9Cr18Mo против 9Cr18MoV – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
9Cr18Mo и 9Cr18MoV — это мартенситные нержавеющие стали, которые часто встречаются в компонентах, где требуется баланс между твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью — примеры включают режущие инструменты, износостойкие детали, компоненты клапанов и некоторые крепежные элементы. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто взвешивают компромиссы между стоимостью, обрабатываемостью, свариваемостью, прочностью и эксплуатационной износостойкостью при выборе между этими двумя марками.
Основное техническое отличие заключается в преднамеренном добавлении ванадия в 9Cr18MoV для получения твердых, стабильных карбидов ванадия, что улучшает износостойкость при абразивном и адгезионном воздействии и повышает стойкость к отпуску. Обе марки имеют схожую матрицу с высоким содержанием углерода и хрома, которая образует мартенситные микроструктуры после закалки и отпуска, но химия, модифицированная ванадием, изменяет тип карбидов, закаливаемость и практические пределы термообработки и изготовления.
1. Стандарты и обозначения
- Общие системы стандартов, в которых встречаются аналогичные мартенситные нержавеющие сплавы: GB (китайские национальные стандарты), JIS (японские), EN (европейские), ASTM/ASME (США). Многие коммерческие обозначения продуктов (например, названия на основе 9Cr18) встречаются в GB или в спецификациях частных поставщиков, а не в одном типе ASTM.
- Классификация:
- Обе марки 9Cr18Mo и 9Cr18MoV являются мартенситными нержавеющими сталями (нержавеющие инструментальные/ножевые стали).
- Они не являются HSLA или обычными углеродными сталями; они относятся к категориям нержавеющих инструментальных/ножевых сталей с высоким содержанием углерода и умеренно-высоким содержанием хрома.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: качественное присутствие ключевых элементов (Высокое / Среднее / Низкое / Следы / Добавка)
| Элемент | 9Cr18Mo | 9Cr18MoV |
|---|---|---|
| C (Углерод) | Высокий (основной элемент закалки) | Высокий (основной элемент закалки) |
| Mn (Марганец) | Низкий–Средний (обезвреживатель, слегка влияет на закаливаемость) | Низкий–Средний |
| Si (Кремний) | Низкий (обезвреживатель) | Низкий |
| P (Фосфор) | Следы (контроль примесей) | Следы |
| S (Сера) | Следы (часто снижены для производственных марок) | Следы |
| Cr (Хром) | Высокий (нержавеющая пассивность, образует карбиды) | Высокий |
| Ni (Никель) | Низкий–Следы (обычно минимальный) | Низкий–Следы |
| Mo (Молибден) | Средний (улучшает коррозионную стойкость и вторичную закалку) | Средний |
| V (Ванадий) | Следы/Нет (не добавляется преднамеренно) | Добавлен (ключевое отличие) |
| Nb (Ниобий) | Следы/Нет | Следы/Нет |
| Ti (Титан) | Следы/Нет | Следы/Нет |
| B (Бор) | Следы (если присутствует для контроля закаливаемости) | Следы |
| N (Азот) | Следы (ограниченные; влияет на нержавеющую производительность) | Следы |
Примечания: - Типичная коммерческая номенклатура "9Cr18" подразумевает стали с высоким содержанием углерода (~0.8–1.0 вес.% диапазон) и высоким содержанием хрома (~13–18 вес.% диапазон); числовой префикс обычно связан с содержанием углерода и хрома в некоторых национальных системах. Точные номинальные диапазоны следует получать у поставщика или в соответствующем стандарте. - Стратегия легирования: углерод устанавливает твердость после закалки; хром обеспечивает коррозионную стойкость и образует карбиды, богатые хромом; молибден повышает коррозионную стойкость и способствует вторичной закалке; ванадий образует очень твердые, мелкие V-карбиды, которые увеличивают абразивную стойкость и стабильность отпуска.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Основная микроструктура (после соответствующего аустенитирования и закалки): преимущественно мартенсит плюс дисперсия карбидов (карбиды, богатые хромом, а в вариантах с содержанием ванадия — карбиды, богатые ванадием). Матрица — отпущенный мартенсит после циклов отпуска.
- 9Cr18Mo: карбиды, как правило, имеют высокое содержание хрома (например, M23C6 или аналогичные сложные хромовые карбиды) вместе с некоторыми фазами, содержащими Mo. Отпуск приводит к увеличению размера карбидов при более высоких температурах, что снижает твердость, но может увеличить прочность.
