1Cr13 против 2Cr13 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно сталкиваются с выбором между близкими по составу нержавеющими и легированными сталями, где небольшие различия в составе оказывают значительное влияние на производительность и стоимость. Два класса, с которыми часто сталкиваются в износостойких мартенситных нержавеющих приложениях, обозначаются как 1Cr13 и 2Cr13. Практическая дилемма выбора обычно сосредоточена на компромиссах между прочностью и износостойкостью с одной стороны и ударной вязкостью, свариваемостью и стоимостью с другой.

Основное различие между этими двумя коммерческими классами заключается в их легировочном балансе — наиболее заметно в уровнях хрома и углерода — что приводит к различной закаливаемости, достигаемой твердости и коррозионной стойкости. Поскольку оба класса используются в схожих семействах продуктов (клапаны, валы, детали насосов, лопасти и инструменты), инженеры сравнивают их, чтобы решить, следует ли отдать предпочтение более высокой прочности и износостойкости или лучшей ударной вязкости и легкости обработки.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и перекрестные ссылки, где могут встречаться классы с похожей химией:
• GB (Китай): 1Cr13, 2Cr13 (распространенные китайские обозначения)
• JIS (Япония): близкие эквиваленты, часто сравниваемые с серией SUS420 (для мартенситных нержавеющих сталей)
• EN / EN ISO: могут быть сопоставлены с частями серии X12Cr (семейство мартенситных нержавеющих сталей)

• ASTM/ASME: не прямые 1:1 эквиваленты, но AISI 420 и другие мартенситные нержавеющие спецификации являются функциональными сравнениями

• Классификация:

• Обе стали 1Cr13 и 2Cr13 являются мартенситными нержавеющими сталями (нержавеющие, подлежащие термообработке). Они не являются низколегированными HSLA или инструментальными сталями в традиционном смысле, хотя используются для износостойких и резательных приложений благодаря своей закаливаемости.

Примечание: точные числовые диапазоны и наименования варьируются в зависимости от страны и завода; всегда проверяйте с сертификатом материала поставщика.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица показывает представительные диапазоны состава, используемые в промышленности для двух классов. Это типичные диапазоны — для закупок или расчетов проектирования следует обращаться к конкретным спецификациям и стандартам завода.

Элемент	Типичный 1Cr13 (вт%)	Типичный 2Cr13 (вт%)
C	0.08 – 0.20	0.15 – 0.30
Mn	≤ 1.0 (тип. 0.3 – 0.8)	≤ 1.0 (тип. 0.3 – 0.8)
Si	≤ 1.0 (тип. 0.2 – 0.8)	≤ 1.0 (тип. 0.2 – 0.8)
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~12.0 – 13.5	~13.0 – 14.5
Ni	≤ 0.3	≤ 0.3
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.10	≤ 0.10
Nb / Ti / B	следы / часто <0.03	следы / часто <0.03
N	следы	следы

Объяснение того, как легирование влияет на свойства: - Углерод увеличивает прочность, твердость, износостойкость и закаливаемость, но снижает пластичность и свариваемость при повышении. - Хром обеспечивает коррозионную стойкость и способствует закаливаемости и реакции отпускания в мартенситных нержавеющих сталях; постепенное увеличение улучшает стабильность пассивной пленки и сохранение твердости при высоких температурах. - Марганец и кремний являются деоксидантами и влияют на закаливаемость; избыток марганца может снизить ударную вязкость. - Небольшое микроалюминирование (V, Nb) может улучшить карбиды и структуру зерна, слегка повышая ударную вязкость и стойкость к ползучести.

Практическое следствие: 2Cr13, как правило, указывается для достижения более высокой твердости и износостойкости в закаленном состоянии, в то время как 1Cr13 выбирается, когда требуется немного лучшая ударная вязкость и легкость обработки.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - В отожженном состоянии оба класса содержат феррит и карбиды; после закалки они образуют мартенсит с распределенными хромовыми карбидами (M23C6, M7C3 и цементит в зависимости от содержания углерода и других элементов). - 1Cr13 (меньшее содержание углерода и немного меньшее содержание хрома) образует мартенситную матрицу с меньшим количеством и меньшими карбидами при данной термообработке, что, как правило, обеспечивает лучшую ударную вязкость после отпускания. - 2Cr13 (большее содержание углерода и часто большее содержание хрома) образует более высокую объемную долю мартенситной фазы и большее количество карбидных осадков, обеспечивая большую твердость и износостойкость в закаленном состоянии, но меньшую ударную вязкость.

