304 против 321 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Аустенитные нержавеющие стали 304 и 321 являются одними из наиболее часто указываемых марок в проектировании, изготовлении и закупках. Инженеры и специалисты по закупкам регулярно взвешивают компромиссы между коррозионной стойкостью, стабильностью при высоких температурах, свариваемостью и стоимостью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают изготовление сосудов под давлением, оборудование для пищевой и напитковой промышленности, компоненты теплообменников и сварные конструкции, подвергающиеся воздействию повышенных температур.
Основная отличительная черта заключается в том, что одна марка стабилизирована против осаждения карбида хрома за счет намеренного добавления образователя карбида, что улучшает стойкость к межкристаллитной коррозии в диапазоне сенсибилизации 425–870 °C. Поскольку обе марки имеют схожие матрицы хром-никель, их часто сравнивают по дополнительным затратам и преимуществам производительности, которые предлагает стабилизация в высокотемпературных или сварных приложениях.
1. Стандарты и обозначения
- Общие международные стандарты:
- ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240), 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
- EN: 1.4301 (304), 1.4541 (321)
- JIS: SUS304, SUS321
- GB (Китай): 06Cr19Ni10 (прибл. 304), 0Cr18Ni9Ti (прибл. 321)
- Классификация: Обе марки являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющие), немагнитные в отожженном состоянии, не углеродные, легированные, инструментальные или HSLA стали.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | Типичный 304 (вт%) | Типичный 321 (вт%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | 0.00–0.60 (обычно нет) | 0.00–0.60 (обычно нет) |
| V | — | — |
| Nb (Nb) | — (не добавляется) | — (не основной стабилизатор; обычно отсутствует) |
| Ti | — (обычно ≤ 0.10, если присутствует) | 0.15–0.70 (стабилизатор) |
| B | — | — |
| N | следы до ~0.10 | следы до ~0.10 |
Примечания: - Таблица перечисляет общие коммерческие диапазоны; точные пределы зависят от конкретного стандарта и формы продукта. - Марка 321 намеренно содержит титан в контролируемом диапазоне, чтобы связать углерод в виде титанових карбидов/нитридов, а не допускать осаждение карбида хрома на границах зерен. - Стратегия легирования: Хром обеспечивает коррозионную стойкость; никель стабилизирует аустенитную структуру; титан в 321 предотвращает сенсибилизацию, улучшая стойкость к межкристаллитной коррозии после сварки или воздействия высоких температур.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичная микроструктура (отожженная): Обе марки полностью аустенитные с равномерно распределенными зернами аустенита. Карбиды минимальны в правильно стабилизированной 321 и обычно распределены мелко в отожженном 304.
- Сенсибилизация и стабилизация:
- 304 подвержена осаждению карбида хрома на границах зерен при удерживании в диапазоне 425–870 °C (сенсибилизация), что может способствовать межкристаллитной коррозии.
- 321 образует титанові карбиды/нитриды, которые предпочтительно связывают углерод и азот, минимизируя образование карбида хрома и тем самым снижая подверженность межкристаллитным атакам.
- Реакция на термообработку:
- Аустенитные нержавеющие стали не упрочняются закалкой и отпуском, характерными для ферритных/перлитных сталей. Растворное отжиг (например, 1010–1150 °C в зависимости от спецификации), за которым следует быстрое охлаждение, восстанавливает коррозионную стойкость и пластичность.
- Холодная обработка увеличивает прочность за счет упрочнения при деформации и может изменить коррозионные характеристики; восстановление/отжиг используется для восстановления пластичности.
- Нормализация не применяется в том же смысле, что и для углеродных сталей — растворное отжиг и закалка отличаются от нормализации/закалки и отпуска, используемых для регулирования микроструктуры в легированных сталях.
