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

Введение

304H и 321H — это два аустенитных нержавеющих стали, которые обычно указываются для высокотемпературных и коррозионно-стойких применений. Инженеры и специалисты по закупкам часто взвешивают компромиссы между коррозионной стойкостью, высокотемпературными характеристиками, свариваемостью и стоимостью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают компоненты для сосудов под давлением и печей, трубки теплообменников и трубопроводы в нефтехимических или энергетических установках.

Основное техническое различие заключается в их поведении при повышенной температуре: 321H стабилизирована титаном, чтобы противостоять осаждению карбида хрома и сопутствующей коррозии и окислению на границах зерен при длительном воздействии высоких температур, в то время как 304H полагается на более высокое содержание углерода для сохранения прочности при температуре, но более подвержена сенсибилизации, если не обрабатывается осторожно. Из-за этого два сорта регулярно сравниваются для эксплуатации при промежуточных и высоких температурах, где коррозия, стойкость к ползучести и коррозия после сварки являются проблемами.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и спецификации:
• ASTM/ASME: A240/A312 (лист, плита и трубка для нержавеющих сталей); A358/A213 для некоторых высокотемпературных применений.
• EN: серия EN 10088 (нержавеющие стали).
• JIS: существуют эквиваленты JIS G4303/G4305 для сталей 300-й серии.
• GB: стандарты GB/T для нержавеющих сталей (национальные стандарты КНР).
• Классификация:
• Оба сорта 304H и 321H являются нержавеющими сталями (аустенитными).
• Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: типичные диапазоны состава (вес %) — диапазоны отражают общие спецификационные диапазоны; точные пределы зависят от стандарта и формы продукта.

Элемент	304H (типичные диапазоны)	321H (типичные диапазоны)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
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	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mo	Обычно ≤ 0.6 (часто отсутствует)	Обычно ≤ 0.6 (часто отсутствует)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	≤ 0.7 (обычно низкое или отсутствует)	5 × C (мин) до ≈ 0.7
B	Следы/контролируемые	Следы/контролируемые
N	Следы; небольшие количества	Следы; небольшие количества

Примечания: - 304H является вариантом с более высоким содержанием углерода, предназначенным для сохранения прочности на растяжение при повышенных температурах; стабилизированные элементы не добавляются намеренно. - 321H стабилизирована титаном: титаны связывают углерод в виде титанов карбидов/карбонитридов во время термического воздействия, предотвращая образование карбида хрома на границах зерен. - Наличие Ti в 321H отличает его стратегию легирования: стабилизация для высокотемпературной эксплуатации и сопротивление межзерновой коррозии после циклов сенсибилизации.

Как легирование влияет на свойства: - Углерод увеличивает прочность при высоких температурах, но повышает риск сенсибилизации (осаждение карбида хрома), что может привести к межзерновой коррозии. - Хром обеспечивает коррозионную стойкость и стойкость к окислению при высоких температурах, образуя защитную оксидную пленку. - Никель стабилизирует аустенитную фазу, улучшая прочность и пластичность. - Титан (в 321H) связывает углерод и снижает образование карбида хрома, улучшая сопротивление атаке на границах зерен во время воздействия высоких температур.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

• Типичная микроструктура (отожженная): оба сорта полностью аустенитные (кубическая решетка с центром на грани) в отожженном состоянии. Распределения карбидов или титанов карбидов могут появляться в зависимости от термической истории.
• 304H: более высокое содержание углерода приводит к большей склонности к осаждению карбидов (Cr23C6) после воздействия в диапазоне сенсибилизации (~450–850 °C). Такое осаждение происходит на границах зерен и может привести к локальному истощению хрома и межзерновой коррозии. Без стабилизации микроструктура после воздействия может показывать непрерывные сети карбидов на границах.
• 321H: титан образует стабильные титанов карбиды/нитриды предпочтительно над карбидами хрома. Это приводит к меньшему истощению хрома на границах и микроструктуре, более устойчивой к высокотемпературной сенсибилизации и межзерновым атакам.

Термообработка и маршруты обработки: - Отжиг: типичный отжиг для аустенитных нержавеющих сталей (включая 304H и 321H) составляет около 1010–1120 °C, за которым следует быстрое охлаждение для сохранения однородной аустенитной структуры. Быстрое охлаждение снижает осаждение карбидов. - Нормализация не является стандартной для этих аустенитных сортов, поскольку они не демонстрируют превращение феррит-перлит, характерное для углеродных сталей. - Закалка и отпуск: не применимо в углеродной стали; аустенитные нержавеющие стали не закаливаются за счет мартенситного превращения. - Термомеханические обработки: холодная обработка увеличивает прочность за счет упрочнения для обоих сортов; финальный отжиг может быть применен в зависимости от требуемых свойств. - Для эксплуатации, которая проходит через температуры сенсибилизации или требует долгосрочной стабильности при повышенных температурах, 321H требует меньшего контроля тепла после сварки, чтобы избежать сенсибилизации, чем 304H.

