X12CrMo5 против X20CrMoV12-1 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры и специалисты по закупкам часто сталкиваются с выбором между сталями, которые выглядят схоже на бумаге, но выполняют разные функции в эксплуатации: одна предлагает коррозионную стойкость и стойкость к повышенным температурам с приемлемой прочностью и свариваемостью; другая оптимизирована для горячей обработки и стойкости к износу при высоких температурах. Проблема выбора обычно сосредоточена на компромиссах между коррозионной стойкостью и стоимостью, или между красной твердостью/стойкостью к износу и обрабатываемостью/свариваемостью.
Существенное различие между этими двумя сталями, обозначенными в Германии, функционально: одна является хромсодержащей мартенситной нержавеющей сталью, предназначенной для работы при высоких температурах и коррозионной стойкости, в то время как другая является высокохромистой, молибденово-ванадиевой легированной инструментальной сталью, разработанной для горячей работы и инструментов, где критически важны горячая твердость и стойкость к износу. Поскольку обе содержат значительное количество хрома и легирующих добавок, проектировщики сравнивают их, когда детали будут подвергаться нагрузкам при повышенных температурах, абразивному контакту или циклическому термическому воздействию.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты, в которых появляются эти обозначения: EN / DIN (европейские), ISO (где применимо) и национальные эквиваленты (ASTM/ASME, JIS, GB). Точные номера перекрестных ссылок могут варьироваться; всегда проверяйте с сертификатами поставщика и актуальными стандартами.
- Класс материала:
- X12CrMo5 — мартенситная хромовая легированная сталь, обычно классифицируемая среди жаростойких или мартенситных нержавеющих сталей, а не инструментальных сталей.
- X20CrMoV12-1 — инструментальная сталь для горячей работы (высоколегированная марка Cr–Mo–V), обычно перечисляемая среди инструментальных сталей (горячая работа) в стандартах EN/ISO.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | X12CrMo5 (типичная роль) | X20CrMoV12-1 (типичная роль) |
|---|---|---|
| C | Низкий–умеренный; обеспечивает мартенситное закаливание, сохраняя приемлемую свариваемость и прочность | Умеренный; поддерживает более высокую закаливаемость и стойкость к износу за счет образования карбидов |
| Mn | Низкий; дегазация и небольшая закаливаемость | Низкий–умеренный; способствует закаливаемости |
| Si | Низкий; дегазатор и источник прочности | Низкий; дегазатор и прочность при высоких температурах |
| P | Следы; поддерживается на низком уровне для прочности | Следы; поддерживается на низком уровне для прочности |
| S | Следы; контролируется для обрабатываемости | Следы; контролируется для обрабатываемости |
| Cr | Высокий; основной для коррозионной стойкости и стойкости к отпуску | Очень высокий; основной для красной твердости, стойкости к износу и образователей карбидов |
| Ni | Обычно минимальный/отсутствует | Обычно минимальный/отсутствует |
| Mo | Умеренный; улучшает стойкость к ползучести и прочность при высоких температурах | Умеренный–высокий; улучшает горячую твердость и стойкость к отпуску |
| V | Низкий или следы; уточняет карбиды/микроструктуру | Присутствует; образует твердые ванадиевые карбиды для стойкости к износу |
| Nb/Ti | Обычно отсутствует или следы; стабилизация зерна, если присутствует | Возможные следы; уточнение зерна и контроль карбидов |
| B | Следы, если присутствует, для закаливаемости | Возможные следы; модификатор закаливаемости в некоторых расплавах |
| N | Очень низкий; контролируется | Очень низкий; контролируется |
Примечания: Таблица дает относительное присутствие и металлургическую роль, а не точные проценты. Для закупок и контроля процессов используйте сертификаты завода и обозначения EN/ASTM для точных пределов состава.
Как легирование влияет на поведение: - Хром увеличивает коррозионную стойкость, стойкость к отпуску и способность к образованию карбидов. В мартенситных нержавеющих типах он обеспечивает пассивность; в инструментальных сталях он способствует красной твердости и стойкости к износу. - Молибден и ванадий увеличивают горячую твердость, стойкость к отпуску и образование стабильных карбидов, улучшая стойкость к износу при повышенной температуре. - Углерод контролирует достижимую твердость и закаливаемость, но снижает свариваемость и прочность по мере увеличения.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
Типичные микроструктуры после стандартной обработки: - X12CrMo5: отожженное/нормализованное состояние дает феррит/перлит или мягкую мартенситную матрицу в зависимости от обработки. После закалки и отпуска образует закаленный мартенсит с тонко дисперсными карбидами; некоторое оставшееся аустенитное состояние может возникнуть в зависимости от легирования и охлаждения. - X20CrMoV12-1: в отожженном состоянии содержит закаленный мартенсит плюс значительное количество легированных карбидов (карбиды, богатые хромом, и ванадиевые карбиды). После соответствующей закалки и отпуска для сталей горячей работы матрица закаленного мартенсита со стабильными твердыми карбидами обеспечивает сочетание прочности и красной твердости.
