L390 против L415 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с компромиссами при выборе марки стали: высокая прочность часто противоречит легкости обработки и сварки, в то время как лучшая свариваемость может ограничивать достижимую максимальную прочность или стойкость к износу. L390 и L415 часто обсуждаются вместе, поскольку они занимают соседние позиции в спектре низколегированных конструкционных и инструментальных сталей, где проектировщики балансируют между прочностью и удобством обработки.
Основное практическое различие между этими двумя марками заключается в компромиссе между максимальной достижимой прочностью/закаляемостью и легкостью сварки/обработки. L415 обычно указывается, когда требуется высокая прочность и закаляемость, в то время как L390 часто предпочтительнее, когда приоритетом являются свариваемость, ударная вязкость и более простая термообработка. Поскольку наименования и точные химические составы могут варьироваться в зависимости от стандарта или поставщика, пользователи должны подтверждать сертификаты завода и применимые стандарты для каждой конкретной покупки.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты для обеих марок: EN (Европейские нормы), ASTM/ASME (Американские), JIS (Японские) и национальные стандарты, такие как GB (Китай). Не все стандарты используют точные обозначения L390/L415; это могут быть коммерческие или торговые названия, соответствующие эквивалентным стандартным номерам.
- Классификация:
- L390 — обычно рассматривается как низколегированная конструкционная или инженерная сталь; иногда используется в ножевых/инструментальных/формовочных приложениях, где требуются сбалансированная ударная вязкость и умеренная прочность.
- L415 — обычно это более прочная низколегированная сталь или вариант с более высокой закаляемостью, используемый там, где требуется большая прочность на разрыв/текучесть или более глубокая закалка.
- Тип: Ни одна из них не является нержавеющей маркой (если не указано иное в спецификации поставщика); обе являются низколегированными или микроалюминированными сталями, а не обычными инструментальными сталями или нержавеющими сталями. Подтвердите, является ли рассматриваемая марка легированной конструкционной сталью, вариантом инструментальной стали или специальным продуктом от конкретного завода.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица качественно обобщает типичную стратегию легирования. Точные составы варьируются в зависимости от спецификации и производителя; проконсультируйтесь с фактической спецификацией материала и сертификатом испытаний завода для закупок или проектирования.
| Элемент | Типичный уровень (относительный) | Функциональная роль и эффект |
|---|---|---|
| C (Углерод) | L390: низкий–умеренный | Обеспечивает прочность и закаляемость; более высокий углерод увеличивает прочность и твердость, но снижает свариваемость и ударную вязкость. |
| C (Углерод) | L415: умеренный–высокий | Увеличенный углерод поддерживает более высокую закаленную прочность и твердость; требует более строгого контроля для сварки. |
| Mn (Марганец) | L390: умеренный | Улучшает прочность и закаляемость; способствует дегазации и механическим свойствам. |
| Mn | L415: умеренный–высокий | Более высокий марганец поддерживает закаляемость и прочность на разрыв; может увеличить риск холодного растрескивания, если не предварительно нагрет. |
| Si (Кремний) | Обе: низкий–умеренный | Дегазатор; умеренно способствует прочности; избыточный кремний может снизить свариваемость некоторых сварочных материалов. |
| P (Фосфор) | Обе: контролируемый низкий | Примесь — поддерживается на низком уровне, чтобы избежать хрупкости. |
| S (Сера) | Обе: контролируемый очень низкий | Примесь — поддерживается на низком уровне; свободнообрабатываемые марки могут иметь более высокую серу (не типично здесь). |
| Cr (Хром) | L390: низкий–умеренный | Увеличивает закаляемость, прочность и стойкость к износу; небольшие добавки улучшают реакцию на отпуск. |
| Cr (Хром) | L415: умеренный–высокий | Способствует закаляемости и более высокой прочности на отпуск; в больших количествах снижает свариваемость. |
| Ni (Никель) | L390: возможный низкий | Улучшает ударную вязкость и пластичность при наличии. |
| Ni (Никель) | L415: низкий–умеренный | Используется, когда требуется ударная вязкость при высокой прочности. |
| Mo (Молибден) | L390: низкий | Увеличивает закаляемость и сохранение прочности при повышенных температурах. |
| Mo (Молибден) | L415: умеренный | Улучшает закаляемость и позволяет достичь более высокой закаленной прочности; может снизить свариваемость без соответствующего предварительного нагрева. |
| V/Nb/Ti (микролегирование) | L390: возможное микролегирование | Улучшение зерна и упрочнение осаждением; улучшает ударную вязкость и прочность без избыточного углерода. |
| V/Nb/Ti | L415: возможное микролегирование | Используется для увеличения предела текучести и контроля размера зерна; помогает достичь более высокой прочности с контролируемой ударной вязкостью. |
| B (Бор) | Обе: следы, если присутствуют | Очень небольшие добавки сильно увеличивают закаляемость; могут заметно повлиять на свариваемость, если присутствуют. |
| N (Азот) | Обе: контролируемый | Легирующий/посторонний элемент — контролируется для ударной вязкости и поведения образователя нитридов. |
Как легирование влияет на свойства: Элементы, которые повышают закаляемость (Cr, Mo, Mn, B и иногда Ni), позволяют глубже проводить мартенситную трансформацию во время закалки и, таким образом, обеспечивают более высокую прочность в толще в более толстых секциях. Элементы микролегирования (V, Nb, Ti) обеспечивают упрочнение мелкозернистой структуры и хорошую ударную вязкость без очень высокого углерода, улучшая соотношение прочности к ударной вязкости. Однако более высокая закаляемость и эквиваленты углерода, как правило, снижают свариваемость и увеличивают требования к предварительному нагреву/межпроходному нагреву, чтобы избежать растрескивания.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичные микроструктуры:
- L390: после нормализации или закалки и отпуска L390, как правило, показывает отпущенную мартенситную или bainitic матрицу с относительно мелкими зернами предшествующего аустенита, когда микролегирована. Это обеспечивает сбалансированную ударную вязкость с умеренной прочностью.