4. Механические свойства

Таблица: типичные диапазоны свойств при комнатной температуре (индикативные; зависят от формы продукта, толщины и точной спецификации)

Свойство	304H (отожженная, типичная)	321H (отожженная, типичная)
Прочность на растяжение (МПа)	480 – 700	480 – 700
Предельная прочность, 0.2% (МПа)	190 – 310	190 – 310
Удлинение (%)	40 – 60	40 – 60
Ударная вязкость (Charpy V, комнатная температура)	Высокая; хорошая пластичность	Высокая; хорошая пластичность
Твердость (HB или HRB, отожженная)	Низкая–умеренная (мягкая)	Низкая–умеренная (мягкая)

Интерпретация: - При комнатной температуре и в отожженном состоянии 304H и 321H имеют очень схожие характеристики прочности на растяжение, предельной прочности и пластичности, поскольку обе являются аустенитными нержавеющими сталями с сопоставимым содержанием Cr и Ni. - Различия становятся более выраженными при длительном воздействии высоких температур: 304H может потерять локальную коррозионную стойкость и пластичность на границах зерен, если сенсибилизирована; 321H сохраняет более стабильную химию границ зерен и, следовательно, лучше сохраняет прочность и коррозионную стойкость в этих режимах. - Выбор механических свойств должен учитывать форму продукта (лист, плита, трубка), холодную обработку и то, будет ли компонент использоваться в критических условиях ползучести при высоких температурах.

5. Свариваемость

Соображения по свариваемости включают содержание углерода (большее содержание углерода повышает закаливаемость и риск сенсибилизации), наличие стабилизирующих элементов и контроль теплового ввода.

Общие индексы свариваемости: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Эквивалентное число сопротивления к питтингу (когда это имеет значение для оценки коррозии питтинга): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Оба сорта 304H и 321H легко свариваются стандартными процессами (TIG, MIG, SMAW и т.д.). Поскольку они аустенитные, они не закаливаются мартенситно и не подвержены холодным трещинам. - Более высокое содержание углерода в 304H увеличивает риск сенсибилизации после сварки, если происходит медленное охлаждение; это может привести к межзерновой коррозии в зоне термического влияния (HAZ). Постсварочный отжиг или практики быстрого охлаждения могут смягчить это. - 321H, с титановым стабилизированием, менее подвержена постсварочной сенсибилизации; Ti связывает углерод во время нагрева/сварки и образует стабильные осадки Ti(C,N), уменьшая истощение хрома на границах зерен. Это делает 321H предпочтительным выбором для сварных соединений, которые будут подвергаться длительному воздействию в диапазоне сенсибилизации. - Для обоих сортов хорошая практика сварки — контроль теплового ввода, температура между проходами и использование подходящих присадочных металлов — обеспечивает приемлемую производительность соединений. Когда коррозионная стойкость в HAZ критична, выбирайте стабилизированный сорт или альтернативы с низким содержанием углерода L-града (например, 304L).

6. Коррозия и защита поверхности

• Для нержавеющих сталей (как 304H, так и 321H): пассивный слой оксида хрома обеспечивает общую коррозионную стойкость. Ни один из сортов не содержит значительного количества молибдена, поэтому локальная стойкость к питтингу и коррозии в трещинах в хлоридных средах ограничена по сравнению с сталями, содержащими Mo (например, 316).
• PREN (для эквивалентности сопротивления питтингу, где важны Mo и N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Поскольку Mo обычно отсутствует или низок в 304H/321H, а N низок, значения PREN будут скромными; PREN более применим к дуплексным и аустенитным сталям с содержанием Mo.
• Коррозия/окисление при повышенных температурах:
• 321H демонстрирует улучшенную стойкость к межзерновой коррозии, связанной с сенсибилизацией, и прилипанию оксидов при длительном воздействии в диапазоне 500–800 °C благодаря титановому стабилизированию.
• 304H, хотя и предназначена для сохранения прочности на растяжение при повышенных температурах, может образовывать карбиды хрома на границах зерен, что приводит к локальному истощению хрома и снижению межзерновой коррозионной стойкости, если тепловой ввод и охлаждение не контролируются.
• Несостоящие из нержавеющей стали материалы (не применимо здесь): где используются не нержавеющие стали, варианты защиты включают оцинковку, лакокрасочные системы или покрытия для высоких температур; для высокотемпературных нержавеющих сталей характеристики защитной оксидной пленки и выбор сплава имеют решающее значение.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: оба сорта типичны для аустенитных нержавеющих сталей — упрочнение при работе и клейкое поведение требуют жесткого инструмента, адекватных скоростей и острых вставок. Обрабатываемость умеренная и схожа для 304H и 321H; 321H может быть немного сложнее из-за наличия карбидов Ti, влияющих на износ инструмента.
• Формуемость: оба сорта обладают высокой пластичностью и формуемостью в отожженном состоянии. Холодная обработка увеличивает прочность за счет упрочнения, но снижает пластичность.
• Обработка поверхности: оба сорта принимают общие методы отделки нержавеющей стали (шлифовка, полировка, электрохимическая полировка) и реагируют схожим образом, хотя включения, содержащие Ti, в 321H могут повлиять на поведение микрогравировки.
• Сварка и постсварочные операции: как уже упоминалось, 321H снижает необходимость в постсварочном отжиге, когда эксплуатация включает длительное воздействие высоких температур; 304H может требовать большего внимания, чтобы избежать сенсибилизации.