Как термические обработки влияют на каждую: - Нормализация/уточнение: обе марки выигрывают от нормализации для уточнения размера зерна; распределение карбидов в инструментальной стали более критично и часто требует контролируемых циклов охлаждения. - Закалка и отпуск: обе марки реагируют на циклы закалки и отпуска. X20CrMoV12-1 обычно закаливается до более высокой конечной твердости за счет более высоких температур отпуска, нацеленных на сохранение красной твердости; отпуск приводит к стабильному вторичному упрочнению за счет карбидов Mo/V. X12CrMo5 подвергается отпуску для балансировки прочности и твердости для эксплуатации и может использоваться в закаленном и отпущенном состоянии или как легированная сталь для ползучести. - Термомеханическая обработка: чаще применяется к сталям, где требуется сочетание прочности и прочности при более низких уровнях легирования; для инструментальных сталей стандартом является контролируемая ковка и термическая обработка для оптимизации морфологии карбидов.
4. Механические свойства
| Свойство | X12CrMo5 (типичное поведение) | X20CrMoV12-1 (типичное поведение) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Умеренная — достаточная для многих высокотемпературных конструктивных частей | Выше — разработана для повышенных растягивающих и сжимающих напряжений в инструментах |
| Предел текучести | Умеренный | Выше |
| Удлинение | Выше (более пластичная в сопоставимых условиях) | Ниже (компромисс за твердость/стойкость к износу) |
| Ударная прочность | Как правило, лучшая прочность при правильном отпуске | Ниже; инструментальные стали жертвуют некоторой прочностью ради стойкости к износу и горячей твердости |
| Твердость (закаленная/отпущенная) | Умеренная до высокой (в зависимости от эксплуатации) | Как правило, более высокая достижимая твердость и сохраненная твердость при повышенных температурах |
Объяснение: X20CrMoV12-1 оптимизирована для прочности и стойкости к износу при повышенных температурах и, следовательно, достигает более высокой твердости и прочности после соответствующей термической обработки благодаря более высокому содержанию легирующих элементов и образователей карбидов. X12CrMo5, разработанная для сопротивления окислению/коррозии и поддержания прочности, предлагает лучшую пластичность и ударные свойства во многих условиях отпуска.
5. Свариваемость
Свариваемость должна оцениваться с использованием концепций эквивалента углерода и содержания легирующих элементов. Два часто используемых эмпирических выражения:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация (качественная): - Более высокий рассчитанный $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ указывает на повышенный риск холодного растрескивания и большую необходимость в предварительном нагреве, контроле температуры между проходами и термической обработке после сварки. - X12CrMo5 обычно имеет более низкие значения эквивалента углерода, чем сильно легированные инструментальные стали, что дает ей относительно лучшую свариваемость; мартенситное поведение все еще требует контролируемого нагрева и PWHT, чтобы избежать растрескивания и восстановить отпуск. - X20CrMoV12-1, с более высоким содержанием Cr, Mo и V, обычно имеет более высокую закаливаемость и более высокий эквивалент углерода, что делает сварку более требовательной: предварительный нагрев, практика с низким содержанием водорода и PWHT обычно необходимы. Выбор сварочного материала должен учитывать требуемую рабочую температуру, желаемую прочность и восприимчивость к хрупкости после отпуска.
6. Коррозия и защита поверхности
- X12CrMo5: будучи хромсодержащей мартенситной нержавеющей сталью, она предлагает измеримую коррозионную стойкость по сравнению с обычными углеродными сталями. Ее пассивное поведение зависит от содержания хрома и термической обработки; во многих средах она работает лучше без покрытий, но для агрессивных сред защитные покрытия или пассивация могут все же потребоваться.