Реакция на термообработку: - Общий маршрут: аустенизация (обычно 950–1050 °C в зависимости от размера сечения и состава), закалка (масло или воздух для тонких сечений), затем отпуск для достижения целевой твердости/ударной вязкости. - Нормализация улучшает размер зерна и может повысить обрабатываемость и ударную вязкость перед финальной закалкой и отпуском. - Закалка и отпуск: температура и время отпуска контролируют компромисс между прочностью и ударной вязкостью. Более высокая температура отпуска снижает твердость, но увеличивает пластичность и стойкость к ударам. - Термомеханическая обработка (контролируемая прокатка + охлаждение) менее распространена для этих мартенситных нержавеющих классов, но может улучшить микроструктуру и повысить ударную вязкость.

Практическое примечание: Поскольку 2Cr13 имеет более высокое содержание углерода/закаливаемости, он более подвержен образованию жесткого, хрупкого мартенсита в толстых сечениях и требует тщательных циклов аустенизации и отпуска, чтобы избежать трещин.

4. Механические свойства

Таблица ниже показывает представительные достижимые свойства после типичных закалок и отпусков. Значения сильно зависят от размера сечения, параметров термообработки и точной химии; рассматривайте эти диапазоны как руководство, а не как гарантированные минимумы.

Свойство (типичное после Q&T)	1Cr13	2Cr13
Устойчивость к растяжению (МПа)	600 – 900	700 – 1100
Предел текучести (0.2% смещение, МПа)	300 – 700	500 – 950
Удлинение (%)	8 – 18	6 – 14
Ударная вязкость по Шарпи (Дж, комнатная температура)	умеренная (выше)	ниже (сниженная ударная вязкость)
Твердость (HRC)	35 – 54 (в зависимости от процесса)	40 – 58 (может достигать более высокой HRC)

Интерпретация: - 2Cr13, как правило, достигает более высокой прочности на растяжение и твердости благодаря более высокому содержанию углерода и более жесткому мартенситу, за счет пластичности и ударной вязкости. - 1Cr13 часто выбирается, когда требуется умеренная прочность с лучшей ударной вязкостью и легкостью обработки.

5. Свариваемость

Свариваемость в первую очередь зависит от эквивалента углерода и закаливаемости. Более высокое содержание углерода и хрома увеличивает склонность к образованию жесткого мартенсита в зоне термического влияния (HAZ), увеличивая риск холодных трещин.

Полезные эмпирические индексы включают эквивалент углерода IIW и формулу Pcm: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 2Cr13, с его более высоким содержанием углерода и немного более высоким хромом, имеет более высокий эквивалент углерода и большую закаливаемость, поэтому он более склонен к образованию жесткого мартенсита в HAZ и, следовательно, требует предварительного подогрева, контролируемых температур межпрохода и термообработки после сварки, чтобы избежать трещин. - 1Cr13 (меньшее содержание углерода) легче сваривается, но все же требует сварочных процедур, подходящих для мартенситных нержавеющих сталей (предварительный подогрев, практика низкого водорода и отпуск после сварки, где это необходимо). - Использование присадочных металлов: соответствующие или менее закаливаемые присадочные проволоки, а также постнагрев/отпуск сварного шва являются обычными практиками.

