1Cr18Ni9Ti против 0Cr18Ni9 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры и специалисты по закупкам часто сталкиваются с выбором между двумя близкими марками нержавеющей стали: 1Cr18Ni9Ti и 0Cr18Ni9. Решение обычно основывается на компромиссе между коррозионной стойкостью после сварки или воздействия высокой температуры, ограничениями в изготовлении и свариваемости, а также стоимостью жизненного цикла. Во многих случаях выбор заключается в балансе между повышенной устойчивостью к межкристаллитной коррозии и металлургической стабильностью (при слегка увеличенной стоимости материала) и широкой доступностью и более низкой ценой универсальной аустенитной нержавеющей стали.
Основное металлургическое различие связано с контролем содержания углерода и стратегией стабилизации: одна марка специально стабилизирована титаном для предотвращения осаждения карбидов на границах зерен, в то время как другая — это обычная аустенитная хромоникелевая сталь с стандартным содержанием углерода. Эта разница определяет их поведение при сварке, эксплуатации при высоких температурах и в условиях, подверженных коррозии.
1. Стандарты и обозначения
- Распространенные международные аналоги:
- 1Cr18Ni9Ti ≈ AISI/UNS 321 (титан-стабилизированная аустенитная нержавеющая сталь)
- 0Cr18Ni9 ≈ AISI/UNS 304 (стандартная 18/8 аустенитная нержавеющая сталь)
- Стандарты, в которых встречаются эти марки: GB (китайский), ASTM/ASME (эквиваленты AISI/UNS), EN (EN 1.4541 для 321, EN 1.4301 для 304), JIS и ISO.
- Классификация: обе марки относятся к аустенитным нержавеющим сталям (не углеродистым, не инструментальным или низколегированным конструкционным сталям). Они являются легированными нержавеющими сталями с хромом и никелем в качестве основных легирующих элементов.
2. Химический состав и стратегия легирования
Ниже приведены типичные диапазоны содержания элементов (в масс%) для широко используемых эквивалентов (AISI 321 для 1Cr18Ni9Ti и AISI 304 для 0Cr18Ni9). Конкретные пределы зависят от стандарта и изготовителя; всегда необходимо проверять сертификат материала.
| Элемент | 1Cr18Ni9Ti (типичные значения, масс%) | 0Cr18Ni9 (типичные значения, масс%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (стабилизирован титаном) | ≤ 0.08 (стандартная марка) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17.0–19.5 | ~17.0–19.5 |
| Ni | ~8.0–10.5 | ~8.0–10.5 |
| Mo | — (чаще отсутствует) | — (чаще отсутствует) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | ~0.5–0.7 (стабилизатор) | — |
| B | следы | следы |
| N | следы до ~0.1 | следы до ~0.1 |
Влияние легирующих элементов на свойства - Хром (Cr): основной элемент, способствующий формированию пассивной плёнки и общей коррозионной стойкости. - Никель (Ni): стабилизирует аустенитную фазу, улучшает вязкость и пластичность. - Углерод (C): повышает прочность, но может соединяться с хромом с образованием карбидов хрома на границах зерен при температуре 450–850°C; такое сенсибилизирование снижает устойчивость к межкристаллитной коррозии. - Титан (Ti): связывает углерод (и азот), формируя стабильные карбиды/нитриды титана, предотвращая осаждение карбидов хрома и улучшая коррозионную стойкость после сварки и термостойкость. - Мелкие элементы (Mn, Si, N) регулируют механические и коррозионные свойства; Mo и Nb, как правило, отсутствуют в этих марках, если не указано иное.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Основная микроструктура: обе марки — полностью аустенитные (гранецентрированная кубическая структура) в отожженном состоянии.
- 0Cr18Ni9 (304): в отожженном состоянии микроструктура — однородный аустенит. При длительном воздействии сенсибилизирующих температур (примерно 450–850°C), например, во время сварочных циклов, углерод может взаимодействовать с хромом с образованием карбидов хрома на границах зерен. Это приводит к локальному истощению хрома и возникновению склонности к межкристаллитной коррозии.