- X20CrMoV12-1: как инструментальная сталь, она не является нержавеющей маркой; она требует защитных мер в коррозионных средах, таких как покрытия (нитридирование, PVD/CVD покрытия для износа), покраска или гальванизация (возможно для некоторых форм, но может не подходить для инструментальных поверхностей).
- Когда индексы коррозии имеют значение (нержавеющие сплавы), используется PREN для сравнения стойкости к образованию коррозии:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Этот индекс не применим к инструментальным сталям, разработанным в первую очередь для стойкости к износу/горячей твердости.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обработка: X20CrMoV12-1 труднее обрабатывать в закаленном состоянии из-за стабильных карбидов и более высокой твердости; в отожженном состоянии она обрабатывается как высоколегированная сталь, но требует хорошего инструмента и охлаждающей жидкости. Обрабатываемость X12CrMo5 умеренная и часто лучше, чем у высоколегированных инструментальных сталей, особенно в более мягких условиях.
- Формование/гиб: X12CrMo5 в отожженном состоянии имеет лучшую формуемость; X20CrMoV12-1 не предназначена для жесткого формования в закаленном состоянии и обычно подвергается горячей обработке или ковке до почти окончательной формы перед финальной термической обработкой.
- Обработка поверхности: обе могут быть шлифованы и отделаны; инструментальные стали часто требуют специализированного шлифования для обработки твердых карбидов; стали, подобные нержавеющим, требуют внимания, чтобы избежать нагрева и сохранить коррозионную стойкость.
8. Типичные применения
| X12CrMo5 (распространенные применения) | X20CrMoV12-1 (распространенные применения) |
|---|---|
| Высотемпературные конструктивные компоненты с умеренной коррозионной стойкостью (клапаны, компоненты печи, валы, подвергающиеся высокотемпературному окислению) | Инструменты для горячей работы: штампы, формы для литья под давлением, экструзионные формы, штампы, подверженные высоким температурам и износу |
| Части, требующие баланса прочности и прочности при повышенных температурах | Вставки, компоненты инструментов, где критически важны красная твердость и стойкость к износу |
| Компоненты, для которых будет использоваться сварка и отпуск после сварки | Компоненты, обработанные из блоков инструментальной стали и термически обработанные для эксплуатации |
Обоснование выбора: - Выбирайте мартенситную хромовую легированную сталь, когда коррозионная стойкость, более легкая обработка и лучшая пластичность/прочность являются приоритетами. - Выбирайте инструментальную сталь Cr–Mo–V, когда основное требование — стойкость к износу, красная твердость и размерная стабильность при циклических термических/механических нагрузках.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Инструментальные стали, такие как X20CrMoV12-1, обычно дороже за килограмм, чем мартенситные нержавеющие стали из-за более высокого содержания легирующих элементов (Mo, V) и более специализированной обработки. Инструментальная сталь также несет более высокие затраты на обработку (термическая обработка, шлифовка).
- Доступность: X12CrMo5 и аналогичные марки обычно имеются в наличии в виде прутков, плит и труб у крупных дистрибьюторов; инструментальные стали доступны, но часто в более ограниченных формах продукции (инструментальные заготовки, кованые блоки, плиты) и могут быть изготовлены под заказ или закуплены у специализированных поставщиков инструментальной стали.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | X12CrMo5 | X20CrMoV12-1 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая до умеренной (требует PWHT для мартенситных нержавеющих практик) | Сложная — требует предварительного нагрева, практики с низким содержанием водорода, PWHT |
| Баланс прочности и прочности | Умеренная прочность с лучшей пластичностью/прочностью | Высокая прочность и твердость, низкая пластичность/прочность |
| Стоимость | Ниже до умеренной | Выше |
Рекомендация: - Выбирайте X12CrMo5, если вам нужна коррозионно-стойкая, жаростойкая мартенситная сталь с более прощенной обработкой и лучшей общей прочностью для компонентов, подвергающихся окислению или слабо коррозионным высокотемпературным условиям, и когда сварка или стоимость являются приоритетом. - Выбирайте X20CrMoV12-1, если условия эксплуатации требуют высокой стойкости к износу, красной твердости и размерной стабильности при циклических термических и механических нагрузках (инструменты для горячей работы, вставки форм), и где более высокие затраты на материал и обработку оправданы сроком службы инструмента и производительностью.
Заключительная заметка: Обе марки требуют спецификации точных химических и механических требований из стандартов или технических листов поставщиков для проектирования, обработки и закупок. Используйте сертификаты завода и проводите предварительные испытания сварки, когда условия эксплуатации являются требовательными.