304 против 304L – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Тип 304 и его низкоуглеродистый вариант 304L являются двумя наиболее часто используемыми аустенитными нержавеющими сталями в промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно учитывают коррозионную стойкость, механические характеристики, свариваемость и стоимость при выборе между ними. Типичные области применения включают устройства, работающие под давлением, пищевую и фармацевтическую переработку, архитектурные компоненты и сварные конструкции, где важна стойкость к коррозии после сварки.
Основное металлургическое отличие — более низкое максимальное содержание углерода у 304L по сравнению с 304. Это изменение снижает склонность к выделению карбидов при сварке и нагреве до высоких температур, влияет на свариваемость и поведение по коррозии после сварки, при этом вызывая лишь незначительные отличия в механической прочности.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM/ASME: A240 (лист), A276 (пруток), A312 (труба) — общие ссылки для обеих марок.
- UNS: 304 = S30400; 304L = S30403.
- EN: 304 = 1.4301; 304L = 1.4307.
- Существуют эквиваленты по JIS и GB (например, SUS304 / SUS304L в JIS).
- Классификация: обе марки относятся к нержавеющим сталям (аустенитным нержавеющим); не являются углеродистыми, легированными, инструментальными или HSLA сталями.
2. Химический состав и стратегия легирования
В следующей таблице приведены основные легирующие элементы и типичные ограничения для каждой марки. Значения представлены в виде максимальных или типичных диапазонов согласно распространённым спецификациям; для контрактных требований всегда обращайтесь к проектной документации или сертифікату завода-изготовителя.
| Элемент | Типичная роль | 304 (типичные пределы) | 304L (типичные пределы) |
|---|---|---|---|
| C (углерод) | Прочность, выделение карбидов | ≤ 0.08% (макс) | ≤ 0.03% (макс) |
| Mn (марганец) | Деокислитель, стабилизатор аустенита | ≤ 2.0% | ≤ 2.0% |
| Si (кремний) | Деокислитель | ≤ 1.0% | ≤ 1.0% |
| P (фосфор) | Примесь, риск хрупкости | ≤ 0.045% | ≤ 0.045% |
| S (сера) | Обрабатываемость (примесь) | ≤ 0.03% | ≤ 0.03% |
| Cr (хром) | Пассивация, коррозионная стойкость | ~18–20% | ~18–20% |
| Ni (никель) | Стабилизатор аустенита, вязкость | ~8–11% | ~8–12% |
| Mo (молибден) | Стойкость к точечной коррозии (отсутствует) | обычно отсутствует | обычно отсутствует |
| V, Nb, Ti, B, N | Микролегирование, стабилизация (редко) | обычно не указывается | обычно не указывается |
Влияние легирования на свойства: - Хром образует пассивную оксидную плёнку, обеспечивающую коррозионную стойкость нержавеющей стали. - Никель стабилизирует аустенитную фазу и улучшает вязкость и пластичность. - Углерод повышает прочность, но при более высоких концентрациях может связываться с хромом, образуя карбиды на границах зерен, что снижает локальную коррозионную стойкость (сенсибилизация). - Более низкое содержание углерода в 304L снижает склонность к выделению карбидов при сварке и нагреве.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Обе марки — 304 и 304L — полностью аустенитны при комнатной температуре при правильной обработке. Типичные характеристики микроструктуры и реакция на термообработку:
- После изготовления (отожжённые/растворно отожжённые): однородный аустенит с гранецентрированной кубической решёткой (ГЦК) с мелкими равномерно распределёнными карбидами (если они есть). Растворяющий отжиг растворяет карбиды и восстанавливает коррозионную стойкость за счёт быстрого охлаждения, предотвращающего повторное выделение.
- Холодная обработка: обе марки быстро упрочняются при деформации (аустенитные нержавеющие стали характеризуются высокой скоростью упрочнения), повышая плотность дислокаций, возможен образование деформационного мартенсита в сильно деформированных участках (особенно при низких температурах или агрессивной холодной обработке).
- Сварка и сенсибилизация: при нагреве до примерно 450–850 °C во время сварки могут осаждаться хромовые карбиды на границах зерен в стали с более высоким содержанием углерода (304), что истощает хром в прилегающих зонах и повышает восприимчивость к межкристаллитной коррозии. Сниженное содержание углерода у 304L минимизирует риск такого осаждения.
