X20CrMoV12-1 против 12Cr1MoV – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и производственные планировщики часто сталкиваются с выбором между сталями, которые по названию кажутся похожими, но имеют совершенно разные назначения. Для балансировки высокой прочности при высоких температурах и износостойкости с свариваемостью, стоимостью и удобством изготовления сравнивают X20CrMoV12-1 и 12Cr1MoV. Типичные ситуации выбора — это подбор инструментальных или деталей для горячей работы и выбор сталей для сосудов под давлением и трубопроводов, предназначенных для эксплуатации при повышенных температурах.
Ключевое техническое различие между этими двумя марками заключается в стратегии легирования: одна из них — это хромистая инструментальная сталь для горячей работы, оптимизированная по закаливаемости, прочности при высоких температурах и абразивной износостойкости, а другая — низколегированная Cr–Mo–V сталь, разработанная для сопротивления ползучести и вязкости в условиях работы под давлением и при высоких температурах. Различия в содержании хрома и карбидообразующих элементов определяют разные микроструктуры, отклик на термообработку, особенности сварки, коррозионное поведение и типичные области применения.
1. Стандарты и обозначения
- X20CrMoV12-1
- Часто используется в соответствии с обозначениями EN для инструментальных сталей для горячей работы. Аналоги по инструментальным и горячекатаным сталям существуют в других системах (например, аналоги серии AISI/UNS/H на некоторых рынках).
- Классификация: инструментальная / горячекатаная легированная сталь (семейство мартенситных инструментальных сталей).
- 12Cr1MoV
- Применяется в национальных стандартах для сталей, используемых в энергетике и сосудах под давлением (распространена в европейской, российской и китайской практике для эксплуатации при повышенных температурах).
- Классификация: низколегированная ферритно-мартенситная / отпущенная сталь для эксплуатации под давлением и при высокой температуре (класс энергетических сталей).
Примечание: точные соответствия зависят от стандартизирующей организации (EN, ASTM/ASME, GOST, GB/JIS). При закупке необходимо указывать стандартную спецификацию и требуемое состояние после термообработки.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице приведены типичные диапазоны состава (мас. %) для сравнительного анализа и спецификации. Точные пределы зависят от конкретного стандарта и завода-изготовителя.
| Элемент | X20CrMoV12-1 (типичный, мас. %) | 12Cr1MoV (типичный, мас. %) |
|---|---|---|
| C | 0.18 – 0.25 | 0.08 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.80 |
| Si | 0.20 – 0.60 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.03 (макс.) | ≤ 0.025 (макс.) |
| S | ≤ 0.03 (макс.) | ≤ 0.02 (макс.) |
| Cr | 11.5 – 13.0 | 0.9 – 1.3 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.8 – 1.2 | 0.4 – 0.6 |
| V | 0.30 – 0.60 | 0.05 – 0.15 |
| Nb / Ti / B | обычно следовые / отсутствуют | следовые / отсутствуют |
| N | следы | ≤ 0.012 (типично) |
Как стратегия легирования влияет на свойства: - Высокое содержание хрома в X20CrMoV12-1 способствует формированию карбидов и улучшает окислительную и поверхностную коррозионную стойкость по сравнению с низкохромистыми сталями; кроме того, повышает закаливаемость и прочность при высоких температурах в сочетании с Mo и V. - Mo и V — сильные карбидообразователи, увеличивают закаливаемость, стойкость к отпуску и прочность при высоких температурах. В инструментальной стали эти элементы способствуют мелкозернистости карбидов, повышая горячую твердость и износостойкость. - В 12Cr1MoV содержатся умеренные количества Cr, Mo и небольшое количество V для обеспечения баланса между сопротивлением ползучести и вязкостью в эксплуатации сосудов под давлением при сохранении приемлемой свариваемости и пластичности.
3. Микроструктура и отклик на термообработку
- X20CrMoV12-1
- Типичная микроструктура после закалки и отпуска: отпущенный мартенсит с сеткой легированных карбидов (богатых Cr, Mo, V), расположенных вдоль границ первичного аустенита и внутри зерен.
- Маршруты термообработки: закалка (аустенитизация при температуре, соответствующей данной марке), затем масло- или газовое закаливание и многоступенчатый отпуск. Контролируемый отпуск формирует матрицу отпущенного мартенсита с диспергированными карбидами, обеспечивающими высокую горячую твердость и износостойкость.
- Термо-механическая обработка улучшает распределение карбидов и измельчение зерна; стали для горячей работы часто поставляют предварительно закалёнными или в состоянии отжига для обработки перед окончательной закалкой.