- 9Cr18MoV: ванадий способствует образованию мелких карбидов ванадия (VC), которые термически стабильны и устойчивы к увеличению размера; это уточняет распределение карбидов, улучшая износостойкость и повышая стойкость к отпуску — т.е. марка лучше сохраняет твердость при отпуске при более высоких температурах (поведение вторичной закалки от Mo и V).
- Типичные маршруты термообработки:
- Аустенитировать (растворять) при температуре, специфичной для марки, чтобы растворить карбиды по мере необходимости и образовать однородный аустенит.
- Закалить (в масле или воздухе в зависимости от размера сечения и закаливаемости), чтобы образовать мартенсит.
- Отпустить при контролируемых температурах: низкий отпуск для максимальной твердости; более высокий отпуск для улучшения прочности. 9Cr18MoV может выдерживать более высокий отпуск, не теряя так много твердости благодаря эффектам мелких VC и Mo.
- Термо-механическая обработка: контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут уточнить размер зерна аустенита и улучшить прочность; микролегирование ванадием может дополнительно влиять на контроль размера зерна через закрепление карбонитридов, если они присутствуют.
4. Механические свойства
Таблица: качественное сравнение механических свойств (относительная производительность)
| Свойство | 9Cr18Mo | 9Cr18MoV |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Высокая | Немного выше (из-за более мелких карбидов и увеличенной закаливаемости) |
| Предельная прочность | Высокая | Немного выше |
| Удлинение (пластичность) | Умеренное–Низкое | Немного ниже (из-за большего осаждения карбидов) |
| Ударная прочность | Лучше (относительно) | Ниже (компромисс за износ) |
| Твердость (закаленная и отпущенная) | Высокая | Выше (оптимизированная для износа; сохраняет твердость при отпуске) |
Объяснение: - Обе марки достигают высокой твердости после закалки благодаря повышенному содержанию углерода. Марка, содержащая ванадий, как правило, достигает равных или более высоких значений прочности на растяжение и твердости для данного графика термообработки, поскольку частицы VC уточняют микроструктуру и сопротивляются размягчению во время отпуска. - Увеличенная твердость и объемная доля карбидов, как правило, снижают пластичность и ударную прочность; поэтому 9Cr18MoV, как правило, жертвует некоторой прочностью ради износостойкости.
5. Свариваемость
Свариваемость высокоуглеродных мартенситных нержавеющих сталей является сложной задачей и должна управляться с помощью соответствующего предварительного нагрева, температуры межпроходного шва и термообработки после сварки (PWHT). Два часто используемых показателя эквивалента углерода для качественной оценки:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
и
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация: - Высокое содержание углерода плюс значительное содержание Cr, Mo или V увеличивает как значения $CE_{IIW}$, так и $P_{cm}$, которые коррелируют с повышенной закаливаемостью и более высоким риском холодного растрескивания в зоне термического воздействия сварки. - 9Cr18MoV, содержащий ванадий, как правило, будет иметь немного более высокий эффективный эквивалент углерода для данного состава, чем 9Cr18Mo, увеличивая требования к предварительному нагреву и PWHT. - Практические меры: используйте электроды с низким содержанием водорода или filler metal, соответствующий мартенситному нержавеющему составу, применяйте предварительный нагрев для замедления охлаждения, контролируйте температуру межпроходного шва и выполняйте PWHT (отпуск), чтобы уменьшить остаточные напряжения и снизить твердость в HAZ. Для ремонтной сварки, где полный PWHT нецелесообразен, рассмотрите альтернативные методы соединения (механическое крепление, пайка или использование более пластичных легирующих сплавов с осторожностью).
6. Коррозия и защита поверхности
- Коррозионная стойкость: обе марки являются нержавеющими сталями с умеренной до хорошей стойкостью в воздухе и мягких средах благодаря содержанию хрома. Они не достигают коррозионной стойкости аустенитных нержавеющих сталей (например, 304/316) в агрессивных средах.
- PREN (Эквивалентный номер стойкости к коррозии) обычно используется для аустенитных/двойных нержавеющих сталей с значительным содержанием азота; формула:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Для 9Cr18Mo и 9Cr18MoV PREN имеет ограниченную полезность, поскольку содержание азота низкое, а микроструктура мартенситная; коррозионная производительность определяется содержанием хрома и распределением карбидов (осаждение карбидов может локально истощать хром и снижать пассивность).
- Советы по защите поверхности и обработке:
- Избегайте сенсибилизации (осаждение хромовых карбидов на границах зерен) через правильную растворительную обработку и быстрое охлаждение, когда коррозионная стойкость критична.
