304 против 305 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Марки 304 и 305 являются аустенитными нержавеющими сталями, широко используемыми в обработке, бытовых приборах, архитектуре и промышленности. Инженеры и команды по закупкам обычно учитывают коррозионную стойкость, формуемость, свариваемость и стоимость при выборе между ними. Проблема выбора обычно сосредоточена на том, нужно ли проекту более высокая формуемость и более низкая скорость упрочнения одной сплавы по сравнению с широкими, сбалансированными свойствами и повсеместной доступностью другой.

Основное практическое различие заключается в том, что 305 легирован для увеличения пластичности и облегчения холодной формовки по сравнению с 304 (в основном за счет увеличенной стратегии никеля и соответствующего контроля углерода и азота). Это различие приводит к различной производительности в глубоком вытягивании, растяжке и некоторых операциях механической обработки, в то время как общая коррозионная стойкость и стабильность при высоких температурах остаются схожими. Из-за перекрытия в содержании хрома и основного железа, 304 и 305 часто сравниваются, когда дизайнерам нужна лучшая формуемость без отказа от общей коррозионной производительности.

1. Стандарты и обозначения

• Общие международные стандарты:
• ASTM/ASME: 304 обычно соответствует ASTM A240/A666, UNS S30400; 305 соответствует ASTM A240 (где указано) и UNS S30500.
• EN: 304 ≈ EN 1.4301 (X5CrNi18-10); 305 ≈ EN 1.4303 (X8CrNi21-7? — примечание: прямые эквиваленты EN варьируются в зависимости от точной химии; проконсультируйтесь с конкретным стандартом).
• JIS: 304 ≈ SUS304; 305 ≈ SUS305 (если используется).
• GB (Китай): Обозначения GB/T отражают международные химические составы (консультируйтесь с последними таблицами GB/T для точных соответствий).
• Классификация: Оба 304 и 305 являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющая семья), не углеродными или HSLA сталями. Они не магнитные (в отожженном состоянии) и не являются инструментальными сталями.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица ниже показывает типичные диапазоны состава, встречающиеся в стандартных спецификациях и коммерческих марках. Точные пределы зависят от стандарта и конкретной формы продукта; это представительные диапазоны для целей сравнения.

Примечания: - 305 характеризуется в первую очередь более высоким содержанием никеля по сравнению с 304. Никель стабилизирует аустенитную фазу, снижает предел текучести и скорость упрочнения, а также увеличивает пластичность. - Углерод контролируется для ограничения сенсибилизации и межкристаллической коррозии; максимальное допустимое содержание углерода может различаться между спецификациями продуктов и влияет на коррозионную стойкость после обработки. - Молибден и другие микроалюминиевые элементы обычно отсутствуют в этих марках; если они присутствуют на следовых уровнях, их влияние на типичную коррозионную стойкость незначительно.

Как легирование влияет на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает пассивную оксидную пленку, которая обеспечивает общую коррозионную стойкость. - Никель (Ni) стабилизирует аустенит и увеличивает прочность и пластичность. Более высокий Ni в 305 снижает показатель упрочнения при деформации и улучшает способность к глубокому вытягиванию. - Углерод и азот повышают прочность, но, если их слишком много, могут способствовать сенсибилизации (осаждению карбида хрома на границах зерен), что ухудшает межкристаллическую коррозионную стойкость, если это не смягчено низкоуглеродными вариантами или стабилизацией.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

• Микроструктура (типичная): Оба 304 и 305 полностью аустенитные (кубическая гранецентрированная) в отожженном состоянии. Они не подвергаются мартенситной трансформации при нормальном отжиге; однако сильная холодная обработка может вызвать образование мартенсита, индуцированного деформацией, в некоторых аустенитных марках (304 более подвержен этому, чем 305, потому что 305 имеет более высокий Ni и более низкую энергию дислокации).
• Термообработка: Аустенитные нержавеющие стали не закаливаются закалкой и отпуском. Стандартные технологические процессы включают отжиг (растворный отжиг при ~1010–1120°C с последующим быстрым охлаждением) для восстановления пластичности и растворения карбидов.
• Холодная обработка: Упрочнение при работе увеличивает прочность, но снижает пластичность. Поскольку 305 имеет более высокое содержание никеля, он упрочняется медленнее и предлагает превосходную формуемость для глубокого вытягивания, растяжки и прокатки.
• Термо-механические обработки: Ни одна из марок обычно не подвергается нормализации или закалке-отпуску для повышения прочности; корректировки механических свойств достигаются за счет холодной обработки и циклов растворного отжига.

4. Механические свойства

Механические свойства ниже типичны для отожженных форм листов/пластин и должны быть подтверждены сертификатами материалов для конкретных плавок и форм продуктов.

Интерпретация: - Обе марки предлагают высокую вязкость и хорошую пластичность в отожженном состоянии. 305, как правило, показывает немного более низкую прочность на текучесть и улучшенное удлинение — это замысел дизайна для облегчения операций формовки. - Прочность в этих аустенитных нержавеющих сталях сильно зависит от холодной обработки, а не от термообработки; проектировщики должны указывать требуемые механические свойства в контрактных документах.

5. Свариваемость

Свариваемость аустенитных нержавеющих сталей обычно отличная по сравнению с ферритными марками, но необходимо обращать внимание на деформацию, сенсибилизацию и свойства после сварки.

