AISI 431 (14Х17Н2): аналог, состав, свойства и отличия от 303 и 302

Что такое AISI 431 и 14Х17Н2: класс и химический состав

AISI 431 (UNS S43100) — нержавеющая сталь мартенситного класса с добавкой никеля. Хрома в ней 15–17 %, никеля 1,25–2,50 % по ASTM A276. Российская 14Х17Н2 (прежнее обозначение 1Х17Н2, марка ЭИ268) в ГОСТ 5632-2014 относится к мартенсито-ферритному классу, порядковый номер марки 2-4. Название читается так: 14 — около 0,14 % углерода, Х17 — около 17 % хрома, Н2 — около 2 % никеля.

Сталь закаливается и после термообработки прочнее аустенитных марок. Никель делает её вязче и коррозионно-стойче, чем хромистые стали с 13 % хрома (12Х13, 20Х13, 40Х13). Производители описывают её как марку для случаев, когда стойкости или вязкости 12-процентных хромистых сталей не хватает.

Марочник сталей и сплавов приводит состав по ГОСТ 5632-72: пределы по основным элементам те же, дополнительно ограничены титан (до 0,2 %) и медь (до 0,3 %). Заменителем 14Х17Н2 марочник называет 20Х17Н2.

Аналог AISI 431: EN 1.4057, SUS431 и где совпадения нет

Все эти марки считают аналогами, но совпадают они не полностью. Хром в ГОСТ — 16–18 %, в ASTM и EN — 15–17 %: общий участок только 16–17 %. Углерод в ГОСТ — 0,11–0,17 %, в EN — 0,12–0,22 %, в ASTM — не более 0,20 % без нижней границы. Никель по ГОСТ и EN — 1,5–2,5 %, по ASTM нижняя граница 1,25 %.

Плавка с 16,5 % хрома, 0,15 % углерода и 2,0 % никеля подходит под все три стандарта. Плавка с 15,5 % хрома соответствует AISI 431 и 1.4057, но не 14Х17Н2. Плавка с 0,19 % углерода проходит по ASTM и EN, но не по ГОСТ. Поэтому при замене марки в заказе указывают нужный стандарт, а соответствие проверяют по сертификату с анализом плавки. Общая таблица соответствия марок — в статье об аналогах нержавейки.

Термообработка и механические свойства

Свойства 14Х17Н2 задаёт термообработка. ГОСТ 5949-2018 нормирует для неё два режима: закалку в масле с низким или высоким отпуском. В поставке твёрдость прутка — не более 285 HB (табл. 1).

Размер образцов в таблице — по данным марочника сталей и сплавов, пруток Ø 60 мм. Низкий отпуск даёт максимальную прочность, высокий — вязкость и пластичность. ГОСТ 5632-2014 отмечает, что наибольшей коррозионной стойкостью 14Х17Н2 обладает после закалки с высоким отпуском.

Прочность держится почти на одном уровне до 500 °C, а ударная вязкость после отпуска при 500 и 600 °C заметно ниже, чем после 300, 400 и 700 °C. Это отпускная хрупкость.

Atlas Steels отмечает, что сталь закаливается примерно до 40 HRC. Для сравнения, 40Х13 после закалки даёт не менее 50 HRC (статья о стали 40Х13). Как твёрдость распределяется по остальным маркам — в статье о твёрдости нержавеющей стали.

Режимы термообработки

• Закалка. ГОСТ 5949-2018 — 975–1040 °C, масло (или 1000–1030 °C для режима с высоким отпуском). EN 10088-3 — 950–1050 °C, воздух или масло. Atlas Steels — 980–1065 °C, выдержка около получаса, воздух или масло.
• Отпуск. Низкий — 275–350 °C (ГОСТ 5949-2018), высокий — 620–660 °C. По EN: QT800 — отпуск при 750–800 °C и повторный при 650–700 °C, QT900 — при 600–650 °C. Если никель на нижней границе, для QT800 достаточно одного отпуска при 620–720 °C (Swiss Steel Group).
• Отжиг. Данные расходятся. Rodacciai и Swiss Steel Group дают смягчающий отжиг 680–800 °C с охлаждением в печи или на воздухе. Atlas Steels пишет, что полный отжиг непрактичен — сталь закаливается и при медленном охлаждении, — и предлагает промежуточный отжиг при 620–660 °C.
• Интервал, которого избегают. Atlas Steels и AZoM — отпуск при 425–600 °C из-за потери ударной вязкости; Swiss Steel Group — 420–520 °C (охрупчивание «475 °C»), в том числе при эксплуатации. Марочник сталей и сплавов указывает, что 14Х17Н2 склонна к отпускной хрупкости. Режимы ГОСТ 5949-2018 в этот интервал не попадают.

