304 против 316L – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Типы 304 и 316L являются двумя наиболее часто указываемыми аустенитными нержавеющими сталями в промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно оценивают коррозионную стойкость, характеристики обработки, свариваемость, механические свойства и стоимость жизненного цикла при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают оборудование для общественного питания и архитектурные отделки (где важны стоимость и внешний вид) по сравнению с морскими или химическими процессами (где важны стойкость к хлоридам/питтингу и долговременная коррозионная стойкость).
На высоком уровне основное практическое различие заключается в стратегии легирования: 316L содержит молибден и немного другую пропорцию никеля/хрома и меньше углерода, чем 304, что существенно улучшает стойкость к коррозии, вызванной хлоридами, при этом увеличивая стоимость материала. Из-за этих различий 304 и 316L сравниваются всякий раз, когда проектировщики балансируют коррозионную стойкость, поведение при обработке/сварке, механические требования и бюджет.
1. Стандарты и обозначения
Общие международные стандарты и типичные идентификаторы для каждого сорта:
- ASTM/ASME
- 304: ASTM A240 (лист), A276 (прутки), UNS S30400
- 316L: ASTM A240 (лист), A276 (прутки), UNS S31603
- EN (Европа)
- 304: EN 1.4301
- 316L: EN 1.4404
- JIS (Япония)
- 304: SUS304
- 316L: SUS316L
- GB (Китай)
- 304: 06Cr19Ni10 (или эквивалент)
- 316L: 0Cr17Ni12Mo2 (или эквивалент)
Классификация: как 304, так и 316L являются нержавеющими сталями (аустенитная группа). Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями, легированными сталями или HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица дает типичные диапазоны состава (вес %) обычно встречающиеся в спецификациях ASTM/EN или в отраслевых технических листах. Значения являются диапазонами и зависят от конкретного стандарта/формы продукта.
| Элемент | 304 (типичный диапазон, вес%) | 316L (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.5–19.5 (≈18%) | 16.0–18.0 (≈16–17%) |
| Ni | 8.0–10.5 (≈8–10%) | 10.0–14.0 (≈10–12%) |
| Mo | — (следы) | 2.0–3.0 |
| V | следы | следы |
| Nb (Cb) | — | следы (не типично для 316L) |
| Ti | — | следы (не типично для 316L) |
| B | следы | следы |
| N | ≤ 0.10 (если указано) | ≤ 0.10 (если указано) |
Как легирование влияет на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает пассивную оксидную пленку, которая определяет нержавеющее поведение; оба сорта имеют достаточное количество Cr для общей коррозионной стойкости. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу и улучшает прочность и формуемость. - Молибден (Mo) в 316L значительно улучшает стойкость к питтингу и коррозии в трещинах в средах, содержащих хлориды. - Снижение углерода (C) в 316L (обозначение "L") уменьшает сенсибилизацию во время сварки и снижает восприимчивость к межкристаллитной коррозии. - Необходимые элементы и азот могут использоваться в некоторых спецификациях для настройки прочности и локализованной коррозионной стойкости.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура: - Оба 304 и 316L полностью аустенитные (кубическая решетка с центром грани) в отожженном состоянии при комнатной температуре. Они, как правило, не превращаются в феррит или мартенсит во время нормальных термических циклов, за исключением случаев сильной холодной обработки (что может вызвать локальное образование мартенсита в 304).
Ответ на термообработку/обработку: - Аустенитные нержавеющие стали не закаливаются с помощью обычных термообработок с закалкой и отпуском. Отжиг (растворный отжиг при ~1000–1150 °C в зависимости от спецификации), за которым следует быстрое охлаждение, восстанавливает аустенитную микроструктуру, обработанную раствором, и растворяет карбиды. - Сенсибилизация (осаждение карбида хрома на границах зерен) происходит, если участки удерживаются примерно между 425–850 °C во время сварки или термообработки. Более низкий углерод (316L) снижает риск. - Термомеханическая обработка (холодная работа + растворный отжиг) контролирует структуру зерна и механические свойства; холодная работа увеличивает прочность за счет упрочнения, но также повышает остаточные напряжения и может увеличить восприимчивость к локализованной коррозии, если пассивная пленка на поверхности нарушена. - Нормализация не применяется для упрочнения аустенитных сортов; растворный отжиг является стандартом для удаления упрочнения и восстановления коррозионной стойкости.