- 12Cr1MoV
- Типичная микроструктура после нормализации и отпуска: отпущенный мартенсит / отпущенный бейнит с мелкими карбидами Mo и V, распределёнными для обеспечения прочности против ползучести и вязкости.
- Маршруты термообработки: нормализация для измельчения зерна, затем отпуск для регулирования прочности и вязкости с учётом условий эксплуатации при высоких температурах и давлениях. Часто необходим послесварочный термический отпуск (PWHT) для восстановления вязкости и снижения остаточных напряжений.
- Низкое содержание углерода и карбидообразователей обеспечивает более пластичную и устойчивую к зарубкам матрицу по сравнению с инструментальной сталью.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки, сечения изделия и конечного состояния твердости. Приведённые ниже значения — типичные ориентиры для инженерного сравнения, требуемое состояние должно быть указано в документах по закупке.
| Свойство | X20CrMoV12-1 (закалка и отпуск, типично) | 12Cr1MoV (нормализация и отпуск, типично) |
|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (MPa) | 900 – 1400 | 480 – 650 |
| Предел текучести (0,2% смещение, MPa) | 700 – 1100 | 300 – 420 |
| Относительное удлинение (A%, типично) | 6 – 12 | 15 – 25 |
| Ударная вязкость (испытание Шарпи V, Дж) | 5 – 50 (зависит от отпуска/твердости) | 40 – 120 |
| Твердость | 40 – 52 HRC (условия инструмента) | ~180 – 240 HB (~18–24 HRC) |
Интерпретация: - X20CrMoV12-1 достигает значительно более высокой прочности и твердости после закалки и отпуска — это ожидаемое состояние для инструментальных и горячекатаных деталей с целью сопротивления износу, деформации и термомеханическим нагрузкам. - 12Cr1MoV более пластична и вязка в типичных условиях нормализации и отпуска, что делает её предпочтительной для конструкционных элементов, трубопроводов и сосудов под давлением, где важны вязкость, свариваемость и устойчивость к ползучести и усталости.
5. Свариваемость
Свариваемость определяется углеродным эквивалентом и содержанием легирующих элементов, влияющих на закаливаемость. Ниже приведены два широко используемых эмпирических индекса.
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - X20CrMoV12-1: более высокие Cr, Mo и V повышают значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, что увеличивает закаливаемость и склонность к образованию мартенсита в зоне термического влияния (ЗТВ). Это повышает риск холодных трещин, требует предварительного подогрева, контроля температуры между проходами, применения низкоуглеродистых технологий и нередко послесварочного термического отпуска (PWHT). - 12Cr1MoV: ниже суммарное легирование, углеродный эквивалент ниже, что улучшает свариваемость по сравнению с инструментальной сталью. Тем не менее, из-за эксплуатации при высоких температурах обычно требуется предварительный подогрев и PWHT для контроля остаточных напряжений и восстановления прочности против ползучести и вязкости. - Практическое замечание: для обеих марок необходима квалификация сварочных процедур, правильный выбор сварочных материалов и строгое соблюдение требований по подогреву и PWHT. Инструментальная сталь часто требует специализированных электродов и процедур квалификации; 12Cr1MoV широко применяется в энергетическом машиностроении с отработанными технологиями.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни одна из марок не является аустенитной нержавеющей сталью; поведение в агрессивных средах требует отдельного внимания.
- X20CrMoV12-1: с примерно 12% Cr обеспечивает повышенную стойкость к окислению при высоких температурах по сравнению с низкохромистыми сталями и может улучшать коррозионную стойкость поверхности в отдельных средах. Однако она не является полностью коррозионно-стойкой — часто используется дополнительная обработка поверхности, покрытия (жаропрочная краска, нитроцементирование для износа) или защитные атмосферы.
- 12Cr1MoV: с примерно 1% Cr опирается на традиционные методы защиты от коррозии (покраска, котловое покрытие, катодная защита или внутренние покрытия трубопроводов). Основной упор сделан на механические свойства и сопротивление ползучести, а не на коррозионную стойкость.
- Индекс PREN (устойчивость к точечной коррозии) обычно не применяется для этих нестабилизированных сталей с содержанием углерода, но для оценки локальной коррозионной стойкости высокохромистых сплавов он рассчитывается по формуле:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Примечание: индекс PREN используется только для аустенитных нержавеющих сплавов и не имеет значения для закалённых и отпущенных инструментальных сталей или низколегированных сталей для сосудов под давлением.
7. Обработка, обрабатываемость и свариваемость
- X20CrMoV12-1
- Обрабатываемость в отожжённом состоянии приемлемая, но инструментальные стали более абразивны из-за твёрдых карбидов; окончательная обработка после закалки трудна и требует инструментов с карбидными пластинами и аккуратных режимов подачи.
