304H против 321H – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения

Введение

304H и 321H — это два широко используемых аустенитных нержавеющих стали, встречающихся в условиях работы под давлением, при высоких температурах и в общем производстве. Инженеры и команды по закупкам часто оценивают коррозионную стойкость, высокотемпературные характеристики и стоимость изготовления при выборе между ними. Общие контексты принятия решений включают: рабочую температуру (стойкость к ползучести и карбюризации), восприимчивость к сенсибилизации во время сварки и последующей межкристаллической коррозии, а также соображения по обслуживанию в течение срока службы.

Основное практическое различие заключается в том, что один сплав намеренно легирован стабилизирующим элементом для контроля осаждения карбидов и сохранения коррозионной стойкости после воздействия промежуточных температур, в то время как другой полагается на более высокое содержание углерода для улучшения прочности при высоких температурах. Поскольку оба являются производными аустенитной семейства 300-й серии, их часто сравнивают, когда необходимо сбалансировать компромиссы между механической прочностью при высоких температурах и долговременной стойкостью к межкристаллическому разрушению.

1. Стандарты и обозначения

• Общие международные стандарты и спецификации:
• ASTM/ASME: A240/A312 (листовой/пластинный и трубный нержавеющий), A182 (для кованых изделий) и т.д.
• EN: Серия EN 10088 / эквиваленты EN ISO.
• JIS: JIS G4303, G4311 и т.д.
• GB: Национальные китайские стандарты для нержавеющих сталей.
• Классификация:
• 304H — Нержавеющая сталь, аустенитная нержавеющая (вариант с высоким содержанием углерода 304).
• 321H — Нержавеющая сталь, аустенитная нержавеющая, стабилизированная титаном (вариант с высоким содержанием углерода 321, где "H" обозначает более высокое содержание углерода для прочности на ползучесть).

Примечание: Точные числовые обозначения и пределы состава могут варьироваться в зависимости от стандарта; всегда подтверждайте с применимой спецификацией и сертификатом завода.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: Типичные диапазоны состава (вес.%). Значения являются представительными диапазонами, обычно используемыми в спецификациях; проконсультируйтесь с контролирующим стандартом или отчетом о испытаниях завода для точных пределов.

Элемент	304H (типичный вес%)	321H (типичный вес%)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0 (тип. 1.0–2.0)	≤ 2.0 (тип. 1.0–2.0)
Si	≤ 0.75	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.0 – 19.0	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 10.5	8.0 – 12.0
Mo	~0 (следы)	~0 (следы)
V	следы	следы
Nb (Cb)	следы/0	следы/0
Ti	0 (следы)	0.15 – 0.7 (стабилизатор)
B	следы	следы
N	следы (до ~0.1)	следы (до ~0.1)

Как легирование влияет на свойства - Углерод (C): Более высокое содержание углерода в марках "H" увеличивает прочность на растворе и прочность на ползучесть при повышенных температурах, но увеличивает риск образования карбидов хрома при промежуточных температурах, если не стабилизировано. - Хром (Cr): Основной элемент для общей коррозионной стойкости и формирования пассивной пленки. - Никель (Ni): Стабилизирует аустенит, улучшает прочность и пластичность, а также помогает коррозионной стойкости. - Титан (Ti) в 321H: Действует как образователь карбидов, который предпочитает связывать углерод для формирования стабильных TiC/Ti(C,N), а не карбидов хрома; это снижает сенсибилизацию и межкристаллическую коррозию после воздействия на сенсибилизирующие температуры. - Другие элементы (Mn, Si, N): Регулируют механические свойства, поведение деоксидирования и стойкость к образованию ямок (N).

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктуры - Оба сорта являются аустенитными (кубическая решетка с центром в гранях) в состоянии отжига после раствора. Основные характеристики — матрица аустенита с возможными мелкими карбидами, нитридами и осадками стабилизатора в зависимости от химического состава и термической истории. - 304H: С более высоким содержанием углерода наблюдается повышенная тенденция к образованию карбидов хрома (Cr23C6) вдоль границ зерен при воздействии на диапазон сенсибилизации (~425–850 °C). Если охлаждать после отжига без стабилизации, может произойти сенсибилизация при определенных термических циклах. - 321H: Титан предпочитает образовывать осадки TiC/Ti(C,N), связывая углерод и уменьшая или предотвращая осаждение карбидов Cr на границах зерен.

