304 против 309S – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Выбор между аустенитными нержавеющими сталями 304 и 309S является частым инженерным компромиссом, который балансирует коррозионную стойкость, работу при высоких температурах, свариваемость и стоимость. Команды по закупкам и производству обычно выбирают 304 для общего назначения коррозионной стойкости и формуемости, в то время как 309S выбирается, когда основными проблемами являются окисление при повышенных температурах и стойкость к образованию окалины.

Основное различие заключается в том, что 309S легирован для повышения стабильности при высоких температурах и стойкости к окислению (большее содержание хрома и никеля с низким содержанием углерода), в то время как 304 оптимизирован для широкой коррозионной стойкости, формуемости и экономичности. Поскольку обе стали являются аустенитными нержавеющими сталями, их часто сравнивают, когда конструкции сталкиваются с требованиями как к коррозии, так и к температуре.

1. Стандарты и обозначения

• ASTM/ASME:
• 304 — AISI/UNS S30400; ASTM A240 (пластины/листы), A276 (брусья), A312 (трубопроводы).
• 309S — AISI/UNS S30908; ASTM A240 (марка 309S) для пластин/листов, A312 для труб.
• EN (Европейский): 304 соответствует EN 1.4301/1.4306 (304L); 309S примерно соответствует семейству EN 1.4828 для высокотемпературных марок (заметьте: прямое соответствие названия EN варьируется).
• JIS/GB: Местные стандарты предоставляют эквивалентные обозначения (например, SUS304 для 304).
• Классификация: Обе стали являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющий, коррозионно-стойкий сплав). Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

В таблице ниже перечислены типичные пределы/диапазоны состава по общепринятым спецификациям. Значения являются типичными максимальными или номинальными диапазонами для коммерческих марок; обратитесь к применимым стандартным листам для контрактных пределов материалов.

Как легирование влияет на поведение: - Хром (Cr): основной элемент для пассивации и стойкости к окислению. Более высокий Cr в 309S улучшает стойкость к образованию окалины при высоких температурах и стойкость к питтингу в определенных высокотемпературных условиях. - Никель (Ni): стабилизирует аустенитную структуру и улучшает прочность и коррозионную стойкость; более высокий Ni в 309S стабилизирует аустенит при повышенных температурах и увеличивает прочность при нагреве. - Углерод (C): более низкое содержание углерода в 309S (“S” марки) снижает осаждение карбидов во время сварки и улучшает стойкость к межкристаллитной коррозии; максимальное содержание углерода в 304 выше, но все же контролируется. - Кремний (Si) может улучшить стойкость к окислению при высоких температурах; марганец (Mn) способствует дегазации и поведению при холодной обработке. - Отсутствие молибдена означает, что ни одна из марок не оптимизирована для стойкости к питтингу, вызванному хлоридами, по сравнению с марками, содержащими Mo (например, 316).

3. Микроструктура и реакция на термообработку

• Типичные микроструктуры: как 304, так и 309S в основном полностью аустенитные (кубическая решетка с центром в гранях) в состоянии отжига. Они не трансформируются в мартенсит при комнатной температуре в стандартных условиях отжига.
• Реакция на термообработку:
• Растворный отжиг (обычный): нагрев до ~1010–1120°C, за которым следует быстрое охлаждение (вода или воздух в зависимости от размера сечения), чтобы восстановить пластичную, рекристаллизованную аустенитную структуру.
• Ни одна из марок не закаливается закалкой и отпуском (нет мартенситного закаливания); упрочнение достигается за счет холодной обработки (упрочнение при деформации) или легирования.
• При повышенных рабочих температурах 309S сохраняет структурную стабильность и лучше сопротивляется образованию окалины, чем 304, благодаря более высокому содержанию Cr и Ni. Длительное воздействие в диапазоне сенсибилизации (~450–850°C) может вызвать осаждение карбидов в вариантах с более высоким содержанием углерода; низкое содержание углерода в 309S помогает избежать межкристаллитной сенсибилизации.
• Термо-механическая обработка (холодная прокатка + отжиг) производит мелкозернистый, пластичный аустенит в обеих марках; температуры рекристаллизации схожи, но состав 309S немного изменяет поведение рекристаллизации.

4. Механические свойства

Ниже приведены представительные диапазоны механических свойств в состоянии отжига для листовых/пластинчатых изделий. Это типичные значения; фактические значения зависят от формы продукта, отделки и стандарта.

Интерпретация: - 309S обычно демонстрирует несколько более высокие прочность на растяжение и предел текучести в состоянии отжига благодаря более высокому содержанию легирующих элементов (упрочнение твердых растворов). - 304 обычно немного более пластична и легче формуется, с отличной вязкостью при комнатной и низких температурах. - Различия умеренные; решения по проектированию должны основываться на сертифицированных данных испытаний поставщика для детерминированного анализа.

