Сталь X22CrMoV12-1: характеристики марки, расшифровка, состав

Сталь X22CrMoV12-1 (W.Nr. 1.4923) – это высоколегированная мартенситная жаропрочная нержавеющая сталь, разработанная для эксплуатации при повышенных температурах. Данная марка отличается сочетанием высокой прочности и ползучестойкости при нагреве, а также умеренной коррозионной стойкости. 

Сталь X22CrMoV12-1 востребована в энергетическом и машиностроительном секторах благодаря способности сохранять свои свойства вплоть до ~600 °С. Основные области применения включают детали паровых турбин (например, лопатки, роторы), крепёж для высокотемпературных зон (болты, шпильки), элементы реакторного оборудования и узлы паровых котлов. 

Добавление ванадия в состав этой стали повышает её сопротивление ползучести и разрывную прочность при длительном нагружении, а 12%-ное содержание хрома обеспечивает окалиностойкость при температурах до ~600 °С.

Расшифровка марки

Обозначение X22CrMoV12-1 регламентировано европейскими стандартами (в том числе EN 10269 и EN 10088-1) и указывает на химический состав стали. 

Буква X в начале маркировки означает высоколегированную сталь (с содержанием легирующих элементов > 5%), а число 22 указывает приблизительное среднее содержание углерода 0,22%. 

Далее следуют химические символы основных легирующих элементов: 

• Cr – хром
• Mo – молибден
• V – ванадий

Число 12 после этих символов обозначает порядка 12% хрома в сплаве, а заключительная цифра 1 – примерно 1% молибдена в составе (ванадий присутствует в умеренном количестве и отражён буквой V без числового индекса). 

Таким образом, марка X22CrMoV12-1 «расшифровывается» как сталь с ~0,22% C, легированная хромом (~12%), молибденом (~1%) и ванадием. В различных стандартах эта сталь также известна под обозначением 1.4923 (номер материал по DIN/EN) и относится к классу жаропрочных сталей. Следует отметить, что небольшое количество никеля (до ~0,5%) в составе не отражено в названии, но оно присутствует и улучшает вязкость стали при низких температурах.

Химический состав

Химический состав X22CrMoV12-1 сбалансирован для обеспечения сочетания жаропрочности и коррозионной стойкости. Основные элементы и их содержание в данной стали (в соответствии с EN 10088-1) следующие:

• Углерод (C) – 0,18–0,24%. Повышенное (по сравнению с нержавеющими аустенитными сталями) содержание углерода обеспечивает образование мартенситной структуры после закалки и придает материалу высокую прочность и твердость . Углерод образует карбиды с хромом, молибденом и ванадием, что повышает износостойкость и предел ползучести стали.
• Хром (Cr) – 11,0–12,5%. Является основным легирующим элементом, отвечающим за коррозионную стойкость и жаростойкость. 12% Cr обеспечивает стали «нержавеющие» свойства – образует на поверхности пассивную оксидную плёнку, устойчивую в парах воды и при повышенных температурах. Хром также повышает прочностные характеристики стали.
• Молибден (Mo) – 0,8–1,2%. Улучшает жаропрочность и ползучестойкость стали при длительном воздействии высоких температур. Этот компонент укрепляет твёрдый раствор и карбиды, повышая длительную прочность. Также Mo несколько повышает стойкость стали к коррозии в агрессивных средах, препятствуя точечной коррозии.
• Ванадий (V) – 0,25–0,35%. Сильный карбидообразующий элемент. Ванадий образует мелкодисперсные ванадиевые карбиды, которые препятствуют росту зерна при высоких температурах и упрочняют сталь. Благодаря ванадию значительно повышается ползучая прочность и длительная теплостойкость материала. Кроме того, V обеспечивает устойчивость стали к отпускной хрупкости, позволяя проводить отпуск при высоких температурах без значительной потери твердости.
• Никель (Ni) – 0,3–0,8%. Небольшая добавка никеля улучшает пластичность и ударную вязкость стали, особенно при пониженных температурах, несколько повышая сопротивление хрупкому разрушению. Никель также способствует устойчивости аустенита при закалке, однако его содержание невелико, чтобы сталь оставалась мартенситной.
• Марганец (Mn) – 0,4–0,9%. Марганец вводится для десульфурации и улучшения прокаливаемости. Он связывает серу в сульфиды, уменьшая риск горячих трещин, и незначительно повышает прочность стали. В данном сплаве содержание Mn умеренное, чтобы не снизить жаропрочность.
• Кремний (Si) – ≤0,5%. Кремний используется как раскислитель при выплавке стали. В готовом сплаве он повышает стойкость к окислению при высоких температурах и немного увеличивает прочность, однако его количество ограничено (не более 0,5%), чтобы не снизить пластичность и ударную вязкость.
• Фосфор (P) и сера (S) – нежелательные примеси, ограниченные уровнем ≤0,025% P и ≤0,015% S. Низкое содержание этих элементов крайне важно для жаропрочных сталей: фосфор снижает пластичность и ударную вязкость, особенно при низких температурах, а сера образует хрупкие сульфиды и вызывает красноломкость. В стали X22CrMoV12-1 строгий контроль P и S обеспечивает высокую пластичность и вязкость, необходимые для длительной работы под нагрузкой.

