304 против 309S – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между нержавеющими сталями AISI 304 и 309S при спецификации компонентов для коррозионных или высокотемпературных условий эксплуатации. Решение часто сводится к компромиссу между коррозионной стойкостью и стоимостью (304 экономична и обладает высокой коррозионной стойкостью при комнатной температуре) и стабильностью при высоких температурах и стойкостью к окислению (309S выбирается для применения при повышенных температурах). Типичные контексты принятия решений включают выбор материалов для технологических трубопроводов, компонентов печей, выхлопных систем или сварных сборок, которые подвергаются периодическим или постоянным высоким температурам.
Основное техническое различие между этими двумя аустенитными нержавеющими марками заключается в их легирующей стратегии: 309S содержит значительно больше хрома и никеля, чем 304, и имеет сниженное содержание углерода (суффикс "S" обозначает низкий углерод). Этот баланс легирующих элементов обеспечивает 309S улучшенную стойкость к окислению и прочность при высоких температурах, в то время как 304 остается стандартом для общей коррозионной стойкости, формуемости и применения с учетом стоимости.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты:
- ASTM/ASME: A240 / ASME SA240 (лист, плита) — указаны типы 304 и 309S.
- EN/ISO: серия EN 10088 (различные обозначения в зависимости от формы продукта).
- JIS/GB: Японские и китайские стандарты имеют соответствующие марки (эквиваленты SUS304; SUS309S).
- Классификация:
- 304: Аустенитная нержавеющая сталь (нержавеющая).
- 309S: Аустенитная нержавеющая сталь (нержавеющая), высоколегированная, низкоуглеродная вариация, предназначенная для высокотемпературной эксплуатации.
2. Химический состав и легирующая стратегия
Следующая таблица показывает типичные пределы и диапазоны состава, указанные в общих спецификациях (значения являются максимальными или номинальными диапазонами, используемыми в промышленных стандартах):
| Элемент | 304 (типичные пределы) | 309S (типичные пределы) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 мас% | ≤ 0.03 мас% (низкоуглеродный "S") |
| Mn | ≤ 2.0 мас% | ≤ 2.0 мас% |
| Si | ≤ 1.0 мас% | ≤ 1.0 мас% |
| P | ≤ 0.045 мас% | ≤ 0.045 мас% |
| S | ≤ 0.03 мас% | ≤ 0.03 мас% |
| Cr | 18.0–20.0 мас% | 22.0–24.0 мас% |
| Ni | 8.0–10.5 мас% | 12.0–15.0 мас% |
| Mo | обычно нет | обычно нет |
| V, Nb, Ti, B | следы/нет | следы/нет |
| N | ≤ ~0.10 мас% | ≤ ~0.10 мас% |
Как легирование влияет на свойства: - Хром: основной элемент для стойкости к окислению и стабильности пассивной пленки. Более высокий Cr в 309S улучшает адгезию оксидной пленки при высоких температурах и стойкость к агрессивным окисляющим атмосферам. - Никель: стабилизирует аустенитную фазу, улучшает пластичность и прочность при высоких температурах; более высокий Ni в 309S увеличивает термическую стабильность и стойкость к ползучести при повышенных температурах. - Углерод: более низкое содержание углерода в 309S ("S" марка) минимизирует осаждение карбидов и улучшает стойкость к сенсибилизации при сварке и воздействии высоких температур. - Кремний и незначительные элементы влияют на поведение окислительной корки; Si в небольших количествах может улучшить адгезию корки при высоких температурах.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Обе марки 304 и 309S полностью аустенитные (кубическая решетка с центром на грани) в отожженном состоянии. Они не трансформируются в феррит или мартенсит при нормальных термических циклах при комнатной температуре.
- Микроструктура при стандартной обработке:
- Отожженная: эквиксиальная аустенитная структура с отожженными двойниками. Размер зерна зависит от температуры финального отжига и термомеханической истории.
- Холоднообработанная: увеличенная плотность дислокаций и потенциальный мартенсит, вызванный деформацией, в 304 при сильной холодной обработке; 309S, с более высоким Ni, менее подвержен мартенситу, вызванному деформацией.
- Реакция на термообработку:
- Аустенитные нержавеющие стали не поддаются закалке с последующим отпуском. Растворный отжиг (например, 1010–1150 °C с последующим быстрым охлаждением) восстанавливает коррозионную стойкость и пластичность, растворяя карбиды.