6. Коррозия и защита поверхности

• Оба класса являются мартенситными нержавеющими сталями с умеренной коррозионной стойкостью по сравнению с аустенитными классами. Хром обеспечивает образование пассивной пленки, но более низкое общее содержание хрома и обогащение карбидов углеродом на границах зерен могут локально истощать Cr и снижать коррозионную стойкость.
• Для типичных условий:
• 1Cr13: адекватен для слабо коррозионных сред (атмосферные, слабые воды) при полировке и пассивации.
• 2Cr13: немного улучшенная стойкость к образованию ямок, если содержание хрома немного выше, но увеличенное образование карбидов может снизить практическую коррозионную стойкость, если не термообработано и не пассивировано должным образом.
• PREN (эквивалентный номер стойкости к образованию ямок) не особенно полезен для этих низколегированных мартенситных классов, но формула такова:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Для 1Cr13 и 2Cr13 PREN будет низким по сравнению с дуплексными или супер-аустенитными классами, поскольку Mo и N незначительны.
• Защита поверхности: оцинковка, защитные покрытия, покраска и пассивация являются обычными стратегиями, когда требуется высокая коррозионная стойкость. Для износостойких деталей часто применяются покрытия из твердого хрома или термального распыла.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка и механическая обработка:
• 2Cr13 (большой потенциал твердости) обычно более абразивен для инструментов и труднее обрабатывается в закаленном состоянии. Обработка в отожженном состоянии снижает износ инструмента.
• 1Cr13 в отожженном состоянии обрабатывается легче; после закалки обе требуют карбидного инструмента и жестких установок.
• Формование и изгиб:
• Холодное формование ограничено, как только материал закален. Отжиг перед формованием является стандартной практикой.
• Финишная обработка:
• Оба класса могут быть шлифованы и полированы; 2Cr13, как правило, требует более агрессивного шлифования из-за более высокой твердости и содержания карбидов.
• Риски искажения и трещин при термообработке выше для 2Cr13 во время закалки; фиксация и контролируемое охлаждение помогают управлять искажением.

8. Типичные применения

Типичные применения 1Cr13	Типичные применения 2Cr13
Валы, компоненты клапанов, детали насосов, лопасти с умеренным износом, общие детали, где требуются ударная вязкость и разумная коррозионная стойкость	Износостойкие детали, листовые пружины, валы с более высокой нагрузкой, режущие элементы, компоненты, требующие более высокой твердости и износостойкости в закаленном состоянии
Крепежные элементы, болты и компоненты с умеренной нагрузкой, где ценится легкость обработки	Инструменты и штампы для легкой нагрузки, компоненты, подверженные более высоким контактным напряжениям, где приоритетом является стойкость к абразии

Обоснование выбора: - Выбирайте 1Cr13, когда проект акцентирует внимание на ударной вязкости, легкости обработки/сварки и умеренной коррозионной стойкости при более низкой стоимости. - Выбирайте 2Cr13, когда более высокая твердость и износостойкость под нагрузкой являются доминирующими требованиями и когда можно реализовать специфическую термообработку и процедуры после сварки.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: В общем, базовая стоимость материала для обоих классов схожа, поскольку разница в содержании хрома незначительна; 2Cr13 может быть немного дороже из-за более строгого контроля диапазонов углерода/хрома и потенциальной необходимости дополнительной обработки (например, отпуск до высокой твердости).
• Доступность: Оба класса распространены в регионах, где производятся мартенситные нержавеющие стали; конкретные формы продуктов (бруски, кованые изделия, плиты, прецизионные заготовки) варьируются в зависимости от завода. Сроки поставки могут быть длиннее для специальных химий, специальных размеров или сертифицированных партий.
• Стоимость процесса: Обработка и сварка для 2Cr13 могут увеличить общую стоимость детали из-за термообработки до и после сварки и дополнительного времени на механическую обработку.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	1Cr13	2Cr13
Свариваемость	Лучше (меньше углерода, меньший CE)	Более требовательная (больше углерода, больший CE)
Баланс прочности и ударной вязкости	Сбалансирован в сторону ударной вязкости и пластичности	Более высокая прочность и твердость, сниженная ударная вязкость
Стоимость (материал + обработка)	Ниже средней	Средняя и выше (из-за обработки)

Рекомендация: - Выбирайте 1Cr13, если вам нужна мартенситная нержавеющая сталь, которая балансирует прочность с лучшей ударной вязкостью, легкостью сварки и обработки, а также экономически эффективной обработкой — например, валы, клапаны и общие компоненты, требующие коррозионной стойкости в умеренных условиях и хорошей стойкости к ударам. - Выбирайте 2Cr13, если приоритетом является более высокая твердость в закаленном состоянии, износостойкость и более высокая прочность на растяжение для компонентов, подвергающихся абразии или контактной усталости — при условии, что вы можете учесть более строгий контроль термообработки, более требовательные сварочные процедуры и потенциально более высокие затраты на обработку.

Заключительный практический совет: всегда указывайте точную химию сертификата завода/испытаний и требуемую термообработку, а также проводите специфические для применения испытания (твердость, ударная вязкость, коррозия) на производственных партиях, где условия эксплуатации критичны.