Реакция на термообработку - Отжиг раствора (типичный для аустенитной нержавеющей стали): отжиг при высокой температуре, за которым следует быстрое охлаждение, восстанавливает однородный аустенит и растворяет большинство осадков. Для обоих сортов отжиг раствора является стандартным способом удаления предыдущей сенсибилизации, если полные растворы возможны. - Стабилизация: Содержание титана в 321H не требует специальной термообработки для стабилизации, кроме нормального отжига раствора; стабилизация происходит металлургически через образование TiC. - Холодная обработка и старение: Холодная обработка увеличивает прочность, но может повысить восприимчивость к коррозионному растрескиванию в хлоридных средах для любой аустенитной нержавеющей стали. - Нормализация/закалка и отпуск: Не применимо в традиционном смысле, поскольку это аустенитные, не трансформирующиеся нержавеющие сорта; они не реагируют на закалку и отпуск так же, как ферритные или мартенситные стали.

4. Механические свойства

Таблица: Типичные диапазоны механических свойств (при комнатной температуре, в условиях отжига/отжига раствора). Эти значения являются представительными и сильно зависят от формы продукта, температуры и термообработки.

Свойство	304H (типичный)	321H (типичный)
Прочность на растяжение (МПа)	~500 – 700	~480 – 700
Предельная прочность (0.2% доказательство, МПа)	~200 – 310	~200 – 310
Удлинение (%)	~40 – 60	~40 – 60
Ударная вязкость (Charpy V, Дж)	Хорошая при РТ; уменьшается при холодной обработке	Хорошая при РТ; уменьшается при холодной обработке
Твердость (HB/HRB)	Относительно низкая в состоянии отжига	Похожа на 304H в состоянии отжига

Объяснение - Прочность: Оба сорта имеют в целом схожие свойства прочности на растяжение и предельной прочности в состоянии отжига. Небольшие различия могут возникать из-за содержания Ni и незначительных различий в состоянии углерода/стабилизатора. Увеличение углерода в "H" дает несколько улучшенную прочность при высоких температурах по сравнению со стандартом 304 при повышенных рабочих температурах. - Ударная вязкость/пластичность: Аустенитная структура обеспечивает отличную пластичность и ударную вязкость при комнатной температуре для обоих. Холодная обработка и хрупкие осадки (например, непрерывные карбиды Cr) могут снизить ударную вязкость. - Повышенная температура: 304H и 321H сохраняют пластичность при повышенных температурах; однако, поскольку 321H сопротивляется осаждению карбидов, он предпочтителен в условиях, где ожидаются повторные или длительные воздействия в диапазоне сенсибилизации и где коррозионные свойства после термического цикла критичны. Для долговременной стойкости к ползучести при высоких температурах проконсультируйтесь с данными по ползучести, специфичными для продукта/партии.

5. Сварка

Обе стали 304H и 321H считаются свариваемыми стандартными процессами (SMAW, GMAW/MIG, GTAW/TIG и т.д.), но есть важные соображения:

• Углерод/закаляемость: Более высокий углерод увеличивает риск сенсибилизации или образования хрупких интерметаллических соединений в зоне термического влияния (HAZ). Стабилизация (321H) минимизирует этот риск, связывая углерод.
• Индексы свариваемости: Обычно используемые эмпирические формулы для оценки риска свариваемости включают:
• IIW эквивалент углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Индекс Dearden & Smith (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 (качественная): Более высокие значения $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ коррелируют с большей закаляемостью и увеличенным риском растрескивания HAZ в углеродных сталях; для аустенитных нержавеющих сталей эти формулы используются с осторожностью. Более высокий углерод в 304H может увеличить чувствительность к осаждению карбидов в HAZ и потребовать внимания к температуре между проходами и постсварочным обработкам. 321H, как правило, показывает лучшую стойкость к межкристаллическому разрушению после сварки благодаря стабилизации с Ti; это делает 321H предпочтительным в сварных высокотемпературных сборках, где происходит воздействие в диапазоне сенсибилизации.

Практическое руководство - Используйте низкооксидные, низкосернистые расходные материалы и соответствующие filler metals (соответствующие или стабилизированные эквиваленты). - Контролируйте тепловую подачу и температуры между проходами, чтобы ограничить осаждение на границах зерен. - Для критического обслуживания, где межкристаллическая коррозия неприемлема, выбирайте стабилизированные сорта (321/321H) или применяйте постсварочный отжиг раствора, где это возможно.