Остальную часть сплава составляет железо (Fe) (около 84–87%). Таким образом, X22CrMoV12-1 – это легированная сталь с относительно высоким содержанием хрома и добавками Mo, V, Ni, обеспечивающими ее уникальные свойства.

Механические и физические характеристики стали X22CrMoV12-1

Сталь X22CrMoV12-1 поставляется, как правило, в закалённо-отпущенном состоянии, при котором достигаются оптимальные механические свойства. Типичные показатели прочности и пластичности для проката толщиной до 160 мм следующие:

• Предел прочности (временное сопротивление разрыву, Rm) – 800–950 МПа (для состояния QT1) и до 900–1050 МПа (для усиленного состояния QT2). Такие высокие значения прочности достигаются за счет мартенситной структуры и дисперсных карбидов легирующих элементов.
• Предел текучести (Rp0.2) – не ниже 600 МПа (QT1) и ~700 МПа (QT2). Высокий предел текучести означает способность стали выдерживать значительные статические нагрузки при рабочей температуре без остаточной деформации.
• Твёрдость – в закалённо-отпущенном состоянии составляет ~260–310 HB (по Бринеллю), что примерно соответствует 28–33 HRC. После отпуска при ~700 °С твердость находится в этих пределах, обеспечивая баланс прочности и вязкости. В отожженном состоянии твёрдость ниже (около 200 HB), что улучшает обрабатываемость резанием.
• Относительное удлинение (A5) – не менее 11–14% (в зависимости от режима термообработки). Достаточно высокий показатель пластичности для столь прочной стали свидетельствует о хорошей вязкости и способности материала работать в условиях переменных нагрузок.
• Относительное сужение – порядка 35–40%, что подтверждает высокую пластичность и сопротивление развитию трещин.
• Ударная вязкость (KCV) – не менее 20–27 Дж (при +20 °С). Для жаропрочной стали это удовлетворительный уровень ударной вязкости; материал не хрупкий и способен противостоять ударным нагрузкам при комнатной температуре. При отрицательных температурах ударная вязкость несколько снижается, но небольшое добавление никеля помогает сохранять приемлемые значения.

Физические свойства

Плотность стали X22CrMoV12-1 составляет около 7,7–7,78 г/см3, что близко к плотности углеродистых сталей (высокое содержание хрома и молибдена немного уменьшает плотность). Модуль упругости при 20 °С – порядка 210 ГПа, с понижением до ~170 ГПа при 500 °С. Коэффициент термического расширения – примерно 10–12×10−6 1/°C (в интервале от 20 °С до 600 °С), что нужно учитывать при соединении с другими материалами (тепловые зазоры, допуски). Теплопроводность стали сравнительно невысока: при 20 °С около 24 Вт/(м·°С), а удельная теплоёмкость – порядка 460 Дж/(кг·°С).

