304 против 316Ti – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Austenitic нержавеющие стали 304 и 316Ti являются двумя из наиболее часто указываемых сплавов в процессном оборудовании, трубопроводах, архитектуре и изготовленных компонентах. Инженеры и специалисты по закупкам обычно взвешивают компромиссы между коррозионной стойкостью, поведением при обработке, стоимостью материала и долговечностью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают выбор сорта для слабо коррозионных сред, где важны стоимость и формуемость (предпочтение 304), против коррозионных или высокотемпературных условий, где критически важны устойчивость к сенсибилизации или образованию ямок (предпочтение стабилизированных вариантов 316).

Основное металлургическое различие заключается в том, что 316Ti является титаново-стабилизированной версией семейства 316: титаний намеренно добавляется, чтобы связать углерод в виде титанида (TiC/TiN) и предотвратить осаждение хромового карбида (сенсибилизация) на границах зерен. Эта стабилизация улучшает устойчивость к межзерновой коррозии после воздействия сенсибилизирующих термических циклов и может улучшить стабильность при высоких температурах, сохраняя при этом общие свойства нержавеющей стали 316.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты:
• ASTM / ASME: Тип 304 (UNS S30400), Тип 316Ti (UNS S31635)
• EN: 304 (1.4301), 316Ti (1.4571)
• JIS: SUS304, SUS316Ti
• GB (Китай): 0Cr18Ni9 (304), 0Cr17Ni12Mo2Ti (316Ti)
• Класс материала: Оба являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющие, немагнитные в отожженном состоянии). Они не являются углеродными сталями или HSLA; они принадлежат к семейству нержавеющих сплавов, предназначенных для коррозионной стойкости и формуемости, а не для закалки путем закалки/отпуска.

2. Химический состав и стратегия легирования

Примечания: - Указанные диапазоны отражают общие промышленные спецификации (EN/ASTM/JIS) и типичную коммерческую практику. Точные допустимые диапазоны зависят от стандарта и формы продукта. - 316Ti отличается от стандартного 316 в первую очередь намеренным добавлением титана в количестве, обычно связанном с содержанием углерода (достаточно Ti, чтобы соединиться со свободным углеродом).

Как легирование влияет на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает пассивную оксидную пленку для коррозионной стойкости. Более высокий Cr улучшает общую коррозионную стойкость и стойкость к образованию накипи при повышенных температурах. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу, улучшает прочность и пластичность, а также снижает магнитный отклик. - Молибден (Mo) в 316Ti улучшает устойчивость к образованию ямок и межкристаллической коррозии в средах, содержащих хлориды. - Титан (Ti) в 316Ti связывает углерод, образуя титановый карбид/нитрид, предотвращая образование хромового карбида на границах зерен и тем самым снижая сенсибилизацию и межзерновую коррозию после термического воздействия. - Углерод (C) увеличивает прочность (когда не стабилизирован), но усугубляет сенсибилизацию в диапазоне 450–850°C, если не стабилизирован или не поддерживается на низком уровне (как в 316L).

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Обе стали 304 и 316Ti полностью аустенитные в отожженном состоянии. Микроструктурные соображения:

• 304: отожженная микроструктура представляет собой аустенит с равномерно распределенной химией границ зерен. При воздействии на сенсибилизирующие температуры (~450–850°C) или медленном охлаждении хромовые карбиды (Cr23C6) могут осаждаться на границах зерен, если углерод доступен, вызывая локальное истощение хрома и делая сталь восприимчивой к межзерновой коррозии. Холодная обработка может ввести мартенсит, вызванный деформацией, в 304, что влияет на магнитный отклик и локальную твердость.

• 316Ti: также аустенитная, но титаний связывает углерод в виде TiC/TiN или Ti(C,N) осадков, которые более стабильны и образуются при более высоких температурах, чем хромовые карбиды. Это помогает предотвратить истощение хрома во время термических колебаний и циклов сварки. Однако, если Ti не сбалансирован с C (недостаточно Ti), карбиды могут все же образовываться. Чрезмерное воздействие при очень высоких температурах может создать другие осадки (фаза сигма), которые могут сделать сплав хрупким, если его удерживать в диапазоне 600–900°C в течение длительного времени; термическая стабилизация сама по себе не устраняет все механизмы хрупкости при высоких температурах.

Реакция на термообработку: - Растворное отжиг (стандартная практика) восстанавливает пластичность и растворяет нежелательные осадки: типичные температуры растворного отжига для аустенитных нержавеющих сталей обычно находятся в диапазоне $1010–1150^\circ\text{C}$ (обратитесь к соответствующему стандарту). Быстрое охлаждение (вода или воздух) используется для сохранения состояния растворенного состояния. - Ни 304, ни 316Ti не реагируют на закалку и отпуск для упрочнения, как это делают ферритные или мартенситные стали. Холодная обработка увеличивает прочность (упрочнение) но снижает пластичность. - Термомеханическая обработка (холодная прокатка, циклы отжига) контролирует размер зерна и механические свойства для листовых и полосовых продуктов.

4. Механические свойства

*Значения варьируются в зависимости от формы продукта (лист, плита, пруток, холоднообработанный) и точного состояния. Обратитесь к конкретному стандарту или сертификатам испытаний на заводе для гарантированных механических значений.

Интерпретация: - В отожженном состоянии оба сорта имеют сопоставимую прочность и вязкость. Холодная обработка увеличивает прочность для обоих; 316Ti может показывать немного более высокую прочность в некоторых условиях из-за своего легирования, но различия незначительны. Вязкость в целом отличная для обоих благодаря аустенитной микроструктуре.

