UGI® 4545 AIR H1150 — Премиальная авиационная сталь 15-5PH с максимальной вязкостью

Общие сведения

UGI® 15-5PH AIR (также известная как UGI® 4545 AIR) — это мартенситная нержавеющая сталь с выпадающим закалкой (PH) премиального качества, разработанная преимущественно для авиационных применений. Материал предназначен для деталей, требующих сочетания высокой прочности и высокой вязкости, а также обладает хорошей устойчивостью к усталостному разрушению.

Сталь производится методом электрошлаковой переплавки (ESR) согласно стандарту AMS 5659 тип 2 с использованием передовой технологии. Этот процесс обеспечивает отличную однородность и изотропию структуры, а также высокие механические свойства как в продольном, так и в поперечном направлениях. Материал ферромагнитетен.

Микроструктура

Микроструктура, наблюдаемая в оптической микроскопии, состоит из однородной мартенсита с выделениями карбонитрида ниобия (белые частицы, видимые в СЭМ) и остаточной аустенита, доля которого зависит от металлургического состояния. Нанометрические выделения фазы, богатой медью, можно наблюдать в ТЭМ. Сталь UGI® 15-5PH AIR содержит дельта-феррит менее 1% (ниже, чем у UGI® 17-4PH AIR) согласно AMS 2315, а размер бывшего аустенитного зерна составляет 6 или меньше.

Микрозагрязненность

Сталь производится методом расходного электрода ESR. Остаточные включения очень малы и равномерно распределены в сечении. Гарантируется следующая микрозагрязненность по ASTM E45/A: A, B, C, D (тонкие) < 1.5; A, B, C, D (тяжелые) < 1.

Физические и механические свойства

Общие свойства

Свойство	Значение
Плотность	7.8 г/см³

Механические свойства (состояние H1150)

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		16 %	мин.
Твердость по Бринеллю		277 HB	мин.
Твердость по Роквеллу C		28 HRC	мин.
Сужение площади		50 %	мин.
Предел прочности при растяжении		930 МПа	мин.

Тепловые свойства

Свойство	Значение	Диапазон/Примечание
Коэффициент линейного теплового расширения	10.5 × 10⁻⁶ 1/К	20–100 °C
	11.1 × 10⁻⁶ 1/К	20–200 °C
	11.5 × 10⁻⁶ 1/К	20–300 °C
	11.9 × 10⁻⁶ 1/К	20–400 °C
Удельная теплоемкость	500 Дж/(кг·К)
Теплопроводность	16 Вт/(м·К)

Электрические свойства

Свойство	Значение
Удельное электрическое сопротивление	7.1 × 10⁻⁷ Ом·м

Химический состав (масс. %)

Элемент	Содержание	Примечание
Углерод (C)	0.07	макс.
Хром (Cr)	14.5–15.3
Медь (Cu)	2.5–4.0
Марганец (Mn)	1.0	макс.
Молибден (Mo)	0.5	макс.
Никель (Ni)	4.5–5.5
Ниобий (Nb)	0.45	макс., мин. 5×C
Фосфор (P)	0.025	макс.
Кремний (Si)	0.60	макс.
Сера (S)	0.005	макс.

Технологические свойства

Области применения

• Авиация — премиальное качество Aircraft Quality
• Датчики, например датчики давления
• Медицинские вспомогательные изделия
• Валы, шестерни
• Фитинги
• Конструкционные детали и др.

Коррозионная стойкость

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

Среда	Поведение
Азотная кислота	Хорошее
Ортофосфорная кислота	Ограниченное применение
Сернистая кислота	Ограниченное применение
Уксусная кислота	Среднее
Натрия карбонат	Среднее
NaCl (тумановый тест)	Хорошее
Влажность	Отличное
Морская вода	Ограниченное применение
Нефть/газ	Ограниченное применение

Питтинговая коррозия: UGI® 15-5PH AIR значительно устойчивее к питтингу, чем классические мартенситные стали с 12% Cr. Потенциал питтинга сравним со сверхмартенситной сталью 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 термической обработке.

Другие механизмы: Сталь устойчива к коррозионно-усталостному разрушению и коррозионному трещинообразованию в определенных 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 микрозагрязненности UGI® 15-5PH AIR обладает низкой ломкостью стружки, что создает трудности при обработке, особенно при сверлении и чистовом точении. Рекомендуется выполнять большую часть операций в состоянии А (после отпуска) во избежание износа инструмента. Обработка после закалки с выпадением не рекомендуется — чем выше механические свойства, тем выше износ инструмента и ниже производительность.

