Мартенситная осадочно-твердеющая нержавеющая сталь 15-5PH: глубокий анализ химического состава и свойств
2025-07-30
Введение:
Сталь 15-5PH / 0Cr15Ni5Cu4Nb / 05Cr15Ni5Cu4Nb / UNS S15500 / XM-12 является типичной мартенситной нержавеющей сталью с осаждением упрочнения, чьи свойства усиливаются благодаря термической обработке ?растворное отжига + старение?. Она сочетает в себе высокую прочность, определённую коррозионную стойкость и хорошую обрабатываемость, что делает её широко востребованной в областях, требующих комплексных характеристик прочности и устойчивости к коррозии.
- Характеристики и классификация стали
15-5PH относится к семейству мартенситных нержавеющих сталей с осаждением упрочнения, наряду с 17-4PH (17% Cr - 4% Ni). Её ключевые особенности заключаются в следующем:- Упрочнение достигается за счёт низкотемпературного старения (в отличие от закалки и отпуска).
- Механизм упрочнения связан с выпадением наноструктурных фаз, богатых медью (Cu), в процессе старения, что значительно повышает прочность.
- При этом сохраняются структурные особенности мартенсита (структура при комнатной температуре представляет собой мартенсит).
По сравнению с обычными мартенситными нержавеющими сталями (например, 410), 15-5PH благодаря добавлению никеля (Ni) и меди (Cu) обладает лучшей коррозионной стойкостью и ударной вязкостью. Однако, по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями (например, 304), она демонстрирует более высокую прочность (особенно после старения), но несколько меньшую коррозионную стойкость.
- Химический состав (стандарт ASTM A564)
Конструкция состава 15-5PH ориентирована на сочетание коррозионной стойкости и фаз упрочнения. Основные элементы и их функции приведены ниже (массовые доли, %):
| Элемент | Диапазон содержания | Основная функция |
| Углерод (C) | ≤0.07 | Низкое содержание углерода уменьшает выпадение карбидов, снижая риск межкристаллитной коррозии, и сохраняет способность к мартенситному превращению. |
| Хром (Cr) | 14.00-15.50 | Обеспечивает базовую коррозионную стойкость за счёт формирования пассивирующей плёнки Cr₂O₃, являясь ключевым элементом нержавеющих сталей. |
| Никель (Ni) | 3.50-5.50 | Расширяет область аустенита, облегчая равномерную аустенитную структуру при горячей обработке; снижает температуру мартенситного превращения, обеспечивая мартенситную структуру при комнатной температуре; улучшает ударную вязкость. |
| Медь (Cu) | 2.50-4.50 | Ключевой элемент упрочнения при старении: в процессе старения выделяются наноструктуры, богатые Cu (например, ε-Cu), которые повышают прочность за счёт дисперсионного упрочнения. |
| Ниобий (Nb) | 0.15-0.45 | Стабилизирует углерод, образуя карбиды NbC, предотвращая связывание углерода с хромом и образование Cr₂₃C₆ (защита от межкристаллитной коррозии); также мелкодисперсный, улучшает ударную вязкость. |
| Марганец (Mn) | ≤1.00 | Остаточный элемент, незначительно улучшает горячеобработаемость. |
| Кремний (Si) | ≤1.00 | Остаточный элемент, используется как раскислитель, слегка повышает антиоксидантные свойства. |
| Фосфор (P) | ≤0.040 | Примесь, содержание которой необходимо контролировать для предотвращения хрупкости. |
| Сера (S) | ≤0.030 | Примесь, снижающая тепловую хрупкость; содержание контролируется для обеспечения обрабатываемости. |
III. Ключевые свойства (значительно зависят от состояния термической обработки)
Свойства 15-5PH в значительной степени зависят от режима термической обработки (особенно температуры старения), что приводит к заметным различиям в прочности и ударной вязкости в различных состояниях. Ниже приведены типичные параметры (на основе стандарта ASTM A564 и отраслевых данных):
1. Механические свойства (в зависимости от состояния термической обработки)
Процесс термической обработки: растворное отжига (выдержка при 1040±15°C с последующим воздушным охлаждением для получения пересыщенного мартенсита) → старение (выдержка при различных температурах для выделения фаз упрочнения). Типичные состояния старения и свойства:
| Состояние старения | Температура/время старения | Предел прочности (МПа) | Предел текучести (МПа) | Удлинение (%) | Твёрдость (HRC) | Особенности |
| H900 | 480°C × 1 ч, воздушное охлаждение | ≥1310 | ≥1170 | ≥10 | ≥40 | Максимальная прочность, средняя вязкость |
| H1025 | 550°C × 4 ч, воздушное охлаждение | ≥1170 | ≥1000 | ≥12 | ≥35 | Баланс прочности и вязкости |
| H1075 | 580°C × 4 ч, воздушное охлаждение | ≥1000 | ≥860 | ≥13 | ≥32 | Повышенная вязкость, небольшое снижение прочности |
| H1150 | 620°C × 4 ч, воздушное охлаждение | ≥930 | ≥725 | ≥16 | ≥28 | Оптимальная вязкость, минимальная прочность |
2. Коррозионная стойкость
Коррозионная стойкость 15-5PH превосходит обычные мартенситные нержавеющие стали (например, 410), но уступает аустенитным нержавеющим сталям (например, 304). Основные характеристики:
- Преимущества: Хорошая устойчивость к коррозии в атмосфере, пресной воде, паре и слабокоррозионных средах (например, нейтральный солевой туман); эффективно сопротивляется общей окислительной коррозии.
