UGI® 4545 AIR (15-5PH) — Премиальная аэрокосмическая нержавеющая сталь с выделением твердых фаз

UGI® 15-5PH AIR (UGI® 4545 AIR) — это мартенситная нержавеющая сталь с выделением твердых фаз (PH) премиального качества, преимущественно для аэрокосмических целей. Применяется для деталей, требующих сочетания высокой прочности и высокой вязкости. Марка также обладает хорошей устойчивостью к усталостному разрушению. Материал переплавлен в шлаке (Electro-Slag Remelting) согласно AMS 5659 тип 2 с использованием передовых технологий. Это обеспечивает хорошую гомогенность и изотропию структуры, а также высокие механические свойства как в продольном, так и в поперечном направлениях. (Ферромагнитна)

Микроструктура в оптической микроскопии состоит из однородной мартенсита с выделениями ниобий карбонитридов (белые частицы в РЭМ) и остаточного аустенита, доля которого зависит от металлургического состояния. Нанометрические выделения фазы, богатой медью, наблюдаются в ТЭМ. UGI® 15-5PH AIR содержит дельта-феррит менее 1 % (ниже, чем UGI® 17-4PH AIR) по AMS 2315, а бывший аустенитный зерно — 6 или более тонкое. Материал производится методом ESR (переплавка потребляемым электродом в шлаке). Остаточные включения очень малы и равномерно распределены по сечению. Гарантируется следующая микропастота по ASTM E45/A: A,B,C,D (тонкие) < 1,5 — A,B,C,D (грубые) < 1.

Свойства

Общие

Свойство	Значение
Плотность	7,8 г/см³

Механические

Свойство	Температура	Значение	Примечание
Модуль упругости	20 °C	200 ГПа
	100 °C	195 ГПа
	200 °C	185 ГПа
	300 °C	170 ГПа
Модуль упругости (доп.)	300 °C	175 ГПа
	Твердость по Бринеллю		363	макс.
Твердость по Роквеллу C		38,0	макс.

Тепловые

Свойство	Значение	Комментарий
Коэффициент теплового расширения	0,0000105 1/К	20–100 °C
	0,0000111 1/К	20–200 °C
	0,0000115 1/К	20–300 °C
	0,0000119 1/К	20–400 °C
Удельная теплоемкость	500 Дж/(кг·К)
Теплопроводность	16 Вт/(м·К)

Электрические

Свойство	Значение
Электрическое сопротивление	7,1·10⁻⁷ Ом·м

Химический состав

Элемент	Содержание, %	Примечание
Углерод	0,07	макс.
Хром	14,5 – 15,3
Медь	2,5 – 4,0
Марганец	1,0	макс.
Молибден	0,5	макс.
Никель	4,5 – 5,5
Ниобий	0,45	макс., мин: 5×C
Фосфор	0,025	макс.
Кремний	0,6	макс.
Сера	0,005	макс.

Технологические свойства

Области применения

UGI® 15-5 PH AIR подходит для:

• Аэрокосмическая отрасль — премиальное качество Aircraft Quality
• Изготовление датчиков, например датчиков давления
• Медицинское оборудование (вспомогательное)
• Валы, шестерни
• Фитинги
• Конструктивные детали и др.

Коррозионные свойства

UGI® 15-5 PH AIR обладает хорошей коррозионной стойкостью, в некоторых случаях сравнимой с аустенитными сталями типа 18% Cr-8% Ni.

Среда	Поведение
Азотная кислота	Хорошо
Ортофосфорная кислота	Ограниченное применение
Сернистая кислота	Ограниченное применение
Уксусная кислота	Средне
Натрия карбонат	Средне
NaCl (туман)	Хорошо
Влажность	Отлично
Морская вода	Ограниченное применение
Нефть/газ	Ограниченное применение

Неточечная коррозия: UGI® 15-5 PH AIR намного устойчивее к неточечной коррозии, чем классические мартенситные стали с 12 % Cr. Уровень неточечного потенциала сравним со сверхмартенситной 1.4418 и аустенитной 1.4301 (AISI 304).

Межкристаллитная коррозия: Низкое содержание углерода (часть его связано с Nb) делает сталь нечувствительной к межкристаллитной коррозии при правильной термообработке.

Другие механизмы коррозии: UGI® 15-5 PH AIR устойчива к коррозионной усталости и коррозионному растрескиванию в некоторых средах и условиях. Также отмечается хорошая устойчивость к эрозионно-коррозионному износу благодаря сочетанию высоких механических свойств и коррозионной стойкости.

Обрабатываемость резанием

Из-за низкого содержания серы и высокой микропастоты UGI® 15-5 PH AIR обладает плохим черевообразованием, что может создавать трудности при обработке, особенно при сверлении и чистовом точении. По возможности основные операции должны выполняться в состоянии А (после отжига на растворение), чтобы избежать чрезмерного износа инструмента. Обработка после термообработки «выделение твердых фаз» не рекомендуется: чем выше механические характеристики, тем выше износ инструмента и ниже производительность. В состоянии А при грубом точении (ap=1,5 мм; f=0,25 мм/об) на протачанных прутках скорость резания для износа задней поверхности 0,15 мм за 15 мин с инструментом STELLRAM SP4019 CCGT 09T308E-62 составляет ~145 м/мин, тогда как для UGIMA® 4542 (17-4 PH с улучшенной обрабатываемостью) — ~160 м/мин. Производительность обработки UGI® 15-5 PH AIR на 10–30 % ниже, чем UGIMA® 4542.

