Tubo in acciaio inossidabile 15-5PH

Tubo in acciaio inossidabile 15-5PHè l'acciaio inossidabile indurente per precipitazione che gli ingegneri specificano quando un componente deve sopportare un carico di oltre 1.000 MPa e sopravvivere a urti, vibrazioni e fluidi di processo contenenti cloruro. La lega, UNS S15500, è la diretta discendente della 17-4PH (stesso design cromo-nichel-rame, stesso trattamento termico di invecchiamento in una sola fase, stessa matrice martensitica), ma è stata progettata per colmare l'unico punto debole della lega più vecchia: la tenacità attraverso lo spessore.

In che modo 15-5PH differisce da 17-4PH

Il rapporto familiare è importante perché la maggior parte degli acquirenti arriva da 15-5PH a 17-4PH. Entrambe le leghe sono martensitiche allo stato ricotto e vengono rinforzate dall'invecchiamento che fa precipitare una fase ricca di rame; entrambi sono coperti dalle stesse specifiche della barra ASTM A564 e si comportano in modo identico in officina.

 

La differenza sta nel controllo metallurgico: 15-5PH è prodotto con uno stretto equilibrio di elementi formanti ferrite e austenite in modo che la ferrite delta venga sostanzialmente eliminata e la fusione viene solitamente raffinata mediante rifusione elettroscoria (ESR) per controllare la dimensione e la forma delle inclusioni.

 

Il risultato è una tenacità decisamente migliore nella direzione trasversale corta - la direzione che conta nelle sezioni spesse, nelle parti sotto pressione e negli elementi di fissaggio fortemente caricati - e proprietà più uniformi attraverso la sezione trasversale.

 

Per tubi e tubazioni utilizzati per applicazioni idrauliche o di strumentazione ad alta pressione, tale riserva di tenacità è la ragione per pagare il premio rispetto a 17-4PH.

 

Composizione chimica secondo ASTM A564 / AMS 5659

I limiti di composizione riportati di seguito seguono ASTM A564 per barre, fili e forme UNS S15500 e AMS 5659 per barre, forgiati, tubi e anelli. Il ferro è l'elemento di equilibrio.

 

Elemento	Limite di composizione,%
C	0.07 max
Mn	1.00 max
P	0.040 max
S	0.030 max
Sì	1.00 max
Cr	14.00 - 15.50
Ni	3.50 - 5.50
Cu	2.50 - 4.50
Nb + Ta	0.15 - 0.45
Fe	Bilancia

 

Tre file portano la storia dell'ingegneria. La riga di cromo al 14,00-15,50% conferisce alla lega una resistenza alla corrosione paragonabile al Tipo 304 nella maggior parte dei fluidi, che è ben al di sopra dei gradi temprabili della serie 400.

 

La riga di rame al 2,50-4,50% è quella che forma la precipitazione: il trattamento termico di invecchiamento fa precipitare una fase ricca di rame nella matrice martensite, ed è questo precipitato che aumenta la resa da circa 760 MPa allo stato ricotto a oltre 1.170 MPa a H900.

 

La riga di columbio allo 0,15-0,45% è lo stabilizzante: il niobio si combina con il carbonio quindi la lega resiste alla sensibilizzazione nell'intervallo di invecchiamento e mantiene la tenacità dopo la saldatura. Il nichel al 3,50-5,50% è ciò che sopprime la ferrite delta e conferisce alla lega il vantaggio di tenacità attraverso lo spessore rispetto a 17-4PH.

 

La matrice del trattamento termico: una lega, sei insiemi di proprietà

Il 15-5PH viene fornito allo stato ricotto - soluzione trattata termicamente a circa 1038-1066 gradi e raffreddata - e le proprietà meccaniche vengono quindi impostate mediante un'unica fase di invecchiamento. Il codice di trattamento termico riportato nelle specifiche indica al produttore esattamente quale ciclo di invecchiamento eseguire e ogni codice è uno scambio deliberato tra resistenza e tenacità.

 

Condizione	Ciclo di invecchiamento	Resa 0,2%, MPa (ksi) min	Trazione, MPa (ksi) min	Durezza, HRC
Condizione A	Come soluzione ricotta	760 (110) tip.	1030 (150) tip.	33 tip.
H900	482 gradi, 1 ora, aria fresca	1170 (170)	1310 (190)	40 - 47
H925	496 gradi, 4 ore, aria fresca	1070 (155)	1170 (170)	38 - 45
H1025	552 gradi, 4 ore, aria fresca	1000 (145)	1070 (155)	35 - 42
H1075	579 gradi, 4 ore, aria fresca	860 (125)	1000 (145)	33 - 39
H1100	593 gradi, 4 ore, aria fresca	790 (115)	965 (140)	32 - 38
H1150	621 gradi, 4 ore, aria fresca	725 (105)	930 (135)	28 - 37

 

L'ordine di lettura della tabella determina la decisione d'acquisto. L'H900 offre la resistenza massima, leggermente superiore a 1.300 MPa di trazione, ed è la scelta ideale per impieghi strutturali e su alberi in cui prevale il carico.

 

H1025 è la condizione equilibrata: resa di oltre 1.000 MPa con buona duttilità e la specifica più comune per parti in pressione e ingegneria generale. H1150 è la condizione di invecchiamento, selezionata quando il componente funziona in servizio con cloruro dove la martensite di massima resistenza è suscettibile alla fessurazione da tensocorrosione: la regola è quella di invecchiare alla temperatura più alta che soddisfi ancora i requisiti di resistenza.

