9Cr18 против 9Cr18Mo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Выбор между 9Cr18 и 9Cr18Mo является распространенным решением для инженеров, менеджеров по закупкам и планировщиков производства, которые специфицируют мартенситные нержавеющие стали для компонентов, требующих сочетания износостойкости, высокой твердости и некоторого уровня коррозионной стойкости. Типичные контексты принятия решений включают балансировку коррозионной стойкости и стоимости, закаливаемости и конечной твердости по сравнению с свариваемостью, а также срока службы при износе и легкости обработки.
Основное металлургическое различие заключается в целенаправленном добавлении молибдена в 9Cr18Mo. Это изменение в легировании увеличивает стойкость к локализованной коррозии и улучшает закаливаемость, не изменяя при этом значительно поведение всей группы мартенситных нержавеющих сталей. Поскольку оба сорта являются высокоуглеродными, высокохромовыми, мартенситными нержавеющими сталями, их часто сравнивают для ножевых лезвий, клапанов, подшипников и износостойких деталей, где важны как твердость, так и коррозионная стойкость поверхности.
1. Стандарты и обозначения
- Общие региональные стандарты и обозначения, на которые следует обратить внимание:
- GB (Китай): сорта, обозначенные как 9Cr18 и 9Cr18Mo, появляются в китайских национальных и промышленных каталогах.
- EN / ISO: нет точного соответствия 1:1; эти сорта обычно рассматриваются как собственные или национальные мартенситные нержавеющие варианты (аналогичные существуют среди серии AISI 440).
- JIS (Япония) / ASTM / ASME: аналогичный химический состав может быть найден в мартенситных нержавеющих семьях AISI/ASTM (например, AISI 440A/B/C), но точные обозначения и различия в допусках требуют перекрестной ссылки.
- Тип материала: как 9Cr18, так и 9Cr18Mo являются мартенситными нержавеющими сталями (высокоуглеродными, высокохромовыми). Они не являются HSLA и не являются типичными углеродными сталями; они являются нержавеющими по содержанию хрома, но не являются аустенитными.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица дает типичные диапазоны состава (вес.%) используемые в качестве инженерных рекомендаций для этих сортов. Для решений по закупкам следует консультироваться с фактическими сертификатами завода и применимым стандартом; составы варьируются в зависимости от производителя и конкретного подтипа.
| Элемент | 9Cr18 (типичный диапазон, вес%) | 9Cr18Mo (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C | 0.80 – 1.05 | 0.80 – 1.05 |
| Mn | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 19.0 | 16.0 – 19.0 |
| Ni | ≤ 0.6 | ≤ 0.6 |
| Mo | ≤ 0.25 (часто ≈0) | 0.2 – 1.0 (типично ≈0.3–0.8) |
| V | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 |
| Nb/Ti/B | следы/контролируемые | следы/контролируемые |
| N | следы | следы |
Примечания: - Эти диапазоны являются ориентировочными; поставщики могут указывать более строгие допуски. - Определяющим различием является Mo; 9Cr18Mo содержит целенаправленный Mo для повышения стойкости к образованию ямок и закаливаемости. - Высокий углерод (~0.8–1.0%) и высокий хром (~16–19%) обеспечивают мартенситную закаливаемость и коррозионную стойкость поверхности соответственно.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод контролирует достижимую твердость и прочность после закалки/отпуска; более высокий C дает более высокую твердость и износостойкость, но снижает свариваемость и ударную вязкость. - Хром обеспечивает коррозионную стойкость (пассивацию) и способствует закаливаемости. - Молибден увеличивает стойкость к образованию ямок и коррозии в трещинах и улучшает закаливаемость и вторичную закалку при отпуске. Он также может улучшить химию карбидов для износостойкости. - Небольшие элементы (V, Nb, Ti) могут присутствовать для контроля поведения включений и стабильности карбидов, а значит, влиять на ударную вязкость и характеристики шлифования.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная микроструктура: - Оба сорта предназначены для формирования мартенсита после соответствующей закалки с температуры аустенитизации, с дисперсией карбидов, богатых хромом (например, M23C6, M7C3 в зависимости от точной химии и термообработки). - В 9Cr18Mo карбиды могут содержать Mo, изменяя размер, распределение и стабильность по сравнению с 9Cr18.
Маршруты термообработки и реакции: - Отжиг / нормализация: производит закаленный мартенсит или сфероидизированные карбиды; полезно для механической обработки перед окончательной закалкой. Нормализация улучшает размер зерен аустенита и растворяет некоторые карбиды в зависимости от температуры. - Закалка и отпуск: стандартный маршрут для достижения высокой твердости и износостойкости. Аустенитизация (типичные температуры зависят от данных поставщика), закалка для формирования мартенсита, затем отпуск при выбранной температуре для обмена твердости на ударную вязкость. - 9Cr18Mo, как правило, достигает немного более высокой закаливаемости, производя более однородную мартенситную структуру в более толстых секциях. - Термомеханическая обработка: контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут улучшить микроструктуру и повысить ударную вязкость; молибден помогает сохранить закаливаемость при такой обработке.
