Сталь AISI 431: характеристики марки, расшифровка, состав

AISI 431 – это высокопрочная нержавеющая сталь мартенситного класса, легированная хромом (~16–18%) и никелем (~1.5–2.5%). Данная марка относится к коррозионно-стойким жаропрочным сталям мартенсито-ферритного типа, отличаясь повышенным содержанием хрома при умеренном содержании углерода. Такое сочетание обеспечивает уникальный баланс свойств: металл обладает высокой прочностью и твердостью, хорошей ударной вязкостью и наиболее высокой коррозионной стойкостью среди всех мартенситных нержавеющих сталей 400-й серии. 

Сталь AISI 431 нашла применение в машиностроении, энергетике, нефтегазовой и химической отраслях – из нее изготавливают ответственные детали, работающие под нагрузкой в умеренно агрессивных средах. В данной статье представлены расшифровка марки AISI 431, её химический состав, основные характеристики и зарубежные аналоги.

Что такое сталь AISI 431?

Сталь AISI 431 – представитель мартенситно-хромоникелевых нержавеющих сталей. Она была разработана как улучшенный вариант сталей типа 430 (чисто хромистых), с добавкой никеля для повышения пластичности и вязкости. В классификации AISI марка 431 относится к семейству 400-х нержавеющих сталей, которые способны к термической закалке. Благодаря 16–18% Cr и ~2% Ni в составе, AISI 431 заметно превосходит по коррозионной стойкости обычные мартенситные стали типа 410/420 и ферритную 430. Одновременно эта сталь сохраняет способность к закалке на высокую твердость.

К основным особенностям AISI 431 можно отнести то, что эта сталь хорошо закаливается (глубина прокаливания наибольшая в своем классе) и в закаленно-отпущенном состоянии достигает прочности на растяжение ~850–1000 МПа. Она сочетает высокие значения предела текучести и усталостной прочности с отличной ударной вязкостью для мартенситной стали. 

Благодаря высокой хромистости, 431-я сталь обладает лучшей среди 400-х серий стойкостью против ржавления и умеренной жаростойкостью. Также материал выдерживает значительные крутящие нагрузки (важно для валов и шпинделей). Максимальная твердость после закалки достигает ~40 HRC. 

К ограничениям можно отнести низкую пластичность при отрицательных температурах и спад прочности при перегреве: использование стали 431 при очень низких температурах не рекомендуется (из-за хрупкости), а при чрезмерно высоких она теряет прочность из-за отпуска структуры. Кроме того, из-за высокого предела текучести AISI 431 плохо поддается холодной обработке давлением – не подходит для холодной штамповки, гибки, глубокого вытяжения.

Сталь AISI 431 востребована для деталей, где требуются одновременно прочность и коррозионная стойкость. Типичные изделия – валы насосов, гребные валы судов, шпиндели, крепеж высокого класса прочности, клапанные элементы, лопатки турбин, топливные форсунки и другие нагруженные детали оборудования. Материал успешно используется в морской технике, химическом и пищевом оборудовании, медицинских инструментах и т.д.

Расшифровка марки стали AISI 431

Обозначение AISI 431 присвоено Американским институтом железа и стали (American Iron and Steel Institute). Буквенная часть «AISI» указывает на принадлежность к американской системе стандартизации сталей. Цифры «431» – порядковый номер сплава в серии нержавеющих сталей. В рамках AISI все 400-е марки относятся к ферритным или мартенситным нержавеющим сталям на основе железо-хрома. 

Наличие в марке 431 дополнительного легирующего элемента – никеля – косвенно отражено в ее европейском названии X17CrNi16-2, где указано ~17% Cr и ~2% Ni. Российский аналог стали 431 имеет марку 14Х17Н2, что также указывает на ~0,14% C, ~17% Cr и ~2% Ni в составе. Таким образом, цифры «431» сами по себе не раскрывают химический состав напрямую, однако известна химическая формула сплава и его место в классификации: это высокохромистая (≈17% Cr) мартенситная нержавейка с добавкой никеля (≈2% Ni) для улучшения вязкости.

Следует отметить, что в отличие от аустенитных сталей серии 300 (например, AISI 304 или 12Х18Н10Т) и ферритных 400-х (например, AISI 430 без никеля), марка 431 сочетает признаки обоих классов. Она магнитная (ферромагнитна) и термообрабатываемая, как мартенсит, но благодаря никелю обладает более высокой ударной вязкостью и коррозионной стойкостью, приближаясь к свойствам некоторых хромоникелевых сталей.