Вот еще некоторые характеристики данной стали:

• Температурная стойкость
  
  X22CrMoV12-1 относится к жаропрочным сталям, сохраняющим высокую прочность при повышенных температурах. Предельная рабочая температура длительной эксплуатации составляет ~600 –620 °С. При таких условиях сталь демонстрирует отличную ползучестойкость и стабильность структуры в течение длительного времени. Испытания показывают, что материал 1.4923 эффективно работает до ~580 °С без существенной потери свойств.
  
  Благодаря карбидообразующим элементам (Cr, Mo, V) сталь устойчива к разупрочнению: при нагреве они образуют мелкие карбиды, препятствующие ползучести. Например, наработанный в промышленности предел длительной прочности для X22CrMoV12-1 при 550 °С и нагрузке 100 МПа составляет значительные тысячи часов без разрушения (точные данные зависят от режима термообработки). Также данная сталь обладает высокой усталостной прочностью при циклических температурах, что важно для турбинных роторов и крепежа.
• Коррозионная стойкость
  
  По классификации X22CrMoV12-1 является нержавеющей (сталь содержит >12% Cr), однако её коррозионная устойчивость уступает классическим коррозионностойким сталям с 17–18% Cr. В отсутстви агрессивных сред (хлоридов, кислот) эта сталь корродирует незначительно. В водяном пару и при высокой температуре она образует прочную оксидную плёнку и практически не окисляется. Однако в влажной атмосфере с содержанием хлорид-ионов (например, морская вода) стойкость невысока – возможна межкристаллитная и точечная коррозия. Поэтому X22CrMoV12-1 обычно применяется в средах типа сухого горячего пара, инертных газов, где ее «средняя» коррозионная стойкость вполне достаточна.
  
  Следует учесть, что после закалки и отпуска структура стали мартенситная с карбидами; для максимальной коррозионной стойкости иногда проводят дополнительную термообработку (например, высокий отпуск или стабилизирующий отжиг), чтобы снизить напряжения и выстроить равновесную структуру.
  
  В целом по параметрам коррозионной стойкости X22CrMoV12-1 не уступает другим 12% хромистым сталям и в ряде случаев может успешно заменять более дорогие жаропрочные сплавы там, где требования к антикоррозии умеренные.

Технологические свойства

Сталь X22CrMoV12-1 хорошо поддается горячей обработке давлением и термической обработке. Ковка заготовок обычно производится в интервале температур 1150–900 °С с последующим медленным охлаждением для предотвращения растрескивания. Сварка данной стали затруднена из-за склонности к закалочной структурной трансформации: для успешной сварки необходим подогрев деталей до ~400 °С и ограничение тепловложения, а после сварки – немедленная закалка и отпуск шва. 

В промышленности X22CrMoV12-1 часто выплавляют с использованием методов вакуумно-дуговой или электрошлаковой переплавки (ESR) для обеспечения высокой чистоты и однородности металла. Оптимальные свойства достигаются режимом термообработки: закалка с ~1050 °С на воздухе и высокий отпуск при 700–750 °С ~4 часа, что обеспечивает требуемую комбинацию прочности и пластичности. В результате получается материал, пригодный для последующей механической обработки (обрабатываемость резанием оценивается как средняя из-за высокой твердости, но приемлемая при использовании твердосплавного инструмента).

Российские и зарубежные аналоги стали X22CrMoV12-1

Марка X22CrMoV12-1 является международной (европейской) и не имеет прямого аналога в ГОСТ, однако в России разработаны стали схожего состава под техническими условиями. 

Ближайшим российским аналогом считается сталь 18Х11МНФБ (ЭП291) – жаропрочная высоколегированная сталь с аналогичным назначением. Её состав (0,18% C; 11% Cr; легирована Mo, Ni, V + небольшая добавка Nb) очень близок к X22CrMoV12-1, а механические свойства соответствуют уровню стали 1.4923. Сталь 18Х11МНФБ выпускается в странах СНГ по техническим условиям производителей, тогда как ее европейский прототип регламентирован стандартом EN 10269. Наличие ниобия (обозначение «Б») в российской марке способствует дополнительной жаропрочности за счет образования ниобиевых карбидов, а повышенное содержание никеля (до ~1%, обозначение «Н») улучшает свариваемость и ударную вязкость. 

