304 против 304L – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Нержавеющие стали 304 и 304L являются одними из самых широко используемых аустенитных марок в инженерии, производстве и закупках. Инженеры и менеджеры по закупкам обычно учитывают коррозионную стойкость, свариваемость, механическую прочность и стоимость при выборе между ними. Планировщики производства также должны учитывать последующую обработку: тяжелую сварку, термообработку после сварки, формовку и требования к отделке поверхности.
Основное практическое различие заключается в содержании углерода: 304L является низкоуглеродным вариантом 304, разработанным для снижения риска осаждения карбидов хрома (сенсибилизация) во время сварки и при воздействии высоких температур. Это различие и является причиной, по которой 304 и 304L часто сравниваются — они обеспечивают почти одинаковую коррозионную стойкость и микроструктуру, но более низкое содержание углерода в 304L улучшает характеристики в сварных соединениях и компонентах, которые не могут быть отожжены после обработки.
1. Стандарты и обозначения
Основные стандарты и общие обозначения: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240 (плиты, листы, полосы для сосудов под давлением и общего назначения). - EN: серия EN 10088 (нержавеющие стали — различные стандарты продукции). - JIS: SUS304 и SUS304L. - GB: 0Cr18Ni9 (304) и 0Cr18Ni9L (304L) эквиваленты в китайских стандартах.
Классификация материалов: - И 304, и 304L являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющие, не ферромагнитные при полном аустенитном состоянии). - Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA; это коррозионно-стойкие нержавеющие сплавы.
2. Химический состав и стратегия легирования
Типичные диапазоны состава (вес.%) используемые в спецификациях; фактические допустимые максимумы/минимумы немного варьируются в зависимости от стандарта:
| Элемент | 304 (типичный/диапазон спецификаций) | 304L (типичный/диапазон спецификаций) |
|---|---|---|
| Углерод (C) | ≤ 0.08% | ≤ 0.03% |
| Марганец (Mn) | ≤ 2.0% | ≤ 2.0% |
| Кремний (Si) | ≤ 1.0% | ≤ 1.0% |
| Фосфор (P) | ≤ 0.045% | ≤ 0.045% |
| Сера (S) | ≤ 0.03% | ≤ 0.03% |
| Хром (Cr) | 18.0–20.0% | 18.0–20.0% |
| Никель (Ni) | 8.0–10.5% | 8.0–12.0% |
| Молибден (Mo) | ≤ 0.10% (обычно отсутствует) | ≤ 0.10% |
| Азот (N) | ≤ 0.10% (следы) | ≤ 0.10% |
| Nb, Ti, V, B | следы / обычно не добавляются | следы / обычно не добавляются |
Стратегия легирования и эффекты: - Хром обеспечивает пассивную оксидную пленку, которая придает нержавеющим сталям коррозионную стойкость. Типичное содержание Cr (≈18–20%) определяет нержавеющую сталь "18-8". - Никель стабилизирует аустенитную (ГЦК) структуру, повышает прочность и пластичность, а также улучшает формуемость. - Углерод немного увеличивает прочность и твердость, но за счет риска сенсибилизации в диапазоне 425–850°C; углерод реагирует с хромом, образуя карбиды хрома на границах зерен, локально истощая Cr и снижая коррозионную стойкость. - 304L снижает содержание углерода, чтобы контролировать осаждение карбидов во время сварки; диапазон никеля может быть немного скорректирован для сохранения стабильности аустенита. - Марганец и кремний являются деоксидантами и вносят небольшой вклад в прочность; азот, когда присутствует, может постепенно увеличивать прочность и стойкость к образованию ямок.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура: - Обе марки в основном полностью аустенитные (гранецентрированная кубическая) в отожженном состоянии. Аустенит обеспечивает отличную пластичность и прочность при криогенных и повышенных температурах. - Ни 304, ни 304L не поддаются обычному закаливанию и отпуску, поскольку они аустенитные и не превращаются в мартенсит при термообработке. Укрепление достигается в основном за счет холодной обработки (упрочнение деформацией).
Термообработка и эволюция микроструктуры: - Растворное отжиг (типичный диапазон: $1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$) растворяет любые осадки, восстанавливает пластичность и возвращает коррозионную стойкость; требуется быстрое охлаждение (закалка в воде или воздухе), чтобы избежать осаждения карбидов. - Сенсибилизация: воздействие в приблизительном диапазоне $425^\circ\text{C}$–$850^\circ\text{C}$ может привести к осаждению карбидов хрома на границах зерен. 304 более подвержен этому, чем 304L из-за более высокого содержания углерода; 304L указывается, когда постсварочное растворное отжиг невозможно. - Длительное воздействие выше ~600°C также может способствовать образованию фазы сигма или других интерметаллидов в сильно холоднокатаных или легированных вариантах; они редки в стандартном использовании 304/304L, но должны учитываться для высокотемпературного применения.