Химический состав стали AISI 431

Типичный химический состав AISI 431 включает (процентное содержание по массе):

• Углерод (C) – 0,17–0,25%
• Хром (Cr) – 16,0–18,0%
• Никель (Ni) – 1,5–2,5%
• Кремний (Si) – ≤ 0,8%
• Марганец (Mn) – ≤ 0,8%
• Медь (Cu) – ≤ 0,3%
• Титан (Ti) – ≤ 0,2%. (Добавляется не всегда)
• Фосфор (P) – ≤ 0,035%
• Сера (S) – ≤ 0,03%

Железо (Fe) составляет базу сплава. Допустимое содержание вредных примесей фосфора и серы сведено к минимуму (доли процента).

Каждый элемент выполняет определенную роль в формировании свойств стали AISI 431. Ниже расскажем об этом подробнее.

Хром (Cr)

Главный легирующий компонент (~17%). Обеспечивает образование пассивной оксидной пленки, за счет чего сталь приобретает коррозионную стойкость. Также хром повышает твердость и прочность, снижает коэффициент теплового расширения и влияет на прокаливаемость и свариваемость. Высокое содержание Cr – ключевое отличие данной марки.

Никель (Ni)

Улучшает вязкость и пластичность стали, делает мартенситную структуру менее хрупкой. Никель повышает ударную вязкость, улучшает сопротивляемость ударным нагрузкам и значительно повышает устойчивость к прокаливанию (закалке) по сечению. Также Ni дополнительно снижает тепловое расширение, компенсируя эффект хрома.

Углерод (C)

Присутствует на уровне ~0,2%, что выше, чем в коррозионностойких сталях аустенитного класса. Такое содержание C позволяет получать мартенсит при закалке и придавать высокую твёрдость (до ~40 HRC). Однако повышенный углерод требует отпуска после закалки для снятия внутренних напряжений и несколько снижает пластичность стали.

Марганец (Mn)

До 0,8%. Марганец добавляется для раскисления стали при выплавке и улучшения прочностных характеристик. Небольшое количество Mn способствует формированию однородной структуры и увеличивает прочность твердого раствора.

Кремний (Si)

До 0,8%. Кремний, подобно марганцу, является раскислителем и одновременно слегка повышает прочность и твердость стали. Он также улучшает прокаливаемость, хотя его доля невелика.

Медь (Cu)

До 0,3%. Медь в данной марке присутствует чаще как остаточная примесь. Небольшое добавление Cu может незначительно повысить стойкость против атмосферной коррозии и коррозии в слабых кислотах.

Титан (Ti)

Допускается до 0,2% (в некоторых вариантах сплава). Титан способен связывать углерод в стабильные карбиды (например, TiC), предотвращая избыточное образование хрупких карбидов хрома на границах зерен. При наличии Ti улучшается ударная вязкость и уменьшается склонность к межкристаллитной коррозии, однако в стандартной AISI 431 титан не является обязательным элементом.

Фосфор (P)

Его в составе ≤ 0,035%. Фосфор считается вредной примесью в большинстве сталей, но в малых количествах он может чуть повышать устойчивость стали к атмосферным воздействиям. Его содержание строго ограничено, чтобы не снизить пластичность и вязкость.

Сера (S)

Сера (≤ 0,025–0,03%) – нежелательный элемент, так как образует хрупкие сульфиды. В AISI 431 серы очень мало, поэтому негативное влияние минимально. Превышение этой нормы резко ухудшило бы пластичность, износостойкость и антикоррозионные свойства металла. Тем не менее даже небольшое количество S способно ухудшить свариваемость и обрабатываемость резанием, поэтому её содержание контролируется.

Азот (N)

В марке AISI 431 содержание этого элемента специально не регламентируется, он присутствует лишь в виде следов, в отличие от некоторых современных нержавеющих сталей, легированных азотом. Отсутствие значимых долей N означает, что вклад азота в прочность и коррозионную стойкость минимален.

В совокупности, состав AISI 431 наделяет ее мартенситной структурой с высокими прочностными показателями и хорошей коррозионной стойкостью. Важно, что в сплаве отсутствует молибден (Mo) – поэтому стойкость к точечной (питтинговой) коррозии в хлоридсодержащих средах у 431 несколько ниже, чем у молибденсодержащих марок (например, AISI 316L). Тем не менее в большинстве умеренно агрессивных условий (морская вода, нефтепродукты, атмосферные влияния) химический состав 431 обеспечивает достаточную коррозионную стойкость.