 

La Condizione A ricotta non deve essere messa in servizio: la martensite non temperata è dura, fragile e sensibile alla criccatura da idrogeno e cloruro finché non riceve il trattamento di invecchiamento.

 

Proprietà fisiche

Il 15-5PH è fortemente ferromagnetico in tutte le condizioni, il che lo distingue dai gradi austenitici ed è importante per strumenti e solenoidi per valvole. La densità va da 7,75 g/cm³ allo stato ricotto a circa 7,86 g/cm³ nello stato sovrainvecchiato e il modulo di elasticità è di circa 196 GPa (28,5 x 10⁶ psi) in tutte le condizioni di trattamento termico.

 

Proprietà	Valore
Densità	7.75 - 7.86 g/cm³ (per condizione)
Modulo di elasticità	196 GPa (circa)
Permeabilità magnetica	Fortemente ferromagnetico, tutte le condizioni
Intervallo di fusione	1400 - 1440 grado (circa)
Resistività elettrica	77 - 98 microhm-cm (per condizione)

 

Dimensioni dei tubi e forme di consegna

15-5PH è un grado martensitico speciale e le sue forme di tubi e tubazioni vengono fornite in base alle specifiche di lavorazione, in genere con le proprietà meccaniche di ASTM A564 e la disciplina dimensionale del processo di trafilatura del tubo. La seguente busta è standard:

 

Parametro	Allineare
Diametro esterno	Da 6,0 mm a 168,3 mm (NPS più piccolo su richiesta)
Spessore della parete	da 0,5 mm a 12,7 mm; muri più pesanti su richiesta
Lunghezza	Fisso 3 m / 6 m / 12 m o tagliato a misura
Condizioni di consegna	Condizione A (soluzione ricotta), pronto per l'invecchiamento
Superficie	Rettificati senza centri, trafilati o decapati per applicazione
Rettilineità	Tolleranza ristretta per l'uso idraulico e su alberi

 

Poiché il trattamento termico di invecchiamento viene quasi sempre eseguito dopo la lavorazione meccanica e la saldatura, la richiesta dovrebbe indicare se il tubo è richiesto nella condizione A per l'invecchiamento interno o pre-invecchiato per una condizione H specificata. Nelle catene di fornitura aerospaziali e della difesa, il 15-5PH viene spesso acquistato in Condizione A e invecchiato dal produttore del componente, che mantiene la lavorazione eseguita allo stato morbido e le proprietà finali impostate alla fine della linea.

 

Applicazioni tipiche

La combinazione di carico e tenacità di 15-5PH è specificata per i seguenti compiti:

 

Applicazione	Perché viene utilizzato 15-5PH
Attuatori, raccordi e componenti del carrello di atterraggio aerospaziali	Elevata resistenza con elevata tenacità alla frattura
Alberi e giranti delle pompe	Resistenza alla fatica nella gamma H900-H1025
Steli, sedi e rivestimenti delle valvole nel settore petrolifero e del gas	Robustezza e moderata resistenza al cloruro
Elementi di fissaggio e giunti nucleari e marini	Tenacità e ispezionabilità a tutto spessore
Tubazione idraulica ad alta pressione	Resa di oltre 1.000 MPa in pareti sottili
Parti di macchine cartarie e chimiche	Resistenza all'usura con resistenza alla corrosione di classe 304

 

Saldatura e fabbricazione

Saldature 15-5PH mediante i metodi convenzionali a gas inerte utilizzati per gli acciai inossidabili, senza preriscaldamento normalmente richiesto. Le due scelte di riempitivo producono due giunzioni diverse. Con il riempitivo corrispondente della famiglia 15-5PH, la saldatura risponde al trattamento di invecchiamento post-saldatura e sviluppa proprietà paragonabili al metallo base; questo è il percorso per i giunti portanti.

 

Con un riempitivo austenitico non corrispondente come 308L, la saldatura è duttile e non si indurisce per precipitazione, che è il percorso quando la resistenza della saldatura è secondaria. Per le saldature a passaggi multipli, una solubilizzazione prima del trattamento di invecchiamento finale equalizza gli effetti del ciclo termico sulla regione di saldatura e produce le proprietà più uniformi. Dopo la saldatura, la pratica standard consiste nell'eseguire il ciclo di invecchiamento scelto, molto spesso H1025 o H1150 - e nel verificare la durezza del componente finito.

 

Cosa specificare nell'ordine

Gli errori di specifica sugli ordini 15-5PH riguardano solitamente la condizione e pertanto la richiesta dovrebbe indicare quanto segue:

 

• Grado e standard: "UNS S15500, secondo ASTM A564" o "secondo AMS 5659" per barre e tubi
• Condizione: Condizione A (ricottura in soluzione) per l'invecchiamento interno o condizione H finita
• Codice trattamento termico dove invecchiato: H900 / H925 / H1025 / H1075 / H1100 / H1150
• Dimensioni: diametro esterno x parete in millimetri, lunghezza e finitura superficiale
• Certificato: EN 10204 3.1 con chimica del calore, risultati di trazione ricotta e durezza; indicare il codice di invecchiamento nel PO

 

15-5PH è specificato quando il progetto necessita della resistenza di una lega temprata e della riserva di tenacità che 17-4PH non può garantire nella direzione trasversale breve. La decisione di acquisto è la decisione condizionale: nominare lo standard, nominare il codice di invecchiamento e il tubo consegnato sopporterà il carico e sopravviverà all'impatto che il disegno presuppone.

 

 

 

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