- Формовка и гибка ограничены в закалённом состоянии; горячая или холодная деформация обычно выполняется до термообработки.
- Шлифование поверхности и прецизионная механическая обработка — обычная практика; важны термообработка и контроль деформаций.
- 12Cr1MoV
- Проще поддаётся формовке, гибке и механической обработке в нормализованном/отпущенном состоянии, чем инструментальная сталь.
- Хорошая обрабатываемость при использовании стандартных быстрорежущих или твердосплавных инструментов; менее абразивна по сравнению с высокохромистыми инструментальными сталями.
- Сварка и последующая термообработка после сварки являются рутинными операциями в производственных цехах, знакомых с материалами для энергетического оборудования.
8. Типичные области применения
| X20CrMoV12-1 (инструментальная/термообработка) | 12Cr1MoV (давление/ёмкости) |
|---|---|
| Горячие инструменты: экструзионные штампы, вставки для литья под давлением, кузнечные и горячештамповочные лезвия | Трубопроводы котлов, паропроводы, коллекторы, емкости под давлением, работающие при повышенной температуре |
| Штампы и компоненты для горячей обработки, требующие высокой твердости при нагреве и износостойкости | Корпуса турбин, трубопроводы ТЭС, конструкционные элементы для работы при высоких температурах |
| Компоненты, подвергающиеся высоким термическим и циклическим нагрузкам трения в процессах формовки | Элементы котлов и теплообменников, где важны сопротивление ползучести и вязкость разрушения |
Обоснование выбора: - Выберите инструментальную сталь, если приоритетом являются износостойкость, высокая твердость при длительном нагреве и сопротивляемость пластической деформации под высокими локальными нагрузками. - Выберите 12Cr1MoV, если важны свариваемость, вязкость и долговременная прочность при ползучести и циклических термических нагрузках в условиях давления и температуры.
9. Стоимость и доступность
- X20CrMoV12-1: как правило, дороже за килограмм из-за повышенного содержания легирующих элементов (Cr, Mo, V) и специализированной обработки. Хорошая доступность прутков, листов и заготовок от специализированных поставщиков, но крупные кованые изделия или нестандартные размеры могут иметь увеличенные сроки поставки.
- 12Cr1MoV: обычно дешевле и широко доступна в виде труб, листов и кованого материала для энергетической отрасли. Цепочки поставок для котельных и сосудов под давлением налажены по всему миру.
Особенности поставки продукции: - Инструментальные стали обычно поставляются в виде прутков, листов, предварительно закалённых блоков или кованых заготовок; необходимо планировать припуски на обработку и циклы термообработки. - 12Cr1MoV обычно доступна в виде листа, трубы и бесшовных труб в нормализованном состоянии, готовая к обработке и последующей термообработке после сварки.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | X20CrMoV12-1 | 12Cr1MoV |
|---|---|---|
| Свариваемость | Средняя до сложной (высокий легирующий состав, высокий эквивалент углерода) | Хорошая (низкий эквивалент углерода; часто требуется постсварочная термообработка) |
| Баланс прочности и вязкости | Высокая твёрдость и прочность; низкая пластичность (в закалённом состоянии) | Средняя прочность; высокая пластичность и вязкость |
| Стоимость | Выше (специализированный сплав, содержание карбидов) | Ниже (распространённый класс для сосудов под давлением) |
Выводы — краткие рекомендации: - Выбирайте X20CrMoV12-1, если необходима инструментальная сталь для горячей обработки с высокой закаливаемостью, твёрдостью при повышенных температурах, устойчивостью к абразивному износу и тепловой усталости — например, для штампов горячей экструзии, ковочных штампов и горячештамповочных компонентов. Ожидайте более высокую стоимость материала, специализированную механическую обработку и строгий контроль термообработки и сварки. - Выбирайте 12Cr1MoV для оборудования, работающего под давлением, трубопроводов и конструкционных частей, эксплуатируемых при повышенных температурах, где приоритетами являются вязкость, сопротивляемость ползучести и хорошая свариваемость (с последующей термообработкой) — например, котлы, паропроводы и компоненты электростанций. Ожидайте лучшую экономику изготовления и широкую доступность.
Заключительное замечание: всегда указывайте точный стандарт, требуемое состояние термообработки, размерные допуски, а также процедуры сварки и постсварочной термообработки при закупке и в инженерных чертежах. Для ответственных компонентов запрашивайте сертификаты химического состава и протоколы механических испытаний, а также квалифицируйте сварочные процедуры для заданной геометрии соединения и рабочих температур.