4. Механические свойства
| Свойство (отожженное) | Типичный 304 | Типичный 321 |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ~500–600 | ~500–600 |
| 0.2% Пробная / Предел текучести (МПа) | ~170–275 (обычно ≈205) | ~170–275 (обычно ≈205) |
| Удлинение (% в 50 мм) | ~40–60 | ~40–60 |
| Ударная вязкость | Хорошая при комнатной температуре; сохраняет вязкость при умеренно низких температурах | Похожа на 304; сохраняет вязкость при повышенных рабочих температурах лучше благодаря стабилизации |
| Твердость (Бринелль / HB) | ~100 HB (~80–200 в зависимости от упрочнения при деформации) | ~100 HB (аналогично) |
Объяснение: - В отожженном состоянии обе марки имеют очень схожие базовые механические свойства, поскольку химия матрицы (Cr–Ni аустенит) сопоставима. - Холодная обработка или упрочнение при деформации значительно увеличивают прочность и твердость для обеих марок. - Стабилизация с помощью титана имеет минимальное влияние на прочность при комнатной температуре, но улучшает характеристики при термических циклах, предотвращая осаждение карбидов на границах зерен, что может сделать границы зерен хрупкими в сенсибилизированной 304.
5. Свариваемость
- Обе марки 304 и 321 считаются легко свариваемыми с использованием общих процессов (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Низкое содержание углерода помогает избежать упрочнения сварного металла и проблем с водородным растрескиванием, характерных для сталей с высоким содержанием углерода.
- Соображения по сварке:
- 304 может быть подвержена межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния (HAZ), если охлаждение медленное через диапазон сенсибилизации или если служба подвергает сварные конструкции сенсибилизирующим температурам.
- Титановый стабилизатор 321 связывает углерод, уменьшая осаждение карбида хрома в HAZ; поэтому 321 предпочтительнее для сварных компонентов, которые будут подвергаться длительному воздействию высоких температур.
- Общие индексы свариваемости (интерпретировать качественно):
- Эквивалент углерода (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Более низкий $CE_{IIW}$ указывает на более легкую сварку; обе марки имеют низкие углеродные эквиваленты по сравнению с высоколегированными сталями. - Эквивалентный номер сопротивления к питтингу (PREN) не является индексом свариваемости, но полезен для оценки коррозионной стойкости (см. следующий раздел).
- Упрощенный комбинированный параметр:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Более высокий $P_{cm}$ может указывать на большую склонность к растрескиванию; титан немного увеличивает $P_{cm}$, но обеспечивает полезную стабилизацию против сенсибилизации. - Практическое руководство: Для общего изготовления, где маловероятно длительное воздействие высоких температур после сварки, 304 является приемлемой и экономически эффективной. Для сварных компонентов, которые будут работать в условиях или подвергаться воздействию сенсибилизирующих температур, 321 снижает риск межкристаллитной коррозии без необходимости в постсварочном растворном отжиге.
6. Коррозия и защита поверхности
- Нержавеющие марки:
- Используйте PREN для оценки устойчивости к питтингу, когда Mo и N варьируются:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Для 304 и 321 Mo и N низкие, поэтому значения PREN скромные, и обе марки не обладают высокой устойчивостью к питтингу по сравнению с дуплексными или супераустенитными марками с содержанием Mo. - Общая коррозия: Обе марки демонстрируют отличную стойкость к общей водной коррозии при комнатной температуре благодаря содержанию хрома.
- Межкристаллитная коррозия: 304 может быть уязвима после воздействия сенсибилизирующих температур; 321 стабилизирована для снижения этого риска.
- Нержавеющие стали:
- Не применимо здесь; общие методы защиты поверхности для нержавеющих сталей (гальванизация, покраска) не имеют значения для 304/321, предназначенных для обеспечения коррозионной стойкости за счет состава.
- Когда нержавеющей стали недостаточно:
- Для хлоридно-загрязненных сред или когда питтинг является проблемой, рассмотрите марки с содержанием Mo (например, 316) или дуплексные/супераустенитные сплавы.
7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- Аустенитные нержавеющие стали, как правило, сложнее обрабатывать, чем углеродные стали, из-за высокой упрочняемости при деформации и низкой теплопроводности.
- 304 и 321 имеют сопоставимую обрабатываемость; специализированные инструменты, более медленные скорости и более тяжелые подачи являются типичными.
- Формуемость:
- Отличная пластичность и формуемость в отожженном состоянии позволяют глубокую вытяжку и сложное формование для обеих марок.