5. Свариваемость

• Как 304, так и 309S легко свариваются с использованием стандартных аустенитных сварочных материалов; 309S часто используется в качестве присадочного материала или покрытия для соединения различных сталей или для работы при высоких температурах из-за его более высокого баланса Cr/Ni.
• Подверженность трещинам при сварке и горячим трещинам обычно низка для обеих марок, но выбор присадочного материала, конструкция соединения и тепловая подача имеют значение.
• Использование контроля углерода (низкое содержание C в 309S) снижает риск сенсибилизации и межкристаллитной коррозии после сварки.
• Общие индексы свариваемости:
• Для углеродного эквивалента (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Для более широкого предсказания 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 интерпретация: обе марки имеют низкие углеродные эквиваленты по сравнению с мартенситными или высокопрочными низколегированными сталями, поэтому предварительный подогрев и специальные меры предосторожности при сварке редко требуются. Для критических, толстостенных или циклически нагруженных сварных соединений проконсультируйтесь с техническими условиями сварки и рассмотрите возможность использования соответствующих присадочных материалов (например, ER309L для соединения 304 с высоколегированными сталями).

6. Коррозия и защита поверхности

• Нержавеющее поведение: обе марки являются нержавеющими (образуют защитный оксид, богатый хромом), но окружающая среда и температурные режимы определяют относительную производительность.
• PREN (для стойкости к питтингу) в основном применим там, где Mo и N вносят значительный вклад. Для справки:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Поскольку Mo обычно отсутствует, а N низок, значения PREN для 304 и 309S скромны; ни одна из них не оптимизирована для серьезного питтинга, вызванного хлоридами, по сравнению с марками, содержащими Mo.
• Относительное коррозионное поведение:
• 304: Отличная общая коррозионная стойкость во многих водных средах при комнатной температуре (пищевое производство, общее химическое воздействие).
• 309S: Превосходная стойкость к окислению и образованию окалины при повышенных температурах (компоненты печей, высокотемпературные трубы). В некоторых высокотемпературных газообразных коррозионных средах 309S превосходит 304.
• Не нержавеющая защита поверхности: Не применимо для этих марок, за исключением случаев, когда требуется дополнительное покрытие или краска для защиты от износа или эстетических причин. Для сталей, которые не являются нержавеющими, оцинковка или покраска могут быть вариантами, но для 304/309S акцент делается на поддержании пассивной пленки и избегании загрязняющих веществ (например, хлоридов).

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость: 304 легче формуется (глубокая вытяжка, изгиб), чем 309S, благодаря немного большей пластичности и более низкой скорости упрочнения. 309S может требовать более жестких радиусов изгиба и большего усилия; отжиг перед формованием является обычной практикой для 309S в условиях жесткой формы.
• Обрабатываемость: обе марки сложнее обрабатывать, чем свободно резающие стали. 304 несколько легче обрабатывается, чем 309S; инструменты, скорости и подача должны быть отрегулированы; рекомендуется использовать тяжелые резательные жидкости и карбидные инструменты.
• Отделка: обе марки принимают различные виды отделки поверхности (ярко отожженные, травленные, пассивированные). Сварные сборки обычно требуют травления и пассивации для восстановления коррозионной стойкости.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 304, если основными требованиями являются общая коррозионная стойкость, формование, отделка поверхности и более низкая стоимость. - Выбирайте 309S, если требуется стойкость к окислению при повышенных температурах, стойкость к образованию окалины или сварка с высоколегированными системами.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 309S обычно дороже, чем 304, из-за более высокого содержания хрома и никеля. Рыночные цены варьируются в зависимости от цен на никель.
• Доступность: 304 широко доступна и представлена в большом ассортименте форм продуктов (лист, плита, рулон, труба, брус, проволока). 309S широко доступна, но может быть в наличии в меньшем количестве комбинаций отделки/марки и иногда в меньшем количестве толщин или специализированных формах.
• Сроки поставки: 304 часто имеет более короткие сроки поставки из-за более высоких объемов производства; для крупных или специализированных заказов на 309S проконсультируйтесь с поставщиками заранее.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендация: - Выбирайте 304, если вам нужна экономически эффективная, легко формуемая и широко коррозионно-стойкая нержавеющая сталь для работы при комнатной и умеренно повышенной температуре (например, для пищевой обработки, резервуаров для хранения, архитектурных приложений). - Выбирайте 309S, если применение связано с длительными высокими температурами, агрессивными окислительными средами или требует присадочного материала/покрытия для соединения с высоколегированными материалами — особенно когда стойкость к образованию окалины и высокая прочность при высоких температурах имеют приоритет над легкостью формования и стоимостью.

Заключительная заметка: обе марки являются аустенитными нержавеющими сталями с перекрывающимися возможностями; спецификация должна быть окончательно определена на основе фактической рабочей температуры, коррозионных видов, метода обработки и сертифицированных отчетов испытаний материалов от поставщика.