15Х5М

Жаропрочные стальные сплавы характеризуются сохранением своей структуры при длительном воздействии высоких температур, не подвергаются пластической деформации. К отличительным свойствам таких металлов относят условный предел ползучести и длительной прочности. Жаропрочностью обладают хромоникелевомарганцевые составы. Они медленно деформируются при постоянном нагружении и нагреве.

Расшифровка стали 15Х5М

Маркировка говорит о среднем вхождении 0,15% С, до 5,0% Cr и не более процента Mo. С увеличением углерода в стали растёт прочность, но снижается пластичность, сопротивление удару, ухудшается обрабатываемость. Добавки недорогого хрома повышают твёрдость, устойчивость к коррозии, а молибден положительно влияет на красностойкость, на предел прочности на растяжение и на сопротивление окислению при значительном нагреве.

Характеристики 15Х5М

Сталь относят к жаропрочным, низколегированным. Мартенситный класс говорит об игольчатой микроструктуре после закалки твёрдого раствора углерода в железе. Большая прочность объясняется устойчивым положением атомов в структурной решетке, маленькими размерами блоков. При закалке образуются мелкие частицы, не допускающие взаимного послойного смещения. Горячекатаную, кованую сталь производят термически обработанной (отжиг, отпуск, нормализация). Макроструктура для открытой выплавки должна быть оценена не более двух баллов, а полученная методом ЭШП ‒ до одного. При этом не допускается наличие усадочных, газовых раковин, рыхлоты, трещин, прочих дефектов видимых невооружённым глазом.

Материал не поддаётся окислению до шестисот градусов Цельсия, при +650°C начинается образование окалины.

Конструкционная категория говорит о том, что технологичная сталь пригодна для изготовления различных конструкций, их частей в машиностроении и строительной отрасли.

Химический состав, механические свойства марки приведены в ГОСТ 550, 20072, 7350. Аналоги существуют.

Химический состав стали 15Х5М

Кроме основных элементов, отражённых в маркировке (С, Cr, Mo) и железной основы, сплав содержит также небольшие вхождения кремния, марганца, никеля, ванадия, титана, меди, вольфрама. Содержание вредных примесей: серы в пределах 0,025%, фосфора не более 0,03%. Первый элемент придаёт красноломкость, второй ‒ хладноломкость. При выплавке электрошлаковым переплавом массовая доля S ограничивается 0,015%. Что это за сталь 15Х5М, её характеристика, перечень добавок и их количество зависит от конкретного нормативного документа (ГОСТ 550, 20072, ТУ 14-3р-62-2002, прочие).

Назначение и применение

Сталь 15Х5М предназначена для изготовления труб, деталей, не окисляющихся при нагреве до 600°C, её применение связано с производством сортового, фасонного и листового проката. Материал востребован для выпуска трубопроката, трубопроводной арматуры (задвижек, отводов, тройников) при оборудовании котельных, коллекторов, турбин, контактирующих с горячей водой и перегретым паром, для установки на тепловых и атомных электростанциях. Металл востребован при прокладке горячих коммуникаций, монтаже теплообменников.

Ссылка на эту марку присутствует в следующих нормативных документах для труб бесшовных горячедеформированных:

• ГОСТ 550 для нефтегазовой промышленности;
• ТУ 14-3р-62-2002 для нефтепереработки;
прочие.

Сопротивляемость окислению при высоких температурах требуется при оснащении технологических процессов нефтеперерабатывающих заводов, протекающих при прямой перегонке сернистой нефти, при крекинговой переработке.

Термообработка

Термическая обработка: отжиг 850-860°C, медленное остывание со скоростью менее двадцати пяти градусов в час до 650°C, далее в печи. Охлаждение на воздухе после нагрева (сварки) приводит к закаливанию. Такая термообработка стали 15Х5М, которая относится к термически упрочняемым, повышает твёрдость до НВ 400-420. Отжиг размягчает (НВ 100-130), что позволяет использовать марку в аппаратуре в пластичном состоянии.

Для уменьшения толщины стенок трубок с повышением прочности проводят нормализацию при тысяче градусов Цельсия, с отпуском при 700°C, с воздушным охлаждением. Обработанная таким образом сталь подходит для производства змеевиков, арматурных элементов аппаратуры для установок каталитического риформинга, работающих при постоянном воздействии высоких температур до +575°C.