Механические характеристики AISI 431

Механические свойства стали AISI 431 зависят от состояния термообработки. Обычно материал поставляется в закалённом и отпущенном состоянии, при котором достигаются следующие показатели:

• Предел текучести (σ0.2) – не менее 750 МПа
• Предел прочности (σв) – не менее 940 МПа
• Относительное удлинение (δ5) – порядка 19%
• Относительное сужение – ~28% (после разрыва)
• Твёрдость после закалки и отпуска – до 40 HRC по Роквеллу (эквивалентно ~ ≈ 300–400 HB по Бринеллю)

Такие значения достигаются при стандартном отпуске (около 600 °C). Если выполнить низкий отпуск (~200 °C), можно получить еще более высокую прочность (σв >1300 МПа) и твёрдость до 40–45 HRC, но материал станет слишком хрупким (ударная вязкость падает). Поэтому для большинства применений сталь 431 используют именно в промежуточно отпущенном состоянии, обеспечивающем баланс прочности ~850–1000 МПа и ударной вязкости. В состоянии после полного отжига прочность существенно ниже – предел текучести ~600 МПа, твердость ~ ≤ 285 HB, но такой мягкий режим применяется редко, только для облегчения механической обработки.

Сталь AISI 431 обладает высокой ударной прочностью (вязкостью) при комнатной температуре, особенно после отпуска при ≥ 600 °C, когда в стали снижается уровень внутренних напряжений. Показатель ударной работы KCU (по Шарпи) может достигать 50–80 Дж и выше в оптимально отпущенном состоянии (например, при 593 °C). Это значительно лучше, чем у классических мартенситных сталей типа 420, однако уступает вязкости аустенитных сталей.

Благодаря высокой прочности и достаточной пластичности, сталь 431 хорошо сопротивляется усталостному разрушению. Она выдерживает многократные переменные нагрузки без развития трещин, особенно если деталь правильно термообработана. Данные по циклической долговечности показывают, что данная сталь подходит для изготовления нагруженных валов, шпилек, крепежа, работающих под вибрацией и др. – ее применяют, например, для штоков поршней и других деталей, испытывающих динамические нагрузки.

С другой стороны, при низких температурах ударная вязкость резко падает – уже при переходе через 0 °С металл становится более хрупким. При -20…-40 °С сталь 14Х17Н2 (аналог AISI 431) теряет способность поглощать удар, поэтому не используется в морозильном и криогенном оборудовании.

Физические и эксплуатационные свойства

Это еще одна большая группа характеристик, определяющих возможные сферы применения данной стали.

Плотность и термические характеристики

Сталь AISI 431 имеет плотность около 7,70 г/см³ (7700 кг/м³), что типично для высокохромистых сталей (немного ниже, чем у углеродистых сталей ~7,85 г/см³, из-за присутствия легких элементов). Модуль упругости (Юнга) составляет порядка 200–205 ГПа, то есть сталь обладает такой же жесткостью, как и обычные конструкционные стали.

Теплопроводность стали 431 сравнительно невысока – около 25 Вт/(м·К) при комнатной температуре. Это обусловлено легированием (присутствие Ni, Cr снижает теплопроводность по сравнению с чистым железом). Коэффициент термического линейного расширения составляет примерно 10,5·10^(-6) °C^-1 (при нагреве до 500 °C). Таким образом, при повышении температуры сталь умеренно расширяется – наличие хрома и никеля несколько уменьшает тепловое расширение относительно нелегированных сталей. Это важно учитывать при совместной работе 431 с другими материалами в широком диапазоне температур, чтобы избежать тепловых напряжений.

Электрическое удельное сопротивление стали 431 равно около 0,80 мкΩ·м (при 20 °C), что несколько выше, чем у углеродистых сталей (0,15 мкΩ·м) – легирование увеличивает электросопротивление. Сталь является ферромагнитной – в закаленном и отпущенном состоянии она сохраняет магнитные свойства (в отличие от аустенитных нержавеющих, которые немагнитны). Магнитная проницаемость достаточно высокая благодаря мартенситной структуре.

Температура плавления сплава AISI 431 находится в диапазоне около 1450 °C (примерно, как у других высокохромистых сталей, точное значение зависит от состава и может колебаться ~1440–1460 °C).