- Ограничения: Не устойчива к сильным кислотам (например, соляной или азотной), сильным щелочам и средам с высокой концентрацией хлорид-ионов (например, морская вода); при длительном воздействии возможны точечная коррозия или коррозия в зазорах; коррозионная стойкость сильно зависит от состояния поверхности (лучше при целостной пассивирующей плёнке).
3. Физические свойства
- Плотность: 7.8 г/см³ (близка к обычной стали);
- Коэффициент термического расширения: 11.2×10⁻⁶/°C (20-100°C);
- Коэффициент теплопроводности: 16.3 Вт/(м·К) (при комнатной температуре);
- Модуль упругости: около 200 ГПа.
4. Обрабатываемость
- Горячая обработка: Диапазон температур горячей обработки 927-1149°C (длительное пребывание в диапазоне 650-870°C следует избегать для предотвращения хрупкости); после горячей обработки требуется растворное отжига для восстановления свойств.
- Холодная обработка: После растворного отжига (твёрдость около 28-32 HRC) обладает хорошей холодной обрабатываемостью, допускает штамповку и гибку; после упрочнения при старении твёрдость увеличивается, что усложняет холодную обработку.
- Свариваемость: Поддаётся сварке (например, аргонодуговая сварка), но после сварки требуется повторное старение для восстановления прочности; следует избегать перегрева (для предотвращения грубого зерна).
IV.Механизм упрочнения
Высокая прочность 15-5PH обусловлена «упрочнением за счёт осаждения»:
- После растворного отжига медь (Cu) растворяется в матрице мартенсита в пересыщенном состоянии (нестабильна при комнатной температуре);
- Во время старения (480-620°C) пересыщенные атомы Cu диффундируют и выделяются в виде наноструктур, богатых Cu (размером около 5-10 нм); эти осадки, когерентные с матрицей, препятствуют движению дислокаций, значительно повышая прочность.
- Роль ниобия (Nb): связывает углерод, образуя NbC, предотвращая образование Cr₂₃C₆ с хромом (защита от межкристаллитной коррозии), а также мелкодисперсный, улучшает ударную вязкость.
V.Области применения
Благодаря сочетанию высокой прочности (предел прочности может превышать 1300 МПа), определённой коррозионной стойкости и хорошей обрабатываемости, 15-5PH применяется в следующих сферах:
- Авиакосмическая промышленность: элементы конструкции самолётов, детали двигателей (например, лопасти, валы);
- Нефтехимическая промышленность: высоконапорные клапаны, валы насосов, крепёжные детали;
- Высокотехнологичное оборудование: детали прецизионных приборов, подшипники, штампы и т.д.
V.Сравнение с 17-4PH
5-5PH и 17-4PH (17% Cr - 4% Ni) относятся к мартенситным сталям с осаждением упрочнения, их свойства близки, но имеют различия:
- 17-4PH содержит больше хрома (15.00-17.50%), что обеспечивает слегка лучшую коррозионную стойкость по сравнению с 15-5PH;
- 15-5PH содержит больше никеля (3.50-5.50%), что обеспечивает слегка лучшую ударную вязкость и немного более высокую прочность при низких температурах старения (например, H900);
- Области применения пересекаются, выбор между ними зависит от баланса между коррозионной стойкостью и ударной вязкостью.
Итог
15-5PH представляет собой мартенситную нержавеющую сталь, чья высокая прочность достигается за счёт упрочнения осаждением, с учётом определённой коррозионной стойкости. Её свойства можно гибко регулировать путём изменения режима старения, что делает её идеальной для высокотехнологичных областей с комплексными требованиями к прочности и адаптации к окружающей среде.
Компания «Синьмайтэ (Сычуань) Металл Материалс Лтд» предлагает широкий ассортимент нержавеющей стали 15-5PH в виде круглого, квадратного, плоского, шестигранного, восьмигранного проката и стальных листов, имеющихся в наличии. Продукция сертифицирована по стандартам GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015 (система менеджмента качества) и GJB 9001C-2017 (система качества вооружений). Приглашаем клиентов из различных отраслей к сотрудничеству и консультациям.
