降水硬化 (ph) 不锈钢形成了一类不同的高性能材料，结合了奥氏体不锈钢的耐腐蚀性和马氏体等级的强度.
他们之中, 15-5 不锈钢 (DIN X4CRNICUNB164) 已经成为航空航天中的重要合金, 医疗的, 以及工业工程领域的优势, 韧性, 和可靠性.
最初是为了改善公认的 17-4 ph (美国S17400), 15-5 pH不锈钢 (美国S15500) 被设计为提供更好的横向机械性能和更大的组成稠度.
它的名称来自其名义组成 - 15% 铬和 5% 镍 - 添加铜的铜.
1. 是什么 15-5 不锈钢?
15-5 不锈钢, 也以其统一编号系统而闻名 (我们) 指定 S15500, 是一个 马氏体降水硬化 (ph) 不锈钢.
它设计为提供高强度的组合, 出色的韧性, 和中等耐腐蚀性.
合金在纵向和横向方向上的一致机械性能特别有价, 这使其非常适合高可靠性应用.
关键特征:
- 马氏体微观结构: 通过溶液加热处理，然后衰老, 导致高硬度和力量.
- 降水硬化: 通过受控的添加增强 铜, 在衰老过程中形成细节以增加强度而不损害韧性.
- 改进了 17-4 ph: 开发为修改 17-4 ph (S17400) 不锈钢,
15-5 提供更好的 横向韧性 由于三角铁氧体的减少和改进的组成控制.
分类:
- 美国名称: S15500
- 材料类型: 马氏体沉淀的不锈钢
2. 化学成分 15-5 不锈钢
化学成分 15-5 不锈钢 仔细平衡以实现其出色的机械性能, 耐腐蚀性, 和大型横截面的一致性.
它的特征是 铬, 镍, 和 铜, 严格控制碳和其他残留元素，以最大程度地减少杂质并提高性能.
典型的化学成分 (重量％):
| 元素 | 内容 (%) | 功能 |
| 铬 (Cr) | 14.0 - 15.5 | 提供耐腐蚀性并有助于可耐用性 |
| 镍 (在) | 3.5 - 5.5 | 稳定奥氏体相, 改善韧性和延性 |
| 铜 (铜) | 2.5 - 4.5 | 衰老期间的形式沉淀, 显着提高强度 |
| 碳 (c) | ≤ 0.07 | 低含量降低了碳化物沉淀的风险, 改善韧性 |
| 锰 (Mn) | ≤ 1.0 | 增强热工作并改善炼钢过程中的脱氧 |
| 硅 (和) | ≤ 1.0 | 加工过程中的脱氧剂, 对机械性能的微小影响 |
| 磷 (p) | ≤ 0.04 (典型的最大) | 受控以防止封闭 |
| 硫 (s) | ≤ 0.03 (典型的最大) | 最少存在, 少量可加工性 |
| 铌 (NB) 或者 铌 (CB) | ≤ 0.45 | 充当谷物炼油厂, 防止热处理期间的谷物生长 |
| 铁 (铁) | 平衡 | 碱金属 |
笔记: 实际成分可能因允许规范范围内的生产者而略有不同, 特别是满足某些机械或腐蚀靶标.
铜在降水加强中的作用
的定义特征之一 15-5 不锈钢是它的 铜含量, 在其中起着至关重要的作用 降水硬化机制.
老化热处理后 (例如。, H900或H1025), 分散 富含铜的沉淀 马氏体基质中的形式.
这些粒子阻碍了脱位运动, 导致显着增加 屈服和拉伸强度 没有严重损害的延展性.
3. 机械性能 15-5 不锈钢
15-5 不锈钢 高度重视它的优秀 机械强度, 韧性, 和 疲劳性抗性.
这些属性主要是通过 降水硬化 (年龄硬化) 溶液处理后.
通过调节衰老温度和时间, 合金可以量身定制以满足特定的申请要求.
| 性能特性 | H900 | H1025 | H1075 | H1100 | H1150 | H1150m |
| 抗拉强度 (MPA) | 〜1310 | 〜1170 | 〜1100 | 〜1060 | 〜1030 | 〜1030 |
| 屈服强度 0.2% 偏移 (MPA) | 〜1170 | 〜1070 | 〜1000 | 〜950 | 〜900 | 〜930 |
| 伸长 (%) | 〜10 | 〜14 | 〜15 | 〜16 | 〜17 | 〜16–18 |
| 硬度 (HRC) | 40–45 | 33–38 | 30–34 | 28–32 | 25–30 | 26–31 |
| 断裂韧性K_IC (mpa√m)* | 〜55 | 〜65 | 〜70 | 〜72 | 〜75 | 〜75+ |
| 疲劳极限 (MPA)** | 〜620 | 〜540 | 〜510 | 〜490 | 〜470 | 〜460 |
4. 物理特性 15-5 不锈钢
15-5 不锈钢表现出一组均衡的 物理特性 这补充了其高度机械性能.
