304 против 321 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Нержавеющие стали 304 и 321 являются двумя из самых широко используемых аустенитных марок в промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно учитывают коррозионную стойкость, стабильность при высоких температурах, свариваемость и стоимость при выборе между ними. Дилемма выбора обычно сосредоточена на том, чтобы отдать предпочтение общей коррозионной стойкости и экономичности (304) или сопротивлению осаждению карбидов и межкристаллическому разрушению при повышенных температурах (321).
Основное металлургическое отличие заключается в том, что 321 стабилизирована добавками титана, которые связывают углерод в виде карбонитридов, значительно улучшая стойкость к межкристаллической коррозии после воздействия температур, вызывающих сенсибилизацию. Поскольку обе марки являются аустенитными, их часто сравнивают для трубопроводов, сосудов, теплообменников и изготовленных компонентов, которые могут подвергаться повышенным температурам и сварке.
1. Стандарты и обозначения
- 304
- Общие обозначения: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
- Тип: Аустенитная нержавеющая сталь (нержавеющая)
- Соответствующие стандарты: ASTM A240 (пластины), ASTM A276 (бруски), ASTM A312 (трубы), ASME SA-240, EN 10088
- 321
- Общие обозначения: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541 (или варианты 1.4541/1.4878), JIS SUS321, GB 06Cr19Ni10Ti
- Тип: Аустенитная нержавеющая сталь (нержавеющая сталь, стабилизированная титаном)
- Соответствующие стандарты: ASTM A240, ASTM A312, ASME SA-240, EN 10088
Обе марки классифицируются как нержавеющие аустенитные стали; они не являются углеродными, инструментальными или HSLA сталями.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица ниже показывает типичные диапазоны состава (вес. %) по широко используемым стандартам. Точные пределы зависят от конкретных стандартов и форм продуктов; указанные значения являются репрезентативными.
| Элемент | 304 (типичный диапазон, вес%) | 321 (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | — (0) | — (0) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | min(5 × C, 0.70) (часто 0.20–0.70) |
| B | — | — |
| N | обычно ≤ 0.10 | обычно ≤ 0.10 |
Резюме стратегии легирования: - Хром и никель образуют стабильную аустенитную матрицу и обеспечивают общую коррозионную стойкость. Никель также улучшает прочность и формуемость. - Титан в 321 преимущественно образует карбиды/нитриды титана (TiC, TiN), которые предотвращают осаждение карбидов хрома на границах зерен, когда сталь подвергается воздействию температур, вызывающих сенсибилизацию (примерно 450–850 °C). Эта стабилизация снижает восприимчивость к межкристаллической коррозии после сварки или длительной работы при высоких температурах. - Низкие пределы углерода уменьшают движущую силу для осаждения карбидов; в 304L (низкоуглеродная 304) вариант "L" предлагает другой способ уменьшить сенсибилизацию без стабилизации.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
- Типичная микроструктура: как 304, так и 321 полностью аустенитные (кубическая с гранями) в отожженном состоянии. Они содержат случайный дельта феррит в зависимости от плавления и обработки, но в основном аустенит.
- Реакция на термические циклы:
- Отжиг: Растворный отжиг (например, 1010–1150 °C в зависимости от продукта) растворяет карбиды и гомогенизирует. Быстрое охлаждение используется для предотвращения сенсибилизации, но 321 менее чувствительна, потому что Ti образует стабильные карбиды.
- Сварка: Локальное нагревание в диапазоне 450–850 °C может позволить осаждение карбидов хрома на границах зерен в нестабилизированных марках. Титан 321 связывает углерод и азот, ограничивая образование карбидов хрома и сохраняя стойкость к межкристаллической коррозии.
- Термо-механическая обработка: Холодная обработка увеличивает плотность дислокаций и может привести к образованию мартенсита, вызванного деформацией, в некоторых аустенитных нержавеющих сталях (менее распространено в полностью стабилизированных марках). Обе марки могут быть упрочнены; восстановление происходит при нагреве.
- Маршруты термической обработки, такие как нормализация, закалка и отпуск, обычно не применяются к аустенитным нержавеющим сталям для упрочнения — они упрочняются за счет холодной обработки и твердого раствора; осаждение не применимо к 304/321.
