304 против 304H – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Нержавеющие стали типов 304 и 304H — две аустенитные нержавеющие марки, широко используемые в процессной, сосудостроительной и общей производственной отраслях. Инженеры и специалисты по закупкам обычно учитывают коррозионную стойкость, свариваемость, формуемость, свойства при высоких температурах и стоимость при выборе между ними. Типичные ситуации выбора включают спецификацию материала для сварного давления, подбор труб для теплообменников или выбор листа для общей металлообработки.
Главное различие между этими двумя марками — содержание углерода: 304H содержит повышенное количество углерода по сравнению со стандартной 304. Это изменение влияет на свойства материала предсказуемым образом — в первую очередь увеличивает прочность и ползучесть при повышенных температурах, но увеличивает риск выделения карбидов и связанного с этим сенсибилизирования при определённых термических циклах. Поскольку 304 и 304H очень похожи по составу (одинаковая аустенитная матрица, стабилизированная хромом и никелем), их сравнивают, когда дизайн требует баланса между высокотемпературными механическими характеристиками и коррозионной стойкостью, свариваемостью и формуемостью.
1. Стандарты и обозначения
Основные нормативные документы, охватывающие 304 и 304H: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (плиты, листы), ASTM A312 (бесшовные и сварные трубы), ASTM A269 (кованые трубы) и др. - EN: серия EN 10088 по нержавеющим сталям (EN 1.4301 соответствует 304). - JIS: JIS G4303 / JIS G4305 (нержавеющие стали; аналоги). - GB: GB/T 1220 и сопутствующие китайские нормативы по нержавеющим сталям.
Классификация: - Как 304, так и 304H — аустенитные нержавеющие стали. Они не являются углеродистыми, инструментальными или высокопрочными нелегированными сталями (HSLA). - Их задают и применяют как коррозионностойкие нержавеющие сплавы, а не как конструкционные углеродистые стали.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице представлены типичные диапазоны содержания элементов согласно общепринятым стандартам (значения в мас.% и предназначены как ориентировочные диапазоны, а не как конкретные сертификаты завода-изготовителя).
| Элемент | 304 (типичный диапазон) | 304H (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | 0.04 – 0.10 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.045 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | ~18.0 – 20.0 wt% | ~18.0 – 20.0 wt% |
| Ni | ~8.0 – 10.5 wt% | ~8.0 – 11.0 wt% |
| Mo | Не указано (обычно ≈ 0) | Не указано (обычно ≈ 0) |
| V, Nb, Ti, B | Не указано / только следы | Не указано / только следы |
| N | Следы (типично ≤ 0.11) | Следы (типично ≤ 0.11) |
Влияние легирующих элементов на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает коррозионную стойкость, формируя защитную оксидную пленку и являясь основным элементом для нержавеющего поведения. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу, повышает вязкость и формуемость. - Углерод (C) упрочняет аустенит за счёт твердорастворного укрепления и может образовывать карбиды хрома (Cr23C6) при воздействии сенсибилизирующих температур; повышенное содержание углерода в 304H увеличивает прочность и ползучесть при высоких температурах, но повышает риск сенсибилизации. - Марганец (Mn) и кремний (Si) — второстепенные стабилизаторы аустенита и дефосфоризаторы; сера и фосфор — нежелательные примеси, контролируемые на низком уровне для сохранения вязкости и коррозионной стойкости.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Как 304, так и 304H при состоянии после отжига имеют полностью аустенитную (гранецентрированную кубическую) микроструктуру при комнатной температуре. При стандартной обработке (горячая прокатка, отжиг с растворением, охлаждение на воздухе) структура однородная аустенитная с возможными границами двойников и отдельными отжиговыми двойниками.
