304 против 316 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Нержавеющие стали 304 и 316 являются двумя из самых широко используемых аустенитных марок в промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто должны выбирать между ними, балансируя коррозионную стойкость, обрабатываемость/сварку, механические требования и стоимость. Типичные контексты принятия решений включают переработку пищевых продуктов и кухонное оборудование (где важны стоимость и формуемость) против морского или химического обслуживания (где критически важна стойкость к коррозии от хлоридов).
Основное металлургическое различие заключается в том, что 316 легирован молибденом (и часто имеет немного более высокое содержание никеля), что повышает стойкость к локализованной коррозии — особенно к коррозии от точек и трещин в средах, содержащих хлориды. Поскольку обе марки являются аустенитными нержавеющими сталями с похожим базовым содержанием хрома и никеля, их часто сравнивают для выбора замены или спецификации.
1. Стандарты и обозначения
Общие международные стандарты и обозначения для 304 и 316 включают:
- ASTM/ASME: A240/A276/A312 (плита, пруток, трубка соответственно)
- EN: 1.4301 (304), 1.4401 (316) и их низкоуглеродные/стабилизированные варианты (например, 1.4307 = 304L, 1.4404 = 316L)
- JIS: SUS304, SUS316
- GB (Китай): 0Cr18Ni9 (примерно 304), 0Cr17Ni12Mo2 (примерно 316)
Классификация: как 304, так и 316 являются нержавеющими (аустенитными) сталями. Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица обобщает типичные диапазоны состава для общих коммерческих марок 304 и 316 (отожженные, стандартные марки). Стандарты продукции и поставщики могут указывать немного другие пределы; стабилизированные или низкоуглеродные варианты (например, 304L, 316L, 316Ti, 316Nb) изменяют некоторые записи.
| Элемент | 304 (типичный диапазон, вес%) | 316 (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.0–19.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 10.0–14.0 |
| Mo | — (обычно 0) | 2.0–3.0 |
| V | следы (не указано) | следы (не указано) |
| Nb | не присутствует (кроме стабилизированных марок) | не присутствует (кроме стабилизированных марок) |
| Ti | не присутствует (кроме стабилизированных марок) | не присутствует (кроме стабилизированных марок) |
| B | следы / не указано | следы / не указано |
| N | малое, контролируемое (часто ≤ 0.1) | малое, контролируемое (часто ≤ 0.1) |
Как легирование влияет на производительность - Хром (Cr) обеспечивает пассивную оксидную пленку, которая придает нержавеющей стали основную коррозионную стойкость. - Никель (Ni) стабилизирует гранецентрированную кубическую (аустенитную) фазу, улучшая прочность, пластичность и производительность при низких температурах. - Молибден (Mo), присутствующий в 316, увеличивает стойкость к коррозии от точек и трещин в средах, содержащих хлориды, и улучшает стойкость к некоторым химическим средам. - Содержание углерода влияет на прочность и восприимчивость к сенсибилизации (осаждению карбидов) во время нагрева/сварки; низкоуглеродные варианты (304L, 316L) или стабилизированные марки уменьшают сенсибилизацию.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура - Как 304, так и 316 полностью аустенитны при комнатной температуре (гранецентрированная кубическая, ГЦК) после стандартного отжигового процесса. - Микроструктура обычно состоит из однофазного аустенита с возможными следовыми количествами дельта-феррита в зависимости от обработки и состава.
Реакция на термообработку и обработка - Аустенитные нержавеющие стали по сути не поддаются термообработке для упрочнения закалкой и отпуском, как ферритные/мартиситные стали. Механические свойства в основном определяются холодной обработкой и упрочнением. - Общие термические процессы: - Растворный отжиг (обычно около 1,050–1,100 °C с последующей закалкой) растворяет карбиды и восстанавливает коррозионную стойкость и пластичность. - Отжиг для снятия напряжений при более низких температурах используется выборочно, но может привести к осаждению карбидов, если удерживается в диапазоне сенсибилизации (~500–800 °C). - Сенсибилизация: длительное воздействие в диапазоне 500–800 °C вызывает осаждение карбида хрома на границах зерен, истощая хром в соседних областях и увеличивая восприимчивость к межзерновой коррозии. Устранение: указывать низкоуглеродные марки (304L/316L) или стабилизированные марки (TP347/316Ti) при сварке или когда обслуживание включает температуры, которые могут вызвать сенсибилизацию. - Холодная обработка увеличивает прочность за счет упрочнения, но также увеличивает восприимчивость к локализованной коррозии, если деформация повреждает пассивную пленку.
