3Cr13 против 4Cr13 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

3Cr13 и 4Cr13 — это мартенситные нержавеющие стали, которые широко используются в компонентах, где необходимо сбалансировать умеренную коррозионную стойкость с износостойкостью и прочностью (например: столовые приборы, клапаны, валы и детали насосов). Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с компромиссом между механической прочностью/закаляемостью и пластичностью/сварочной способностью при выборе между этими двумя марками.

Основное техническое различие заключается в более высоком содержании углерода в 4Cr13 по сравнению с 3Cr13, что увеличивает закаляемость, достигаемую твердость и прочность за счет пластичности и сварочной способности. Поскольку они имеют схожее содержание хрома, обе марки предлагают сопоставимую базовую коррозионную стойкость по сравнению с мартенситными нержавеющими сталями, но их обработка и конечные свойства различаются в основном из-за углерода и тонких легирующих различий.

1. Стандарты и обозначения

• Основное обозначение: китайская национальная (GB) номенклатура — 3Cr13 и 4Cr13.
• Классификация: мартенситные нержавеющие стали (нержавеющие, закаливаемые, обычно термически обрабатываемые до мартенсита).
• Приблизительные семейные эквиваленты: Эти марки относятся к одной общей семье с мартенситными нержавеющими сталями AISI/UNS (обычно сравниваются с серией 410/420), но нет гарантированной 1:1 соответствия между стандартами — проконсультируйтесь с конкретными стандартными документами или сертификатами завода для точных соответствий.
• Другие стандарты для сопоставимых нержавеющих мартенситных материалов: ASTM/ASME (семейство A240 для нержавеющих листов/пластин; конкретные номера UNS для прутков), JIS (серия SUS мартенситных сталей) и EN (обозначения мартенситных нержавеющих сталей). Всегда проверяйте таблицы состава и механических свойств в соответствующем стандарте или техническом паспорте поставщика.

2. Химический состав и легирующая стратегия

Таблица: Типичные диапазоны химического состава (в.%). Это представительные диапазоны, часто используемые в спецификациях; всегда проверяйте точный состав по сертификатам материала.

Элемент	3Cr13 (типичный диапазон)	4Cr13 (типичный диапазон)
C	0.18 – 0.30	0.28 – 0.40
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	12.0 – 14.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.1 (часто не указывается)	≤ 0.1
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	следы	следы

Примечания: - Основным целенаправленным легирующим элементом является хром (≈12–14%), чтобы обеспечить основное нержавеющее поведение и поддерживать мартенситную матрицу после закалки.
- Основное целенаправленное различие — углерод: 4Cr13 формулируется с более высоким содержанием углерода для повышения закаляемости и достигаемой твердости. Второстепенные элементы (Mn, Si) в основном являются деоксидантами и будут незначительно влиять на закаляемость; Mo, V (если присутствуют) немного увеличат закаляемость и стойкость к отпуску. Ti/Nb/B обычно не присутствуют в значительных количествах для этих марок.

Как легирование влияет на поведение: - Углерод: увеличивает прочность на растяжение, твердость и износостойкость, способствуя образованию мартенсита и карбидов; снижает пластичность и сварочную способность.
- Хром: обеспечивает коррозионную стойкость (пассивационная пленка) и увеличивает закаляемость; слишком низкий Cr снижает коррозионные характеристики.
- Mo, V: при наличии в небольших количествах повышают стойкость к отпуску и износостойкость.
- Mn/Si: немного влияют на деоксидирование, прочность и вязкость.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Обе марки предназначены для термической обработки в мартенситную микроструктуру. Типичные металлургические маршруты и реакции:

• В поставленном состоянии (отожженное или нормализованное): ферритно/перлитная структура с некоторыми карбидами в зависимости от уровня углерода. 3Cr13 обычно будет иметь более мягкую матрицу с более тонким распределением карбидов по сравнению с 4Cr13 в том же состоянии обработки.
• Закалка и отпуск: стандартный маршрут для формирования мартенситной структуры и достижения желаемого баланса твердости/вязкости.
• Аустенизация (типичный диапазон для аналогичных мартенситных нержавеющих сталей: 980–1050 °C) для растворения карбидов и формирования однородного аустенита.
• Закалка для превращения аустенита в мартенсит. Более высокий углерод (4Cr13) производит более высокую долю жесткого мартенсита и оставшихся карбидов; 4Cr13 обычно достигает более высокой твердости при той же закалке, чем 3Cr13.
• Отпуск при 150–650 °C в зависимости от целевой твердости/вязкости. Отпуск снижает твердость, но улучшает вязкость; 4Cr13 требует более тщательного отпуска для сохранения стойкости к усталости и избежания чрезмерной хрупкости.
• Нормализация: может улучшить размер зерна и снизить сегрегацию; затем следует отпуск по мере необходимости.
• Термо-механическая обработка: холодная обработка и последующий отпуск будут влиять на плотность дислокаций и конечную прочность; 4Cr13 более чувствителен к закаливанию холодной обработкой из-за более высокого содержания углерода.