Основные различия в микроструктуре и реакция на термообработку: - 304 (с меньшим содержанием углерода) менее склонна к образованию карбидов хрома при медленном охлаждении или воздействии промежуточных температур; отжиг при температуре выше ~1040–1100 °C с быстрым охлаждением восстанавливает карбидно-свободную аустенитную матрицу. - 304H (с повышенным углеродом) имеет больший потенциал для осаждения карбидов хрома при воздействии в зоне сенсибилизации (~450–850 °C). Образование карбидов на границах зерен может локально истощать хром, снижая стойкость к межкристаллитной коррозии. - Ни одна из марок не закаливается и не отпускается как мартенситные стали; высокая прочность достигается холодной деформацией или, в случае 304H, за счёт повышенного углерода для прочности при высоких температурах. - Термо-механическая обработка (холодная деформация, условия отжига) оказывает схожее влияние на плотность дислокаций, размер зерен и текстуру обеих марок. Отжиг при температуре растворения карбидов даст их растворение при условии правильного выдерживания и охлаждения; медленное охлаждение после сварки или длительная работа при промежуточных температурах способствует образованию карбидов в 304H более активно, чем в 304.
4. Механические свойства
Обе стали обеспечивают хорошую пластичность и вязкость в состоянии отжига; 304H обычно демонстрирует слегка повышенную прочность, особенно при повышенных температурах, за счёт увеличенного содержания углерода.
| Свойство | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (относительное) | Стандартный уровень для аустенита | Слегка выше (особенно при высоких температурах) |
| Предел текучести (относительный) | Базовый для 300-й серии аустенитных сталей | Слегка выше, чем у 304 |
| Относительное удлинение / пластичность | Высокая пластичность; хорошая формуемость | Немного ниже, чем у 304 |
| Ударная вязкость | Отличная при комнатной температуре | Сопоставимая при комнатной температуре, если нет сенсибилизации; снижается при наличии карбидов |
| Твёрдость | Типичная для отожженного аустенита | Слегка выше в отожжённом состоянии из-за содержания углерода |
Пояснение: - При комнатной температуре различия незначительны — обе марки показывают сходные временное сопротивление и предел текучести с высокой пластичностью. 304H обычно демонстрирует немного более высокие показатели за счёт упрочнения твердорастворным углеродом. - При повышенных температурах или условиях ползучести 304H сохраняет более высокую прочность, поэтому её применяют для сосудов высокого давления с допустимыми температурами выше. - При воздействии сенсибилизирующих термических циклов (например, сварка без последующего отжига или длительная эксплуатация в диапазоне 450–850 °C) в 304H возможна межкристаллитная коррозия и снижение вязкости из-за выделения карбидов хрома.
5. Свариваемость
Свариваемость 304 и 304H в целом хорошая; обе марки легко свариваются распространёнными способами (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Однако уровень углерода влияет на риск сенсибилизации и свойства зоны термического влияния.
Важные показатели углеродного эквивалента / свариваемости: - Качественно оцениваются с использованием IIW-углеродного эквивалента: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Для нержавеющих сталей более сложное влияние состава выражается через $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 304 с меньшим содержанием углерода имеет более низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ за счёт углерода, что означает меньшую склонность к образованию твёрдых хрупких структур в ЗТВ и меньшую чувствительность к межкристаллитной коррозии при сварке при использовании надлежащего электрода и технологии. - Повышенный углерод в 304H увеличивает вероятность упрочнения при быстрых термальных циклах и повышает риск сенсибилизации в ЗТВ из-за образования карбидов на границах зерен. Для сварных сосудов, работающих при повышенных температурах, часто указывают 304H для обеспечения требуемых допустимых напряжений; выбор сварочного материала и режимы сварки (например, применение стабилизированных марок или последующий отжиг раствором) снижают риски. - Предварительный подогрев обычно не нужен для этих аустенитных сталей, однако контроль тепловложений и правильный выбор сварочного материала (например, марки с меньшим содержанием углерода или стабилизированные) важны для 304H с целью предотвращения хрупкости и межкристаллитной коррозии.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- Как 304, так и 304H обладают коррозионной стойкостью в широком спектре сред благодаря пассивации хрома. Оба не содержат молибдена, поэтому менее устойчивы к точечной коррозии хлоридов, чем марки с Mo (например, 316).
- Повышенное содержание углерода в 304H делает сенсибилизацию и межкристаллитную коррозию практической проблемой при воздействии сенсибилизирующих температур без должного контроля. Для применений, критичных по межкристаллитной коррозионной стойкости после сварки, предпочтительнее использовать низкоуглеродистую 304L или стабилизированные марки (321, 347).