- L415: как правило, образует более высокую долю мартенсита или низкотемпературного бейнита после закалки, особенно в более толстых секциях или когда закалка проводится для увеличения твердости. Контроль размера зерна предшествующего аустенита и отпуск критически важны для достижения приемлемой ударной вязкости.
- Маршруты термообработки и эффекты:
- Нормализация: обе марки выигрывают от нормализации для уточнения размера зерна предшествующего аустенита; L390 хорошо реагирует с улучшенной ударной вязкостью. Нормализованная L415 покажет более высокую прочность после последующего отпуска.
- Закалка и отпуск: основной маршрут для достижения высокой прочности. L415 обычно требует более агрессивных закаливающих сред или более медленного отпуска для достижения проектных прочностей; отпуск необходим для восстановления ударной вязкости.
- Термо-механическая обработка: контролируемая прокатка плюс ускоренное охлаждение могут производить мелкозернистые или мартенситно-бейнитные микроструктуры с высокой прочностью и хорошей ударной вязкостью, часто обеспечивая лучшую свариваемость, чем тяжелые циклы закалки/отпуска.
- Практическое примечание: по мере увеличения закаляемости требования к термообработке после сварки (PWHT) и предварительному нагреву становятся более значительными, чтобы избежать холодного растрескивания, вызванного водородом.
4. Механические свойства
Таблица ниже сравнивает ожидаемые тенденции свойств. Фактические значения зависят от термообработки, формы продукта и поставщика. Используйте отчеты испытаний завода для проверки проектирования.
| Свойство | L390 (типичная тенденция) | L415 (типичная тенденция) |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв | Умеренная до высокой | Высокая (более высокая достижимая максимальная) |
| Предел текучести | Умеренный | Высокий |
| Удлинение (пластичность) | Хорошее до умеренного | Низкое (сниженная пластичность при максимальной прочности) |
| Ударная вязкость | Хорошая (особенно после отпуска) | Хорошая до умеренной; может быть ниже при более высоких уровнях твердости |
| Твердость (HRC или HB) | Умеренный диапазон после отпуска | Более высокая достижимая твердость после закалки и отпуска |
Объяснение: Более высокое содержание легирующих элементов и/или эквивалент углерода в L415 позволяют проектировщикам достигать более высоких пределов прочности на разрыв и текучести, но эти преимущества часто достигаются за счет пластичности и свариваемости. L390 подчеркивает баланс — разумная прочность при сохранении лучшей ударной вязкости и деформируемости.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от содержания углерода, эквивалента углерода (закаляемости) и элементов микролегирования. Две общие предсказательные формулы полезны для интерпретации относительного поведения:
-
Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm для восприимчивости к холодному растрескиванию: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация (качественная): - L390: более низкие до умеренных значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ обычно указывают на более легкую сварку с использованием стандартных расходных материалов и менее строгий предварительный нагрев. Более низкий углерод и ограниченное легирование упрощают проектирование соединений и уменьшают необходимые PWHT. - L415: более высокое легирование и углерод повышают $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, увеличивая восприимчивость к растрескиванию, вызванному водородом, и связанному с закалкой. Сварка L415 часто требует контролируемого предварительного нагрева, менее водородных расходных материалов, контроля межпроходного шва и иногда PWHT.
Практическое руководство: Для обеих марок следуйте процедурам сварки поставщика; выполняйте PWHT, если это указано. Используйте электроды или сварочные материалы с контролем водорода, соответствующие желаемой прочности и пластичности. Если сварка должна выполняться по обычной практике с ограниченной возможностью предварительного нагрева, L390 обычно будет более безопасным выбором.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни L390, ни L415 не являются по своей природе нержавеющими; коррозионная стойкость типична для углеродных/низколегированных сталей и требует защиты поверхности в открытых условиях.