| 性能特性 | 价值 | 笔记 |
| 密度 | 7.78 g/cm³ | 略高于由于马氏体结构而高的奥氏体等级 |
| 融化范围 | 1390 - 1440 °C | 不锈钢的典型熔化范围 |
| 弹性模量 | 〜200 GPA | 高刚度; 跨公共温度范围稳定 |
| 导热率 | 〜18 w/m·k at 100 °C | 低于碳钢; 影响热循环部件的传热 |
| 比热容量 | 〜460 j/kg·k | 一般; 与热疲劳和吸收能量相关 |
| 电阻率 | 〜0.90μΩ·m | 高于碳钢; 在电隔离应用中有用 |
| 扩展系数 | 〜10.8×10⁻⁶ /°C (20–100°C) | 低于奥氏体不锈钢 (例如。, 304), 对于维度稳定性很重要 |
| 磁性 | 在所有条件下磁性 | 由于其马氏体结构, 即使在老化后仍保持磁性 |
5. 热处理和老化 15-5 pH不锈钢
15 5 pH不锈钢 通过两个步骤得出其特殊的机械性能 热处理过程: 解决方案退火 其次是 降水硬化 (老化).
该受控序列形成了加强沉淀的精细分散体, 特别是富含铜的阶段, 在马氏体矩阵中.
解决方案退火 (条件)
解决方案退火 是初始和必需的热处理步骤 15-5 不锈钢, 通常称为 条件.
该过程通过溶解现有的沉淀并使其微观结构匀浆为合金准备随后的衰老.
过程参数
- 温度: 大约 1038°C (1900°f)
- 浸泡时间: 通常 30 到 60 分钟, 取决于材料厚度
- 冷却方法: 通常 空气冷却 或者 石油淬火 对于较厚的部分
目的和效果
- 沉淀的溶解: 任何铜- 或在先前加工期间形成的基于碳化物的沉淀物完全溶解, 导致均匀的固体溶液.
- 奥斯丁化: 将钢加热到奥氏体相位场，微结构转化为以面为中心的立方体 (FCC) 奥氏体.
- 冷却的马氏体转变: 快速冷却, 发生无扩散的转换, 将奥氏体转化为以身体为中心的四方 (BCT) 马氏体.
这种马氏体矩阵是进一步降水硬化的基础. - 均质化: 消除隔离和微结构不一致, 确保整个材料中的机械性能一致.
- 准备衰老: 为在随后的老化处理过程中控制加强相的降水奠定了阶段.
降水硬化 (老化)
溶液处理后, 在各种温度下进行衰老以量身定制最终的机械性能. 最常见的衰老脾气是:
| 衰老状况 | 温度 (°C) | 温度 (°f) | 期间 | 关键效果 |
| H900 | 482 | 900 | 1 小时 | 最大强度, 降低延展性 |
| H1025 | 552 | 1025 | 4 小时 | 均衡的强度和延性 |
| H1075 | 579 | 1075 | 4 小时 | 强度略有降低, 改善韧性 |
| H1100 | 593 | 1100 | 4 小时 | 延展性增加, 更好的断裂韧性 |
| H1150 | 621 | 1150 | 4 小时 | 过度以获得最佳韧性和缓解压力 |
| H1150m (双重年龄) | 621 × 2 | 1150 × 2 | 4 + 4 小时 | 最高韧性, 维稳定性 |
笔记: 所有老化均在空中完成; 衰老后不需要淬火.
6. 耐腐蚀性
15 - 5 不锈钢在大气中具有良好的耐腐蚀性, 海洋, 和温和的化学环境.
在正常的大气条件下, 它可以长时间抵抗腐蚀而不会显着降解.
在海洋环境中, 它可以比许多其他马氏体不锈钢更好地承受盐水喷雾和湿度的腐蚀作用.
与马氏体等级相比 410 和 420, 15 - 5 不锈钢具有更好的凹痕和缝隙腐蚀性.
这是由于其化学成分, 这促进了表面上更稳定和连续的被动膜的形成.
然而, 15 - 5 不锈钢不是富含氯化物或高酸性环境的理想选择.
在这种情况下, 奥氏体不锈钢，例如316升或双工不锈钢 2205 更合适, 由于它们具有较高的耐腐蚀性.