Последствия: - 9Cr18Mo менее подвержен неполной трансформации (сохраненный аустенит) в больших поперечных сечениях благодаря улучшенной закаливаемости. - Химия карбидов в 9Cr18Mo часто более стабильна в коррозионных средах.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки. Таблица ниже дает типичные диапазоны после закалки и отпуска, используемые для сравнений спецификаций (консультируйтесь с сертификатами испытаний завода для закупок).
| Свойство | 9Cr18 (типичный диапазон) | 9Cr18Mo (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | 900 – 1600 | 900 – 1650 |
| Устойчивость к текучести (МПа) | 600 – 1400 | 600 – 1450 |
| Удлинение (%) | 6 – 18 | 6 – 18 |
| Ударная вязкость (Дж, Шарпи) | низкая–умеренная; зависит от отпуска | сравнимая или немного улучшенная (лучше через толщу в более толстых секциях) |
| Твердость (HRC) | 48 – 63 (в зависимости от отпуска) | 48 – 63 (может достигать аналогичной или немного более высокой при том же отпуске благодаря Mo) |
Объяснение: - Оба сорта могут достигать очень высокой твердости и прочности при полной закалке; небольшие увеличения закаливаемости от Mo помогают поддерживать прочность в более толстых секциях. - Ударная вязкость определяется практикой отпуска и распределением карбидов; молибден часто немного улучшает ударную вязкость и снижает риск хрупкости при отпуске в некоторых режимах. - Удлинение ограничено высоким углеродом; оба сорта менее пластичны, чем низкоуглеродные нержавеющие стали.
5. Свариваемость
Свариваемость высокоуглеродных мартенситных нержавеющих сталей является сложной задачей из-за их содержания углерода и закаливаемости.
Соответствующие предсказательные формулы:
- Углеродный эквивалент (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (для предсказания восприимчивости к холодным трещинам):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация (качественная): - Оба сорта имеют высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с низкоуглеродными сталями, что указывает на высокую предрасположенность к образованию мартенсита в ЗП и риск холодных трещин без предварительного подогрева и контролируемого охлаждения. - 9Cr18Mo, благодаря добавленному Mo, будет иметь немного более высокий вклад углеродного эквивалента от термина $(Cr+Mo+V)/5$; однако Mo также улучшает закаливаемость, что может увеличить риск жесткой, хрупкой ЗП. На практике процедуры сварки для обоих требуют предварительного подогрева, контроля температуры между проходами, низководородных расходных материалов и отпуска после сварки, где требования к служебной прочности требуют ударной вязкости. - Для многих приложений используются механическая обработка и механическое крепление или пайка, чтобы избежать сварки. Если сварка необходима, необходимо указать подготовку кромок, предварительный подогрев и PWHT.
6. Коррозия и защита поверхности
Примечание о нержавеющих и не нержавеющих сталях: - Оба сорта являются нержавеющими по содержанию Cr, но не обладают коррозионной стойкостью в такой же степени, как аустенитные или дуплексные нержавеющие стали в хлоридных средах.
Прогнозирование стойкости к образованию ямок (PREN):
- Для сплавов, где PREN является информативным:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Применение: PREN в основном используется для аустенитных и дуплексных нержавеющих сталей. Для мартенситных сталей, таких как 9Cr18 и 9Cr18Mo, PREN может дать представление о относительной стойкости к образованию ямок; термин Mo значительно увеличивает PREN, поэтому 9Cr18Mo будет показывать лучшую стойкость к локализованной коррозии (особенно к образованию ямок и трещин) по сравнению с 9Cr18 при равном содержании Cr.
Практическое руководство: - 9Cr18 предлагает хорошую общую коррозионную стойкость в слабо коррозионных атмосферах и обычно используется в неизменном виде для лезвий и износостойких деталей. - 9Cr18Mo обеспечивает улучшенную стойкость к образованию ямок, коррозии в трещинах и коррозионным трещинам под напряжением в средах, содержащих хлориды — это важно, когда ожидается контакт с солями или кислотными средами. - Для агрессивных сред рассмотрите пассивационные обработки, защитные покрытия (например, электрохимическую полировку, преобразующие покрытия) или спецификацию нержавеющих семейств с более высокой общей коррозионной стойкостью. - Когда выбрана защита от коррозии с помощью покрытий: оцинковка обычно не используется для закаленных мартенситных нержавеющих деталей, предназначенных для износа; краски, преобразующие покрытия или тонкие покрытые слои более распространены для общей защиты.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: высокоуглеродные мартенситные нержавеющие стали труднее обрабатывать в закаленном состоянии. Обработка обычно выполняется в отожженном состоянии. Размер и распределение карбидов влияют на шлифование и срок службы инструмента; карбиды, содержащие Mo, в 9Cr18Mo могут требовать немного других инструментальных решений.