Микроструктурные последствия: - 3Cr13: мартенсит с более низким содержанием углерода — несколько более низкая твердость, лучшая пластичность и вязкость при сопоставимом отпуске. - 4Cr13: мартенсит с более высоким содержанием углерода — более высокая твердость и износостойкость, более высокий риск образования хрупкого мартенсита и карбидной сети при неправильной термической обработке.

4. Механические свойства

Таблица: Типичные диапазоны механических свойств после типичной закалки и отпуска (примечание: значения являются иллюстративными; проверьте с данными поставщика).

Свойство	3Cr13 (типичный)	4Cr13 (типичный)
Прочность на растяжение (МПа)	600 – 900	800 – 1100
Предельная прочность (0.2% смещение, МПа)	350 – 650	550 – 900
Удлинение (%)	10 – 20	6 – 15
Ударная вязкость (Дж, ударный тест по Шарпи)	умеренная (варьируется в зависимости от отпуска)	ниже (при той же твердости)
Твердость (HRC, отпущенная)	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

Интерпретация: - 4Cr13 может достигать более высоких уровней прочности и твердости, чем 3Cr13, благодаря более высокому содержанию углерода и немного большей закаляемости.
- 3Cr13, как правило, более вязкий и пластичный при эквивалентных условиях отпуска; 4Cr13 жертвует пластичностью и вязкостью ради большей износостойкости и более высокой статической прочности.
- Ударная вязкость сильно зависит от отпуска; для приложений, требующих устойчивости к ударам или шокам, правильный отпуск критически важен, и 3Cr13 обычно предлагает более широкий диапазон вязкости.

5. Сварочная способность

Сварочная способность в первую очередь зависит от углерода и закаляемости. Более высокий углерод увеличивает риск образования мартенсита в зоне термического влияния (HAZ), повышая склонность к растрескиванию и требуя предварительного нагрева/после сварочной термической обработки (PWHT).

Полезные предсказательные формулы (только качественная интерпретация): - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (индекс свариваемости): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественные рекомендации: - Поскольку 4Cr13 имеет более высокий углерод, его рассчитанные $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ обычно будут выше, чем у 3Cr13, что указывает на худшую свариваемость и большую вероятность закаливания HAZ и холодного растрескивания.
- Лучшие практики: контролируйте предварительный нагрев, ограничивайте скорости охлаждения между проходами, используйте подходящие filler metals (с сопоставимым или немного более низким содержанием углерода) и применяйте PWHT, где это необходимо, чтобы отжечь мартенсит в HAZ. 3Cr13 более терпима к обычным сварочным практикам, но все же может требовать предварительного нагрева для более толстых секций или условий ограничения.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе марки являются нержавеющими мартенситами (≈12–14% Cr): они образуют защитный пассивный слой и имеют лучшую коррозионную стойкость, чем обычные углеродные стали, но уступают аустенитным (304/316) и дуплексным маркам в агрессивных средах.
• PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) обычно не полезен для этих низко-Mo, низко-N мартенситных нержавеющих сталей. Для полноты: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• С учетом того, что Mo и N обычно близки к нулю в этих марках, значения PREN низкие по сравнению с дуплексными или аустенитными сплавами; следовательно, эти марки подходят для слабо коррозионных сред (атмосферные, слабо кислые/щелочные, ограниченное воздействие хлора), но не для агрессивных сред, содержащих хлор, без покрытий или катодной защиты.
• Защита поверхности для не нержавеющих аналогов не применима; для этих нержавеющих мартенситов общие защитные меры включают пассивацию после изготовления, гальванизацию, контролируемую полировку и защитные покрытия в эксплуатации (органические краски, жертвенные покрытия), когда риск хлора или питтинга значителен.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: 4Cr13 с более высоким содержанием углерода, как правило, более твердый в отожженном состоянии и будет вызывать большее износ инструмента; однако в отожженном состоянии обе марки обрабатываются достаточно хорошо с правильными инструментами и скоростями. Закаленный 4Cr13 будет труднее обрабатывать, если не будет смягчен.
• Формуемость: 3Cr13 предлагает лучшую холодную формуемость и гибкость, чем 4Cr13 из-за более низкого содержания углерода; глубокая вытяжка или сильная формовка ограничены для обеих марок по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями.
• Шлифовка, полировка и отделка поверхности: более высокая твердость 4Cr13 обеспечивает лучшую износостойкость в эксплуатации, но может потребовать более агрессивных операций отделки. Рекомендуется термическая обработка и отпуск перед окончательной механической обработкой/отделкой, чтобы избежать деформации.
• Деформация при термической обработке: обе марки подвержены деформации во время операций закалки и отпуска; требуется тщательная фиксация, постепенное охлаждение и соответствующие допуски на механическую обработку.