Плотность, магнитность и физические свойства

В скобках — значения второго источника, они немного расходятся. На заказ это не влияет: круг Ø 20 мм при 7,75 г/см³ весит около 2,43 кг на метр. В калькуляторе веса металлопроката для 14Х17Н2 заложено 7,75 г/см³.

Магнитность. Сталь ферромагнитна. Магнит отличает 14Х17Н2 от аустенитных 304, 321 и 12Х18Н10Т, но не от 40Х13, 12Х13 или AISI 430. Почему одни нержавейки магнитятся, а другие нет, — в статье магнитится ли нержавейка.

Нагрев. Atlas Steels называет стойкость к окалинообразованию 925 °C при периодическом и 870 °C при постоянном нагреве, но не рекомендует работать выше температуры отпуска: прочность падает. Swiss Steel Group указывает температуру применения около 400 °C.

Коррозионная стойкость

Atlas Steels называет 431 лучшей по коррозионной стойкости среди мартенситных марок: хрома больше, чем в 12Х13 и 40Х13, и есть никель. Общая стойкость, по тем же данным, примерно такая же, как у AISI 304, или немного ниже. AZoM пишет, что сталь заметно стойка к солёной воде.

• Где хватает. Atlas Steels отмечает хорошую стойкость в широком круге сред. ГОСТ 5632-2014 называет детали, работающие в агрессивных средах и при пониженных температурах, марочник — детали компрессоров на нитрозном газе.
• Морская вода. Atlas Steels: приемлемая стойкость в холодной морской воде, но не в тёплой тропической. Для постоянного контакта с морской водой берут другие марки — какие, разобрано в статье о нержавейке для морской воды.
• Состояние. Наибольшая стойкость — после закалки с высоким отпуском (ГОСТ 5632-2014) и на гладкой поверхности (Atlas Steels, Swiss Steel Group): у полированной стали она выше, чем у шероховатой.
• Межкристаллитная коррозия. Swiss Steel Group отмечает, что выпадение карбидов хрома делает 1.4057 склонной к межкристаллитной коррозии. Подробнее о механизме — в статье о межкристаллитной коррозии.

Сварка, резание и холодная деформация

Марочник сталей и сплавов относит 14Х17Н2 к трудносвариваемым: нужны подогрев 200–300 °C и термообработка после сварки. Atlas Steels называет сварку трудной из-за риска трещин. Swiss Steel Group оценивает свариваемость 1.4057 как хорошую, но только при подогреве 100–300 °C и отпуске сразу после сварки.

• Подогрев. 200–300 °C перед сваркой (Atlas Steels, марочник); 100–300 °C при присадке, близкой к основному металлу (Swiss Steel Group).
• После сварки. Отпуск при 650 °C (Atlas Steels). Для лучших свойств изделие термообрабатывают целиком (Swiss Steel Group).
• Присадка. 410 — шов, близкий по свойствам к основному металлу; 308L, 309 или 310 — более пластичный шов, но без равной прочности (Atlas Steels).
• Защитный газ. Без азота и газов, содержащих углерод: они ухудшают свойства шва (Swiss Steel Group). После сварки удаляют брызги и цвета побежалости — иначе стойкость шва ниже.

Общие правила сварки нержавейки — в статье о сварке нержавеющей стали.

Резание. В отожжённом состоянии сталь обрабатывается относительно легко; выше 30 HRC обработка становится трудной (Atlas Steels, AZoM). Swiss Steel Group оценивает обрабатываемость как невысокую: 1.4057 режется как углеродистая сталь той же твёрдости. Заготовку обрабатывают до размера, затем закаливают. О выборе сверла и режимов — в статье о сверлении нержавейки.

Холодная деформация. Atlas Steels не рекомендует 431 для холодной высадки, гибки, глубокой вытяжки и накатки: у неё высокая текучесть, и деформировать её трудно.

Где применяют AISI 431 (14Х17Н2)

ГОСТ 5632-2014 (приложение А) называет для 14Х17Н2 рабочие лопатки, диски, валы, втулки и другие детали, а также детали, работающие в агрессивных средах и при пониженных температурах в химической, авиационной и других отраслях. Марочник добавляет фланцы, крепёж и детали компрессоров на нитрозном газе. Справочники производителей уточняют:

• Валы и оси — валы насосов, гребные валы (Atlas Steels, AZoM).
• Крепёж — болты, гайки, шпильки (Atlas Steels, AZoM).
• Судовое оборудование — морская фурнитура в холодной воде (Atlas Steels).
• Отрасли — авиация, автомобилестроение, химическая и нефтехимическая промышленность, машиностроение (Swiss Steel Group).
• Лабораторное оборудование (AZoM).