4. Механические свойства
Механические свойства зависят от формы продукта (лист, плита, пруток, проволока), термообработки и холодной обработки. Таблица дает типичные диапазоны для отожженных, коммерчески доступных марок; точные значения должны быть подтверждены из сертификатов материалов или стандартов для закупок.
| Свойство (отожженное, типичное) | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (UTS) | ~480–620 МПа (типичный диапазон) | ~480–620 МПа (типичный диапазон) |
| Предельная прочность (0.2% смещение) | ~190–310 МПа (варьируется в зависимости от продукта) | ~190–310 МПа (варьируется в зависимости от продукта) |
| Удлинение (A%) | ≥ 40% (тонкая толщина выше) | ≥ 40% (тонкая толщина выше) |
| Ударная вязкость (при комнатной температуре) | Высокая; сохраняет пластичность и прочность | Высокая; аналогичная или немного лучше при низкой температуре |
| Твердость (отожженная) | HB ~120–200 (в зависимости от упрочнения) | HB ~120–200 (в зависимости от упрочнения) |
Интерпретация - Прочность: в отожженном состоянии 304 и 316 демонстрируют очень схожие прочности на растяжение и предельные прочности; различия в прочности обычно небольшие по сравнению с эффектами от холодной обработки или формы продукта. - Прочность и пластичность: обе марки прочные и пластичные при комнатной и отрицательных температурах благодаря стабильной аустенитной микроструктуре. 316 может сохранять немного лучшую прочность в некоторых низкотемпературных или сильно коррозионных средах благодаря своему легированию, но различия незначительны. - Твердость: обе марки относительно мягкие в отожженном состоянии; твердость может значительно увеличиваться при холодной обработке.
5. Сварка
Сварка как 304, так и 316 обычно очень хороша при использовании стандартных процессов сварки (TIG, MIG, SMAW и т.д.). Ключевые моменты:
- Уровень углерода и сенсибилизация: содержание углерода контролирует восприимчивость к межзерновой коррозии после сварки. Используйте низкоуглеродные варианты (304L, 316L) или стабилизированные марки (например, 316Ti) для сварных соединений большой толщины или когда постсварочный растворный отжиг невозможен.
- Твердость и закаливаемость: аустенитные нержавеющие стали имеют низкую закаливаемость; образование мартенсита в зоне термического влияния сварки редко встречается по сравнению с ферритными сталями.
- Индексы свариваемости (качественные): формулы эквивалента углерода помогают оценить риск трещинообразования или закаливаемости. Примеры индексов, часто используемых инженерами: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ и $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Качественная интерпретация: как 304, так и 316 производят пластичные, трещиноустойчивые сварные швы при правильных процедурах. Молибден и более высокое содержание никеля в 316 могут потребовать внимания к выбору присадочного материала для соответствия коррозионной производительности. Постсварочный растворный отжиг или использование низкоуглеродных/стабилизированных марок минимизирует сенсибилизацию.
6. Коррозия и защита поверхности
Нержавеющие марки - Пассивная пленка Cr2O3 как на 304, так и на 316 обеспечивает общую коррозионную стойкость в воздухе и многих водных средах. - Для локализованной коррозии (коррозия от точек, коррозия трещин) в средах, содержащих хлориды, молибден является эффективным легирующим элементом. Используйте эквивалентный номер стойкости к коррозии от точек (PREN) в качестве сравнительного индекса: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Качественно, 316 (с Mo) будет иметь более высокий PREN, чем 304, и, следовательно, лучшую стойкость к коррозии от точек в средах, содержащих хлориды. - Сенсибилизация и межзерновая коррозия происходят, если углерод соединяется с хромом на границах зерен; низкоуглеродные или стабилизированные марки уменьшают это.
Нержавеющие стали - Для углеродных и низколегированных сталей (не являющихся предметом этого сравнения) методы защиты от коррозии включают оцинковку, покраску, полимерные покрытия или катодную защиту. PREN не применяется к не нержавеющим металлам.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость: 304 обычно считается немного легче формуемой и вытягиваемой, чем 316 в отожженном состоянии; обе широко используются для глубокого вытягивания и сложных форм. Холодная обработка увеличивает прочность, но снижает пластичность.
- Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали сложнее обрабатывать, чем углеродные стали из-за упрочнения и прочности. 316, из-за Mo и более высокого никеля, часто обрабатывается немного сложнее, чем 304, и может вызывать быстрое изнашивание инструмента; используйте острые инструменты, жесткие установки, положительные подачи и соответствующее охлаждение.
