты принятия решений включают в себя, будет ли деталь работать длительное время при повышенной температуре (что благоприятствует более низкому содержанию углерода/высокой стабильности закалки) или требуется более высокая прочность после закалки и закаляемость (что благоприятствует стали с более высоким содержанием углерода).

Основное техническое различие между этими марками заключается в их содержании углерода и соответствующем влиянии на закаляемость и поведение при отпуске: сталь с более низким содержанием углерода предлагает лучшую вязкость и эксплуатационные характеристики при повышенных температурах, в то время как сталь с более высоким содержанием углерода может достичь более высокой прочности и стойкости к износу после соответствующей термической обработки. Поскольку обе являются сталями Cr–Mo, их часто сравнивают для компонентов, работающих при среднем температурном режиме, и для конструктивных/механических частей, где важны свариваемость, реакция на термическую обработку и стоимость.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и перекрестные ссылки:
• GB/T (Китай): обозначения, такие как 15CrMo и 20CrMo, встречаются в спецификациях GB для сталей сосудов под давлением.
• EN / DIN: аналогичные стали Cr–Mo находятся в семьях EN/DIN (например, 13CrMo4-5; точное соответствие зависит от химического состава и термической обработки).
• JIS (Япония) и ASTM/ASME (США): существуют эквивалентные или стали аналогичного назначения, но точные соответствия марок требуют химического и механического подтверждения.
• Классификация:
• Обе марки 15CrMo и 20CrMo являются легированными сталями (низколегированные стали Cr–Mo), не нержавеющими, не инструментальными и не HSLA в строгом смысле. Они часто используются для сосудов под давлением, трубопроводов и механических частей, подвергающихся воздействию повышенных температур.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: Типичные номинальные диапазоны состава (представительные; проверьте по конкретному стандарту или сертификату завода для окончательного проектирования).

Элемент	15CrMo (типичные диапазоны)	20CrMo (типичные диапазоны)
C	0.10–0.18 мас%	0.17–0.24 мас%
Mn	0.35–0.65 мас%	0.35–0.65 мас%
Si	0.10–0.37 мас%	0.10–0.37 мас%
P	≤ 0.035 мас%	≤ 0.035 мас%
S	≤ 0.035 мас%	≤ 0.035 мас%
Cr	~0.8–1.1 мас%	~0.8–1.3 мас%
Mo	~0.12–0.25 мас%	~0.12–0.30 мас%
Ni	≤ 0.30 мас% (следы)	≤ 0.30 мас% (следы)
V, Nb, Ti, B, N	Обычно не добавляются в значительных количествах; могут присутствовать в следовых/микролегирующих уровнях	То же самое

Примечания: - Эти диапазоны иллюстрируют обычно встречающуюся химию на заводе для двух названий марок; конкретные стандарты (GB/T, EN, JIS, ASTM) и номера термической обработки определяют точные пределы. - Стратегия легирования: Cr и Mo увеличивают закаляемость, прочность при температуре и стойкость к отпуску. Углерод повышает прочность после закалки и закаляемость, но снижает пластичность/вязкость и свариваемость при увеличении. Марганец и кремний являются деоксидантами и способствуют прочности и закаляемости.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

• Микроструктура после прокатки / нормализации:
• 15CrMo в нормализованном состоянии обычно имеет закаленную микроструктуру феррит–перлит или мелкозернистую байнитную микроструктуру с относительно низкой остаточной твердостью и хорошей вязкостью; выбрана для частей под давлением, работающих при повышенных температурах.
• 20CrMo, с более высоким содержанием углерода и сопоставимым Cr–Mo, может образовывать более мелкий перлит или легче трансформироваться в байнит/марганец при быстром охлаждении, что дает повышенную твердость и прочность после закалки и отпуска.
• Эффекты термической обработки:
• Нормализация/рафинирование: обе стали реагируют на нормализацию (воздушное охлаждение от температуры аустенитизации), производя мелкий феррит–перлит или байнит в зависимости от скорости охлаждения; 20CrMo, как правило, развивает более высокую твердость из-за содержания углерода.
• Закалка и отпуск: 20CrMo достигает более высокой прочности после закалки и более высокой прочности после отпуска, но более подвержена трещинам при закалке и требует более строгого контроля температур предварительного нагрева и межпроходного нагрева при сварке. 15CrMo достигает достаточной прочности для работы сосудов под давлением с пониженной чувствительностью к закалке.
• Термо-механическая обработка: контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут улучшить прочность и вязкость для обеих марок, но сталь с более низким содержанием углерода, как правило, дает более устойчивую к повреждениям микроструктуру для работы при повышенных температурах.

