SUP9 против SUP10 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SUP9 и SUP10 — это тесно связанные структурные углеродные стали, которые часто рассматриваются в тяжелом производстве, компонентах машин и термообработанных деталях. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно взвешивают компромиссы между свариваемостью, прочностью, обрабатываемостью и достигаемой прочностью при выборе между ними. Основное практическое различие заключается в преднамеренном, умеренном увеличении содержания углерода в SUP10 по сравнению с SUP9, что смещает характеристики в сторону более высокой закаливаемости и прочности за счет некоторой пластичности и свариваемости. Эти два сорта часто сравниваются, когда дизайнерам необходимо сбалансировать грузоподъемность компонентов и стойкость к износу с легкостью обработки и стоимостью термообработки.
1. Стандарты и обозначения
- Типичные стандарты, где появляются аналогичные семейства сортов: ASTM/ASME (углеродные и низколегированные стали), EN (европейские конструкционные и закаленные стали), JIS (японские промышленные стандарты), GB/T (китайские стандарты).
- Классификация: как SUP9, так и SUP10 являются углеродными или низколегированными сталями (не инструментальными сталями или аустенитными нержавеющими). Они обычно позиционируются как углеродные стали или низколегированные стали, предназначенные для деталей, которые могут быть нормализованы, закалены и отпущены или иным образом термообработаны для контроля прочности/пластичности. Они не являются высоконикелевыми нержавеющими сортами или HSLA с значительным микролегированием по умолчанию, хотя конкретные варианты могут включать добавки микролегирования.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | SUP9 (типичная стратегия) | SUP10 (типичная стратегия) |
|---|---|---|
| C (Углерод) | Низкое содержание углерода по сравнению с SUP10; нацелено на баланс прочности и свариваемости | Высокое содержание углерода по сравнению с SUP9 для увеличения прочности/закаливаемости |
| Mn (Марганец) | Умеренное — деоксидант и источник прочности | Похожий или немного скорректированный для поддержания закаливаемости и прочности |
| Si (Кремний) | Деоксидант; обычно низкий до умеренного | Похожий — в основном роль деоксиданта |
| P (Фосфор) | Контролируемый низкий уровень примесей | Контролируемый низкий уровень примесей |
| S (Сера) | Содержится на низком уровне; добавки серы для обрабатываемости могут присутствовать в вариантах с легкой обработкой | Содержится на низком уровне; аналогичный подход |
| Cr (Хром) | Часто минимален или отсутствует; если присутствует, то в небольших количествах для закаливаемости | Может содержать аналогичные небольшие количества; не является основным легирующим элементом для повышения прочности |
| Ni (Никель) | Обычно отсутствует или в следовых количествах | Обычно отсутствует или в следовых количествах |
| Mo (Молибден) | Обычно в следовых количествах, если есть; используется для увеличения закаливаемости в легированных вариантах | Может присутствовать в небольших количествах у некоторых поставщиков для повышения закаливаемости |
| V, Nb, Ti (Микролегирование) | Часто не указывается; может присутствовать в микролегированных вариантах | Возможны добавки низкого уровня в некоторых вариантах для улучшения структуры и повышения прочности |
| B (Бор) | Обычно не указывается | Обычно не указывается |
| N (Азот) | Низкий; контролируемый | Низкий; контролируемый |
Примечания: Вместо радикальных различий в составе легирующих элементов, подход к проектированию для SUP10 заключается в увеличении содержания углерода для повышения достигаемой твердости и прочности на растяжение после термообработки, сохраняя при этом относительно простую рецептуру легирования. Mn и Si используются традиционно для деоксидирования и контроля прочности. Микролегирование (V, Nb, Ti) может появляться в специфических продуктах завода для настройки прочности без чрезмерного увеличения углерода.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной фактор твердости и доли закаленного мартенсита; более высокий углерод увеличивает прочность, но снижает пластичность и свариваемость. - Марганец и молибден: увеличивают закаливаемость и прочность; они умеряют чувствительность к скорости охлаждения. - Элементы микролегирования (V, Nb, Ti): уточняют зерно, увеличивают осаждение и могут улучшать прочность без значительного увеличения углерода.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - SUP9 (низкое содержание углерода): в нормализованном состоянии, как правило, образует матрицу феррит-перлит с относительно более грубым перлитом в зависимости от охлаждения. После закалки и отпуска ожидается микроструктура закаленного мартенсита/байнита на умеренных уровнях закаливания. - SUP10 (высокое содержание углерода): больше перлита в состоянии после прокатки или нормализации; при закалке образуется более высокая доля мартенсита при сопоставимых скоростях охлаждения, что приводит к более высокой твердости и прочности.