Таким образом, 18Х11МНФБ по потребительским свойствам полностью соответствует стали X22CrMoV12-1 и может использоваться в аналогичных условиях.

Зарубежные аналоги

Сталь X22CrMoV12-1 широко известна во многих странах, и под национальными стандартами ей соответствуют несколько марок. 

• В Германии сама X22CrMoV12-1 введена стандартом DIN 17240 (а также DIN EN 10222-2 для поковок) под номером W.Nr. 1.4923. Близкими по составу являются немецкие марки X20CrMoV11-1 (1.4922) и X21CrMoV12-1 (1.4926), отличающиеся лишь незначительно (углерод 0,20% и 0,21% соответственно). 
• В Великобритании эквивалентом считается сталь по стандарту BS 970 с кодом 422 (известная как Alloy 422 или BS 762), которая практически идентична по химическому составу (0,22% C, 12% Cr, ~1% Mo, V). 
• В США ближайшим аналогом является сталь AISI 422 (UNS S42200) – высокопрочная жаропрочная нержавеющая сталь, применяемая для турбинных лопаток и крепежа; по составу она очень схожа, хотя может содержать незначительное количество вольфрама. 
• Во Франции аналогом служит сплав Z20CDNbV11 (стандарт AFNOR), легированный ниобием и соответствующий требованиям к жаропрочности, аналогичным 1.4923. 
• В Китае данная сталь известна под маркировкой 21Cr12MoV (в стандарте GB) либо 2Cr12MoV, что отражает ~0,21% C, 12% Cr, легирование Mo и V. 

Таким образом, X22CrMoV12-1 имеет прямые эквиваленты во многих странах, что говорит о её распространённости и признанных характеристиках. Это облегчает подбор материала при международном проектировании: например, при замене на российский рынок изделия из 1.4923 могут изготавливаться из 18Х11МНФБ, без ухудшения свойств.

Применение стали X22CrMoV12-1

Основные сферы применения X22CrMoV12-1 связаны с работой при высоких температурах и давлении. Благодаря сочетанию прочности и жаростойкости эта сталь нашла применение прежде всего в энергетическом машиностроении. Из нее изготавливают детали паровых и газовых турбин – валы и роторы турбин, рабочие лопатки турбин последних ступеней, которые испытывают значительные центробежные нагрузки при 500–600 °С. 

Кроме того, сталь 1.4923 широко применяется для высокотемпературного крепежа: болты, шпильки, гайки и другие крепёжные элементы для паровых котлов, турбинных корпусов, фланцев трубопроводов перегретого пара. 

В котлостроении и химическом машиностроении X22CrMoV12-1 используют для изготовления деталей котлов и теплообменников, трубопроводной арматуры, работающей при высоких параметрах пара, корпусов и фланцев реакторов, где требуется устойчивость к ползучести и коррозии под напряжением. 

В нефтегазовой и химической промышленности из этой стали делают клапаны, вентили и детали насосов для горячих потоков, например, в установках каталитического крекинга, гидрокрекинга – там, где температура среды может достигать 500 °С и присутствуют давящие нагрузки.

В авиационно-космической отрасли X22CrMoV12-1 применяется при производстве деталей турбореактивных и газотурбинных двигателей – таких как элементы компрессоров и турбин, крепежные детали жаровой трубы, где температура газов и нагрузки чрезвычайно высоки. Сталь пригодна для некоторых деталей ракетных энергоустановок, камер сгорания, хотя при экстремальных температурах (выше 600 °С) предпочтение отдается никелевым суперсплавам. Тем не менее, в диапазоне до ~600° эта марка экономически выгодна и успешно заменяет дорогие сплавы на основе никеля во многих узлах.