Тепловая обработка

Тепловая обработка UGI® 15-5PH AIR состоит из двух этапов:

• Оースтенизация — для перевода легирующих элементов (особенно Cu) в перенасыщенную мартенситу
• Старение — для выделения фазы, богатой медью (закалка выделением) и в некоторых случаях образования реверсивного аустенита для повышения вязкости. Механические свойства (баланс прочность/вязкость) регулируются температурой старения.

Оースтенизация (отжиг на растворение): при 1030–1050 °C с прерыванием охлаждением в масле или воздухом (для мелких сечений). В этом состоянии (условие А) твердость промежуточная, так как закалка выделением меди не сработала. Состояние А часто выбирают для механической обработки или холодной деформации. Рекомендуется снятие напряжений при 300 °C 1 час после аустенизации для стабилизации и предотвращения закалочных трещин.

Старение: проводится после растворительного отжига для выделения фаз, богатых медью, и настройки свойств. После старения материал в состоянии «растворительный отжиг + старение» (H-условие). Старение можно проводить между 480 °C (H900) и 620 °C (H1150). H900 соответствует пику закалки — максимальная твердость от выделений Cu. При повышении температуры твердость/прочность снижается из-за роста выделений. Выше 580 °C образуется реверсивный аустенит, повышающий вязкость, но снижающий прочность. H1025 часто выбирают как оптимальный компромисс.

Размягчение: Минимальная прочность/твердость после цикла H1150M: растворительный отжиг + отпуск 760 °C 2 часа + старение 620 °C 4 часа. Свойства: σв = 780 МПа, σ₀.₂ = 710 МПа, HRC < 32 — значительно ниже состояния А.

Состояние	Режим
Cond A	Отжиг 1030/1050 °C
H900	Отжиг 1030/1050 °C, охлаждение воздухом или маслом + закалка 1 ч при 480 °C / охлаждение воздухом
H925	Отжиг 1030/1050 °C, охлаждение воздухом или маслом + закалка 4 ч при 495 °C / охлаждение воздухом
H1025	Отжиг 1030/1050 °C / воздух или масло + отпуск 4 ч при 550 °C, охлаждение воздухом
H1075	Отжиг 1030/1050 °C / воздух или масло + отпуск 4 ч при 580 °C, охлаждение воздухом
H1100	Отжиг 1030/1050 °C / воздух или масло + отпуск 4 ч при 590 °C, охлаждение воздухом
H1150	Отжиг 1030/1050 °C / воздух или масло + отпуск 4 ч при 620 °C, охлаждение воздухом

Горячая деформация

UGI® 15-5 PH AIR подходит для ковки. Нагрев — 1150–1200 °C, ковка — 1200–950 °C. Охлаждение после ковки — в воздухе или масле. Детали после ковки должны пройти термообработку (растворительный отжиг и при необходимости старение).

Прочее

Магнитопорошковый контроль и макрографический анализ: UGI® 15-5 PH AIR соответствует AMS 2300: частота/степень 0/0. Макроструктура соответствует AMS 5659: классы 1–4 обычно оцениваются по степени A по ASTM A604.

Доступная продукция:

Продукт	Профиль	Поверхность	Толеранс	Размер, мм
Пруток	Круглый	Гладкий обработанный	k12–k13	22–115
		Срезанный и полированный	h11–h10–h9	22–115
		Центролизированный (шлифованный)	h9–h8–h7	5–115
		Холоднопротачанный	h9	5–21

Другие продукты — по запросу к поставщику.

Поверхностная обработка

Маркировка: UGI® 15-5 PH AIR маркируется так же, как сталь 630.

При необходимости рекомендуется следующая деконтаминационная обработка (например, для удаления чужих железных частиц):

• 1/4 объема азотной кислоты 52 % (36° Боме)
• 3/4 объема воды
• Комнатная температура
• Длительность подбирается индивидуально
• Тщательно промыть после завершения

Примечание: коррозионная стойкость нержавеющей стали зависит от множества факторов: состава среды (хлориды, окислители, температура, pH, перемешивание), подготовки материала (отсутствие чужих частиц, шероховатость, закалка, полировка). При испытаниях в хлоридном тумане (ISO 9227) не следует использовать этикетки на пробы — они могут вызвать коридоровую коррозию и снизить время устойчивости.

Сварка

UGI® 15-5 PH AIR можно сварчивать без предварительного нагрева большинством методов: GMAW или GTAW (с наполнителем или без), лазерное, контактное, электронно-лучевое. Если механические характеристики шва должны соответствовать базовому металлу, используют однородный наполнитель (AWS E/ER 630) и проводят постсварочную термообработку закалки выделением (см. режимы выше). Если свойства шва не критичны — можно использовать наполнитель ER308LSi (19 9 L Si).

Если постсварная закалка выделением не выполняется, полезно снятие напряжений при 250–300 °C для повышения вязкости ЗТН и исключения риска холодных трещин из-за мартенситной структуры в сварном состоянии. Конструкция сварного соединения должна учитывать требования к высокопрочным сталям: избегать вырезов и резких переходов сечения. Для GMAW рекомендуется защитный газ Ar+1%CO₂ или 1–2%O₂; для GMAW и GTAW газы с H₂ и N₂ исключаются.