4Cr13 против 9Cr18 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

4Cr13 и 9Cr18 — это два широко используемых мартенситных нержавеющих сталей в китайской и международной практике. Инженеры и специалисты по закупкам часто сталкиваются с дилеммой выбора между ними: балансировка износостойкости и удержания кромки (высокоуглеродные, высокохромовые стали) против стоимости, прочности и легкости обработки (мартенситы с низким содержанием углерода). Типичные контексты принятия решений включают ножевые и инструментальные компоненты, детали клапанов и насосов, износостойкие компоненты для промышленного оборудования и применения, где требуется контролируемая коррозионная стойкость с закаленными поверхностями.

Основное техническое различие заключается в том, что 9Cr18 — это высокоуглеродная, высокохромовая мартенситная нержавеющая сталь, оптимизированная для твердости и износостойкости, в то время как 4Cr13 — это мартенситная нержавеющая сталь с низким содержанием углерода, которая жертвует некоторой износостойкостью ради улучшенной прочности, свариваемости и более низкой стоимости материала. Эти характеристики определяют общие сравнения в проектировании и производстве, особенно там, где износ поверхности, удержание кромки и умеренная коррозионная стойкость конфликтуют с требованиями к формованию, соединению и ударной прочности.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и эквиваленты, упоминаемые в международной торговле и инженерной документации:
• GB/T (Китай): 4Cr13, 9Cr18 (китайские обозначения классов)
• JIS/AISI/SAE: 4Cr13 часто считается аналогом семейства AISI 420/420J2; 9Cr18 часто сравнивается с AISI 440C/9Cr (высокоуглеродная мартенситная нержавеющая сталь) по функции, хотя точные составы различаются по стандарту.
• EN/ASTM: Нет прямого соответствия EN или ASTM, которое идеально подходит; эквивалентность обычно определяется сопоставлением химических и механических требований, а не точным обозначением.
• Классификация:
• 4Cr13: Мартенситная нержавеющая сталь (нержавеющая инструментальная/структурная мартенситная)
• 9Cr18: Высокоуглеродная мартенситная нержавеющая сталь (нержавеющая инструментальная/износостойкая мартенситная)

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица показывает типичные номинальные диапазоны состава, используемые в спецификациях и данных поставщиков для этих классов. Значения являются ориентировочными и могут варьироваться в зависимости от точного стандарта или поставщика; проверьте спецификацию на закупку для ограничений, чувствительных к контракту.

Элемент	Типичный диапазон — 4Cr13 (номинальный)	Типичный диапазон — 9Cr18 (номинальный)
C	0.30–0.45 мас%	0.80–1.05 мас%
Mn	≤ 1.0–1.2 мас%	≤ 1.0 мас%
Si	≤ 1.0 мас%	≤ 1.0 мас%
P	≤ 0.03–0.04 мас%	≤ 0.03–0.04 мас%
S	≤ 0.03 мас%	≤ 0.03 мас%
Cr	12–14 мас%	17–19 мас%
Ni	обычно следы	обычно следы
Mo	обычно следы/нет	обычно следы/нет
V, Nb, Ti, B, N	обычно не легируются намеренно; возможны небольшие остатки	обычно не легируются намеренно; возможны небольшие остатки

Стратегия легирования и эффекты: - Углерод: Основной элемент закаляемости и формирования мартенсита. Более высокий углерод в 9Cr18 увеличивает достигаемую твердость, износостойкость и объемную долю карбидов; он также увеличивает восприимчивость к хрупкому поведению и трещинам при сварке без тщательного контроля. - Хром: Обеспечивает коррозионную стойкость и способствует закаляемости. Более высокое содержание хрома в 9Cr18 улучшает общую коррозионную стойкость по сравнению с 4Cr13 и поддерживает образование более твердых хромсодержащих карбидов, повышая износостойкость. - Марганец и кремний: Деоксидаторы и стабилизаторы аустенита в небольших количествах; более высокий Mn умеренно увеличивает закаляемость. - Элементы примесей (P, S): Держатся на низком уровне, чтобы сохранить прочность и избежать хрупкости; S может быть намеренно немного увеличен в вариантах с легкой обработкой, но типичные 4Cr13/9Cr18 не являются высокосульфидными типами.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры для обоих классов являются мартенситными после соответствующего аустенитирования и закалки, но распределение карбидов и содержание углерода в матрице существенно различаются.

• 4Cr13:
• После отжиговой обработки и закалки преобладает мартенситная матрица с относительно низким объемом удерживаемых карбидов. Карбиды, как правило, меньше и более равномерно распределены из-за более низкого содержания углерода.
• Закалка снижает хрупкость и производит закаленный мартенсит; достигаемая твердость умеренная и может быть настроена для баланса прочности и жесткости.

• Нормализация обеспечивает более однородную структуру для последующей механической обработки или отделки.

