UGI® 4545 AIR: Высокопрочная, усталостно-стойкая авиационная нержавеющая сталь

UGI® 15-5PH AIR или UGI® 4545 AIR — это мартенситная нержавеющая сталь с упрочнением выделением (PH) премиального качества, предназначенная преимущественно для авиации. Используется для деталей, требующих сочетания высокой прочности и высокой вязкости. Эта марка также обладает хорошей устойчивостью к усталостному разрушению. Материал переплавлен электролаговым способом (по AMS 5659 тип 2) с использованием передовых технологий. Это обеспечивает хорошую однородность и изотропию структуры и высокие механические свойства как в продольном, так и в поперечном направлении. (Ферромагнитная)

Микроструктура в оптической микроскопии состоит из однородного мартенсита с выделениями ниобийных карбонитридов (белые частицы в РЭМ) и остаточного аустенита, доля которого зависит от металлургического состояния. Нанометрические выделения Cu-обогащенной фазы наблюдаются в ТЭМ. UGI® 15-5PH AIR содержит дельта-феррит менее 1 % (ниже, чем UGI® 17-4PH AIR) по AMS 2315, а бывший аустенитный зерновой размер не более 6. Материал производится методом ESR (переплавка расходным электродом). Остаточные включения очень малы и равномерно распределены. Гарантируется следующая микрокондиция по ASTM E45/A: A,B,C,D (тонкие) < 1,5 — A,B,C,D (тяжелые) < 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
	300 °C	175 ГПа
Относительное удлинение		10 %	мин.
Твердость по Бринеллю		388	мин.
Твердость по Роквеллу C		40,0	мин.
Сужение площади		40,0 %	мин.
Предел прочности при растяжении		1310 МПа	мин.

Тепловые

Свойство	Значение	Примечание
Коэффициент температурного линейного расширения	1,05·10⁻⁵ 1/К	20–100 °C
	1,11·10⁻⁵ 1/К	20–200 °C
	1,15·10⁻⁵ 1/К	20–300 °C
	1,19·10⁻⁵ 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

Свойство

Оценка

Области применения

Авиация как премиальный Aircraft Quality; датчики (например, датчики давления); медицинское оборудование; валы, шестерни; фитинги; структурные детали и др.

Коррозионные свойства

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

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

Точечная коррозия: UGI®15-5 PH AIR гораздо более устойчива к точечной коррозии, чем классические мартенситные стали с 12% Cr. Уровень точечного потенциала сравним с супермартенситной 1.4418 и аустенитной 1.4301 (AISI 304).

Межкристаллитная коррозия: Низкое содержание углерода (часть связана с Nb) делает сталь нечувствительной к межкристаллитной коррозии при правильной тепловой обработке.

Другие механизмы: UGI®15-5 PH AIR устойчива к коррозионному усталостному разрушению 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 микрокондиции UGI®15-5 PH AIR имеет плохую сколачиваемость, что может вызывать трудности при обработке, особенно при сверлении и чистовом точении. Если возможно, большинство операций для получения готовых деталей следует выполнять в состоянии А (после отжига на растворение), чтобы избежать чрезмерного износа инструмента. Обработка после «упрочнения выделением» не рекомендуется: чем выше механические характеристики, тем выше износ инструмента и ниже продуктивность. В состоянии А грубое точение (ap=1,5 мм; f=0,25 мм/об) на калиброванных прутках показало скорость резания для износа задней поверхности 0,15 мм за 15 мин эффективного резания пластиной STELLRAM SP4019 CCGT 09T308E-62 ~ 145 м/мин, тогда как для UGIMA®4542 (17-4 PH с улучшенной обрабатываемостью) ~ 160 м/мин. В зависимости от операции продуктивность обработки UGI®15-5 PH AIR на 10–30% ниже UGIMA® 4542.

