2Cr13 против 3Cr13 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с общей дилеммой при выборе мартенситных нержавеющих сталей для компонентов: сбалансировать стоимость и обрабатываемость с прочностью, стойкостью к износу и коррозионной стойкостью. 2Cr13 и 3Cr13 — это два близких мартенситных сорта стали, которые часто рассматриваются для компонентов клапанов, валов, крепежных деталей и износостойких частей; выбор между ними обычно зависит от рабочей нагрузки, требуемой твердости, свариваемости и требований к отделке поверхности.
Основное различие между этими двумя сортами заключается в их углеродной стратегии: один сорт разработан с умеренным уровнем углерода, чтобы приоритизировать прочность и облегчить обработку, в то время как другой содержит более высокий процент углерода, чтобы обеспечить большую закаливаемость и стойкость к износу после термообработки. Поскольку они имеют схожее содержание хрома, проектировщики сравнивают их, когда требуется мартенситное нержавеющее решение, но необходимо взвесить компромиссы между прочностью/твердостью и прочностью/свариваемостью.
1. Стандарты и обозначения
- Общие международные ссылки и эквиваленты:
- GB (Китай): сорта, обозначенные как 2Cr13, 3Cr13 по различным стандартам GB/T для нержавеющих сталей.
- JIS (Япония) / эквиваленты SUS: эти сорта часто считаются примерно эквивалентными мартенситным семействам JIS/SUS (например, в районе SUS410/420) в зависимости от уровней углерода.
- EN / ASTM / ASME: нет единого обозначения EN или ASTM для 2Cr13/3Cr13; вместо этого следует обращаться к классификациям мартенситных нержавеющих сталей (например, эквиваленты EN X20Cr13 или списки типа ASTM A276) и таблицам перекрестных ссылок поставщиков.
- Классификация: как 2Cr13, так и 3Cr13 являются мартенситными нержавеющими сталями (т.е. термообрабатываемыми нержавеющими сталями с содержанием около 12–14% Cr), а не аустенитными нержавеющими, HSLA или инструментальными сталями в строгом смысле — хотя их свойства после закалки могут напоминать свойства закаленных инструментальных сталей в некоторых приложениях.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: типичные диапазоны состава. Примечание: коммерческие спецификации варьируются в зависимости от завода и стандарта; всегда проверяйте фактический сертификат анализа для каждой плавки или прутка.
| Элемент | 2Cr13 (типичный диапазон) | 3Cr13 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C (углерод) | ~0.15–0.25 мас.% (умеренный) | ~0.24–0.33 мас.% (более высокий) |
| Mn (марганец) | ≤ 1.0 мас.% (обычно 0.3–1.0) | ≤ 1.0 мас.% |
| Si (кремний) | ≤ 1.0 мас.% (обезуглероживатель) | ≤ 1.0 мас.% |
| P (фосфор) | ≤ 0.03–0.04 мас.% | ≤ 0.03–0.04 мас.% |
| S (сера) | ≤ 0.03–0.04 мас.% | ≤ 0.03–0.04 мас.% |
| Cr (хром) | ~12.0–14.5 мас.% | ~12.0–14.5 мас.% |
| Ni (никель) | ≤ 0.5 мас.% (обычно низкий) | ≤ 0.5 мас.% |
| Mo (молибден) | обычно отсутствует или в следах | обычно отсутствует или в следах |
| V, Nb, Ti, B, N | обычно следы или не указаны | обычно следы или не указаны |
Объяснение стратегии - Хром (Cr): Оба сорта используют схожий хром для обеспечения коррозионной стойкости, характерной для мартенситных нержавеющих сталей, и для формирования мартенситной микроструктуры при закалке. - Углерод (C): Основной дифференциатор. Более высокий углерод в 3Cr13 увеличивает закаливаемость и достигаемую твердость после закалки/отпуска, улучшая стойкость к износу, но снижая пластичность и свариваемость по сравнению с более низкоуглеродным 2Cr13. - Микроэлементы (Mn, Si, P, S): Контролируются для обезуглероживания, горячей обрабатываемости и обрабатываемости. Сера может быть повышена в вариантах с легким резанием, но это снизит коррозионную стойкость и прочность. - Баланс легирования: Поскольку оба сорта в основном являются сталями Cr–C, они полагаются на баланс углерода и хрома, а не на значительные добавления Ni, Mo или V для настройки свойств.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Основная микроструктура: В исходном и растворно-обработанном состоянии оба сорта обычно являются аустенитными или частично аустенитными в зависимости от истории производства; после соответствующей закалки они образуют мартенсит.