Температурный диапазон работы

Сталь AISI 431 считается жаропрочной в умеренной степени. Окалиностойкость (стойкость против образования окалины на поверхности) сохраняется при нагреве до +925 °C – кратковременно, и до ~870 °C при длительной работе. Выше этих температур на воздухе начинает активно образовываться окалина (оксиды Fe, Cr), и поверхность может терять металлургическую целостность. Однако с точки зрения сохранения механических свойств рекомендуемый предел рабочей температуры значительно ниже. Поскольку стандартный высокий отпуск для этой стали проводится при ~600 °C, нежелательно эксплуатировать AISI 431 при температурах выше ~600 °C – иначе структура стали подвергнется необратимому отпуску, что снизит твердость и прочность. Фактически, при 650–700 °C эта сталь размягчается до состояния прочности менее 500 МПа. Таким образом, оптимальный постоянный рабочий диапазон – до ~400 °C, где материал сохраняет и прочность, и коррозионную стойкость.

В низкотемпературных условиях (ниже 0 °C) AISI 431 ведет себя хуже: при охлаждении до отрицательных температур металл переходит в хрупкое состояние. Уже при -20…-30 °C ударная вязкость резко падает. Это связано с мартенситной природой стали – отсутствием механизма пластификации при низких температурах. Поэтому применение стали 431 не рекомендуется при температурах ниже примерно -20 °C. Минимальная допустимая температура эксплуатации оценивается около -40 °C, ниже которой риск хрупкого разрушения резко возрастает. Для арктических условий или криогеники больше подходят аустенитные стали (например, 304, 316L), а мартенситная 431 используется преимущественно при комнатных и умеренно высоких температурах.

Коррозионная стойкость

Одно из главных достоинств AISI 431 – это сочетание коррозионной стойкости с высокой твёрдостью. Благодаря ~17% хрома данная сталь пассивируется на воздухе, формируя защитную оксидную плёнку, и хорошо противостоит коррозии во многих средах. По устойчивости к ржавлению и общему коррозионному износу она занимает первое место среди всех мартенситных нержавеющих сталей серии 400. В частности, 431-я сталь успешно работает в контакте с пресной водой, морской водой (особенно холодной), нефтепродуктами, органическими средами, щелочами и слабым растворами кислот. Испытания показывают, что в холодной солёной воде (морская вода при ~+10…+20 °C) коррозия практически отсутствует – сталь долго сопротивляется точечной и щелевой коррозии. Однако при повышении температуры среды стойкость падает – например, в горячей морской воде AISI 431 уже может подвергаться питтингу. Это связано с отсутствием молибдена в составе – при нагреве агрессивность хлоридов возрастает, и 17% Cr уже недостаточно для полной защиты.

В сравнении с аустенитными нержавеющими сталями (тип 304, 08Х18Н10 или 316L) марка 431 имеет несколько более низкую коррозионную стойкость. Она уступает им в особо агрессивных средах (например, в кислотах, горячих хлоридах). Тем не менее в умеренно агрессивных условиях 431 показывает себя отлично: в промышленной атмосфере, морском климате, в нефтегазовой среде эта сталь работает долгосрочно без ржавчины. Также отмечается ее хорошая стойкость против атмосферной коррозии – даже повышенное содержание фосфора тут слегка помогает, увеличивая резистентность к ржавлению на воздухе.

Важно, что наилучшие коррозионные свойства у стали 431 достигаются после правильной термообработки. В закалённом и отпущенном состоянии (с полностью мартенситной структурой) она наиболее стойка к коррозии. Если же сталь неправильно отпущена или имеет участки неравномерной структуры, могут возникнуть гальванические микропоры между участками с разной фазой (например, между мартенситом и остаточным аустенитом или дельта-ферритом), что слегка снизит коррозионную стойкость. Поэтому практикуется дополнительная пассивация поверхности изделий из AISI 431 после механической обработки – травление в кислоте с окислителем удаляет железо с поверхности и обогащает ее хромом, восстанавливая полноценный пассивный слой. Пассивированные детали из 431-й стали сохраняют устойчивость к ржавчине значительно дольше.