- Термообработка: ни одна из марок не поддаётся упрочнению закалкой; растворяющий отжиг (например, при 1050–1100 °C) с последующим быстрым охлаждением применяется для восстановления коррозионной стойкости и пластичности. Конвенциональные методы упрочнения, характерные для мартенситных сталей (закалка и отпуск), не применимы.
4. Механические свойства
Вместо абсолютных значений (которые зависят от формы поставки и спецификации), приведённая таблица сравнивает типичные относительные характеристики в отожженном состоянии.
| Свойство | 304 | 304L | Комментарий |
|---|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (отожжённое состояние) | Чуть выше | Чуть ниже | Более низкое содержание углерода у 304L приводит к незначительно меньшей прочности на разрыв. |
| Предел текучести | Чуть выше | Чуть ниже | Такая же тенденция, как и у прочности на разрыв. |
| Относительное удлинение / Пластичность | Хорошая | Одинаковая или немного лучше | 304L может демонстрировать чуть лучшую пластичность за счёт сниженного содержания углерода. |
| Ударная вязкость | Отличная (зависит от температуры) | Эквивалентная | Обе марки сохраняют хорошую вязкость при комнатной температуре. |
| Твёрдость (отожжённая) | Чуть выше | Чуть ниже | Различия небольшие; обе марки относительно мягкие в отожженном состоянии. |
Практическое значение: различия в прочности между 304 и 304L в отожженном состоянии невелики и обычно не критичны, за исключением случаев, когда норматив предусматривает минимально допустимые показатели прочности.
5. Свариваемость
Аустенитные нержавеющие стали обычно считаются хорошо свариваемыми, однако содержание углерода влияет на склонность к выделению карбидов и необходимость последующих термических обработок после сварки.
Ключевые моменты по свариваемости: - Более низкое содержание углерода в 304L снижает риск сенсибилизации и межкристаллитной коррозии после сварки, что делает 304L более надёжным выбором для сварных конструкций без последующего растворяющего отжига. - Обе марки обладают высокой пластичностью в зоне сварного шва и зоне термического влияния, уменьшая риск холодных трещин. Тем не менее, при неправильных условиях сварки (контаминация, плохое сопряжение) возможно образование горячих трещин. - Аустенитные нержавеющие стали имеют высокий коэффициент теплового расширения и низкую теплопроводность; для контроля деформаций важны правильное конструирование соединений и методы сварки.
Полезные эмпирические параметры свариваемости (оценка качественная): - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Более высокий $CE_{IIW}$ свидетельствует о большей склонности к упрочнению и повышенному риску трещинообразования в сталях, где возможны мартенситные превращения; для аустенитных нержавеющих сталей этот индекс помогает сравнивать влияние состава на поведение ЗТВ сварного шва. - Число, эквивалентное сопротивлению к питтингу (для легированных нержавеющих сталей), а также часто применяемая формула $P_{cm}$ для оценки склонности к холодным трещинам: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Интерпретация: более низкие значения $P_{cm}$ указывают на меньшую склонность к сварочным трещинам. Более низкое содержание углерода в 304L уменьшает вклад углерода в $P_{cm}$ по сравнению с 304.
Качественные рекомендации: - Используйте 304L для больших сварных конструкций, тонкостенных изделий без последующего отжига или когда деталь не может быть растворно отожжена после сварки. - Если после сварки предусмотрен полный растворяющий отжиг, применение 304 допустимо; 304 может обеспечивать немного большую прочность, когда это имеет значение.
6. Коррозия и защита поверхности
- Обе марки — 304 и 304L — полагаются на хромсодержащий пассивный оксидный слой для защиты от коррозии в слабоагрессивных средах (атмосферные, многие пищевые и химические среды). Поскольку они не содержат молибден, их коррозионная стойкость к локальной питтинговой коррозии в средах с повышенным содержанием хлоридов ниже, чем у сталей с Mo.