- Сенсибилизация (осаждение хромового карбида при 450–850 °C) смягчается за счет низкого содержания углерода в 309S и растворного отжига; 304 может сенсибилизироваться при неправильной сварке или удерживании в диапазоне сенсибилизации.
- Термо-механическая обработка:
- Более высокое содержание легирующих элементов в 309S обеспечивает лучшее сохранение механической прочности при повышенных температурах и улучшенную стойкость к ползучести; обе марки полагаются на упрочнение холодной обработкой при комнатной температуре.
4. Механические свойства
Поскольку свойства варьируются в зависимости от формы продукта и состояния, таблица ниже предоставляет сравнительные, качественные оценки, а не абсолютные числовые гарантии.
| Свойство | 304 | 309S | Комментарий |
|---|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Типичный аустенитный диапазон | Немного выше (укрепленный раствором за счет Ni/Cr) | 309S часто имеет умеренно более высокую прочность на растяжение в отожженном состоянии благодаря легированию |
| Предельная прочность | Сравнимая | Сравнимая, но немного выше | Поведение при предельной прочности схоже; различия зависят от холодной обработки |
| Удлинение (пластичность) | Высокое (отличная формуемость) | Хорошее, но обычно немного ниже, чем у 304 | Низкое содержание легирующих элементов в 304 обычно позволяет легче формовать и обеспечивает более высокое удлинение |
| Ударная вязкость | Очень хорошая при комнатных температурах | Очень хорошая; сохраняет вязкость при повышенных температурах лучше | Обе марки сохраняют вязкость при низких температурах; 309S показывает лучшую сохранность вязкости при высоких температурах |
| Твердость | Низкая (упрочняется при обработке) | Немного выше в отожженном состоянии | Твердость увеличивается при холодной обработке для обеих марок |
Интерпретация: 309S обычно предлагает немного более высокую прочность и превосходные характеристики при повышенных температурах, в то время как 304 обеспечивает отличную пластичность и формуемость для применения при комнатной температуре.
5. Сварка
- Обе марки хорошо свариваются с использованием стандартных аустенитных нержавеющих сварочных материалов. Поскольку обе марки аустенитные, свариваемость обычно отличная (предварительный подогрев не требуется для предотвращения водородного растрескивания в большинстве случаев).
- Уровень углерода и легирование:
- 309S имеет более низкий предел углерода для снижения сенсибилизации; его более высокое содержание Ni снижает склонность к образованию сигма-фазы и способствует образованию пластичной структуры сварного металла.
- 304 может быть более подвержена сенсибилизации в зоне термического влияния (HAZ), если охлаждение медленное; низкоуглеродная 304L или постсварочный растворный отжиг могут быть использованы для снижения сенсибилизации.
- Закаляемость и растрескивание HAZ обычно не являются ограничивающими для этих аустенитных марок.
- Использование предсказательных индексов свариваемости:
- Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Хромовый эквивалент (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Интерпретация: более высокий Cr и Ni в 309S увеличивают легирующие параметры, но его низкий углерод снижает вклад $C$. На практике сварщики часто используют соответствующий или немного более легированный наполнитель (например, наполнитель 309L) при соединении различных сталей или когда требуется сварка с превосходной стойкостью к окислению при высоких температурах.
6. Коррозия и защита поверхности
- Нержавеющая сталь (как 304, так и 309S): коррозионная стойкость определяется содержанием хрома и целостностью пассивной пленки.
- Для водной коррозии при комнатных температурах 304 обеспечивает отличные характеристики во многих средах (пищевое производство, легкое химическое воздействие). 309S обычно не улучшает водную коррозию значительно по сравнению с 304; его преимущество заключается в повышенных температурах.
- Для высокотемпературного окисления и циклического нагрева 309S образует более защитную, адгезивную оксидную корку благодаря более высокому содержанию Cr и Ni, что делает его предпочтительным для частей печей, горелок и теплообменников.
- Использование PREN (для сравнения стойкости к питтингу, где Mo и N значительны): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN не является особенно информативным для 304 или 309S, поскольку ни одна из марок не содержит значительного количества Mo; вклад азота незначителен, поэтому значения PREN не отразят их основные различия в производительности при окислении.