- Упругость и упрочнение при деформации больше, чем для мягкой стали; планируйте допуски на формование и промежуточные отжиги для сильной деформации.
- Обработка поверхности:
- Обе марки хорошо принимают стандартные отделки (полировка, пассивация, электрохимическая полировка). Пассивация с помощью азотной или лимонной кислоты обычно используется для восстановления поверхностного оксида хрома после изготовления.
- Сварка и последующая обработка:
- Для сборок, которые должны избегать сенсибилизации и не могут быть подвергнуты растворной обработке после сварки, 321 может устранить необходимость в дорогой постсварочной термообработке.
8. Типичные применения
| 304 — Типичные применения | 321 — Типичные применения |
|---|---|
| Оборудование для пищевой и напитковой промышленности, кухонные принадлежности, раковины | Системы выхлопа самолетов, компенсаторы и компоненты печей при высоких температурах |
| Химическое оборудование для неклоридных услуг | Трубки теплообменников и сварные конструкции, подвергающиеся воздействию 500–800 °C |
| Архитектурные отделки и внутренние перила | Петрохимические каналы горячих газов, где существует риск сенсибилизации |
| Сосуды под давлением и трубопроводы при комнатной и умеренных температурах | Аэрокосмические и высокотемпературные промышленные компоненты, требующие стабилизации |
Обоснование выбора: - Выбирайте 304, если основными критериями являются общая коррозионная стойкость, формуемость и стоимость, и если маловероятно длительное воздействие сенсибилизирующих температур. - Выбирайте 321, когда сварные конструкции или компоненты будут подвергаться циклическим или постоянным температурам в диапазоне сенсибилизации, или когда межкристаллитная коррозия после термического воздействия является критическим режимом отказа.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость:
- 304 более распространена и, как правило, дешевле, чем 321, из-за более высоких объемов производства и более простой химии.
- 321 имеет умеренную надбавку за добавление титана и за то, что является специализированной, высокотемпературной маркой.
- Доступность по форме продукта:
- 304 широко доступна в виде листов, плит, рулонов, труб, прутков и крепежных изделий по всему миру.
- 321 также широко доступна, но сроки поставки и размеры запасов могут быть меньше для некоторых форм продуктов (например, специализированные трубы или кованые изделия большого диаметра) по сравнению с 304.
- Соображения по закупкам:
- Для крупных проектов ценовая волатильность на рынках никеля влияет на обе марки; 321 может проявлять немного большую чувствительность из-за более строгих производственных циклов.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 304 | 321 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная для большинства приложений; следите за риском сенсибилизации в HAZ | Отличная; стабилизированная химия снижает риск межкристаллитной коррозии после сварки |
| Прочность–Ударная вязкость (отожженная) | Сравнимая; хорошая вязкость и пластичность | Сравнимая; аналогичная вязкость с улучшенной термической стабильностью |
| Стоимость | Ниже (более распространенная) | Выше (специализированная марка с титановым стабилизатором) |
Рекомендации: - Выбирайте 304, если: - Приложение требует коррозионной стойкости общего назначения при комнатной или умеренной температуре. - Стоимость, доступность и удобство формования/обработки являются основными проблемами. - Сварные конструкции не будут подвергаться длительному воздействию в диапазоне сенсибилизации 425–870 °C или постсварочная термообработка возможна. - Выбирайте 321, если: - Часть будет сварена и будет работать или подвергаться воздействию температур, способствующих осаждению карбида хрома (сенсибилизация), или когда постсварочный растворный отжиг непрактичен. - Высокая термическая стабильность и стойкость к межкристаллитной коррозии являются критически важными (например, теплообменники, выхлопные системы). - Небольшое увеличение стоимости материала приемлемо для снижения затрат на обслуживание и повышения надежности в долгосрочной перспективе.
Заключительная заметка: Обе марки являются прочными, широко используемыми аустенитными нержавеющими сталями. Решение между 304 и 321, как правило, зависит от профиля температурного воздействия компонента и от того, требуется ли стабилизация против межкристаллитной коррозии (за счет добавления титана) для обеспечения долгосрочной производительности после сварки или термического цикла.