4. Механические свойства
Свойства ниже типичны для отожженного состояния; форма продукта (лист, плита, брусок), толщина и стандарт влияют на значения.
| Свойство (отожженное) | 304 (типичное) | 321 (типичное) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (UTS) | 500–750 МПа | 500–750 МПа |
| Предел текучести 0.2% | 205–310 МПа | 205–310 МПа |
| Удлинение (в 50 мм) | ≥ 40% | ≥ 40% |
| Ударная вязкость (при комнатной температуре) | Хорошая; пластичная трещина, высокая поглощенная энергия | Похожа на 304; сохраняет прочность при повышенных температурах |
| Твердость (HB) | ~150–220 HB в зависимости от холодной обработки | ~150–220 HB в зависимости от холодной обработки |
Интерпретация: - В отожженном состоянии 304 и 321 имеют очень схожие характеристики прочности на растяжение, текучести и пластичности, поскольку их матричная химия в целом сопоставима. Различия в механических характеристиках обычно незначительны и затмеваются историей обработки (холодная обработка) или формой продукта. - Устойчивость к ударам высока для обеих марок при комнатной температуре; обе сохраняют разумную ударную стойкость при умеренно повышенных температурах. Прочность увеличивается с холодной обработкой для обеих марок.
5. Свариваемость
Обе марки 304 и 321 считаются легко свариваемыми с использованием стандартной практики сварки аустенитных нержавеющих сталей. Условия сварки: - Содержание углерода и стабилизация: Более высокое содержание углерода увеличивает риск осаждения карбидов хрома в зоне термического влияния (HAZ). Титан 321 снижает этот риск, образуя TiC/TiN, что особенно ценно, когда ожидается воздействие тепла после сварки или длительная работа при температурах, вызывающих сенсибилизацию. - Устойчивость к закалке низкая; аустенитные нержавеющие стали не поддаются закалке при охлаждении; проблемы с водородом и трещинами при затвердевании должны быть решены с помощью соответствующего filler metal и техники.
Использование индексов свариваемости (качественные рекомендации): - Пример углеродного эквивалента для сварки: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Эта формула помогает предсказать восприимчивость к холодным трещинам и необходимость предварительной/послесварочной термической обработки в сталях. Для аустенитных нержавеющих сталей абсолютный CE менее непосредственно применим, но подход подчеркивает, что легирующие элементы влияют на поведение сварки. - Расширенный параметр, используемый в нержавеющих сталях: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ используется для оценки склонности к образованию интерметаллидов или дельта феррита в сварных швах; качественная интерпретация предполагает, что небольшие добавки Ti (как в 321) изменяют баланс фаз в HAZ и сварочном металле.
Практические последствия: - Используйте соответствующие или низкоуглеродные filler metals для применения 304, чтобы избежать сенсибилизации (например, ER308L для сварки 304). - При соединении 304, который будет работать в диапазоне сенсибилизации, рассмотрите базовый материал 321, низкоуглеродную 304L или стабилизированный filler metal, в зависимости от применения и стоимости.
6. Коррозия и защита поверхности
- Только для нержавеющих марок (304, 321):
- Общая коррозионная стойкость в значительной степени определяется содержанием хрома и непрерывностью пассивной пленки Cr2O3. Ни одна из марок не содержит молибдена, поэтому их стойкость к образованию ямок в хлоридных средах ограничена по сравнению с марками, содержащими Mo.
- PREN (Эквивалентный номер стойкости к образованию ямок) здесь не является особенно дискриминирующим, поскольку вклад Mo и N мал или отсутствует; для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Для 304/321 (Mo = 0) PREN по сути является содержанием Cr плюс любой небольшой эффект N — обе марки имеют схожий PREN.
- Межкристаллическая коррозия: 304 подвержена межкристаллическому разрушению после воздействия в диапазоне сенсибилизации, если углерод присутствует и происходит осаждение карбидов на границах зерен. Титан 321 связывает углерод и снижает этот режим коррозии, что делает 321 предпочтительной для сварных компонентов или компонентов, подвергающихся длительным высоким температурам.
- Для не нержавеющих сталей (не применимо здесь): общие защиты включают оцинковку, покраску и покрытия — не имеют значения для выбора 304/321, за исключением случаев, когда используются смешанные системы материалов.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Резка и обрабатываемость:
- Аустенитные нержавеющие стали, как правило, труднее обрабатывать, чем углеродные стали из-за упрочнения при обработке и низкой теплопроводности. На практике 304 немного легче обрабатывать, чем 321, но различия незначительны.