Маршруты обработки: - Нормализация не является значимой операцией по упрочнению для этих аустенитных марок. - Термомеханические маршруты (холодная прокатка, отжиг) контролируют размер зерна и текстуру для листовых или полосовых продуктов; финальный отжиг фиксирует аустенитную микроструктуру.
4. Механические свойства
Типичные минимумы механических свойств (в отожженном состоянии), обычно указываемые в стандартах продукции:
| Свойство | 304 (отожженный, типичный) | 304L (отожженный, типичный) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (Rm) | ≈ 515 МПа (мин) | ≈ 485 МПа (мин) |
| Предел текучести 0.2% (Rp0.2) | ≈ 205 МПа (мин) | ≈ 170 МПа (мин) |
| Удлинение (A) | ≥ 40% (в 50 мм) | ≥ 40% (в 50 мм) |
| Ударная вязкость (комнатная температура) | Высокая вязкость | Высокая вязкость |
| Твердость (HB / HRB) | Умеренная, поведение при упрочнении деформацией | Немного ниже начальная твердость |
Интерпретация: - 304 обычно показывает немного более высокие минимальные пределы текучести и прочности на растяжение, чем 304L из-за более высокого содержания углерода. На практике разница незначительна, и обе марки являются пластичными и прочными. - Обе марки сохраняют отличную вязкость до криогенных температур; ни одна из них не является хрупкой при рабочих температурах, обычно встречающихся в промышленности. - Различия в прочности наиболее актуальны, когда проект близок к допустимым пределам напряжения или когда снижение прочности после сварки является фактором.
5. Свариваемость
Факторы свариваемости: - Низкий углерод снижает склонность к образованию карбидов хрома на границах зерен во время охлаждения через диапазон сенсибилизации. Поэтому более низкий углерод снижает восприимчивость к межкристаллической коррозии после сварки. - Закаливаемость в аустенитных нержавеющих сталях низкая; они не образуют твердые мартенситные структуры при охлаждении, поэтому трещины от твердых фаз не являются основной проблемой. Однако холодная обработка и термические циклы могут создавать мартенсит, вызванный деформацией, в 304 при определенных условиях; 304L, с немного другим составом, может быть немного менее подвержен мартенситу, вызванному деформацией.
Полезные индексы свариваемости (качественная интерпретация): - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Эквивалент коррозии ямок (Pcm) для оценки свариваемости: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация: - Более низкий $C$ снижает как $CE_{IIW}$, так и $P_{cm}$, указывая на снижение чувствительности к горячим трещинам и меньший риск сегрегации/сенсибилизации во время сварки. - На практике 304L обычно легче сваривается в крупных, тепловых сварных соединениях, поскольку более низкое содержание углерода снижает риск межкристаллической коррозии без необходимости в постсварочном растворном отжиге. - При сварке 304 (более высокий углерод) проектировщики часто контролируют тепловую подачу, используют filler metals с стабилизаторами (например, Ti или Nb в некоторых присадках) или выполняют постсварочное растворное отжиг, когда коррозионная стойкость сварной зоны должна соответствовать коррозионной стойкости основного металла.
Замечания по практике сварки: - Используйте соответствующие или низкоуглеродные filler metals в зависимости от требований к эксплуатации и коррозии. - Минимизируйте время удержания в диапазоне сенсибилизации и используйте быстрое охлаждение или локальный контроль нагрева. - Для критических коррозионных сред предпочтительны 304L или стабилизированные марки (например, 321, 347), когда постсварочное растворное отжиг невозможно.
6. Коррозия и защита поверхности
Коррозионное поведение: - И 304, и 304L полагаются на богатую хромом пассивную пленку для общей коррозионной стойкости в атмосферных, слабо кислых и щелочных средах. - Сопротивление образованию ямок и коррозии в трещинах ограничено, поскольку обе марки не содержат молибдена; поэтому в хлоридах или агрессивных морских средах предпочтительнее более легированные марки (316, дуплекс и т.д.).
Релевантность PREN: - PREN используется для оценки стойкости к образованию ямок в хлоридах; для этих марок: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Для 304/304L Mo практически равен нулю или очень низок, а N низок; значения PREN скромные, поэтому ни одна из марок не рекомендуется для жестких хлоридных сред.
Сенсибилизация и межкристаллическая коррозия: - Основная проблема коррозии, где 304 может быть в невыгодном положении, — это межкристаллическая коррозия после сварки или длительного воздействия в критическом температурном диапазоне, где осаждаются карбиды хрома. - Низкий углерод 304L снижает образование карбидов и, таким образом, снижает риск межкристаллической коррозии в сварных зонах.