4. Механические свойства
Таблица ниже перечисляет типичные механические значения для отожженных форм продукта (лист/плита/прутки). Диапазоны свойств зависят от формы продукта (холоднокатаная против горячекатаной против кованой) и толщины.
| Свойство (отожженное, типичное) | 304 | 316L |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ~515–720 | ~485–690 |
| Предел текучести, 0.2% (МПа) | ~205–310 | ~170–300 |
| Удлинение (A %, типичное) | ~40–60% | ~40–60% |
| Ударная вязкость (Charpy V, комнатная температура) | Хорошая; обычно высокая | Сравнимая или немного лучше при низких температурах |
| Твердость (HB/HRB, типичная отожженная) | ~100–200 HB | ~95–190 HB |
Интерпретация: - Оба сорта являются пластичными и прочными в отожженном состоянии. 304 часто показывает немного более высокую номинальную прочность на растяжение/предел текучести в некоторых формах продукта, но различия небольшие и зависят от формы продукта. - Более низкий углерод в 316L снижает риск хрупкости из-за осаждения карбидов и улучшает характеристики после сварки. - Для приложений, требующих высокой прочности, выбираются холодная обработка или альтернативные сплавы; эти аустениты выбираются в первую очередь за коррозионную стойкость и формуемость, а не за высокую прочность.
5. Свариваемость
Аустенитные нержавеющие стали, как правило, являются одними из наиболее свариваемых сплавов. Ключевые соображения по свариваемости: - Содержание углерода влияет на сенсибилизацию; более низкий углерод в 316L снижает осаждение карбидов во время термических циклов сварки, улучшая стойкость к межкристаллитной коррозии без постсварочного растворного отжига. - Аустенитные нержавеющие стали имеют низкую закаливаемость и не подвержены холодному растрескиванию, вызванному водородом, как углеродные стали. Однако они подвержены деформациям из-за низкой теплопроводности и высокого коэффициента теплового расширения.
Полезные индексы свариваемости (только качественное использование): - Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более полная формула 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: - Оба 304 и 316L дают низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с высокопрочными, высокоуглеродными сталями, что указывает на хорошую свариваемость. Более низкий C в 316L дополнительно снижает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, что делает его предпочтительным для сварки тяжелых секций или когда проектировщик хочет избежать постсварочной термообработки. - Общие варианты присадок: используйте подходящую присадку (например, 308L для 304, 316L/316 для 316L), чтобы сохранить коррозионную стойкость в сварном металле. Для несоответствующих соединений выберите присадку, чтобы избежать гальванических или коррозионных слабых мест.
6. Коррозия и защита поверхности
- Нержавеющее поведение: оба полагаются на пассивную оксидную пленку хрома для общей коррозионной стойкости. Для погружения или агрессивных хлоридных сред молибден имеет решающее значение.
- Эквивалентный номер стойкости к питтингу (PREN) является общим индикатором стойкости к локализованной (питтинговой) коррозии: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Типичные последствия PREN:
- 304: не хватает Mo, PREN в основном определяется Cr и любым N; более низкий PREN означает более высокую восприимчивость к питтингу в хлоридных средах.
- 316L: Mo увеличивает PREN, улучшая стойкость к питтингу и коррозии в трещинах в средах, содержащих хлориды (морская вода, рассолы, некоторые химические процессы).
- Не нержавеющие стали: для контекста углеродные/легированные стали требуют защиты поверхности, такой как оцинковка, покрытия или краски; PREN к ним не применим.
Применимость: - Используйте 304 для атмосфер, легкого химического воздействия, контакта с пищей и внутренних условий. - Используйте 316L, когда ожидается воздействие хлоридов, морских атмосфер или галогенированных химикатов, или когда сварные компоненты будут находиться в условиях эксплуатации, которые могут способствовать сенсибилизации.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Аустениты упрочняются; 316L обычно обрабатывается менее охотно, чем 304, потому что Mo снижает теплопроводность и увеличивает износ инструмента в некоторых операциях. Используйте острые инструменты, медленную подачу с большим количеством охлаждающей жидкости и карбидные инструменты для обоих.