4. Механические свойства

Таблица: Сравнительные свойства (качественное/типичное поведение; проверьте сертификат продукта для точных значений)

Свойство	15CrMo	20CrMo	Примечания
Прочность на растяжение	Умеренная	Выше	20CrMo достигает более высокой прочности на растяжение после закалки и отпуска из-за более высокого содержания углерода/закаляемости
Предельная прочность	Умеренная	Выше	20CrMo дает текучесть при более высоком напряжении после термической обработки
Удлинение (%)	Выше (более пластичная)	Ниже (менее пластичная)	Более высокий углерод снижает пластичность
Ударная вязкость	Лучше при повышенной температуре	Хорошо при комнатной температуре после закалки/отпуска, но ниже при высокой температуре	15CrMo предназначена для устойчивой вязкости при повышенных температурах
Твердость (HRC/HRB)	Ниже (легче обрабатывается/формуется)	Выше (при термической обработке)	20CrMo может достичь более высокой твердости после соответствующей термической обработки

Интерпретация: - Для сопоставимых условий термической обработки, направленных на работу сосудов под давлением (отпущенные условия), 15CrMo обычно предлагает более пластичный и вязкий ответ при рабочих температурах, в то время как 20CrMo может использоваться там, где требуется большая прочность после закалки и стойкость к износу. - Дизайнеры должны сопоставлять термическую обработку с рабочей средой: для стойкости к ползучести стабильность отпуска и более низкий углерод могут быть желательны; для несущих компонентов, требующих более высокой предельной/растяжимой прочности, может быть приоритетом более высокий углерод/закаляемость.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит в первую очередь от эквивалента углерода и легирования. Два широко используемых эмпирических индекса:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

и

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 20CrMo, имея большее содержание углерода, будет иметь, как правило, более высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, чем 15CrMo при тех же уровнях Mn, Cr и Mo — что указывает на большую восприимчивость к закалке зоны термического влияния и холодным трещинам, если не применяются соответствующие предварительный нагрев и термическая обработка после сварки (PWHT). - Более низкий углерод 15CrMo снижает необходимость в тяжелом предварительном нагреве и позволяет более прощать практики сварки, хотя PWHT все еще часто требуется для работы сосудов под давлением, чтобы снять остаточные напряжения и отжечь зону термического влияния. - Обе марки содержат Cr и Mo, которые увеличивают закаляемость; сварочные процедуры (предварительный нагрев, межпроходной и PWHT) должны быть квалифицированы в соответствии с кодом (например, ASME Section IX) для применения под давлением.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни 15CrMo, ни 20CrMo не являются нержавеющими; обе требуют защиты поверхности в коррозионных средах.
• Типичные защиты: покраска, промышленные системы покрытия, оцинковка (где это уместно для проектной температуры и эксплуатации) или обшивка коррозионно-стойкими сплавами для более агрессивных сред.
• PREN не применим для этих не нержавеющих низколегированных сталей, но при обсуждении коррозионной стойкости для нержавеющих сплавов используется:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Для стойкости к окислению/образованию окалины при высоких температурах содержание Cr и Mo помогает, но для истинной коррозионной стойкости (хлоридные, кислые среды) требуются нержавеющие сплавы или защита поверхности.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: 15CrMo (с низким содержанием углерода) обычно легче обрабатывается, чем 20CrMo в аналогичных условиях термической обработки. Более высокая твердость в 20CrMo увеличивает силы резания и износ инструмента.
• Формование/гиб: 15CrMo лучше переносит холодное формование и гибку благодаря более высокой пластичности; 20CrMo может требовать меньших радиусов изгиба или отжига/нормализации перед формованием.
• Финишная обработка: шлифовка, полировка и дробеструйная обработка схожи, но более высокая твердость 20CrMo может потребовать более агрессивного инструмента или более медленных подач.
• Сварка и обработка: обе марки обычно требуют предварительного нагрева и PWHT при использовании в приложениях под давлением; степень и температура зависят от эквивалента углерода и толщины.