Отдельно стоит отметить стойкость против износа коррозионного происхождения: в условиях, где присутствует абразив и коррозионная среда одновременно (например, морская взвесь), сталь 431 показывает высокую сопротивляемость. Ее комбинация твёрдости и нержавеющих сво

Износостойкость и усталостная долговечность

В закаленном и отпущенном состоянии AISI 431 обладает повышенной износостойкостью по сравнению с большинством нержавеющих сталей. Твердый мартенсит с примесью карбидов обеспечивает высокое сопротивление абразивному износу (истиранию). Достижение твёрдости ~40 HRC делает эту сталь пригодной для деталей, подверженных трению – например, насосных валов, поршневых штоков, шестерён, клапанов, которые работают в коррозионной среде. Легирующие элементы (углерод ~0,2%, хром ~17%, никель ~2%) как раз и были подобраны так, чтобы одновременно повысить и твердость, и коррозионную стойкость материала. Тесты показывают, что износостойкость 431 сравнима с высокоуглеродистыми хромистыми сталями (например, 40Х13) при схожей твердости, но при этом 431 не ржавеет во влажной среде. Это важное качество для узлов, где происходит трение в присутствии воды или других жидкостей.

Усталостная прочность (способность выдерживать циклические нагрузки) у стали 431 также находится на высоком уровне благодаря сочетанию прочности и вязкости. Как отмечалось, при σв ~900–1000 МПа и ударной вязкости порядка 50–80 Дж/см², эта сталь терпит значительные переменные напряжения без появления трещин. Ее применяют в деталях, испытывающих вибрации, ударные циклические нагрузки – например, болты, шпильки высокопрочных соединений, пружинные элементы, оси и валки, работающие в умеренно агрессивной среде. Ресурс таких деталей из 431 в условиях усталости существенно превышает ресурс аналогичных деталей из менее прочных нержавеющих сталей. В частности, поршневые штоки гидроцилиндров из AISI 431 выдерживают тысячи циклов высокого давления благодаря запасу прочности и отсутствию коррозионных очагов на поверхности. 

Разумеется, для реализации полной усталостной долговечности требуется качественная термообработка (без отпускаемых зон) и хорошая финишная обработка поверхности (полировка или закалка ТВЧ для снятия концентраторов напряжений). 

В целом, по совокупности свойств AISI 431 часто рассматривают как материал для долговечных деталей, работающих под нагрузкой в контакте с коррозионной средой – то есть там, где одновременно важны и прочность, и стойкость против ржавления.

Микроструктура и термообработка AISI 431

Микроструктура стали AISI 431 после стандартной термической обработки представляет собой мартенсит с небольшим количеством δ-феррита и карбидных включений. Высокое содержание хрома (≈17%) способствует образованию некоторой доли δ-ферритной фазы при затвердевании слитка, однако последующая ковка и закалка приводят к преобладанию мартенситной структуры. В поставляемом виде (закалка + отпуск) структура – темперированный мартенсит (отпущенный мартенсит) с равномерным распределением мелких карбидов хрома и железа, что обеспечивает сочетание прочности и пластичности. Если сталь подверглась медленному охлаждению (например, при неправильном отжиге), то в структуре может присутствовать значительное количество феррита и крупные карбиды, делая материал более мягким и менее однородным.

Производители, как правило, поставляют AISI 431 уже термически обработанной. Полный отжиг для этой марки не применяется – при медленном охлаждении она самопроизвольно отвердевает (образуется структура типа бейнит/мартенсит), поэтому отжиг используют лишь частичный (субкритический) для снятия напряжений.

Основные режимы термообработки стали 431 следующие:

• Отжиг (субкритический)
  Материал нагревают до ~+620–650 °C, выдерживают и медленно охлаждают на воздухе. Такой режим снимает внутренние напряжения без полного размягчения стали. После субкритического отжига твёрдость обычно составляет ~250–300 HB. Полный же отжиг (нагрев выше Ac3 с очень медленным охлаждением) нецелесообразен, так как даже при печном охлаждении мартенсит частично образуется – сталь быстро твердеет при охлаждении на воздухе. Поэтому добиться полностью ферритно-перлитной структуры, как у углеродистых сталей, практически невозможно из-за высокой прокаливаемости сплава.
• Закалка
  Проводится путем нагрева до +980 – 1060 °C (выше точки Ac3, в области однофазного аустенита) с выдержкой ~30 минут для полного насыщения твердым раствором, затем быстрое охлаждение на воздухе или в масле. Воздух используется для мелких и средних сечений, масло – для более массивных деталей во избежание разности охлаждения. Для сложных по форме или ранее закаленных деталей рекомендуют перед основным нагревом сделать предварительный подогрев до ~+760 – 790 °C – это уменьшает тепловой шок и снижает риск трещинообразования. После такой двухступенчатой закалки достигается максимальная твёрдость (мартенсит).
  Важно: следует избегать медленного прохождения через диапазон ~425–600 °C при охлаждении или отпуске, так как в этом интервале возможна «хрупкость отпуска» – образование хрупких структур, приводящее к резкому снижению ударной вязкости. Поэтому контролируемое охлаждение от температуры закалки обычно выполняют быстрее, проходя 600 °C.
• Отпуск
  Стандартный отпуск для AISI 431 проводится при температурах от +600 до +680 °C (в зависимости от требуемой твердости). Например, отпуск при ~620 °C обеспечивает высокую прочность (~1000 МПа) при приемлемой пластичности, а отпуск при 650 °C дает несколько более низкую прочность (~900 МПа) при повышенной вязкости. Выдержка при температуре отпуска обычно 1–2 часа, затем охлаждение на воздухе. Как уже упоминалось, не допускается отпуск в диапазоне 425–600 °C – например, средний отпуск при ~500 °C чаще избегают, так как он может привести к снижению ударной вязкости (в этом интервале возможно выделение фосфидов или карбидов, вызывающее «синеломкость» мартенситных сталей). Правильно отпущенная сталь 431 имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита с равномерно распределёнными карбидами и минимальным количеством остаточного аустенита. Твёрдость после отпуска находится в диапазоне 28–35 HRC в зависимости от температуры.
• Ковка
  Заготовки из AISI 431 перед ковкой прогревают до +1150 – 1200 °C. Ковку проводят при высоких температурах, начиная с указанного интервала и заканчивая не ниже +900 °C (чтобы избежать закалки на воздухе во время ковки). Перегрев выше 1200 °C недопустим – материал может зерниться и терять вязкость. После ковки изделия нужно медленно охладить – обычно охлаждают вместе с печью либо укладывают в теплоизолирующий материал (сухую известь, золу). Это делается, чтобы предотвратить образование мартенсита при быстром остывании крупной поковки. После равномерного охлаждения до комнатной температуры кованую сталь сразу подвергают субкритическому отжигу (620–650 °C) для снятия остаточных напряжений. Правильно откованная и отожженная сталь затем может быть закалена и отпущена по обычному режиму для получения рабочих свойств.
• Сварка
  Сталь AISI 431 относится к трудносвариваемым. Высокий углерод и высокий хром делают ее склонной к горячим трещинам и закалочным структурам в зоне шва. Тем не менее сварка возможна при соблюдении технологий: перед сваркой деталь прогревают до +200 – 300 °C, чтобы снизить скорость охлаждения шва. Сварку ведут дуговыми процессами (ручная с покрытым электродом или аргонодуговая) с малыми тепловложениями. Сразу после сварки рекомендуется отпустить изделие при ~+650 °C (то есть провести высокий отпуск для снятия закалочных напряжений в зоне шва). В качестве присадочного материала применяют проволоку из родственной стали – обычно AISI 410 (13%Cr, без Ni). Шов при этом получается мартенситный после охлаждения, его также отпускают. Для повышения пластичности шва иногда используют аустенитные присадки – марки 308L, 309 или 310. Эти присадочные материалы дают мягкий аустенитный шов, менее прочный, но более вязкий и устойчивый к трещинам. В целом, сварные соединения стали 431 требуют высококвалифицированного подхода и последующей термообработки, поэтому по возможности сложные ответственные детали стараются изготавливать без сварки, с применением механической сборки или сварки с предварительным отжигом и окончательной закалкой всего изделия.
• Механическая обработка
  Обработка резанием (точение, фрезерование, сверление) стали 431 сложнее, чем углеродистых сталей, особенно в твердом состоянии. После закалки и отпуска (твердость > 30 HRC) металл плохо поддается резанию – быстро изнашивает инструмент. Поэтому рекомендуется проводить все основные операции резания либо на отожженной заготовке (с твердостью < 300 HB), либо применять специальный инструмент из твердых сплавов, керамики, с малой подачей и охлаждением. Сталь 431 имеет тенденцию наклепываться при резании, поэтому режимы должны подбираться так, чтобы резец постоянно снимал небольшой слой без трения по поверхностям. При соблюдении этих условий допускается чистовая мехобработка уже термически обработанной детали (например, шлифование закаленного вала). В некоторых случаях прибегают к предварительному высокому отпуску (скажем, до 250 HB), обработке резанием, а затем повторной закалке и отпуску изделия – но такая схема оправдана только для очень сложных деталей. В целом обрабатываемость 431 оценивается как удовлетворительная в мягком состоянии и низкая – в твердом.