- Формуемость: Оба сорта имеют высокую формуемость; 304 часто предпочитается для глубокого вытягивания и декоративной работы из-за немного более высокой прочности и хорошей пластичности. 316L хорошо работает в формовании и предпочитается, когда приоритетом является последующая сварка или коррозионная стойкость.
- Отделка поверхности: Оба полируются до хорошей эстетической отделки; 316L может требовать более тщательной очистки после сварки для восстановления пассивной пленки в коррозионной среде.
- Учитывайте пружинный эффект: Аустениты имеют относительно высокий модуль упругости и проявляют пружинный эффект при изгибе; конструкция инструмента должна учитывать это.
8. Типичные применения
| 304 – Типичные применения | 316L – Типичные применения |
|---|---|
| Кухонное оборудование, раковины, бытовая техника, оборудование для переработки пищи (без хлоридов) | Морское оборудование, фитинги для лодок, насосы для морской воды, теплообменники |
| Архитектурные отделки и перила | Трубопроводы для химических процессов, резервуары и фитинги, подверженные воздействию хлоридов |
| Крепеж и фурнитура для внутреннего использования | Фармацевтическое и медицинское оборудование (316L или 316LVM для имплантатов) |
| Оборудование для напитков и молочной продукции (где воздействие хлоридов ограничено) | Офшорное и прибрежное строительство, обработка рассолов |
Обоснование выбора: - Выбирайте 304, когда эстетика, умеренная коррозионная стойкость и экономическая эффективность являются основными факторами, а воздействие хлоридов ограничено. - Выбирайте 316L, когда обслуживание связано с хлоридами, требуется высокая стойкость к питтингу/коррозии в трещинах, или сварные сборки должны противостоять межкристаллитной атаке без постсварочного отжига.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: 316L дороже, чем 304 из-за добавленного Mo и часто более высокого Ni. Ценовой премиум варьируется в зависимости от рыночных цен на металлы (колебания никеля и молибдена) и формы.
- Доступность: Оба сорта широко доступны по всему миру в виде листов, плит, труб, прутков и трубопроводов. 304 обычно является наиболее доступным и низкозатратным вариантом нержавеющей стали; 316L обычно доступен, но иногда менее представлен в специализированных размерах или отделках.
- Примечание по закупкам: При указании 316L подтвердите сроки поставки и наличие в требуемой форме продукта (например, бесшовная труба, сварная труба, листовая толщина).
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 304 | 316L |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная (используйте низкоуглеродные присадки для сварных сборок) | Отличная — превосходная для тяжелых сварок и меньший риск сенсибилизации |
| Прочность–Ударная вязкость | Хорошая; немного более высокая номинальная прочность в некоторых формах | Сравнимая вязкость; немного ниже предел текучести в некоторых формах, но отличная вязкость при низких температурах |
| Стоимость | Ниже (более экономично) | Выше (ценовой премиум за Mo/Ni) |
Рекомендация: - Выбирайте 304, если стоимость и общая коррозионная стойкость являются основными потребностями, для внутренней архитектурной работы, оборудования для общественного питания (без хлоридов) и общей обработки, где ключевыми являются глубокое вытягивание или отделка поверхности. - Выбирайте 316L, если существует риск коррозии, вызванной хлоридами, если сварные сборки должны избегать межкристаллитной коррозии без постсварочной термообработки, или когда обслуживание связано с морской, химической обработкой или другими агрессивными условиями. Используйте 316L, когда стоимость жизненного цикла и надежность в агрессивных средах перевешивают более высокую стоимость материала.
Заключительный практический совет: проконсультируйтесь со стандартами материалов и техническими листами продукта для точного состава и механических свойств материала поставщика и оцените коррозионные испытания (например, испытания на стойкость к питтингу или циклическую поляризацию) для критических приложений, подверженных воздействию хлоридов.