8. Типичные применения

3Cr13 – Типичные применения	4Cr13 – Типичные применения
Лезвия ножей и столовые приборы, где необходимы сбалансированные вязкость и коррозионная стойкость	Режущие инструменты и ножи, где требуется высокая сохранность остроты и износостойкость
Валы насосов, компоненты клапанов с умеренными требованиями к износу	Компоненты, подверженные износу, ролики, штифты и детали, требующие более высокой твердости
Автомобильные отделочные детали, крепеж и фитинги, где требуется некоторое изгибание/формование	Компоненты подшипников малых объемов, износостойкие штифты и закаленные валы
Общие мартенситные нержавеющие детали, где сварка/ремонтопригодность является фактором	Детали, где сквозная закалка и высокая статическая прочность являются основными требованиями

Обоснование выбора: - Выбирайте 4Cr13, если сохранение остроты, высокая твердость и износостойкость являются основными; выбирайте 3Cr13, если важны пластичность, ударная стойкость и легкость обработки/сварки. Соображения стоимости и требования к отделке поверхности также влияют на решение.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 4Cr13, как правило, стоит немного дороже, чем 3Cr13 из-за более высокого содержания углерода и обработки, необходимой для достижения и контроля более высоких свойств твердости; однако разница в цене скромная по сравнению с более легированными марками (например, мартенситы с Mo или аустениты).
• Доступность: обе марки широко доступны в регионах с установленными цепочками поставок нержавеющей стали (листы, прутки, полосы, заготовки). Форма продукта (прутки, плиты, полосы) и отделка (холоднокатаные, отожженные, закаленные) будут влиять на сроки поставки и стоимость. Для закупок больших объемов проверьте сертификаты завода и испытания партий на содержание углерода, чтобы гарантировать предполагаемые механические свойства.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: Быстрое сравнительное резюме

Атрибут	3Cr13	4Cr13
Сварочная способность	Лучше (низкий углерод)	Ниже (высокий углерод, больший риск HAZ)
Баланс прочности и вязкости	Умеренная прочность с лучшей вязкостью	Более высокая прочность и твердость, ниже вязкость
Стоимость	Немного ниже	Немного выше

Заключение и практическая рекомендация: - Выбирайте 3Cr13, если вам нужна сбалансированная мартенситная нержавеющая сталь с лучшей пластичностью и свариваемостью, легкостью формования и немного более низкой стоимостью — подходит для компонентов, требующих некоторой ударной стойкости, ремонтопригодности или умеренной износостойкости. - Выбирайте 4Cr13, если проект приоритизирует более высокую твердость, износостойкость и статическую прочность, где сохранение остроты или абразивный износ критичны и где приемлем более строгий контроль термической обработки; ожидайте большего внимания к сварочным процедурам, предварительному нагреву и отпуску, чтобы избежать хрупкости.

Заключительная заметка: Точный выбор должен быть подтвержден сертификатами завода поставщика, геометрией компонента, условиями ограничения во время сварки и конкретной эксплуатационной средой (коррозионные среды, температура, циклические нагрузки). Для критических приложений запросите отчеты о испытаниях материалов (состав, твердость, данные по прочности на растяжение и ударной вязкости) и проведите квалификационные испытания (сварочные испытания, испытания термической обработки) перед серийным производством.