Маршруты термообработки: - Нормализация: уточняет зерно и образует феррит-перлит; более высокое содержание углерода в SUP10 приводит к более твердой нормализованной структуре, чем у SUP9 при одинаковом пути охлаждения. - Закалка и отпуск: оба сорта реагируют образованием мартенсита при быстром охлаждении. SUP10 достигает более высокой твердости после закалки и требует графиков отпуска, которые снижают хрупкость, сохраняя при этом более высокую прочность. Рецепты отпуска должны учитывать увеличенное содержание углерода, чтобы избежать зон хрупкости при отпуске. - Термомеханическая обработка: контролируемая прокатка или TMCP с ускоренным охлаждением могут привести к образованию мелких байнитных или мартенситно-ферритных смесей. Микролегированные варианты любого сорта могут получить улучшенную прочность с более мелкими размерами зерна.
Металлургические последствия: - Более высокий углерод увеличивает чувствительность температуры Ms (начало мартенсита) и повышает потенциальную твердость после закалки, но также увеличивает риск образования хрупких мартенситных микроструктур, если отпуск недостаточен. - Легирующие элементы, которые увеличивают закаливаемость (Mn, Mo), уменьшают необходимость в крайне быстром охлаждении, но должны быть сбалансированы для поддержания свариваемости.
4. Механические свойства
| Свойство | SUP9 (общие ожидания) | SUP10 (общие ожидания) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Умеренная — хороший баланс с пластичностью | Выше — увеличенная максимальная прочность на растяжение после термообработки |
| Предельная прочность | Умеренная | Выше |
| Удлинение (пластичность) | Более высокая пластичность по сравнению с SUP10 | Нижее удлинение из-за увеличенного содержания углерода и доли мартенсита |
| Ударная вязкость | Лучшая стойкость к надрезам при сопоставимой прочности благодаря более низкому углероду | Сниженная ударная вязкость при равном уровне термообработки, если не отпущен или не легирован для компенсации |
| Твердость (потенциал после закалки) | Ниже максимальная достигаемая твердость | Выше достигаемая твердость; увеличенный потенциал стойкости к износу |
Объяснение: Увеличение углерода в SUP10 повышает потенциальные прочности на растяжение и предельную прочность при аналогичных условиях термообработки. Компромисс заключается в снижении пластичности и прочности, если не используются отпуск, микролегирование или термообработка после сварки для снижения хрупкости. Поэтому выбор материала должен учитывать необходимый баланс между статической прочностью и динамической прочностью.
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости подчеркивают содержание углерода, закаливаемость и уровень микролегирования в ppm.
Полезные индексы: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (для сталей, которые включают другие легирующие эффекты): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Более высокий углерод в SUP10 увеличивает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с SUP9, сигнализируя о более высокой восприимчивости к холодным трещинам, большем требовании к предварительному нагреву и необходимости контролируемых температур межпрохода. - Если Mn/Mo увеличиваются вместе с углеродом для поддержания баланса закаливаемости, влияние на свариваемость может быть усилено, поскольку эти элементы дополнительно повышают углеродные эквиваленты. - Практическое смягчение: предварительный нагрев и контролируемые температуры межпрохода, процессы сварки с низким содержанием водорода, термообработка после сварки (PWHT) и filler metals, разработанные для соответствия требованиям прочности.
В целом: SUP9 обычно легче сваривать и требует менее строгого предварительного нагрева/PWHT, чем SUP10 для сопоставимых геометрий компонентов.
6. Коррозия и защита поверхности
- Оба сорта SUP9 и SUP10 являются углеродными сталями, не содержащими нержавеющей стали; они полагаются на защиту поверхности для стойкости к коррозии.
- Типичные стратегии защиты: горячее цинкование, электроцинкование, органические покрытия (краски, эпоксидные смолы) и специализированные преобразовательные покрытия. Для компонентов, требующих стойкости к длительному воздействию, распространены дуплексные системы (цинк + краска).