5. Сварка

Соображения по сварке: - Оба 304 и 316Ti легко свариваются обычными методами сварки и сопротивления. Относительно низкое содержание углерода ограничивает упрочнение во время сварки, но сенсибилизация может происходить в 304 и нестабилизированном 316, если термические циклы сварки приводят к осаждению карбидов. - Стабилизация титана в 316Ti делает его более устойчивым к тепловым воздействиям сварки и охлаждению после сварки, которые в противном случае могли бы сенсибилизировать нестабилизированные сорта; его часто указывают для сварных компонентов, предназначенных для высокотемпературной эксплуатации или где снятие напряжения после сварки невозможно.

Полезные индексы свариваемости (только качественное использование): - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (подверженность ползучести или холодным трещинам): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация: Оба индекса увеличиваются с легирующими элементами, которые способствуют закаляемости или сегрегации. 316Ti будет показывать немного другой Pcm из-за Ti и Mo; однако для типичных аустенитных нержавеющих составов CE и Pcm остаются низкими по сравнению с высокоуглеродными сталями и не являются ограничивающими для свариваемости в обычных приложениях. Предварительные и последующие практики сварки (очистка, контроль теплового ввода, выбор присадочного материала) важны для предотвращения локальной коррозии и для соответствия механическим свойствам.

6. Коррозия и защита поверхности

• Нержавеющее поведение: оба полагаются на пассивные оксидные пленки хрома. 316Ti предлагает улучшенную устойчивость к образованию ямок и межкристаллической коррозии по сравнению с 304 благодаря содержанию Mo.

• Использование PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию ямок) помогает сравнить восприимчивость к локализованным атакам: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Интерпретация: Более высокий PREN указывает на лучшую устойчивость к образованию ямок. 316Ti, имея Mo, будет иметь более высокий PREN, чем 304; содержание азота также вносит вклад, когда присутствует.

• Сенсибилизация: 304 может быть подвержен межзерновой коррозии после воздействия сенсибилизирующих температур. 316Ti сопротивляется сенсибилизации, потому что Ti предпочитает образовывать стабильные карбиды и нитриды, сохраняя хром в твердом растворе на границах зерен.

• Несостоящие нержавеющие альтернативы: здесь не применимо; методы защиты, такие как оцинковка или покраска, используются для углеродных сталей, а не для нержавеющих сортов.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формование и глубокая вытяжка: 304 часто предпочтительнее для легкости формования и глубокой вытяжки благодаря немного более низкой скорости упрочнения и хорошей пластичности.
• Обрабатываемость: Аустенитные нержавеющие стали сложнее обрабатывать, чем углеродные стали. 316Ti (как и 316) обычно обрабатывается хуже, чем 304 из-за более высокого содержания легирующих элементов (Mo, Ni) и тенденции к упрочнению; инструменты, скорость и подача должны быть отрегулированы.
• Обработка поверхности: обе хорошо полируются и пассивируются; пескоструйная обработка и электрохимическая полировка распространены. Для сварных сборок 316Ti снижает необходимость в последующем растворном отжиге для снижения сенсибилизации по сравнению с нестабилизированным 316 или 304, хотя локальная очистка и пассивация все еще необходимы для оптимальной коррозионной стойкости.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выберите 304 для общих применений, где стоимость, формуемость и приемлемая коррозионная стойкость в некоррозионных средах являются основными факторами. - Выберите 316Ti, когда служба включает воздействие хлора, повышенные температуры или сварку/термические циклы, которые могут сенсибилизировать нестабилизированные сплавы; добавленная стоимость оправдана улучшенной локальной коррозионной стойкостью и термической стабильностью.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: 316Ti обычно дороже, чем 304 из-за более высокого содержания никеля, молибдена и добавления титана. Цены варьируются в зависимости от рынков товарных металлов (Ni, Mo) и формы (пруток, плита, труба).
• Доступность: 304 широко доступен в различных формах продукта и часто является наиболее доступной нержавеющей сталью. 316Ti обычно доступен, но менее распространен, чем стандартные 316/304; сроки поставки для специализированных сертифицированных продуктов 316Ti могут быть длиннее для определенных форм (например, крупных кованых деталей или специальных крепежей).

10. Резюме и рекомендации

Выберите 304, если: - Ваше применение является общим с отсутствием значительного воздействия хлора или длительных термических циклов, которые вызывают сенсибилизацию. - Формуемость, доступность и более низкая стоимость материала являются основными проблемами. - Нестабилизированный аустенитный сорт приемлем, и могут использоваться стандартные процедуры сварки/послесварочной обработки.

Выберите 316Ti, если: - Служба включает хлорные среды, агрессивные среды или повышенные температуры, где локальная коррозия или сенсибилизация являются проблемой. - Компонент будет подвергаться сварке или термическим циклам, и вы хотите улучшить устойчивость к межзерновым атакам без обширной термической обработки после сварки. - Долговечность и коррозионная стойкость оправдывают более высокую стоимость материала и несколько более сложную обработку.

Заключительная заметка: точная производительность и пригодность зависят от конкретных условий эксплуатации, геометрии компонента, формы продукта и применимых отраслевых стандартов. Всегда проверяйте состав и механические гарантии с сертификатом испытаний на заводе и консультируйтесь со специалистами по коррозии для агрессивных или нетипичных сред.