Аналоги стали AISI 431

Марка AISI 431 имеет прямые аналоги в различных стандартах по всему миру. В России ближайшим аналогом является сталь 14Х17Н2 (старая марка ЭИ268) – мартенситно-коррозионностойкая сталь с 0,12–0,22% C, 16–18% Cr, 1,5–2,5% Ni (согласно ГОСТ 5632–2014). Фактически 14Х17Н2 и AISI 431 – это одна и та же сталь, просто обозначенная по разным системам.

Ниже перечислены основные зарубежные аналоги AISI 431:

• EU EN 1.4057, также известна как X17CrNi16-2 – европейское обозначение по EN 10088 для данного сплава. Цифры означают ~0,17% C, ~16% Cr, ~2% Ni. В Германии и других странах ЕС марка 1.4057 широко используется для тех же целей, что и AISI 431.
• UNS S43100 – унифицированный номер сплава в системе UNS (США), соответствующий AISI 431. Также в стандартах ASTM сплав может упоминаться под этим номером.
• BS 431S29 – марка по британскому стандарту BS, эквивалентная AISI 431. Буква "S" указывает на нержавеющую сталь, 431 – номер сплава, 29 – индекс состава. Британский аналог по сути идентичен американскому.
• JIS SUS 431 – японский стандарт JIS обозначает эту сталь как SUS431. Также встречается вариант SUS 431J1 или 431FB для конкретных применений, но химический состав аналогичен.
• AFNOR Z15CN16-02 – обозначение во французской системе AFNOR. Здесь Z15 означает ~0,15% C, CN16-02 – ~16% Cr, ~2% Ni. В некоторых источниках французский аналог также приводится как X20CrNi17-2, что по сути то же самое (X20 ~ 0,20% C).
• SS 2321 – шведская марка (стандарт SS) для стали 431. Состав соответствует AISI 431, иногда обозначается как SUS2321.
• ГОСТ 5632 20Х17Н2 – в советских/российских ГОСТ есть еще сплав 20Х17Н2 (0,20% C, 17% Cr, 2% Ni), однако по механическим свойствам он ближе к стали 1.4057 после определенного отпуска. Основным официальным аналогом все же числится 14Х17Н2.
• Китай: в китайских стандартах сплав может обозначаться как 20Cr17Ni2 или просто включаться под номером 431 в GB/T. Некоторые китайские производители указывают марку как CNS 431. По сути, это прямой аналог, выпускаемый по ТУ Китая.

Помимо перечисленных, сплав 431 может упоминаться в спецификациях AMS (для авиации) под номером AMS 5682 (проволока из нерж. сплава 431) и AMS 5628/5656 (поковки и прутки). В стандартах DIN старого образца ему соответствует обозначение X20CrNi17-2, однако в настоящее время DIN полностью перешел на нумерацию EN 1.4057.

Как видно, химический состав у всех этих марок практически одинаков, небольшие различия касаются допустимых примесей. При подборе аналога важно убедиться, что механические свойства после термообработки соответствуют требованиям, так как разные стандарты могут задавать разные условия поставки (например, по твердости или ударной вязкости).

Нормативные документы и сертификация

Производство и применение стали AISI 431 регламентируется рядом стандартов. В США сама марка определяется в спецификациях ASTM и SAE. Хотя AISI ныне не выпускает официальных стандартов, название AISI 431 продолжает использоваться в промышленности. Основные актуальные стандарты для данной стали:

• ASTM A276 – прокат сортовой нержавеющий (круглый, квадрат, шестигранник и профили). Марка 431 входит в этот стандарт; согласно ему поставляют прутки горячекатаные, кованые или холоднотянутые. Стандарт указывает требования к механическим свойствам для состояния поставки.
• ASTM A240/A240M – листы и плиты из коррозионностойких сталей. AISI 431 может поставляться в виде листового проката по этому стандарту, хотя из-за высокой твердости толстые плиты из нее прокатывают реже.
• ASTM A182 – поковки из нержавеющих сталей для фланцев и фитингов. Сталь 431 применяется для изготовления фланцевых соединений, в том числе по этой спецификации (группа мартенситных сталей).
• ASTM A479 – стержни и прутки из нержавеющей стали для применения в котлах и сосудах под давлением. Марка 431 может поставляться по A479 для использования в энергетическом машиностроении, если удовлетворяет требуемым свойствам.
• ASTM A511 – бесшовные трубы для механических и высокотемпературных применений. Допускает сплав 431 для изготовления труб, хотя мартенситные стали трубопрокатным методам поддаются сложнее.
• ASTM A213 / A269 / A249 – стандарты на трубы: A213 для бесшовных, A269 для общепромышленных труб, A249 для сварных теплообменных труб. Там также фигурируют аналогичные марки сталей (430, 410), и 431 может применяться при соответствии требованиям по свойствам.
• ASTM A314 – заготовки и прутки для ковки (поковочные прутки), включает сталь 431 как вариант поставки для дальнейшей ковки.
• ASTM F899 – кованые нержавеющие стали для хирургических инструментов. В этом стандарте присутствует марка 431, что отражает ее применение в медицинских инструментах, требующих высокой прочности и коррозионной стойкости.