- Влияние углерода:
- 2Cr13 (умеренный углерод): Образует мартенситную микроструктуру с более низкой тетрагональностью и более низкой начальной твердостью после закалки по сравнению с более углеродным сортом. Отпуск обеспечивает баланс прочности и прочности с меньшим риском чрезмерной хрупкости.
- 3Cr13 (высокий углерод): Образует более высокий объемный процент твердых мартенситов и больше оставшихся карбидов после термообработки, что позволяет достичь более высокой твердости после закалки и отпуска, но увеличивает восприимчивость к хрупкости при отпуске, если отпуск выполнен неправильно.
- Маршруты термообработки:
- Отжиг/мягкий отжиг: Используется для снижения твердости для обработки; оба сорта хорошо реагируют на мягкий отжиг, но 3Cr13 все равно будет тверже, чем 2Cr13 при эквивалентных циклах отжига.
- Закалка и отпуск: Аустенизировать при температуре, специфичной для сорта (обычно в диапазоне 950–1020 °C для сталей типа Cr13, проконсультируйтесь с поставщиком), закалить (масло/воздух в зависимости от размера сечения и легирования) и отпустить до целевой твердости. 3Cr13 достигает более высокой твердости при заданной температуре отпуска благодаря своему углероду.
- Нормализация и термомеханическая обработка: Нормализация может уточнить размер зерна и улучшить прочность; более тяжелое легирование или более высокий углерод требуют более тщательного контроля, чтобы избежать чрезмерной закаливаемости и трещин при закалке.
4. Механические свойства
Таблица: сравнительные тенденции механических свойств (значения зависят от термообработки; диапазоны являются ориентировочными).
| Свойство | 2Cr13 (типичный) | 3Cr13 (типичный) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Умеренно высокая (зависит от термообработки) | Выше (может достигать более высокой UTS после закалки) |
| Предельная прочность | Умеренная | Выше |
| Удлинение (пластичность) | Лучшая пластичность / удлинение | Сниженное удлинение по сравнению с 2Cr13 |
| Ударная вязкость | Как правило, выше (лучшая прочность) | Ниже ударная вязкость при закалке |
| Твердость (HRC или HB) | Ниже максимальная твердость после отпуска | Выше достигаемая твердость после отпуска |
Объяснение - Прочность против пластичности: Повышенный углерод в 3Cr13 повышает прочность на растяжение и предельную прочность после мартенситной обработки, но за счет пластичности и ударной вязкости. 2Cr13 предлагает более сбалансированный набор свойств для приложений, требующих более прочного поведения. - Примечание: Точные значения зависят от температуры аустенизации, среды закалки, размера сечения и графика отпуска — всегда используйте данные о свойствах от поставщика и проводите квалификационные испытания в критических приложениях.
5. Свариваемость
Свариваемость в первую очередь зависит от содержания углерода, комбинированного легирования (Cr, Mn, Mo, V) и толщины сечения. Более высокий углерод повышает риск образования жесткого, хрупкого мартенсита в зоне термического влияния (HAZ) и увеличивает потребности в предварительном/последующем нагреве.
Полезные качественные индексы: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Формула Pcm (практична для нержавеющих сталей): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация - 3Cr13 с более высоким углеродом будет иметь более высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, чем 2Cr13, что подразумевает большую предрасположенность к образованию жестких, склонных к холодным трещинам микроструктур в HAZ. Предварительный нагрев, контролируемая температура межпроходного шва и отпуск после сварки (PWHT) более важны для 3Cr13. - 2Cr13 более свариваем в стандартной практической обработке и легче переносит общие сварочные материалы и процессы, но оба сорта могут требовать тщательного контроля и подходящих материалов для сварки для структурных или нагружаемых швов.
6. Коррозия и защита поверхности
- Коррозионное поведение: Оба сорта являются мартенситными нержавеющими сталями с содержанием хрома около 12–14.5%. Они обеспечивают ограниченную коррозионную стойкость по сравнению с аустенитными сортами (например, 304/316). Устойчивость к локализованной коррозии (коррозия точками, трещинами) ограничена, особенно в хлоридных средах.
- Некоррозионные соображения: Если деталь не требуется делать нержавеющей или будет использоваться в коррозионных средах, применение защитных покрытий (гальванизация обычно не используется на нержавеющей стали; вместо этого рассмотрите возможность покрытия, пассивации или полимерных покрытий) или спецификация сталей с более высоким содержанием Cr/Cr–Mo может быть более уместной.