Почему 431, а не 304 или 420

• 304 и 12Х18Н10Т не упрочняются термообработкой. Предел текучести отожжённой 304 по ASTM A276 — от 205 МПа. У 14Х17Н2 по ГОСТ 5949-2018 он не менее 635–835 МПа — в три–четыре раза больше. Взамен вы получаете ферромагнитность, трудную сварку и стойкость к коррозии на уровне 304 или чуть ниже.
• 420 и 40Х13 тверже, но коррозионно слабее. Закалённая 40Х13 даёт от 50 HRC, 431 — около 40 HRC, зато у неё больше хрома и есть никель. Для режущего инструмента и деталей на износ берут 420 или 40Х13, для валов и крепежа в коррозионной среде — 431.
• Если нужна ещё более высокая твёрдость, Atlas Steels советует 440C, а если достаточно меньшей прочности — 410.

Сортамент и стандарты на круг и шестигранник

Технические требования к сортовому прокату из 14Х17Н2 задаёт ГОСТ 5949-2018, состав — ГОСТ 5632-2014. Прокат бывает горячекатаным, кованым или калиброванным, термообработанным или нагартованным. Состояние поставки и твёрдость оговаривайте при заказе.

В нашем каталоге 14Х17Н2 (AISI 431) — это круг диаметром от 5 до 240 мм, горячекатаный и холоднотянутый калиброванный, и калиброванный шестигранник размером под ключ от 17 до 41 мм. Позиции собраны в разделе круг, квадрат и шестигранник нержавеющие; наличие и размеры смотрите в прайсе. Есть также лента AISI 431 толщиной 0,05–0,8 мм — в разделе лента нержавеющая. В заявке укажите марку, диаметр или размер под ключ, длину, стандарт и состояние поставки.

Чем AISI 431 отличается от 303 и 302

Это справочная часть: марки 303 и 302 в виде круга и листа мы не поставляем. Подходящие марки для вашей задачи смотрите в каталоге: круг AISI 304, 321 и 316L — в разделе круг нержавеющий. В каталоге есть пружинная проволока по EN 10270-3 (1.4310), которая в прайсе обозначена как аналог AISI 302, — раздел проволока нержавеющая.

AISI 303: автоматная аустенитная сталь

303 (UNS S30300, EN 1.4305 / X8CrNiS18-9) — аустенитная сталь с 17–19 % хрома и 8–10 % никеля, в которую намеренно добавлена сера: по ASTM A582 — не менее 0,15 %, по EN 1.4305 — 0,15–0,35 %. Сера дробит стружку, поэтому по обрабатываемости 303 — лучшая среди аустенитных сталей. Её берут для болтов, втулок, валов, шестерён и других деталей токарных автоматов.

• Коррозия. Ниже, чем у 304: сульфидные включения становятся очагами питтинга. Atlas Steels не рекомендует 303 для морской и подобных сред. Хлоридное растрескивание возможно выше 50 °C, как у других аустенитных марок.
• Сварка и гибка. Сварка не рекомендуется; если нужна — электроды 308L или 309, и шов всё равно уступает по свойствам. Формуемость хуже, чем у 304, острые изгибы не делают (Atlas Steels).
• Термообработка. Не закаливается; закалка на твёрдый раствор — 1010–1120 °C.
• Аналог. В торговле 303 соответствует 12Х18Н10Е. Но в ГОСТ 5632-2014 эта марка легирована селеном (0,18–0,35 %), а не серой, поэтому по составу она ближе к 303Se (UNS S30323). Если нужна именно сернистая 303, это указывают в заказе.

AISI 302: старая аустенитная марка 18/8

302 (UNS S30200) по ASTM A276: углерода не более 0,15 %, хрома 17–19 %, никеля 8–10 %, серы не более 0,030 %. От 304 её отличают углерод (у 304 — до 0,08 %) и более узкий интервал по хрому (у 304 — 18–20 %). Механические свойства отожжённой стали по A276 те же: σв не менее 515 МПа, σ0,2 не менее 205 МПа.

• Применение. Пружинная проволока: по ASTM A313 проволоку 302/304 поставляют как пружинную общего назначения.
• Аналог. Ближайшая марка ГОСТ 5632-2014 — 12Х18Н9 (до 0,12 % углерода, 17–19 % хрома, 8–10 % никеля). 15Х18Н9 — вариант с углеродом 0,13–0,21 %.
• Сегодня. Для листа, трубы и сортового проката общего назначения обычно берут 304: углерод ниже, сварка проще.

Магнит разделяет 431 и три аустенитные марки, но не различает 303, 302 и 304 между собой: после холодной деформации они могут слабо притягиваться. Сернистую 303 выдаёт бурое пятно при химической пробе, остальное подтверждает сертификат с анализом плавки. Подробнее — в статьях как проверить нержавейку и сравнение AISI 304, 316L и 321.