- PREN (эквивалентный номер стойкости к образованию ямок) не применим к обычным углеродным сталям: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс применяется к нержавеющим сплавам; поскольку содержание Cr и Mo низкое или отсутствует в SUP9/SUP10, стойкость к коррозии должна обеспечиваться покрытиями, а не внутренним легированием.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: более высокая твердость и содержание углерода в SUP10 увеличивают износ инструмента и могут потребовать более медленных подач или более прочных инструментальных сортов. SUP9, как правило, легче обрабатывается, особенно в отожженном или нормализованном состоянии.
- Формуемость: более высокая пластичность SUP9 делает его более подходящим для операций формовки (гибки, глубокая вытяжка) без трещин. SUP10 менее прощает в формовке и может потребовать промежуточных отжигов.
- Резка и отделка: стойкость к абразивному износу выше для SUP10, когда он термообработан до более высокой твердости, что делает его предпочтительным для деталей, подверженных износу, но более сложным для операций отделки.
- В целом: выбирайте условие поставки (отожженное, нормализованное, закаленное и отпущенное) в зависимости от последующих процессов формовки и обработки.
8. Типичные применения
| SUP9 — Типичные применения | SUP10 — Типичные применения |
|---|---|
| Структурные компоненты, где приоритет отдается свариваемости и прочности (собранные рамы, общие детали машин) | Компоненты, требующие более высокой прочности/твердости и стойкости к износу (шестерни, штифты, валы, подвергающиеся большим нагрузкам) |
| Детали, которые требуют хорошей формуемости или сложной обработки перед термообработкой | Термообработанные детали, где требуется более высокая прочность на растяжение после закалки и отпуска |
| Средние крепежные изделия, кронштейны, опоры, где важны стоимость и легкость обработки | Корпуса подшипников, механические интерфейсы со средним износом, закаленные компоненты |
Обоснование выбора: - Выбирайте SUP9, когда сложность обработки, свариваемость и стойкость к надрезам критичны, и проект не требует абсолютной максимальной закаленной прочности. - Выбирайте SUP10, когда проект требует более высокой прочности после термообработки, стойкости к износу или меньших размеров компонентов, где более высокая прочность уменьшает размер сечения или вес.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: SUP10 обычно имеет равную или немного более высокую стоимость материала, обусловленную дополнительной термообработкой и более строгим контролем, необходимым для высокоуглеродных вариантов. Если SUP10 требует более строгого PWHT или специальных filler metals для сварки, стоимость жизненного цикла обработки возрастает.
- Доступность: оба сорта обычно доступны в стандартных формах продукции (бруски, плиты, кованые изделия) от общих поставщиков стали. Варианты SUP9 могут быть более широко доступны для общих конструкционных применений; SUP10 может производиться по заказу в специфических термообработанных условиях или требовать более длительных сроков поставки, если запрашиваются специальные химические составы или микролегирование.
- Примечание по закупкам: запрашивайте сертификаты завода и записи термообработки, чтобы подтвердить химический состав, твердость и состояние термообработки при спецификации любого сорта.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | SUP9 | SUP10 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше — более низкий углеродный эквивалент | Умеренная до низкой — более высокий CE, требует предварительного нагрева/PWHT |
| Баланс прочности и прочности | Сбалансированный — лучшая пластичность и стойкость к надрезам | Более высокий потенциал прочности — сниженная пластичность, если не отпущен |
| Стоимость (материал + обработка) | Ниже до умеренной | Умеренная до более высокой (обработка/термообработка/сварка) |
Рекомендация: - Выбирайте SUP9, если вам нужна сталь, которую легче сваривать и обрабатывать, которая требует хорошей прочности и формуемости в готовом компоненте, или когда минимизация стоимости и сложности обработки является приоритетом. - Выбирайте SUP10, если проект требует более высокой прочности после закалки и отпуска или более высокой поверхностной твердости для стойкости к износу, и вы можете учесть более строгие требования к сварке и соответствующие отпуски/PWHT.
Заключительные практические рекомендации: - Указывайте требуемое условие поставки (отожженное, нормализованное, закаленное и отпущенное) и целевые механические свойства, а не только название сорта. Запрашивайте у поставщиков сертифицированный состав и записи о тестах на твердость/удар. Если требуется сварка, включите инструкции по предварительному нагреву и PWHT в спецификацию обработки и рассмотрите возможность указания filler metal и контроля водорода для снижения риска трещин.