7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость: 304 (с более низким содержанием углерода) немного лучше подходит для глубокой вытяжки и гибки из-за чуть большей пластичности и меньшей склонности к наклёпу с учётом риска сенсибилизации при последующем нагреве. Обе марки хорошо поддаются формовке при использовании соответствующего инструмента и поэтапных методов формовки.
- Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали обычно сложнее обрабатывать, чем углеродистые, из-за наклёпа и низкой теплопроводности. 304H может быть немного сложнее в обработке, чем 304, так как более высокое содержание углерода и, соответственно, более высокая прочность вызывают повышение сил резания и износ инструмента. Использование острого режущего инструмента, жёстких установок и правильных смазок снижает эти проблемы.
- Обработка поверхности: обе марки полируются и электрополируются аналогично; однако для 304H может потребоваться более тщательный контроль теплового воздействия при отделке, чтобы избежать выделения карбидов при нагреве материала.
8. Типичные области применения
| 304 (распространённые применения) | 304H (распространённые применения) |
|---|---|
| Оборудование для пищевой промышленности, мойки, кухонная посуда, архитектурные элементы | Емкости под давлением и котлы с повышенными допустимыми напряжениями при высоких температурах |
| Химические трубопроводы и резервуары в слабоагрессивной среде | Трубопроводы супернагревателей и повторных нагревателей в котлах (требуется повышенная ползучесть) |
| Теплообменники, санитарные трубки, крепёж | Конструкции печей и компонентов при повышенной рабочей температуре |
| Общее производство, декоративные элементы зданий | Применения, требующие механических свойств аустенита с повышенным содержанием углерода при высоких температурах |
Критерии выбора: - Выбирайте 304, если главными требованиями являются общая коррозионная стойкость, формуемость и свариваемость при нормальных рабочих температурах, а также минимизация риска сенсибилизации после сварки. - Выбирайте 304H, если конструкция предусматривает повышенные допустимые напряжения или усиленную прочность при высоких температурах (например, давление выше 300 °C), и если в проекте предусмотрены соответствующие меры контроля при изготовлении для управления риском сенсибилизации и коррозии.
9. Стоимость и доступность
- 304 — одна из самых распространённых марок нержавеющей стали в мире, широко доступна в виде листа, пластины, рулона, трубы и прутка. Стоимость обычно конкурентоспособна в семействе сталей серии 300.
- 304H — признанный вариант, доступен в изделиях для высокотемпературного применения (плиты, трубы для котлов и сосудов давления). В менее широком ассортименте по сравнению с 304 на рынке обычных товаров, может иметь небольшую наценку в зависимости от региональной доступности и требований к сертификатам углеродистого состава.
- Сроки поставки и наличие зависят от формы продукта (лист/плита или бесшовные трубы) и требуемых сертификатов для сосудов давления или работы при высоких температурах.
10. Итоги и рекомендации
| Параметр | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная; меньший риск сенсибилизации | Хорошая, но более высокий риск сенсибилизации; требует контроля технологии |
| Прочность – Ударная вязкость | Хороший баланс; высокая пластичность | Повышенная прочность при высоких температурах; чуть ниже пластичность при прямом сравнении |
| Стоимость и доступность | Широко доступна; обычно ниже стоимость | Доступна для применения при давлении и температуре; может иметь наценку |
Выводы: - Выбирайте 304 при необходимости отличной общей коррозионной устойчивости, высокой технологичности, минимальном риске сенсибилизации при стандартной сварке. 304 — практический стандарт для санитарного оборудования, архитектурных элементов и многих химических применений при температуре от комнатной до умеренной. - Выбирайте 304H, если конструкция требует повышенных допустимых напряжений или улучшенной стойкости к деформации при повышенных температурах (например, сосуды давления, котлы, теплообменники при высоких температурах), и при возможности контролировать риск выделения карбидов посредством соответствующих сварочных процедур, послесварочной обработки или выбора совместимых материалов и технологий изготовления.
Если при выборе материала руководствуются показателями сопротивления ползучести и таблицами допустимых напряжений при повышенных температурах (коды ASME, спецификации сосудов давления), обратитесь к соответствующему стандарту для подбора марки и температурных условий; во многих случаях 304H используется там, где пределы допустимых напряжений 304 недостаточны для заданных условий эксплуатации.