Температура критических точек

Температурный показатель, при котором начинают происходить изменения физических и химических свойств стального сплава, называют критической точкой. При этом в Аr 1 происходит превращение аустенита в перлит, а в Ас1 совершается обратный процесс. Выделение феррита в аустенит и выделение из него цементита характеризует Аr 3, окончание этого растворения ‒ Ас3. Эти цифры важны для установки температурных режимов закалки.

Механические свойства (ГОСТ 20072-74)

Механические свойства при повышенных температурах

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

Механические свойства при испытании на длительную прочность

Под ползучестью понимают непрерывную деформацию под действием постоянной нагрузки. Её основная характеристика это предел, подразумевающий условное растягивающее напряжение, при котором скорость и деформирование достигнут заданного значения. Для деталей, эксплуатируемых на протяжении длительного периода, хорошо, когда возникает малая деформация при значительном нагружении.

Длительная прочность говорит о сопротивлении разрушению при продолжительном температурном воздействии.

Физические свойства материала 15Х5М

С ростом температуры в интервале от 20 до 600°C происходит рост линейного расширения, падение нормальной упругости, коэффициента теплопроводности, плотности.

Ударная вязкость KCU

Из таблицы видно, что вне зависимости от условий термообработки при охлаждении до минусовых температур падает способность поглощения механической энергии, пластической деформации под воздействием ударной динамической нагрузки. Хрупкий тип разрушения является одним из самых опасных видов, приводящих к возникновению аварий.

Твердость материала 15Х5М

Твёрдость стали 15Х5М повышается при отжиге при 860°C с последующим воздушным охлаждением, приводящим к закаливанию и достижению НВ 420.

Согласно ГОСТ 20072 нормы твёрдости для отожжённой, отпущенной нормализованной с высоким отпуском ст 15Х5М (старое обозначение Х5М) при d отпечатка свыше 4.1 миллиметра должно быть не более НВ 217.

Технологические свойства

Металл относится к трудносвариваемым, работает ручная дуговая сварка. Кроме этого, он склонен к поражению флокенами, дефектами внутреннего строения, обусловленными повышением содержания водорода, которое снижает пластичность и вязкость, что отрицательно сказывается на сроке службы изделий. Флокеночувствительность характерна для мартенситов. Состояние отпускной хрупкости для этой марки не характерно, то есть не обладает межкристаллитным изломом, сформированном на месте бывшей зерновой границы, понижением вязкости и сопротивления разрушению при отпуске в заданных температурных границах.

Для ковки установлены следующие температурные границы: начало - 1200°C, конец - 800°C. Резка возможна в горячекатаном состоянии.

Коррозионная стойкость

Как показывает опыт, глубина проникновения дистиллированной воды при повышении температуры возрастает. По данным испытаний коррозионная стойкость 15Х5М в сернистых средах по сравнению с углеродистыми марками в три раза выше, что даёт основания для её использования в нефтехимии.

Сварка стали 15Х5М

Металл сваривается с трудом. Сварка с мартенситным, ферритно-перлитным классом проводится с нагревом в непрерывном режиме. При возникновении вынужденной остановки в работе металл накрывают изолирующим материалом, при возобновлении - стыки очищают и снова подогревают.

Самый подходящий способ ㅡ это ручная дуговая сварка. Необходим предварительный подогрев и последующая температурная обработка. Кромки под сварку подготавливают механическим способом. Предварительно детали прихватывают теми же электродами, что и для совершения основной сварочной операции. Перед этим свариваемые части нагревают до 350-400°C и сразу сваривают при постоянном токе при обратной полярности короткими дугами. В зависимости от толщины стенки подбирают диаметр электрода и количество слоёв в шве. При её величине до 20 миллиметров корневой слой выполняют аргонодуговой сваркой. Зона соединения не позднее чем 48 часов после сварки подлежит термической обработке для снятия остаточного напряжения, предотвращения холодного растрескивания и повышения пластичности металла.

Аналоги стали 15Х5М

Заменители применяют только после оценочного сравнения свойств сплавов. По механическим характеристикам в горячедеформированной металлопродукции к марке близки несколько российских вариантов:

• 15Х5 и 15Х5ВФ подходят для замены в нефтегазопереработке в змеевиках печи стабилизации, теплообменниках, при этом первая годится для сред, содержащих серу до +425°C, а вторая ‒ до +500°C;
• 12Х8ВФ рекомендована для применения на нефтяных предприятиях в печных и коммуникационных трубных металлоизделиях при температуре до +575°C, так как не уступает 15Х5М по жаропрочности, а по устойчивости в коррозионной среде превосходит её примерно в три раза.

Продукция по стали 15Х5М