- Для агрессивной эксплуатации или когда целостность нержавеющей стали недостаточна, рассмотрите покрытия (гальванизация, PVD, твердый хром), пассивирующие обработки или использование более коррозионно-стойких сплавов.
- Для не нержавеющих сталей, используемых в аналогичных ролях, гальванизация, покраска или полимерные покрытия являются обычными; для этих мартенситных нержавеющих марок типичны отделка поверхности (полировка) и пассивация.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обработка: обе марки легче обрабатываются в отожженном (мягком) состоянии, чем в закаленном. В закаленном состоянии наличие твердых карбидов — особенно в 9Cr18MoV — ускоряет износ инструмента и требует карбидного инструмента, более низких скоростей резания и контролируемых подач.
- Шлифовка и отделка: абразивный износ инструментов и кругов выше для сталей с содержанием ванадия; требуется тщательный выбор абразивных материалов и обрабатывающих кругов.
- Формование/гиб: ограничено в закаленном состоянии. Холодное формование возможно только в отожженном состоянии; гибка и штамповка должны выполняться до окончательной закалки и отпуска.
- Термообработки: отжиг для формования, затем полный цикл термообработки для окончательных свойств. Шлифовка поверхности и окончательная полировка обычно происходят после термообработки из-за контроля деформации.
8. Типичные применения
| 9Cr18Mo (Общие применения) | 9Cr18MoV (Общие применения) |
|---|---|
| Лезвия ножей и столовые приборы, где требуется баланс между коррозионной стойкостью и прочностью | Режущие кромки, промышленные ножи и износостойкие детали, где приоритетом является абразивная прочность |
| Компоненты клапанов и валы в умеренных условиях | Подшипниковые кольца и износостойкие втулки, где критична стойкость к абразивному износу |
| Пружины и крепежные элементы, требующие высокой прочности и умеренной коррозионной защиты | Инструментальные вставки с высоким износом, ножи для резки и компоненты, подвергающиеся скользящему износу |
Обоснование выбора: - Выбирайте 9Cr18Mo, когда требуется несколько лучший баланс между прочностью и коррозионной стойкостью, а также когда обрабатываемость/свариваемость или стоимость являются важными ограничениями. - Выбирайте 9Cr18MoV, когда первичными факторами проектирования являются стойкость к абразивному износу и сохранение твердости при отпуске, и когда немного более низкая прочность и более высокие затраты на инструменты/сварку могут быть оправданы.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: 9Cr18MoV обычно дороже из-за добавления ванадия и связанных с этим процессов для поддержания мелкого распределения карбидов; затраты на инструменты и отделку также выше.
- Доступность: обе марки обычно доступны у специализированных поставщиков нержавеющей и инструментальной стали в виде прутков, листов, полос и заготовок. 9Cr18Mo (будучи более простой химией) обычно более широко представлен на рынке товарных ножей и крепежа; вариант с ванадием может быть доступен в основном через специализированных поставщиков или по запросу в конкретных формах продуктов.
10. Резюме и рекомендации
Таблица, обобщающая ключевые компромиссы (Качественно)
| Атрибут | 9Cr18Mo | 9Cr18MoV |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (но все еще ограничена) | Более сложная |
| Баланс прочности и прочности | Лучшая прочность при аналогичной твердости | Более высокая прочность и твердость, ниже прочность |
| Износостойкость | Хорошая | Превосходная (абразивный/адгезионный износ) |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Рекомендации: - Выбирайте 9Cr18Mo, если вам нужна экономически эффективная мартенситная нержавеющая сталь с разумной прочностью, более легкой обрабатываемостью в отожженном состоянии и умеренной коррозионной стойкостью — подходит для универсальных ножей, клапанов и компонентов, где требуется некоторая пластичность. - Выбирайте 9Cr18MoV, если срок службы определяется абразивным или адгезионным износом, и критично сохранить более высокую твердость после отпуска — подходит для промышленных ножей, износостойких вставок и компонентов, где сохранение твердости при эксплуатации перевешивает недостатки в прочности и стоимости изготовления.
Заключительные практические заметки: - Всегда запрашивайте сертификаты материалов и рекомендации по термообработке у поставщика для предполагаемой формы продукта. - Для сварки получите конкретные процедуры предварительного нагрева, межпроходного шва и PWHT от сварочных инженеров и следуйте тестированию квалификации процедуры, когда это критично для безопасности. - Протестируйте и подтвердите графики термообработки и параметры обработки на репрезентативных деталях, поскольку распределение карбидов и окончательные свойства сильно зависят от небольших изменений в химии и обработке.