Тепловая обработка

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

Оースтенизация — введение легирующих элементов, особенно Cu, в переохлажденный мартенсит.
Старение — выделение Cu-фаз (упрочнение выделением) и в некоторых случаях образование реверсного аустенита для повышения вязкости. Механические свойства (баланс прочности и вязкости) регулируются температурой старения.

Оースтенизация (отжиг на растворение): около 1030–1050 °C, прерывается закалкой в масле или воздушным охлаждением для мелких сечений. В этом состоянии (условие А) твердость промежуточна, так как выделение Cu не эффективно. Условие А часто выбирают для механической обработки или холодной формовки. Рекомендуется снятие напряжений при 300 °C 1 час после оースтенизации для стабилизации и предотвращения закалочных трещин.

Старение: проводится после отжига на растворение для выделения Cu-фаз и регулировки свойств. После старения материал в состоянии H (solution and aged). Старение 480 °C (H900) – 620 °C (H1150). H900 — пик упрочнения, максимальная твердость. При повышении температуры твердость/прочность снижается из-за роста выделений. Выше 580 °C образуется реверсный аустенит, повышающий вязкость, но снижающий прочность. H1025 часто выбирают как оптимальный компромисс.

Размягчение: Наименьшая прочность/твердость после цикла H1150M: отжиг на растворение + отпуск 760 °C 2 ч + старение 620 °C 4 ч. Свойства: σв = 780 МПа, σ0,2 = 710 МПа, HRC < 32 — значительно ниже условия А.

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

Горячая обработка давлением

UGI®15-5 PH AIR пригодна для ковки. Нагрев 1150–1200 °C, ковка 1200–950 °C. Охлаждение после ковки на воздухе или в масле. Детали после ковки должны пройти тепловую обработку (отжиг на растворение и при необходимости старение).

Прочее

Магнитопорошковый контроль и макрография.
UGI®15-5 PH AIR соответствует AMS 2300: частота/тяжесть 0/0.
Макроструктура соответствует AMS 5659: классы 1–4 обычно тяжесть A по ASTM A604.
Доступная продукция:

Продукт	Профиль	Поверхность	Допуск	Размер (мм)
Пруток	Круглый	Гладкий точеный	k12 – k13	22 – 115
Пруток	Круглый	Скобылен и полированный	h11 – h10 – h9	22 – 115

Другие продукты: уточняйте у поставщика.

Поверхностная обработка

Деклапирование: UGI®15-5 PH AIR деклапируется как сталь 630.
При необходимости рекомендуется деконтаминация для удаления железных частиц:

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

Прим.: коррозионная стойкость нержавейки зависит от множества факторов: состава коррозионной среды (хлориды, окислители, температура, pH, перемешивание), подготовки материала (чистота поверхности, шероховатость, закалка, полировка). При испытаниях (например, туман NaCl по ISO 9227) избегайте этикеток, вызывающих стоки коррозии.

Сварка

UGI®15-5 PH AIR можно сварять без предварительного нагрева большинством методов: GMAW или GTAW (с наплавным или без), лазер, контактная, электронно-лучевая. Если механические свойства шва должны соответствовать базовому металлу, используют без наплавного или однородный наплавной (AWS E/ER 630) и проводят послесварочное упрочнение выделением (см. режимы выше). Если свойства шва не критичны, допустим наплавной ER308LSi (19 9 L Si).
Если после сварки не делают упрочнение выделением, полезно снятие напряжений 250/300 °C для повышения вязкости ЗТЗ и предотвращения холодных трещин из-за мартенситной структуры как сваренного шва. Проект сварного стыка должен учитывать требования к высокопрочным сталям: избегать выемок и резких изменений сечения. Для GMAW рекомендуют защитный газ Ar+1%CO₂ или 1–2%O₂; для GMAW и GTAW газы с H₂ и N₂ исключать.

AA 2219 T6: Высокопрочный алюминиевый сплав для высокотемпературных применений UGI® 4545 AIR H925 — Премиальная авиационная мартенситная нержавеющая сталь с выпадающим закалкой

Металл