- PREN (для аустенитных/двойных сортов; не очень информативен для мартенситных сталей Cr13, но приведен для полноты): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Уточнение: PREN в основном используется для ранжирования устойчивости к коррозии в аустенитных/двойных нержавеющих сталях, где Mo и N значительно варьируются. Для 2Cr13/3Cr13 PREN имеет ограниченную полезность, поскольку Mo и N обычно минимальны.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Более высокий углерод и более твердые микроструктуры снижают обрабатываемость. В отожженном состоянии оба сорта достаточно обрабатываемы; 2Cr13 обычно обрабатывается легче, чем 3Cr13. Варианты с легким резанием (с добавлением S или Se) могут существовать, но жертвуют коррозионной стойкостью/прочностью.
- Формуемость: Более низкоуглеродный 2Cr13 предлагает лучшую холодную формуемость и гибкость. 3Cr13 — особенно если закален — будет менее пластичным и менее подходящим для формовки без промежуточного отжига.
- Шлифовка и отделка: Более высокая твердость 3Cr13 после термообработки делает шлифовку и отделку более трудоемкими, но обеспечивает лучшую стойкость к износу для готовых поверхностей. Требования к отделке поверхности и допуски влияют на выбор: для плотной отделки и высокой стойкости к износу 3Cr13 может оправдать более высокие затраты на обработку.
8. Типичные применения
Таблица: типичные применения по сортам.
| 2Cr13 (распространенные применения) | 3Cr13 (распространенные применения) |
|---|---|
| Стебли клапанов, валы насосов, крепежные детали, где важны прочность и свариваемость | Износостойкие части, режущие кромки, малые валы и подшипники, требующие более высокой твердости и стойкости к износу |
| Мартенситные компоненты общего назначения, требующие умеренной коррозионной стойкости | Компоненты, которые будут закалены для стойкости к абразивному износу (например, ножи для резки, мелкий инструмент) |
| Части, требующие сварки в углу или заводской обработки | Части, изготовленные до окончательной твердости, где ожидаются минимальные операции после сварки |
Обоснование выбора - Выбирайте 2Cr13, когда требования к обслуживанию требуют умеренной прочности, лучшей прочности и более прощенной обработки/сварки. - Выбирайте 3Cr13, когда приоритетом является более высокая твердость после закалки/отпуска и стойкость к износу, и когда обработка может быть контролируемой или минимизированной.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: 3Cr13 может иметь немного более высокую стоимость сырья на некоторых рынках из-за более строгого контроля углерода и дополнительной обработки (например, закалка/отпуск для достижения более высокой твердости). Однако различия в цене обычно скромные по сравнению с высоколегированными нержавеющими сортами.
- Доступность по форме продукта: Оба сорта обычно доступны в виде прутков, проволоки, кованых изделий и штампованных компонентов от региональных заводов, хотя доступность может варьироваться в зависимости от страны и программы завода. Менеджеры по закупкам должны подтвердить сроки поставки и возможность поставщика предоставить необходимые сертификаты термообработки и инспекции.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Атрибут | 2Cr13 | 3Cr13 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкий углерод) | Сложнее (высокий углерод) |
| Баланс прочности и прочности | Сбалансирован в сторону прочности и пластичности | Склонен к более высокой прочности и твердости |
| Стоимость (типичная) | Немного ниже или аналогичная | Немного выше возможные затраты на обработку |
Заключение и рекомендации - Выбирайте 2Cr13, если вам нужна мартенситная нержавеющая сталь, которая сбалансирует прочность, свариваемость и разумную коррозионную стойкость для компонентов, требующих обработки, умеренной стойкости к износу и более легкой обрабатываемости. - Выбирайте 3Cr13, если основное требование — это более высокая достигаемая твердость и стойкость к износу после закалки и отпуска, и если сварка/обработка могут быть минимизированы или контролируемы с помощью соответствующего предварительного нагрева, выбора присадочного материала и PWHT.
Заключительная заметка: Оба сорта сильно реагируют на термообработку; производительность в эксплуатации определяется как выбранной практикой аустенизации и отпуска, так и номинальным составом. Всегда проверяйте механические, коррозионные и сварочные характеристики с сертификатами материалов от поставщика и, для критических приложений, проводите квалификационные испытания сварочных процедур и испытания на уровне компонентов.