8. Типичные применения

Таблица: Типичные использования

15CrMo	20CrMo
Компоненты котлов и сосудов под давлением для умеренных повышенных температур	Механические валы, шпильки, болты и несущие компоненты, требующие более высокой прочности после закалки/отпуска
Трубопроводы и фитинги на электростанциях, где требуется вязкость при температуре	Шестерни, тяжелые муфты и конструктивные части, где требуется более высокая прочность или стойкость к износу после термической обработки
Трубки теплообменников, коллекторы и фланцы, где важны стойкость к ползучести и стабильность отпуска	Компоненты с натягом или с усадкой и детали, подвергающиеся циклическим механическим нагрузкам (после соответствующей термической обработки)

Обоснование выбора: - Выбирайте 15CrMo, если приоритетами являются устойчивость к температуре, пластичность и свариваемость с меньшим риском водородных трещин (сосуды под давлением и трубопроводы). - Выбирайте 20CrMo, если требуются более высокая прочность, твердость и стойкость к износу, и где возможно контролировать термическую обработку.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость сырья: обе являются легированными сталями Cr–Mo; различия в стоимости материалов скромные и в основном зависят от местного предложения, формы (плита, пруток, труба) и требований к обработке.
• Стоимость обработки: 20CrMo может нести более высокие затраты на обработку из-за более строгих контролей термической обработки/сварки и потенциально более дорогой механической обработки/инструментов, если нацелены на более высокую твердость.
• Доступность: обе марки широко доступны в общих формах продукции (плита, пруток, бесшовная труба) на многих промышленных рынках; конкретные условия термической обработки и сертификаты для материалов под давлением большого диаметра могут быть более ограниченными и требовать более длительных сроков поставки.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: Сравнение на высоком уровне

Атрибут	15CrMo	20CrMo
Свариваемость	Лучше (низкий CE)	Требует более строгого предварительного нагрева/PWHT (высокий CE)
Баланс прочности и вязкости	Хорошая вязкость, умеренная прочность	Более высокая достижимая прочность, меньшая пластичность при закалке
Стоимость (материал + обработка)	Низкая до умеренной	Умеренная до высокой (в зависимости от термической обработки)

Рекомендации: - Выбирайте 15CrMo, если вам нужна легированная сталь Cr–Mo для умеренной работы при повышенных температурах, компонентов сосудов под давлением или трубопроводов, где важны долгосрочная стабильность отпуска, вязкость и более прощаемая свариваемость. - Выбирайте 20CrMo, если вам нужна более высокая прочность по толщине или закаляемость для механических частей, шестерен, валов или компонентов, которые будут закалены и отпущены до более высокой твердости и уровня прочности, и где вы можете контролировать термическую обработку и сварочные процедуры.

Заключительная заметка: всегда подтверждайте требуемые механические свойства, условия термической обработки и химию сертификата завода в соответствии с действующим кодом или спецификацией для вашего применения. Для сварного оборудования под давлением следуйте соответствующему проектному коду (ASME, EN, GB/T) и проверяйте сварочные процедуры и требования PWHT на основе рассчитанного эквивалента углерода и толщины.