7. 制造过程和制造 15-5 不锈钢
铸件
15-5 不锈钢可以通过各种方法铸造, 包括 投资铸造 和 沙子铸造, 每个适合不同组件要求.
- 熔模铸造 通常喜欢产生具有高维精度和优质表面饰面的复杂形组件.
此过程涉及创建所需部分的蜡模式, 用陶瓷外壳涂覆, 然后融化蜡形成腔.
熔融 15-5 将不锈钢倒入该腔中以形成精确, 错综复杂的零件. - 沙子铸造, 反过来, 更适合大型, 组件不那么复杂.
通常，在产生相当大的零件的情况下，它更具成本效益.
冷热工作
在它的 退火状况, 15 5 不锈钢表现出良好的外形性, 允许多种热冷工作过程:
- 热工作: 在高温下进行诸如锻造和滚动等技术 (通常高于900°C).
这使将钢塑造成各种形式 - 巴尔, 盘子, 和试管 - 同时完善晶粒结构并增强机械性能. - 冷工作: 诸如冷滚动之类的过程, 绘画, 并冲压实现精确的尺寸控制和改进的表面饰面.
然而, 冷工作诱导工作硬化, 这可能需要随后的退火或应激疗法来恢复延展性并减少内部应力.
加工
可加工性 15 5 不锈钢通常在 退火 (解决方案处理) 状况, 但是随着材料通过降水衰老而硬化，大大减少.
- 到机器 15-5 有效地, 使用 碳化物尖端切割工具 由于其硬度和耐热性，建议使用.
- 雇用 高速加工 技术有助于最大程度地减少切割力和热量积聚.
- 充分使用 冷却剂和润滑剂 对于减少工具磨损并实现加工零件上的表面饰面至关重要.
焊接
焊接 15 5 不锈钢需要精心控制以防止诸如机械性能的破裂和降解等问题.
- 预热 倒金到周围 150–200°C 在焊接之前有助于最大程度地减少热应力并降低破裂的风险.
- 取决于焊接方法和应用, 一个 焊后热处理 恢复机械强度并减轻残余应力可能是必要的.
- 选择 填充金属 与不锈钢的化学成分非常匹配对于确保焊接完整性和维持关节中所需的机械性能至关重要.
8. 优势和局限 15-5 不锈钢
优点
- 高强度重量比:
15-5 pH不锈钢提供出色的拉伸和屈服强度，同时保持相对较低的密度, 它非常适合对体重敏感的应用，例如航空航天和高性能工程. - 出色的韧性和机械稳定性:
合金表现出出色的韧性, 包括跨厚的横截面和横向, 降低关键组件中脆弱失败的风险. - 良好的耐腐蚀性:
它抵抗了大气, 海洋, 和温和的化学环境比传统的马氏体不锈钢更好 (例如。, 410/420), 在许多工业和海洋环境中提高耐用性. - 量身定制性能的热处理性:
它的降水响应使工程师可以自定义机械性能 (力量, 韧性, 硬度) 通过受控的衰老周期. - 良好的可加工性在硬化条件下:
与许多其他不锈钢相比, 15-5 老化后保持相对较好的可加工性, 促进精确零件的有效制造.
限制
- 对氯化物和酸性环境的敏感性:
尽管在某些马氏体等级上有改善的耐腐蚀性,
15-5 不建议长时间暴露于高度氯化物或强酸性环境; 首选316L或双工不锈钢等替代品. - 精确热处理的要求:
实现最佳的机械和腐蚀特性取决于严格控制溶液退火和老化参数, 为制造和质量保证增加复杂性. - 与奥斯特尼特不锈钢相比，成本更高:
由于合金元素和专门处理, 15-5 通常的成本比普通等级更高 304 或者 316, 可能将其用于性能至关重要的应用程序限制. - 有限的冷柔韧性:
该合金比奥氏体不锈钢较少延性，更易于工作硬化, 限制其形成性，并需要在冷工作中进行中间退火.
9. 应用领域
15-5 不锈钢高强度的独特组合, 韧性, 耐腐蚀性, 和热处理性使其成为广泛苛刻行业的首选材料.
航天
- 结构成分: 用于机身零件, 括号, 并支持强度比率至关重要的位置.
- 轴和紧固件: 起落架的理想, 执行者, 和高强度紧固件，因为它们的韧性和尺寸稳定性.
- 涡轮和发动机零件: 适用于需要良好疲劳性和热稳定性的组件.
医疗的
- 骨科仪器: 手术工具和植入物受益于15-5的生物相容性, 耐腐蚀性, 和机械可靠性.