- Обработка поверхности: обе марки принимают стандартные механические и электрохимические отделки. 316 часто предпочитается, когда полировка и пассивация будут использоваться в средах, содержащих хлориды.
- Рекомендации по формованию и сварке: избегайте перегрева и длительного удержания в диапазоне 500–800 °C, чтобы предотвратить сенсибилизацию; планируйте последовательности сварки и выбор присадочного материала, чтобы сохранить коррозионную производительность.
8. Типичные применения
| 304 — Типичные применения | 316 — Типичные применения |
|---|---|
| Кухонное оборудование, раковины, оборудование для переработки пищевых продуктов (не хлоридное) | Морское оборудование, насосы, клапаны и фитинги, подверженные воздействию морской воды |
| Архитектурные отделки и внутренние перила | Химическое и нефтехимическое оборудование, обрабатывающее хлориды или кислоты |
| Оборудование для напитков и молочной продукции | Фармацевтические и медицинские устройства, где требуется стойкость к хлоридам |
| Крепеж (внутреннее использование), декоративные панели | Теплообменники, конденсаторные трубки в морских или прибрежных установках |
| Автомобильные отделки и внутренние компоненты | Офшорные платформы, компоненты судостроения, прибрежная инфраструктура |
Обоснование выбора - Выбирайте 304, когда обслуживание не связано с значительным воздействием хлоридов, а стоимость и формуемость являются приоритетами. - Выбирайте 316, когда обслуживание включает воздействие морской воды, рассолов или химических веществ, богатых хлоридами, где требуется повышенная стойкость к коррозии от точек и трещин.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 316 обычно дороже, чем 304, потому что молибден и часто более высокое содержание никеля увеличивают стоимость материала. Ценовые различия варьируются в зависимости от колебаний рынка по Ni и Mo.
- Доступность: 304 более широко представлена в более широком диапазоне форм продуктов (лист, плита, пруток, крепеж) и толщин. 316 широко доступна, но может иметь более длительные сроки поставки или более высокие минимальные объемы заказа для некоторых специализированных форм продуктов (например, бесшовные трубы большого диаметра или тяжелые плиты).
- Примечание по закупкам: указывайте точный класс, форму продукта и любые низкоуглеродные или стабилизированные варианты при заказе, чтобы избежать замен, которые могут ухудшить коррозионную производительность.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное)
| Аспект | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Сварка | Отлично (используйте 304L или стабилизацию по мере необходимости) | Отлично (используйте 316L или стабилизацию по мере необходимости) |
| Прочность–Прочность | Хорошо; аналогично 316 в отожженном состоянии | Хорошо; аналогично 304 в отожженном состоянии; сохраняет прочность в коррозионных средах |
| Коррозионная стойкость (общая) | Хорошо | Лучше в средах с хлоридами/коррозией от точек благодаря Mo |
| Формуемость | Немного лучше для глубокого вытягивания | Немного менее формуемая; лучше для серьезного коррозионного обслуживания |
| Обрабатываемость | Немного легче, чем 316 | Немного сложнее; больше упрочняется |
| Стоимость | Ниже | Выше (содержание Mo и Ni увеличивает стоимость) |
Выводы и рекомендации - Выбирайте 304, если: - Приложение является внутренним или связано с обслуживанием без хлоридов (пищевое оборудование, архитектурные отделки), где приоритетом являются общая коррозионная стойкость, более низкая стоимость и хорошая формуемость. - Вы хотите максимальную доступность по формам и размерам продуктов при более низкой стоимости материала. - Выбирайте 316, если: - Среда обслуживания включает хлориды, морскую воду, рассолы или химические среды, которые способствуют коррозии от точек и трещин. - Более длительный срок службы в агрессивных средах, снижение затрат на обслуживание или более высокая надежность материала оправдывают более высокую стоимость материала. - Вам требуется улучшенная производительность в сварных соединениях, где локализованная коррозионная стойкость в области сварки критична (и вы выбираете соответствующие низкоуглеродные/стабилизированные варианты по мере необходимости).
Последний совет по закупкам: всегда указывайте точный вариант класса (например, 304L, 316L, 316Ti), форму продукта, отделку поверхности и любые требования к тестированию или сертификации. Для критических или агрессивных сред рассмотрите лабораторные испытания на коррозию, полевые испытания или квалификацию материалов, чтобы подтвердить выбор класса для предполагаемого обслуживания.