- Нержавеющие стали: для справки, углеродные или низколегированные стали требуют покрытий (гальванизация, покраска, термобарьерные покрытия) для защиты от коррозии; такие меры обычно не применяются к нержавеющим маркам таким же образом.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- Аустенитные нержавеющие стали обычно сложнее обрабатывать, чем мягкие стали, из-за упрочнения при обработке и низкой теплопроводности.
- 309S может быть немного сложнее обрабатывать, чем 304 из-за более высокого содержания легирующих элементов и склонности к упрочнению при обработке; срок службы инструмента может быть короче, а подача/скорости должны быть отрегулированы.
- Формуемость и глубокая вытяжка:
- 304 обладает отличной формуемостью и широко используется для глубокой вытяжки, штамповки и сложных форм.
- 309S формуется, но менее подходит для глубокой вытяжки из-за немного сниженной пластичности и более высокой предельной прочности.
- Обработка поверхности:
- Обе практики полировки и травления являются стандартными; 309S иногда требует внимания к термической окраске поверхности после эксплуатации при повышенных температурах, и оксидные корки могут потребовать механического или химического удаления.
8. Типичные применения
| 304 — Типичные применения | 309S — Типичные применения |
|---|---|
| Оборудование для пищевой промышленности, кухонные принадлежности, раковины, архитектурные отделки, трубопроводы для химических процессов при комнатных/умеренных температурах | Облицовки печей, оборудование для печей, радиантные трубы, воздуховоды для высоких температур, горелки, приспособления для термообработки |
| Теплообменники, резервуары и сосуды для питьевой воды и многих химикатов | Сварочный наполнитель для соединения углеродных сталей с нержавеющими; наложенные сварки, требующие стойкости к окислению |
| Автомобильные отделки, крепежи и детали общего назначения | Выхлопные коллекторы и дымовые трубы (периодическая эксплуатация) |
Обоснование выбора: выбирайте 304 для экономически эффективной коррозионной стойкости при комнатной температуре и формования; выбирайте 309S, когда эксплуатация связана с постоянными или циклическими высокими температурами или когда сварные наложения/наполнители должны противостоять окислению.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость:
- 304 является одной из самых широко используемых нержавеющих марок и обычно является самой низкозатратной аустенитной нержавеющей сталью благодаря умеренному содержанию Ni.
- 309S содержит значительно больше никеля (и хрома), поэтому стоимость сырья и, следовательно, стоимость готовой продукции выше.
- Доступность:
- 304 повсеместно доступна в различных формах продукта: лист, плита, рулон, труба, пруток, проволока.
- 309S легко доступна в формах листа, плиты, прутка и сварочного наполнителя, но может быть менее распространена в некоторых специализированных формах продукта или на меньших рынках. Сроки поставки и минимальные объемы заказа могут быть больше для 309S в определенных размерах.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 304 | 309S |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная; риск сенсибилизации, если не контролировать | Отличная; низкий углерод снижает сенсибилизацию |
| Прочность–вязкость | Очень хорошая вязкость, отличная пластичность | Немного выше прочность при высоких температурах; хорошая вязкость |
| Стоимость | Ниже (экономично, широко доступно) | Выше (более легированная, более высокая стоимость) |
Рекомендация: - Выбирайте 304, если вам нужна экономически эффективная, высокоформуемая аустенитная нержавеющая сталь для условий эксплуатации с коррозией от умеренной до средней, где стойкость к окислению при высоких температурах не является основным требованием (например, оборудование для пищевой промышленности, архитектурные элементы, трубопроводы общего назначения). - Выбирайте 309S, если деталь будет работать в условиях повышенных температур (печи, выхлопы, радиантные трубы), требует улучшенной стойкости к окислению или прочности при высоких температурах, или если применение связано с наложением сварки для высокотемпературной эксплуатации. Также выбирайте 309S, где требуется низкий углерод, чтобы избежать сенсибилизации и улучшить поведение HAZ при высокотемпературных циклах.
Заключительная заметка: окончательный выбор материала должен учитывать профили температур эксплуатации, атмосферу воздействия (окисляющая против восстанавливающей), механическую нагрузку и требования к ползучести, процессы обработки и стоимость жизненного цикла. Для критических применений подтвердите конкретные сертификаты материалов и проведите испытания на коррозию и высокие температуры, специфичные для применения, или проконсультируйтесь с поставщиком материалов и ресурсами металлургической инженерии.