- 1Cr18Ni9Ti (321): присутствие титана способствует формированию карбидов/нитридов титана, которые преимущественно связывают углерод и азот, снижая образование карбидов хрома при термическом воздействии. Аустенитная матрица стабилизирована, что улучшает устойчивость к межкристаллитной коррозии после нагрева и сварки.
- Термообработка: обе марки обычно поставляются в отожженном состоянии. Они не поддаются упрочнению традиционными методами закалки и отпуска (в отличие от мартенситных сталей). Стандартные обработки:
- Отпуск при растворении с последующим быстрым охлаждением восстанавливает коррозионную стойкость (растворяет карбиды).
- Для 0Cr18Ni9 применяют варианты с низким содержанием углерода или растворяющий отпуск плюс закалку для снижения сенсибилизации.
- Для 1Cr18Ni9Ti стабилизирующее содержание титана уменьшает необходимость в послесварочном отпуске для предотвращения межкристаллитной коррозии, однако при сварке и изготовлении требуется соблюдение технологической дисциплины.
- Термо-механическая обработка (холодное деформирование, отжиг) влияет на прочность и пластичность аналогично для обеих марок; холодная деформация повышает прочность и снижает пластичность.
4. Механические свойства
Типичные механические свойства в отожженном состоянии у обеих марок сходны; титан-стабилизированная марка выбирается прежде всего из-за металлургической стабильности, а не значительных отличий в статических механических свойствах.
| Свойство (типично, отожжённое) | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (UTS) | ~500–700 MPa | ~500–700 MPa |
| Предел текучести (0.2% условный) | ~200–300 MPa | ~200–300 MPa |
| Относительное удлинение (A%) | ~40% (хорошая пластичность) | ~40% (хорошая пластичность) |
| Ударная вязкость | Хорошая при комнатной температуре; сохраняет вязкость до умеренных отрицательных температур | Хорошая при комнатной температуре |
| Твёрдость | Относительно низкая (типичные значения HB/HRB, соответствующие отожжённым аустенитным сталям) | Похожая на 1Cr18Ni9Ti |
Интерпретация - Ни одна из марок не выбирается преимущественно для повышения статической прочности; обе обеспечивают сбалансированное сочетание прочности и пластичности, характерное для аустенитных сталей. - 1Cr18Ni9Ti предлагает небольшие преимущества в стойкости к ползучести и стабильности при длительном высокотемпературном воздействии благодаря стабилизации карбидов титаном и снижению выпадения карбидов на границах зерен. - Вязкость в целом сопоставима; различия зависят от конкретных условий применения и не являются значительными.
5. Свариваемость
Свaриваемость аустенитных нержавеющих сталей обычно отличная, однако содержание углерода и стабилизация влияют на чувствительность к сенсибилизации и горячим трещинам.
Распространённые индексы свариваемости: - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Индекс устойчивости к точечной коррозии или свариваемости: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная характеристика - 0Cr18Ni9: обычный состав и содержание углерода обеспечивают свариваемость стандартными методами для аустенитных сталей. При сварке могут образовываться сенсибилизированные зоны, если материал находится в диапазоне температур 450–850°C; для снижения риска применяют послесварочный отпуск раствора или марки с пониженным содержанием углерода (например, 304L). - 1Cr18Ni9Ti: титан снижает склонность к образованию карбидов хрома, улучшая стойкость к межкристаллитной коррозии после сварки. Процедуры сварки аналогичны; необходимо контролировать подогрев и температуру межслойного промежутка согласно стандартной практике для предотвращения чрезмерного роста зерна. - Обе марки подвержены горячим трещинам, если не контролировать состав сварного металла и параметры сварки; выбор правильного присадочного материала и соблюдение технологии снижают эти риски. - Для работы в агрессивных коррозионных средах рекомендуется применять марки с низким содержанием углерода (L) или стабилизированные марки (с Ti/Nb), чтобы избежать риска сенсибилизации.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- Стойкость к коррозии в окислительных средах у обеих марок обеспечивается хромосодержащей пассивной плёнкой.
- Для оценки локальной коррозии (индекс PREN) применяется формула: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Поскольку обе марки, как правило, не содержат молибден, а уровень азота невысок, значения PREN умеренные; эти марки не предназначены для использования в агрессивных хлоридных средах, в отличие от молибденсодержащих дуплексных или супер-аустенитных сталей.