В России сталь 14Х17Н2 регламентируется рядом ГОСТов. ГОСТ 5632–2014 "Сплавы коррозионно-стойкие и жаропрочные. Марки" содержит химический состав и общие сведения о свойствах этого сплава. Согласно ГОСТ 5632, 14Х17Н2 относится к мартенситным нержавеющим сталям с указанным выше составом. Требования к механическим свойствам и термообработке проката из этой стали даются в стандартах на прокат. В частности, ГОСТ 5949–2018 (ранее 5949–75) распространяется на сортовой нержавеющий прокат (прутки, поковки) из коррозионно-стойких сталей, включая 14Х17Н2. Там задаются максимальные твердости для различных состояний, методы испытаний и маркировка. Также может применяться ГОСТ 7350–2018 для поковок из нержавеющих сталей. Для труб существуют ГОСТы серии 11068/9941 (бесшовные трубы из коррозионно-стойких сталей) – однако 14Х17Н2 трубопроизводители используют редко, чаще применяют 12Х13 или аустенитные.

Приемка металлопроката марки AISI 431/14Х17Н2 включает обязательный контроль химического состава (спектральный или лабораторный анализ) и механических свойств. Обычно на заводе-изготовителе проводят испытание твердости, а при поставке крупных партий – испытание на растяжение и ударную вязкость образцов. В сертификате качества (паспорте) указываются результаты этих испытаний, а также соответствие продукта требованиям конкретного стандарта или ТУ. Маркировка готового проката выполняется несмываемой краской или штампом: на каждом прутке или пачке листов наносят марку стали (например, «14Х17Н2» или «431»), номер плавки и клеймо ОТК. Для экспортных партий часто оформляются сертификаты по EN 10204 (тип 3.1 или 3.2), подтверждающие заявленные характеристики стали.

Следует отметить, что сертификация в промышленности на такую сталь может включать дополнительные требования отраслевых стандартов. Например, в нефтегазовой отрасли могут запрашивать соответствие NACE MR0175 (стойкость к сероводородному растрескиванию) – однако мартенситная сталь 431 там применима ограниченно из-за умеренного содержания Ni. В любом случае, при закупке важно проверить, что поставщик предоставил полный пакет документов: паспорт с химическим составом, механическими свойствами, результаты неразрушающего контроля (при необходимости) и указание стандарта изготовления.

Сталь AISI 431 представляет собой уникальный материал, сочетающий качества высокопрочной стали и коррозионностойкого сплава. Благодаря высокому содержанию хрома (~17%) и присутствию никеля (~2%), она обладает лучшей коррозионной стойкостью среди мартенситных нержавеющих сталей, хотя и уступает в этом отношении классическим аустенитным маркам (типов 304, 316L). Тем не менее, 431-я сталь незаменима там, где нужна высокая прочность при сохранении нержавеющих свойств – её можно закалить до твердости ~40 HRC, получив предел прочности около 1000 МПа. Ни одна аустенитная сталь не способна дать такую твердость без потери коррозионной стойкости. Поэтому AISI 431 используется в ответственных узлах: валы, шпиндели, насосные детали, крепеж для агрессивных сред, части турбин и компрессоров и т.д., где она успешно работает в широком диапазоне температур (от -20 °C до +400 °C) и нагрузок.

В каталоге на сайте СПб Металл вы можете ознакомиться с ассортиментом стали разных марок, в том числе и AISI 431. Наша продукция применяется для самых ответственных задач, где важны высокая прочность, износостойкость и другие характеристики. Если вам потребуется консультация, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону или с помощью форм обратной связи на сайте.