Полезные эмпирические индексы: - Углеродный эквивалент ($CE_{IIW}$) для качественной оценки восприимчивости к холодным трещинам и эффектам закаляемости: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm (для прогнозирования восприимчивости к холодным трещинам в сварных швах стали — менее часто применяется к нержавеющей стали, но полезен в качественном обсуждении): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Качественная интерпретация: - Оба 304 и 305 хорошо свариваются с обычными filler metals (например, семейство 308L/309L для 304). Поскольку 305 имеет более высокий никель, он, как правило, менее подвержен трещинам при затвердевании и сохраняет пластичность в зоне термического воздействия. - Контроль углерода важен для избежания сенсибилизации; низкоуглеродные варианты (304L) указываются при сварке крупных секций без последующего растворного отжига. - Постсварочный отжиг обычно не требуется для большинства эксплуатационных условий; однако применяются лучшие практики по снятию напряжений и очистке. - Для критических приложений выбирайте filler alloys, чтобы соответствовать коррозионным и механическим свойствам; консультируйтесь с кодами сварки и техническими паспортами filler metals.

6. Коррозия и защита поверхности

• Общая коррозия: С похожим содержанием хрома, 304 и 305 имеют в целом схожую стойкость к общей атмосферной коррозии, кислотам пищевой промышленности и многим органическим и неорганическим химикатам.
• Коррозия точечной/щелевой: Ни одна из них не содержит значительного количества молибдена; для сред с высоким содержанием хлора предпочтительнее марка 316 или сплавы с более высоким PREN.
• PREN (Эквивалентный номер стойкости к точечной коррозии) полезен для нержавеющих сталей, содержащих молибден: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Поскольку Mo ≈ 0 и N низок как в 304, так и в 305, PREN низок, и индекс здесь не дает значительного преимущества — оба не рекомендуются для агрессивного хлорного обслуживания без защитных мер.
• Защита поверхности для не нержавеющих сталей: Здесь не применимо; оба являются нержавеющими. Когда требуется дополнительная защита, можно применять пассивацию, электрохимическую полировку и покрытия.
• Сенсибилизация: Контроль углерода (и использование низкоуглеродных вариантов) или растворный отжиг снижает риск межкристаллической коррозии после сварки.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость: 305 был разработан для улучшенной производительности глубокого вытягивания и растяжки. Более высокий никель снижает скорость упрочнения, позволяя большую деформацию в один этап и меньше промежуточных отжигов.
• Обрабатываемость: Оба 304 и 305 труднее обрабатывать, чем углеродные стали. Более низкая скорость упрочнения 305 может облегчить некоторые операции механической обработки (сниженное давление на инструмент и сниженная тенденция к быстрому упрочнению), но ни одна из них не конкурирует с легкими сталями (например, 303). Используйте острые инструменты, соответствующие подачи и смазку.
• Сгибание и тиснение: 305, как правило, производит более гладкие изгибы с меньшим возвратом и трещинами в тонкостенных листах.
• Отделка поверхности и формование: 305 снижает риск шероховатости поверхности во время формования; для высококачественных видимых отделок выбирайте соответствующую отделку поверхности и контролируйте инструменты, чтобы избежать заедания.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 304, когда широкая коррозионная производительность, доступность и сбалансированные механические свойства являются основными. Это стандарт отрасли для общего назначения нержавеющей стали. - Выбирайте 305, когда глубокое вытягивание, растяжка и превосходная пластичность сокращают этапы производства или отходы; 305 может снизить стоимость обработки для сложных формованных компонентов, несмотря на немного более высокую стоимость материала.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: Поскольку 305 обычно содержит больше никеля, он обычно стоит дороже за килограмм, чем 304, при прочих равных условиях. Волатильность рынка никеля приводит к относительным различиям в стоимости.
• Доступность: 304 является наиболее часто запасаемой аустенитной нержавеющей сталью и широко доступен в листах, пластинах, трубах, трубках, проволоке и прутках. 305 доступен в обычных формах (лист, лента, катушка), но может не быть так широко запасаем в всех формах продуктов и толщинах; сроки поставки могут быть длиннее для специализированных форм.
• Совет по закупкам: Для деталей, штампованных в больших объемах, указывайте 305 только в том случае, если экономия на формовке компенсирует более высокую стоимость материала за единицу. Для единичных или маловыпускаемых изделий преимущества в поставках 304 часто преобладают.

10. Резюме и рекомендации

Выводы: - Выбирайте 304, если вам нужна универсальная, широко доступная и экономически эффективная аустенитная нержавеющая сталь с хорошей коррозионной стойкостью и обычными свойствами формовки/сварки. - Выбирайте 305, если производственный процесс требует превосходной холодной формуемости, глубокого вытягивания или сниженного возврата и упрочнения; 305 может сократить этапы формовки и отходы в высокообъемных штампованных или глубоко формованных деталях, несмотря на более высокую цену материала.

Заключительные практические рекомендации: - Подтвердите точные химические и механические пределы с отчетами о испытаниях поставщика и соответствующим стандартом (ASTM/EN/GB/JIS) перед окончательным выбором. - Для сварных, подверженных воздействию хлора или сильно нагруженных компонентов оцените альтернативные сплавы (например, 316, дуплексные марки) или постобработки, а не полагайтесь на незначительные различия между 304 и 305.