- Формуемость: ограничена в закаленном состоянии. Сгибание и формование должны выполняться в отожженном или нормализованном состоянии, чтобы избежать трещин. Постформовочная термообработка и циклы закалки/отпуска являются обычными.
- Обработка поверхности: оба сорта могут быть отполированы до блестящей поверхности; 9Cr18Mo может удерживать более тонкий край и полировку благодаря распределению карбидов и немного более высокой закаливаемости.
- Соображения по термообработке для обработки: отжиг для формования, затем закалка/отпуск. Избегайте быстрого охлаждения после сварки; контролируемое охлаждение и PWHT рекомендуются.
8. Типичные применения
| 9Cr18 (распространенные применения) | 9Cr18Mo (распространенные применения) |
|---|---|
| Стали для ножей и лезвий (столовые приборы) | Лезвия ножей и столовые приборы, где важна стойкость к образованию ямок в условиях влажности или соленой среды |
| Шариковые подшипники, износостойкие кольца для насосов (в менее агрессивных жидкостях) | Клапаны, компоненты насосов, подвергающиеся воздействию жидкостей, содержащих хлориды |
| Сиденья клапанов, обрабатывающие детали | Компоненты, требующие более высокой твердости через толщу (более толстые секции) |
| Хирургические инструменты (где коррозия от стерилизации ограничена) | Детали химической промышленности с периодическим воздействием хлоридов |
| Пружины и мелкие износостойкие детали (где требуется высокая твердость) | Компоненты с высоким износом, которые также требуют улучшенной локализованной коррозионной стойкости |
Обоснование выбора: - Выберите 9Cr18, когда чувствительность к стоимости и общая коррозионная стойкость приемлемы, и когда применения в основном обусловлены износом или твердостью в благоприятных условиях. - Выберите 9Cr18Mo, когда требуются те же характеристики твердости/износа, но среда включает хлориды или кислые условия, или когда более толстые секции требуют улучшенной закаливаемости для достижения однородных свойств.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: 9Cr18 обычно дешевле, чем 9Cr18Mo из-за дополнительного легирующего элемента (Mo) и немного более сложной металлургии. Разница в стоимости зависит от содержания Mo, рыночной цены Mo и обработки на заводе.
- Доступность: оба сорта обычно доступны в виде прутков, плит и полос от специализированных нержавеющих заводов и дистрибьюторов. 9Cr18 более широко представлен как товарный мартенситный сорт; 9Cr18Mo может производиться под заказ на некоторых рынках или храниться там, где существует спрос на мартенситные нержавеющие стали с содержанием Mo.
- Формы продукции: прутки, кованые изделия, заготовки и прецизионные полосы/плоские заготовки являются обычными. Готовые закаленные или отожженные состояния повлияют на сроки поставки.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественная оценка: Хорошо / Умеренно / Плохо)
| Метрика | 9Cr18 | 9Cr18Mo |
|---|---|---|
| Свариваемость | Умеренная–Плохая | Умеренная–Плохая (требует предварительного подогрева/PWHT) |
| Прочность–Ударная вязкость (после термообработки) | Высокая прочность, умеренная ударная вязкость | Высокая прочность, немного улучшенная ударная вязкость в более толстых секциях |
| Локализованная коррозионная стойкость | Умеренная | Лучше (улучшенная стойкость к образованию ямок/трещин) |
| Стоимость | Ниже | Выше |
| Доступность | Широко доступна | Широко доступна, но иногда более специализирована |
Рекомендация: - Выберите 9Cr18, если вам требуется экономически эффективная мартенситная нержавеющая сталь с высокой твердостью и износостойкостью для применения в относительно благоприятных условиях, или если геометрия детали тонкая и однородная, так что стандартная закалка дает приемлемые свойства. - Выберите 9Cr18Mo, если компонент будет работать в средах с воздействием хлоридов или риском локализованной коррозии, или если более толстые секции требуют улучшенной закаливаемости для достижения однородной мартенситной трансформации и механических свойств по всему сечению.
Заключительная примечание по закупкам: всегда указывайте точный диапазон состава, форму продукции и состояние термообработки в заказах на покупку. Запрашивайте сертификаты завода и, при необходимости, спецификации сварочных процедур (включая предварительный подогрев и PWHT) и записи о тестировании на коррозию или пассивации для критических приложений.