• 9Cr18:

• После аустенитирования и закалки типичен мартенсит с более высокой долей хромовых карбидов (M23C6 и другие хромсодержащие карбиды) из-за высокого содержания углерода и хрома. Сетевые структуры карбидов или более крупные частицы увеличивают износостойкость, но снижают прочность.
• Закалка снижает внутренние напряжения и корректирует твердость, но чрезмерная закалка может смягчить карбиды и снизить износостойкость.
• Достижение оптимальных свойств требует более строгого контроля температуры аустенитирования и времени для контроля растворения и распределения карбидов.

Эффекты обработки: - Нормализация/рафинирование размера зерна полезны для обоих классов перед финальной термообработкой. - Среда закалки, толщина сечения и температура аустенитирования сильно влияют на удерживаемый аустенит и твердость — особенно критично для 9Cr18 из-за высокой закаляемости. - Криогенные обработки иногда используются в высокоуглеродных мартенситных нержавеющих сталях (таких как аналоги 9Cr18) для снижения удерживаемого аустенита и стабилизации твердости.

4. Механические свойства

Сообщенные механические свойства сильно зависят от термообработки, температуры закалки и формы продукта. Следующая таблица дает ориентировочные диапазоны для обычно специфицированных термообработанных условий (закаленных и закаленных). Значения являются иллюстративными; укажите точные требования к свойствам после термообработки в документах на закупку.

Свойство	4Cr13 — типичный (закаленный и закаленный)	9Cr18 — типичный (закаленный и закаленный)
Устойчивость к растяжению (МПа)	~600–1200 МПа (в зависимости от состояния)	~800–1600 МПа (в зависимости от состояния)
Предел текучести (0.2% смещение, МПа)	~400–900 МПа	~600–1400 МПа
Удлинение (%)	~8–20%	~5–15%
Ударная вязкость (Дж, с выемкой)	Умеренная; выше, чем у 9Cr18 при сопоставимой твердости	Ниже, особенно при высоких уровнях твердости
Твердость (HRC)	~40–56 HRC (в зависимости от закалки)	~55–64 HRC (более высокая достигаемая твердость)

Интерпретация: - Прочность и твердость: 9Cr18 может быть закалена до более высокой твердости и уровней растяжения благодаря более высокому содержанию углерода и абразивным хромовым карбидам; поэтому она превосходит для компонентов, критичных к износу. - Прочность и пластичность: 4Cr13, как правило, обеспечивает лучшую прочность и удлинение при заданном уровне твердости благодаря более низкому содержанию углерода и карбидов. - Компромисс классический: 9Cr18 предпочитает износ/удержание кромки; 4Cr13 предпочитает прочность и легкость последующей обработки.

5. Сварка

Сварка определяется эквивалентом углерода и содержанием легирующих элементов, которые способствуют закаляемости и образованию мартенсита в зоне термического воздействия (HAZ). Два часто используемых предсказательных выражения:

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

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: - Высокий углерод и повышенный хром в 9Cr18 дают более высокий эквивалент углерода и $P_{cm}$, что указывает на более высокую предрасположенность к холодным трещинам, жесткой мартенситной HAZ и необходимость предварительного подогрева, контролируемой температуры между проходами и термообработки после сварки для закалки мартенсита HAZ. - 4Cr13, с более низким содержанием углерода, как правило, демонстрирует более низкий CE и лучшую свариваемость; однако это все еще мартенситная нержавеющая сталь и может потребовать предварительного подогрева и закалки после сварки в более толстых сечениях, чтобы избежать трещин в HAZ. Рекомендуется использовать электроды с низким содержанием водорода и контролируемый тепловой ввод для обоих классов.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе стали 4Cr13 и 9Cr18 классифицируются как мартенситные нержавеющие стали и получают свою коррозионную стойкость в основном за счет содержания хрома. Они не так коррозионно стойки, как аустенитные нержавеющие стали (например, 304/316) или дуплексные классы в средах, богатых хлором или сильно окисляющих.
• PREN (Эквивалентный номер стойкости к питтингу) часто используется для сравнения локализованной коррозионной стойкости:

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

• Для этих классов Mo и N обычно отсутствуют или находятся на низком уровне, поэтому PREN в основном определяется Cr. Более высокое содержание хрома в 9Cr18 номинально дает более высокий PREN, чем у 4Cr13, что подразумевает несколько лучшую стойкость к питтингу в нейтральных или слабо коррозионных средах. Однако ни один из классов не предназначен для серьезного морского или хлорного обслуживания без защиты поверхности.
• Когда коррозионная стойкость недостаточна, применяются традиционные методы защиты поверхности:
• Пассивация (азотная или лимонная кислота) для восстановления пассивной пленки после механической обработки.
• Покрытия, такие как гальванизация или PVD для скользящих/износостойких поверхностей, или защитные краски, где это уместно.
• Гальванизация обычно не применяется к нержавеющим подложкам для улучшения коррозии и может плохо сцепляться; предпочтительнее отделка поверхности и пассивация.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• 4Cr13, как правило, обрабатывается легче, чем 9Cr18 из-за более низкой твердости в отожженных/нормализованных условиях и более низкого содержания карбидов. Варианты с легкой обработкой могут быть доступны, но стандартный 4Cr13 не является легированным сплавом с легкой обработкой.
• 9Cr18, с более высоким содержанием углерода и твердыми карбидами, увеличивает износ инструмента и может потребовать карбидного инструмента, более медленных подач и контролируемых стратегий формирования стружки.
• Формуемость:
• Обе стали являются мартенситными нержавеющими сталями и имеют ограниченную холодную формуемость в закаленных условиях. Формование проще всего в отожженных или нормализованных условиях перед финальной закалкой и закалкой.
• Отделка поверхности:
• Полировка и шлифовка являются обычными для обоих классов; 9Cr18 часто требует более агрессивных абразивов и учета срока службы инструмента.

8. Типичные применения

4Cr13 — Общие применения	9Cr18 — Общие применения
Ножевые лезвия, где требуются хорошая прочность и разумная коррозионная стойкость (ножи низкой стоимости, универсальные ножи)	Ножевые лезвия и столовые приборы, требующие более высокого удержания кромки и износостойкости (премиум лезвия с удержанием кромки)
Компоненты клапанов, валы насосов и крепежные детали, требующие умеренной коррозионной стойкости с хорошей прочностью	Компоненты подшипников и износостойкие детали, где требуются высокая твердость и стойкость к абразивному износу
Общие закаленные детали (муфты, небольшие структурные компоненты)	Медицинские и хирургические инструменты (ограниченные определенными инструментами, где требуется высокая твердость и применяется пассивация поверхности)
Декоративные и инженерные компоненты, где необходима отделка после процесса и сварка	Инструменты для холодной обработки и небольшие инструментальные компоненты с высокими требованиями к износу

Обоснование выбора: - Выберите 4Cr13 для деталей, которые требуют сочетания прочности, разумной коррозионной стойкости и более низкой стоимости, или где сварка и формование происходят часто. - Выберите 9Cr18 для деталей, которые приоритизируют твердость, стойкость к абразивному износу и удержание кромки, принимая на себя увеличенные затраты на обработку и более строгий контроль термообработки/сварки.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость:
• 9Cr18, как правило, дороже на килограмм, чем 4Cr13 из-за более высокого содержания хрома и углерода и более требовательной термообработки для достижения высокой твердости.
• Затраты на обработку (закалка, шлифовка, износ инструмента) для 9Cr18 также выше.
• Доступность:
• Оба класса широко доступны в обычных формах продуктов (прутки, листы, полосы, плиты, кованые изделия), но конкретные размеры, отделка поверхности и прутки с жесткими допусками могут быть менее распространены для 9Cr18 и чаще доступны у специализированных поставщиков.
• Для закупок в больших объемах варианты 4Cr13, как правило, легче найти у нескольких заводов; 9Cr18 может потребовать работы с поставщиками специализированной нержавеющей инструментальной стали для определенных форм продуктов.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное):

Атрибут	4Cr13	9Cr18
Свариваемость	Хорошая до умеренной; меньший риск, чем у 9Cr18	Умеренная до плохой; более высокие требования к предварительному подогреву и PWHT
Баланс прочности и прочности	Умеренная прочность; лучшая прочность и пластичность	Более высокая прочность и твердость; сниженная прочность
Стоимость	Низкая стоимость материала и обработки	Высокая стоимость материала и обработки

Рекомендации: - Выберите 4Cr13, если: - Вам нужна разумно коррозионно стойкая мартенситная нержавеющая сталь с улучшенной прочностью и более низкой общей стоимостью. - Сварка, формование или работа после изготовления происходят часто или критически важны. - Условия эксплуатации включают умеренные ударные нагрузки или где катастрофическая хрупкая поломка была бы неприемлема.

• Выберите 9Cr18, если:
• Высокая твердость, износостойкость и удержание кромки являются основными факторами проектирования.
• Вы можете контролировать термообработку, процессы обработки и процедуры сварки (или избежать сварки по проекту).
• Применение допускает более низкую ударную прочность и более высокие затраты на обработку в обмен на более длительный срок службы или лучшую производительность резания.

Заключительная заметка: Оба класса являются мартенситными нержавеющими сталями, и их эксплуатационные характеристики сильно зависят от точного состава, толщины сечения и тщательно контролируемой термообработки. Для спецификаций на закупку и проектирование определите требуемые цели по твердости/прочности, требования к термообработке после сварки и ожидания по коррозии явно, чтобы обеспечить поставщиков материалом, подготовленным для предполагаемого применения.