В атомной энергетике данная сталь находит применение в реакторных установках традиционных АЭС – из нее могут изготавливаться шпильки крепления крышки реактора, элементы управляющих механизмов, требующие стабильности при нагреве и радиационной стойкости. Она упоминается как материал для оболочек тепловыделяющих элементов и внутренних узлов реакторов, работающих при ~300–350 °С в среде воды под давлением, где ее коррозионной стойкости в чистой воде достаточно, а прочностные характеристики обеспечивают надежность.

Сталь X22CrMoV12-1 также используется для пружин и ресор, работающих при повышенной температуре (например, пружины клапанов турбин, компенсаторы трубопроводов). Жаропрочная релаксационная стойкость стали позволяет пружинным элементам долго сохранять упругость под нагрузкой и в нагретом состоянии.

Важно отметить, что хотя X22CrMoV12-1 обладает хорошей коррозионной стойкостью в горячем паре, в агрессивных средах (например, в печах с присутствием сернистых газов) она может подвергаться коррозионному износу. Поэтому область применения ограничена теми средами, где нет сильных окислителей или хлоридов. В сухих газах, вакууме, парах воды сталь служит длительно и надёжно.

В целом перечень изделий из стали X22CrMoV12-1 включает: 

• Роторы и лопатки турбин
• Раропроводы и коллекторы перегретого пара
• Болты и шпильки трубопроводных фланцев высокого давления
• Элементы клапанов и арматуры котлов
• Детали компрессоров и двигателей
• Ответственные пружины и крепёж для высокотемпературных аппаратов

Благодаря стандартности этой марки в EN, детали из нее могут взаимозаменяться на международном уровне – например, европейские крепежные изделия класса 1.4923 используются в оборудовании, поставляемом по всему миру.

Сталь X22CrMoV12-1 зарекомендовала себя как надежный материал для эксплуатации в условиях высоких температур и нагрузок. Ее высокая прочность и ползучестойкость при 500–600 °С позволяют создавать долговечные детали энергетического и промышленного оборудования, которые сохраняют геометрические размеры и несущую способность на протяжении тысяч часов работы. 

Жаропрочная стабильность обеспечивается специальным легированием (Cr, Mo, V), что отличает эту сталь от обычных нержавеющих: она меньше теряет прочность при нагреве и более устойчива к ползучести. 

Умеренная коррозионная стойкость (12% Cr) делает выбор X22CrMoV12-1 оправданным в средах типа горячего пара, сухого воздуха – там, где классические конструкционные стали быстро окислялись бы. В то же время в очень агрессивных химически средах могут потребоваться стали с более высоким содержанием Cr или специальные сплавы.

Выбор марки X22CrMoV12-1 оправдан в тех случаях, когда необходим компромисс между прочностью, жаростойкостью и стоимостью. Она заметно дешевле никелевых суперсплавов и кобальтовых жаропрочных материалов, но при этом до определенного порога температур (≈600 °С) обеспечивает сходный уровень свойств. 

В конструкциях паровых турбин, котлов, компрессоров использование этой стали позволяет повысить надежность и долговечность узлов без значительного удорожания. Кроме того, сталь 1.4923 стандартизована (EN 10269, EN 10302) и имеет отлаженную технологию обработки, что гарантирует воспроизводимое качество деталей.

Конечно, для успешного применения важно соблюдать технологические требования – правильную термообработку, условия сварки – однако при выполнении этих условий X22CrMoV12-1 демонстрирует превосходные результаты. 

В практике энергетического машиностроения эта сталь показала себя надежным материалом: многочисленные турбины и котельные установки по всему миру эксплуатируются с деталями из 1.4923 уже десятилетиями. 

Таким образом, сталь X22CrMoV12-1 можно считать оптимальным выбором для деталей, работающих при высоких температурах и давлениях, где она обеспечивает необходимую комбинацию прочности, вязкости и жаростойкости, оправдывая свой выбор экономически и технически.

В каталоге на сайте СПб Металл  вы можете ознакомиться с ассортиментом стали разных марок, в том числе и X22CrMoV12-1. 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.