6. Коррозия и защита поверхности

• Контекст аустенитной нержавеющей стали: Оба сорта являются нержавеющими; общая коррозионная стойкость в окислительных средах отличная благодаря пассивации хромом. Локализованная атака (ямочная/щелевая) зависит от уровней хлора и не существенно отличается между двумя, когда состав и отделка поверхности схожи.
• Сенсибилизация и межкристаллическая коррозия: 304H с повышенным содержанием углерода более вероятно образует карбиды хрома после термического воздействия в диапазоне температур сенсибилизации, что может привести к межкристаллической коррозии. Стабилизатор титана в 321H снижает этот риск, образуя вместо этого титановый карбид.
• PREN (эквивалентный номер стойкости к ямочной коррозии) не очень полезен для этих сплавов 300-й серии без молибдена, но общая формула: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ В этих сортах Mo фактически равен нулю, поэтому различия в PREN минимальны и в основном зависят от содержания азота.
• Защита поверхности для не нержавеющих сценариев: Здесь не применимо; однако в сильно агрессивных средах могут потребоваться дополнительные покрытия или катодная защита.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость: Аустенитная структура обеспечивает отличную формуемость и характеристики глубокого вытягивания для обоих сортов в состоянии отжига. Холодная обработка увеличивает прочность, но снижает пластичность.
• Обрабатываемость: Типичные аустенитные нержавеющие стали имеют плохую до умеренной обрабатываемость по сравнению с углеродными сталями; более высокий углерод (304H/321H) не существенно улучшает обрабатываемость. Используйте соответствующие материалы для инструментов (карбидные наконечники), жесткие установки и инструменты с высоким положительным углом резания. Ожидайте упрочнения при обработке, поэтому контроль стружки и параметры резания важны.
• Отделка поверхности и полировка: Оба хорошо полируются и отделываются; 321H может потребовать немного других параметров травления/полировки, если частицы TiN/TiC присутствуют после обработки.

8. Типичные применения

Таблица: Общие применения по сортам

304H – Типичные применения	321H – Типичные применения
Части печи, трубопроводы и сосуды под давлением, где требуется повышенная прочность при высоких температурах и риск сенсибилизации можно контролировать	Компоненты выхлопных систем и турбонаддува, воздуховоды для самолетов и аэрокосмической техники, трубопроводы химических процессов и теплообменники, подвергающиеся термическим циклам и сенсибилизирующим температурам
Компоненты котлов, трубы супернагревателей/подогревателей (где указано увеличение углерода для ползучести)	Компоненты реактивных двигателей и газовых турбин, где критически важна стабилизация против межкристаллического разрушения
Общее производство, где требуется повышенная прочность при температуре с чувствительностью к стоимости	Сварные сборки, подвергающиеся воздействию промежуточных температур, требующие стойкости к межкристаллической коррозии после сварки

Обоснование выбора - Выбирайте 304H, когда требуется повышенная прочность при высоких температурах, и термический цикл или маршрут производства будут избегать длительной сенсибилизации или когда постсварочный отжиг раствора возможен. - Выбирайте 321H, когда термические циклы или сварка в компонентах, подвергнутых воздействию, делают защиту от сенсибилизации необходимой и когда долговременная стойкость к межкристаллической коррозии является приоритетом.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Оба сорта обычно производятся и широко доступны. 321H, как правило, имеет умеренную надбавку по сравнению с 304H из-за добавления титана и строгого контроля, необходимого для уровней стабилизатора. Цены зависят от содержания Ni, рыночных условий и формы (пластина, труба, пруток).
• Доступность по форме продукта: Оба сорта широко доступны в виде пластин, листов, труб и трубопроводов; специальные бесшовные или высококачественные кованые изделия могут иметь сроки поставки. 304H обычно указывается для сталей сосудов под давлением; 321H часто хранится для высокотемпературных и стабилизированных применений.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: Быстрое сравнение (качественное)

Атрибут	304H	321H
Свариваемость	Хорошая с осторожностью; более высокий C увеличивает риск сенсибилизации	Очень хорошая для сварных, термически циклических сборок (стабилизированная)
Прочность–Ударная вязкость (высокая температура)	Хорошая прочность при повышенных температурах благодаря более высокому C	Хорошая прочность при повышенных температурах; стабилизация сохраняет ударную вязкость после циклов
Стоимость	Низкая до умеренной	Умеренная (немного выше)

Рекомендации - Выбирайте 304H, если: вам нужна улучшенная прочность при высоких температурах от высокоуглеродной аустенитной нержавеющей стали в приложениях, где либо термическое воздействие избегает длительного времени в диапазоне сенсибилизации, либо где можно применить постобработку отжигом раствора и аккуратную сварку. Это подходит, когда чувствительность к стоимости является фактором, и преимущества стабилизатора не требуются. - Выбирайте 321H, если: деталь будет подвергаться сварке, повторным термическим циклам или длительному обслуживанию в диапазоне температур сенсибилизации, и стойкость к межкристаллической коррозии критична. 321H предпочтительна, когда минимизация постсварочной термообработки или сохранение коррозионной стойкости после обработки является основным требованием.

Заключительная заметка: Выбор между 304H и 321H должен основываться на конкретной рабочей температуре, термическом цикле, коррозионной среде и нормативных/стандартных требованиях для компонента. Проконсультируйтесь с сертификатами испытаний завода, данными по ползучести/разрушению для предполагаемых рабочих температур и квалификациями сварочных процедур при спецификации любого сорта.