В состоянии А при грубом точении (ап = 1.5 мм; f = 0.25 мм/об) на калиброванных прутках скорость резания для износа задней поверхности 0.15 мм за 15 мин с пластиной 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® 15-5PH AIR на 10–30% ниже, чем UGIMA® 4542.

Термическая обработка

Термическая обработка состоит из двух этапов:

1. Остенеивание — насыщение мартенсита легирующими элементами, особенно медью.
2. Выпадение (старивание) — выпадение медных фаз для закалки и, в некоторых случаях, образование реверсной аустенита для повышения вязкости. Механические свойства регулируются температурой выпадения.

Остенеивание: Отпуск при 1030–1050 °C с закалкой в масло или охлаждением на воздухе (для малых сечений). В состоянии А твердость средняя, так как закалка с выпадением еще не действует. Это состояние часто выбирают для механической обработки или холодной деформации. После остенеивания рекомендуется снятие напряжений при 300 °C в течение 1 часа для стабилизации и предотвращения закалочных трещин.

Выпадение: Проводится после остенеивания в диапазоне 480 °C (H900) – 620 °C (H1150). Условие H900 соответствует пику закалки (максимальная твердость). При повышении температуры твердость/прочность снижается из-за роста выделений. Выше 580 °C образуется реверсная аустенит, повышающая вязкость, но снижающая прочность. Условие H1025 часто выбирают как оптимальный компромисс.

Мягчение (H1150M): Цикл: отпуск + отжиг 760 °C/2 ч + выпадение 620 °C/4 ч. Свойства: σв = 780 МПа, σ0.2 = 710 МПа, HRC < 32 — значительно ниже состояния А.

Обозначение	Режим
Cond A	Отпуск 1030/1050 °C
H900	Отпуск 1030/1050 °C, охлаждение на воздухе/в масле + выпадение 1 ч при 480 °C/воздух
H925	Отпуск 1030/1050 °C, охлаждение на воздухе/в масле + выпадение 4 ч при 495 °C/воздух
H1025	Отпуск 1030/1050 °C/воздух или масло + отжиг 4 ч при 550 °C, воздух
H1075	Отпуск 1030/1050 °C/воздух или масло + отжиг 4 ч при 580 °C, воздух
H1100	Отпуск 1030/1050 °C/воздух или масло + отжиг 4 ч при 590 °C, воздух
H1150	Отпуск 1030/1050 °C/воздух или масло + отжиг 4 ч при 620 °C, воздух

Горячая деформация

Сталь пригодна для ковки. Нагрев: 1150–1200 °C; ковка: 1200–950 °C. Охлаждение после ковки — на воздухе или в масле. Полученные детали требуют термической обработки (отпуск и при необходимости выпадение).

Контроль качества и поставляемые виды

Магнитопорошковый контроль и макрографический анализ. Соответствует AMS 2300: рейтинг частота/тяжесть 0/0. Макроструктура по AMS 5659: классы 1–4 обычно соответствуют тяжести А по ASTM A604.

Продукт	Профиль	Обработка поверхности	Толеранс	Размер (мм)
Пруток	Круглый	Шлифованый гладкий	k12–k13	22–115
		Стянутый и полированный	h11–h10–h9	22–115
		Безцентровый шлифованый	h9–h8–h7	5–115
		Холоднодеформированный	h9	5–21

Другие виды продукции — по запросу у поставщика.

Обработка поверхности

Декапирование аналогично стали 630 (17-4PH). Для деконтаминации (удаления железных частиц) рекомендуется: 1/4 объема азотной кислоты 52% (36° Боме), 3/4 воды, комнатная температура, время подбирается индивидуально, тщательная промывка после завершения.

Примечание: Коррозионная стойкость зависит от множества факторов: состава агрессивной среды (концентрация хлоридов, окислители, температура, pH, агитация), подготовки материала (чистота поверхности, шлифовка, полировка). При испытаниях в солевом тумане (ISO 9227) избегайте этикеток, вызывающих потоки коррозии.

Сварка

Сварка без предварительного нагрева большинством методов: GMAW, GTAW (с/без наплавки), лазер, контактная, электронно-лучевая. Для получения свойств шва уровня базового металла — без наплавки или с однородной (AWS E/ER 630) и последующая закалка с выпадением. Если свойства шва не критичны — наплавка ER308LSi (19 9 L Si).

Без закалки с выпадением после сварки полезно снятие напряжений 250–300 °C для повышения вязкости ЗТЗ и предотвращения холодных трещин в мартенситной структуре. Конструкция сварного стыка должна учитывать высокую предел текучести: избегать выемок и резких переходов сечений. Для GMAW защитный газ: Ar + 1% CO₂ или 1–2% O₂; для GMAW и GTAW избегать газов с H₂ и N₂.