- 手术工具: 手术刀手柄, 夹具, 和其他精密仪器使用 15-5 不锈钢可耐用性和耐药性.
工业的
- 齿轮零件和阀杆: 高强度齿轮, 轴, 化学和石化植物中的阀成分.
- 泵杆和配件: 在中度侵略性环境中耐磨损和腐蚀.
- 高强度配件: 在节省重量和机械性能至关重要的地方使用.
增材制造
- 金属粉3D打印: 15-5 pH不锈钢粉越来越多地用于 选择性激光熔化 (SLM) 和 直接金属激光烧结 (DML) 产生复杂的过程, 具有出色机械性能的高性能组件.
10. 与类似不锈钢的比较
15 5 pH不锈钢是家族的一部分 马氏体降水硬化 (ph) 不锈钢, 它与合金（例如 17-4 ph, 13-8 莫, 和 17-7 ph.
了解与这些钢相比的差异和优势有助于选择最适合特定应用的材料.
| 性能特性 / 合金 | 15-5 不锈钢 | 17-4 ph 不锈钢 | 13-8 Mo不锈钢 | 17-7 pH不锈钢 |
| 美国名称 | S15500 | S17400 | S13800 | S17700 |
| 构图亮点 | 〜15％Cr, 5% 在, 铜, NB | 〜17％Cr, 4% 在, 铜, NB | 〜13％Cr, 8% 在, 莫, 铜 | 〜17％Cr, 7% 在, 铜, NB |
| 热处理 | 溶液退火 + 老化 (H900 – H1150M) | 溶液退火 + 老化 (H900 – H1150M) | 溶液退火 + 老化 | 溶液退火 + 老化 |
| 机械强度 | 高的, 最多约1310 MPa拉伸 (H900) | 很高, 最多约1380 MPa拉伸 (H900) | 更高的强度, 良好的韧性 | 中等力量, 出色的延展性 |
| 韧性 | 优越的韧性和横向特性 | 良好的韧性，但低于 15-5 | 高韧性, 改进了 17-4 ph | 出色的韧性和高表现性 |
| 耐腐蚀性 | 比更好 17-4 ph, 良好的海洋抵抗 | 良好的一般耐腐蚀性 | 良好的耐腐蚀性 | 中等腐蚀性 |
| 可加工性 | 良好, 特别是在退火和过分的国家中 | 良好, 广泛用于加工 | 适度的可加工性 | 良好的可加工性 |
| 应用领域 | 航空航天结构部件, 医疗器械 | 航天, 工业的, 通用pH | 高强度航空航天和化学零件 | 航空航天弹簧, 精密零件 |
| 成本 | 中度至高 | 一般 | 由于MO含量而更高 | 一般 |
应用程序范围:
尽管 17-4 由于其成本效益和广泛的可用性，pH不锈钢通常是通用应用的首选, 15-5 在需要更高的韧性和尺寸稳定性的情况下，首选不锈钢是优选的.
13-8 MO不锈钢提供更高的强度，但成本增加, 然而 17-7 pH不锈钢具有出色的延展性和弹簧特性的重视.
11. 形式和规格 15-5 不锈钢
可用表格
- 酒吧, 杆, 条, 盘子
- 宽恕和挤压
- 粉末 (增材制造)
标准和规格
- ASTM A564/A564M - 条形和形状
- AMS 5659 - 航空航天组件
- ASTM F899 - 手术应用
- ISO 16061, 在 10088-3 - 国际等效物
12. 结论
15-5 不锈钢 作为融合的高级工程合金脱颖而出 高力量, 耐腐蚀性, 和 维稳定性 出色 可加工性.
它在航空航天中广泛使用, 医疗的, 工业部门强调了其价值 绩效不能妥协.
随着采用的越来越多 增材制造, 15-5 pH还开放了设计灵活性和轻巧的新领域，而无需牺牲强度.
虽然要求 精确的加工和热处理, 它在关键应用中的好处继续使其成为苛刻的工程环境的首选材料.
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常见问题解答
是 15-5 钢磁性?
是的, 15-5 pH不锈钢 由于其马氏体结构，在所有条件下都具有磁性.
能 15-5 焊接不锈钢?
是的, 但是焊接需要预热 (通常150–200°C), 适当的填充金属, 并且通常是焊接后的热处理以避免破裂并维持机械性能.
是 15-5 不锈钢适合添加剂制造?
是的, 15-5 不锈钢粉被广泛用于选择性激光熔化 (SLM) 和直接金属激光烧结 (DML) 产生复合物, 高性能组件.