7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали обычно хуже обрабатываются по сравнению с углеродистыми из-за высокой наклёпоспособности. Между 1Cr18Ni9Ti и 0Cr18Ni9 обрабатываемость сопоставима; небольшие различия связаны с размером зерна и незначительным легированием.
- Формуемость: обе марки обладают отличной формуемостью, могут подвергаться глубокой вытяжке, гибке и холодной деформации в отожженном состоянии.
- Сварка и последующие операции: 1Cr18Ni9Ti снижает необходимость дорогостоящей отжиговой обработки после сварки в ряде случаев благодаря стабилизации титана, что улучшает производительность сварных конструкций, чувствительных к межкристаллитной коррозии.
- Отделка поверхности: обе марки хорошо поддаются полировке и пассивации; сплавы с титановым стабилизатором требуют контроля, чтобы Ti-содержащие выделения не оставались на поверхностях и не ухудшали отделку.
8. Типичные области применения
| 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|
| Выпускные коллекторы, части печей и трубопроводы в авиационной технике, эксплуатируемые при повышенных температурах с циклическим нагревом | Кухонное оборудование, пищевая промышленность, архитектурные конструкции, резервуары и трубопроводы для мягких химикатов |
| Компоненты химических установок, подверженные термическим циклам, либо сварные конструкции, где важна защита от последующей сенсибилизации | Потребительские товары, крепёж, общие конструкционные элементы в средах без хлоридов |
| Автомобильные и авиационные компоненты, подверженные высокотемпературной окислительной нагрузке | Теплообменники, резервуары для хранения и изготовление, где важна стоимость и доступность 304 |
Аргументация выбора - Выбирайте стабилизированную титановую марку при эксплуатации с повторяющимися термическими воздействиями в диапазоне сенсибилизации или если требуется защита от межкристаллитной коррозии без дорогостоящей отжиговой обработки после сварки. - Выбирайте нестабилизированную и более распространённую марку при основных требованиях к общей коррозионной стойкости, стоимости и доступности, если условия эксплуатации не вызывают сенсибилизацию.
9. Стоимость и доступность
- 0Cr18Ni9 (304) — одна из самых распространённых нержавеющих сталей в мире, широко доступна в листе, плитах, трубах, прутках и сварных изделиях, обычно дешевле стабилизированных вариантов.
- 1Cr18Ni9Ti (321) также широко доступна, но стоит немного дороже из-за добавки титана и её особого применения при высоких температурах и сварных конструкциях.
- Учитывайте сроки поставки: обе марки выпускаются в стандартных прокатных формах; для критичных сроков или нестандартных изделий (толстый лист, крупные поковки) рекомендуется планировать закупку заранее.
10. Итоги и рекомендации
Резюме
| Характеристика | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| Свариваемость | Очень хорошая; улучшенная стабильность после сварки благодаря Ti | Очень хорошая; риск сенсибилизации без контроля |
| Прочность и вязкость | Сопоставимые; обе обладают хорошей пластичностью и вязкостью | Сопоставимые |
| Стоимость | Умеренная надбавка к цене по сравнению с 304 | Экономичнее и более доступна |
Окончательные рекомендации - Выбирайте 1Cr18Ni9Ti если: - Компонент подвергается циклическим термическим воздействиям в диапазоне сенсибилизации, или - При сварке существует риск межкристаллитной коррозии и невозможно применять отжиговое решение, или - Необходима повышенная термостойкость и стойкость к ползучести. - Выбирайте 0Cr18Ni9 если: - Требуется широкая доступность и более низкая цена материала, и - Условия эксплуатации не предполагают образование карбидов на границах зерен (или применяются меры – 304L, отжиг – при необходимости).
Заключительное примечание Подтверждайте точные химические и механические характеристики в соответствии с применимым стандартом и сертификатом прокатчика для закупаемого материала. Для ответственных конструкций выбирайте либо стабилизированную марку (Ti или Nb), либо низкоуглеродистый вариант (L), а также документируйте необходимые после сварочные обработки и технологический контроль в технических требованиях к закупке и изготовлению.