- Используйте жесткие установки, острые инструменты, более высокие скорости подачи и соответствующее охлаждение, чтобы минимизировать упрочнение при обработке.
- Формуемость и изгиб:
- Обе марки имеют отличную формуемость в отожженном состоянии и могут быть глубоко вытянуты и сформированы. Стабилизация титана в 321 может немного снизить восприимчивость к эффектам старения от деформации в некоторых случаях, но не изменяет существенно формуемость для большинства операций.
- Обработка поверхности:
- Обе марки хорошо реагируют на полировку и электрохимическую полировку; обратите внимание, что шлифовка или сварка потребуют последующей пассивации, чтобы восстановить коррозионную стойкость в критических приложениях.
8. Типичные применения
| 304 — Типичные применения | 321 — Типичные применения |
|---|---|
| Оборудование для переработки пищи, кухонные приборы, раковины и столовые приборы | Выпускные коллекторы и компоненты двигателей для авиации и аэрокосмической отрасли |
| Оборудование для химических процессов, не подвергающееся воздействию высоких устойчивых температур | Компоненты печей и духовок, теплообменники, работающие при повышенных температурах |
| Архитектурные отделки, перила, декоративные применения | Расширительные соединения, мехи и трубопроводы в высокотемпературной нефтехимической службе |
| Крепежи, пружины и отделка автомобилей | Компоненты автоклавов и паровые компоненты, где сенсибилизация является проблемой |
| Общий трубопровод и резервуары для воды, мягких химикатов | Трубопроводы в высокотемпературной службе; сварные сборки, где вероятна сенсибилизация HAZ |
Обоснование выбора: - Выбирайте 304 для чувствительных к стоимости, общего назначения коррозионной стойкости и где рабочие температуры остаются ниже диапазона сенсибилизации или где специфицирована низкоуглеродная 304L для сварных конструкций. - Выбирайте 321, когда сварные сборки или компоненты подвергаются повторяющимся или длительным температурам в диапазоне сенсибилизации и риск межкристаллической коррозии должен быть минимизирован, или когда требуется стойкость к окислению при умеренно повышенных температурах.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 321 обычно стоит немного дороже, чем 304 из-за добавок титана и меньших объемов спроса. Разница варьируется в зависимости от рыночных условий и формы продукта.
- Доступность: Обе марки широко доступны в виде листов, плит, катушек, труб, трубопроводов и брусков. 304 более распространена в глобальном масштабе, поэтому сроки поставки и гибкость источников обычно лучше для 304, чем для 321, особенно в специализированных формах продуктов.
- Совет по закупкам: Для крупных проектов указывайте отделку, форму продукта и любые требования к сертификации заранее; рассмотрите 304L как альтернативу 321, когда основной проблемой является сенсибилизация сварки и контроль затрат.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 304 | 321 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная с стандартными мерами предосторожности; используйте низкоуглеродный filler для контроля сенсибилизации | Отличная; стабилизация снижает риск сенсибилизации HAZ |
| Прочность–Устойчивость (отожженное) | Высокая устойчивость, хорошая пластичность; схожая прочность с 321 | Сравнимая устойчивость и прочность; лучшая стабильность после воздействия высоких температур |
| Стоимость | Ниже (более распространенная) | Выше (стабилизированная титаном) |
Заключение и практическое руководство: - Выбирайте 304, если вам нужна экономически эффективная, универсальная аустенитная нержавеющая сталь для работы при комнатной температуре, в средах для продуктов питания и напитков или в приложениях, где сварка может контролироваться с помощью низкоуглеродных filler metals или где возможен послесварочный растворный отжиг. - Выбирайте 321, если компонент будет сварен, а затем подвергнется воздействию температур в диапазоне сенсибилизации (например, 450–850 °C) или если деталь должна выдерживать повторяющиеся термические циклы или длительную работу при повышенных температурах, где осаждение карбидов в противном случае могло бы нарушить коррозионную стойкость и механическую стабильность.
Заключительная заметка: выбор материала должен учитывать точные условия эксплуатации (температурный профиль, присутствующие химические вещества, состояние напряжения и маршрут обработки). В случае неопределенности проконсультируйтесь с данными испытаний на коррозию или металлургом и, при необходимости, укажите испытания (например, испытания на межкристаллическую коррозию) или выберите низкоуглеродные или стабилизированные сплавы для снижения риска сенсибилизации.