- PREN (число, эквивалентное сопротивлению питтинговой коррозии) обычно применяется для сплавов с Mo и N для оценки стойкости к питтингу: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Для 304/304L, Mo ≈ 0, поэтому PREN фактически равен Cr + 16×N; этот индекс плохо разграничивает данные марки, поскольку в их составе отсутствует Mo.
7. Изготовление, обрабатываемость и формование
- Формуемость: обе марки хорошо формуются и прессуются в отожженном состоянии; немного более низкая прочность 304L может быть полезна при глубокой вытяжке или формовке, где важно минимизировать появление трещин и упругий отскок.
- Механическая обработка: аустенитные нержавеющие стали труднее обрабатывать, чем углеродистые стали, из-за быстрого наклёпа и низкой теплопроводности. 304 и 304L имеют схожую обрабатываемость; рекомендуется использовать карбидные инструменты и контролируемые режимы резания. Для улучшения обработоспособности существуют сернистые улучшенные марки (например, 303), но при этом снижается коррозионная стойкость.
- Шлифование и полирование поверхности: обе марки позволяют получить высокоматовую поверхность, подготовка и механическая отделка аналогичны.
- Сварка и изготовление: 304L снижает риск коррозии после сварки в сборках и часто исключает необходимость отпуска для восстановления коррозионной стойкости после сварки.
8. Типичные области применения
| 304 | 304L |
|---|---|
| Кухонное оборудование, мойки, бытовая техника, архитектурные элементы | Емкости под давлением, трубопроводы и резервуары с сварными соединениями без отпуска |
| Оборудование для холодильных и пищевых производств | Химические резервуары и трубопроводы, требующие коррозионной стойкости после сварки |
| Декоративные автомобильные элементы | Крупные сварные конструкции, например, топливные баки, где важна минимизация сенсибилизации |
| Теплообменники для мягких условий эксплуатации | Фармацевтическое и биотехническое оборудование с частыми сварками без последующего термообработки |
Обоснование выбора: выбирайте 304, если необходима чуть более высокая прочность и стандартные методы изготовления с возможным отпуском после сварки приемлемы, а также при необходимости минимизации затрат. Выбирайте 304L, если сварка преобладает в процессе изготовления и отпуска после сварки быть не может, либо если необходимо минимизировать риск межкристаллитной коррозии.
9. Стоимость и наличие
- Стоимость: 304 обычно немного дешевле за килограмм по сравнению с стабилизированными или специальными нержавеющими сталями; 304L может иметь небольшую премию из-за более строгого контроля по углероду, но во многих регионах разница в цене между 304 и 304L несущественна.
- Наличие: обе марки широко доступны в виде листа, рулона, трубы, профиля и прутка от множества глобальных производителей и дистрибьюторов. Сроки поставки обычно короткие для стандартных продуктов; для больших объемов или особых видов отделки рекомендуем заранее уточнять наличие при планировании закупок.
10. Итог и рекомендации
| Характеристика | 304 | 304L |
|---|---|---|
| Свариваемость (практическая) | Хорошая | Лучше для сварных конструкций без отпуска |
| Прочность – вязкость (отожжённое состояние) | Чуть выше прочность | Чуть ниже прочность, сопоставимая вязкость |
| Стоимость | Чуть ниже или сопоставимая | Чуть выше или сопоставимая |
Рекомендации: - Выбирайте 304, если: - Требуется немного более высокая временная прочность или предел текучести в отожженном состоянии и запланирован или возможен полный отпуск после изготовления. - Конструкция преимущественно собирается на болтах или сварка ограничена, и чувствительность к послесварочному осаждению карбидов низкая. - Выбирайте 304L, если: - Компонент будет широко свариваться и не подлежит отпуску после сварки, либо необходимо свести к минимуму риск межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния. - Условия изготовления и эксплуатации предполагают температуры или воздействия, способствующие сенсибилизации в стали 304 с более высоким содержанием углерода.
Последняя практическая рекомендация: разница в содержании углерода невелика, но имеет существенное значение для сварных конструкций и работы при повышенных температурах. Для оборудования с критичными требованиями безопасности и подчинённого коду (например, ASME) обязательно согласовывайте выбор материала с соответствующим стандартом или кодом и указывайте требуемую товарную форму, послесварочную обработку и критерии инспекции в закупочных документах.