- Общие защиты:
- Горячее цинкование, цинковая распыление или металлизация для защиты от атмосферной коррозии.
- Краски, эпоксидные покрытия или порошковые покрытия для архитектурных или легких воздействий.
- Катодная защита и специализированные покрытия для морских или сильно коррозионных условий.
- PREN (Эквивалентный номер стойкости к образованию ямок) не применим, если марка не является явно нержавеющей. Для справки, PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Но этот индекс применяется только к нержавеющим сплавам; L390/L415 следует обрабатывать с использованием обычных стратегий защиты углеродной стали.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Резка и механическая обработка:
- L390: обычно легче обрабатывается в нормализованном/отпущенном состоянии; более низкая твердость и углерод способствуют сроку службы инструмента и производительности.
- L415: механическая обработка может быть более сложной, если поставляется в состоянии высокой твердости или закаленном; рекомендуется предварительная обработка в более мягком состоянии или использование карбидных инструментов и соответствующих подач.
- Формование и изгиб:
- L390: лучшая формуемость, более высокие допустимые сокращения изгиба перед растрескиванием в нормализованном или отпущенном состояниях.
- L415: формование более ограничено, когда присутствует высокая прочность на отпуск; холодное формование может потребовать отжига или специализированного инструмента.
- Сварка и отделка после сварки:
- L390: легче шлифовать, обрабатывать и отделывать после сварки.
- L415: может потребовать дополнительного PWHT и тщательной шлифовки, чтобы избежать эффектов отпуска и сохранить свойства.
8. Типичные применения
| L390 — Типичные применения | L415 — Типичные применения |
|---|---|
| Конструктивные компоненты, где требуются сбалансированная прочность и ударная вязкость (валки средней нагрузки, кронштейны, рамы) | Высокопрочные конструктивные детали (валки тяжелой нагрузки, компоненты, подверженные износу, крепежи высокой нагрузки) |
| Собранные сварные конструкции, где легкость сварки и ударная вязкость являются приоритетами | Детали, требующие более высокой прочности на разрыв/текучесть или более глубокого проникновения термообработки (более толстые секции) |
| Компоненты машин, требующие хорошей обрабатываемости и разумной стойкости к износу | Компоненты, где требуется более высокая твердость или стойкость к износу после закалки и отпуска |
| Применения, где планируется покрытие или цинкование после обработки | Применения, где проектировщики принимают более строгий контроль сварки для достижения более высокой прочности |
Обоснование выбора: выбирайте L390 для работ, которые придают приоритет обработке, ударной вязкости или где сложная сварка неизбежна. Выбирайте L415 для конструкций, требующих более высокой статической прочности, стойкости к износу или большей несущей способности и где условия обработки могут обеспечить более строгие процедуры сварки и термообработки.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: L415 обычно дороже на тонну, когда содержание легирующих элементов и обработка (например, специализированная термообработка) выше. L390, как правило, более экономически эффективен для приложений, где не требуется ультравысокая прочность.
- Доступность по форме продукта: обе марки обычно доступны в виде листов, прутков и кованых форм от специализированных заводов и сервисных центров, но сроки поставки варьируются в зависимости от регионального спроса и требуется ли конкретная термообработка или сертификация. Стандартное хранение склонно к более распространенным конструкционным сплавам; специализированные высокопрочные варианты могут потребовать заводских запусков или задержек с термообработкой.
- Совет по закупкам: указывайте требуемую термообработку, твердость или механические цели и необходимые испытания материалов (UT, MT, PMI, MTC) заранее, чтобы избежать неожиданных цен и сроков поставки.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Критерий | L390 | L415 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (легче, меньший предварительный нагрев) | Более требовательная (больший предварительный нагрев/PWHT) |
| Баланс прочности и ударной вязкости | Сбалансированный; хорошая ударная вязкость с умеренной прочностью | Более высокая достижимая прочность; ударная вязкость может снижаться при максимальной твердости |
| Стоимость | Как правило, ниже | Как правило, выше |
| Обрабатываемость/формуемость | Лучше | Более ограниченная при высокой прочности |
| Типичная сложность обработки | Ниже | Выше (требует более строгого контроля) |
Рекомендация: - Выбирайте L390, если вам нужна сбалансированная инженерная сталь с относительно хорошей свариваемостью, более легкой обработкой и формованием, а также хорошей ударной вязкостью для сварных конструкций или компонентов, производимых в условиях стандартной сварки. - Выбирайте L415, если ваше основное требование — более высокая прочность на разрыв или текучесть, более глубокая закалка в толстых секциях или большая стойкость к износу, и план производства может учитывать более строгие процедуры сварки, предварительный нагрев/PWHT и потенциально более высокую стоимость материала.
Заключительное примечание: термины L390 и L415 могут использоваться по-разному у разных поставщиков и стандартов. Всегда подтверждайте точный химический состав, требования к механическим свойствам и указанный маршрут термообработки в спецификации материала и сертификате испытаний завода перед окончательным проектированием или закупкой.