8. Типичные применения

304H — типичные применения	321H — типичные применения
Сосуды под давлением и трубопроводы для паровых систем при повышенных температурах, где требуется высокая прочность углерода, но сенсибилизация может быть контролируема	Компоненты выхлопных систем самолетов, части печей и трубки теплообменников, подвергающиеся циклическим высоким температурам, где требуется стабилизация
Трубки и коллекторы теплообменников в котлах, где требуется высокая прочность на растяжение при повышенных температурах	Оборудование химических и нефтехимических процессов, подвергающееся диапазонам температур сенсибилизации или с повторяющимся термическим циклом
Общие высокотемпературные конструктивные компоненты и фитинги, где приемлема коррозионная стойкость семейства 304	Выхлопные трубы, корпуса каталитических нейтрализаторов и муфли печей, требующие стабильной химии границ зерен при температуре

Обоснование выбора: - Выбирайте 304H, когда прочность на растяжение при комнатной температуре и несколько более высокая прочность на растяжение при повышенных температурах являются основными потребностями и когда практики сварки и охлаждения могут быть контролируемыми, чтобы ограничить сенсибилизацию. - Выбирайте 321H, когда эксплуатация включает длительное воздействие в диапазоне температур сенсибилизации, повторяющийся термический цикл или когда поведение окисления/коррозии в HAZ является проблемой.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 321H обычно немного дороже, чем 304H из-за добавления титана и его нишевого использования при высоких температурах. Рыночные цены колеблются в зависимости от рынков Ni и легирующих элементов.
• Доступность: 304H широко доступна в виде плит, листов, труб и прутков. 321H также доступна в общих формах продукта, но может иметь более длительные сроки поставки для некоторых специализированных размеров или отделок в зависимости от региона.
• Совет по закупкам: четко указывайте форму продукта, требуемую термообработку и любые требования к постсварочному отжигу, чтобы избежать несоответствий в цепочке поставок или неожиданных затрат на обработку.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: Быстрое сравнение

Критерий	304H	321H
Свариваемость	Хорошая, но риск сенсибилизации HAZ при медленном охлаждении	Очень хорошая; стабилизация Ti снижает риск сенсибилизации HAZ
Прочность–пластичность	Схожи при комнатной температуре; хорошая прочность на растяжение при повышенных температурах	Схожи при комнатной температуре; сохраняет межзерновую прочность в высокотемпературной эксплуатации
Сопротивление высокотемпературной сенсибилизации/окислению	Ниже (более подвержена осаждению карбидов)	Выше (стабилизация Ti улучшает стабильность при высоких температурах)
Стоимость	Ниже	Выше (умеренно)

Заключение — выбирайте 304H, если: - Компонент требует более высокого содержания углерода для прочности на растяжение при повышенных температурах, но эксплуатация или практики сварки минимизируют время в окне сенсибилизации 450–850 °C. - Стоимость и широкая доступность являются основными факторами, а воздействие питтинга/коррозии умеренное.

Заключение — выбирайте 321H, если: - Эксплуатация включает длительное воздействие при повышенных температурах, повторяющийся термический цикл или ситуации, когда постсварочная сенсибилизация и межзерновая коррозия являются проблемой. - Вам нужен стабилизированный аустенитный сплав, который лучше сохраняет хром и стойкость к окислению на границах зерен в HAZ и в условиях длительной высокотемпературной эксплуатации.

Окончательная рекомендация: - Для общих высокотемпературных конструктивных или давленых применений, где обработка может контролировать охлаждение и коррозионное воздействие не является экстремальным, 304H является экономичным выбором. Для компонентов, которые будут подвергаться длительным высоким температурам, циклическому теплу или сварочно-чувствительным условиям, 321H предлагает более надежный вариант с меньшими рисками, несмотря на умеренную надбавку в стоимости. Подтвердите выбор конкретного сплава с фактическими профилями температур эксплуатации, сварочными процедурами и данными о коррозии для предполагаемой среды.