Защита поверхности для не нержавеющих сталей: - Здесь не применимо; для не нержавеющих углеродных сталей оцинковка или покрытия являются обычными. Для 304/304L обычны пассивация поверхности (пассивация азотной или лимонной кислотой) и травление для восстановления или улучшения пассивной пленки после обработки.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
Формование и изгиб: - Обе марки демонстрируют отличную холодную формуемость; 304L может быть немного легче формовать из-за немного более низкого предела текучести. - Все аустенитные нержавеющие стали быстро упрочняются при обработке; операции формования часто требуют промежуточных отжигов для сильной деформации.
Обрабатываемость: - Аустенитные нержавеющие стали сложнее обрабатывать, чем углеродные стали из-за высокой пластичности и упрочнения при обработке. 304 и 304L имеют схожую обрабатываемость; контроль процессов (жесткие инструменты, острые вставки, адекватный контроль стружки и смазка/охлаждение) критически важен. - Немного более низкая прочность 304L может немного облегчить резательные силы при некоторых операциях.
Отделка поверхности: - Обе марки могут быть полированы, пассивированы, электрохимически обработаны и подвергнуты пескоструйной обработке для достижения требуемых отделок поверхности. 304L часто используется для сварных сборок, где требуется однородная отделка по всем сварным швам без растворного отжига.
8. Типичные применения
| 304 — Типичные применения | 304L — Типичные применения |
|---|---|
| Кухонное оборудование, переработка пищи, заводы по производству напитков | Тяжелые сварные сосуды и трубопроводы в химических заводах |
| Архитектурные отделки, декоративные панели | Сварные резервуары и сосуды, где постсварочный отжиг невозможен |
| Теплообменники (в мягких средах) | Канализация и трубопроводы сточных вод с обширной сваркой |
| Крепеж, пружины (где необходимы коррозионная стойкость и прочность) | Сварные системы в фармацевтической и биотехнологической отраслях, требующие коррозионной стойкости в сварных швах |
| Автомобильные отделки, потребительские товары | Сосуды под давлением и трубопроводы с большими объемами сварки, где риск сенсибилизации является проблемой |
Обоснование выбора: - Выбирайте 304, если приемлемы более высокие минимальные прочностные характеристики и немного более низкая стоимость материала, и если сварка ограничена или постсварочный отжиг возможен. - Выбирайте 304L, если ожидается тяжелая сварка, невозможность растворного отжига после обработки или работа в условиях немного более коррозионной среды после сварки.
9. Стоимость и доступность
- Обе марки широко доступны по всему миру в виде плит, листов, полос, труб и прутков.
- 304 обычно является самой распространенной и, на многих рынках, немного менее дорогой из-за более широких объемов производства и менее строгого контроля углерода.
- 304L может иметь небольшую надбавку из-за более строгого контроля углерода во время плавления и обработки, но эта надбавка часто невелика по сравнению с общей стоимостью обработки при исключении дорогостоящей постсварочной термообработки.
- Сроки поставки и доступность обычно отличные для обеих марок в стандартных формах продукции; для очень крупных изготовленных изделий или специальных сертификатов на заводе следует проверить влияние на график с поставщиками.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 304 | 304L |
|---|---|---|
| Свариваемость (устойчивость к сенсибилизации) | Хорошая; требует осторожности при тяжелых сварках | Лучше для тяжелых сварных соединений и где PWHT не выполняется |
| Прочность–Вязкость | Немного более высокая минимальная прочность; одинаково высокая вязкость | Немного более низкая минимальная прочность; одинаково высокая вязкость |
| Стоимость | Обычно немного ниже | Обычно немного выше, но часто экономически целесообразен для сварных систем |
Рекомендация: - Выбирайте 304, если: ваш проект выигрывает от немного более высокой минимальной прочности и вы можете контролировать практику сварки (низкая тепловая подача, использование подходящих filler metals) или выполнять растворное отжиг после сварки для восстановления коррозионной стойкости. - Выбирайте 304L, если: компонент или трубопровод будут подвергаться обширной сварке, постсварочный растворный отжиг невозможен или есть опасения по поводу межкристаллической коррозии в сварных соединениях. 304L часто является более безопасным, менее рискованным выбором для сварных сосудов под давлением, резервуаров и тяжелых трубопроводов, где критически важно поддерживать коррозионную стойкость в зонах, затронутых теплом сварки.
Заключительная заметка: как 304, так и 304L являются надежными, широко используемыми аустенитными нержавеющими сталями. Решение по проектированию обычно зависит от практики сварки и приемлемости небольшого компромисса в минимальной прочности для улучшенной коррозионной стойкости в сварном состоянии. Для критических или подверженных хлору услуг рассмотрите более легированные (содержащие Mo) нержавеющие марки или дуплексные альтернативы.