304L против 304H – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Варианты типа 304 являются одними из самых широко используемых аустенитных нержавеющих сталей в промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто должны выбирать между низкоуглеродистой 304L и высокоуглеродистой 304H при спецификации материалов для оборудования под давлением, трубопроводов, теплообменников или изготовленных компонентов. Решение обычно балансирует между коррозионной стойкостью и свариваемостью против прочности при повышенных температурах и стойкости к ползучести.
Основное практическое различие заключается в том, что 304L оптимизирована для минимизации осаждения карбидов во время сварки и эксплуатации (улучшая межкристаллитную коррозионную стойкость и свариваемость), в то время как 304H содержит преднамеренно более высокий углерод для сохранения большей прочности при повышенных температурах. Поскольку оба сорта имеют одинаковую основную аустенитную матрицу из хрома и никеля, их часто сравнивают в конструкциях, где факторами, определяющими выбор, являются температура, способ изготовления и характеристики после сварки.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM/ASME: 304L — ASTM A240/A240M (лист/плита), A312 (трубопроводы) как UNS S30403; 304H — ASTM A240 (A240M) как UNS S30409 или эквивалент.
- EN (Европейский): EN 1.4306 (304L), EN 1.4948 иногда используется для эквивалента 304H или других высокоуглеродистых аустенитных нержавеющих сталей; национальные варианты EN ссылаются на составные диапазоны.
- JIS (Япония): Номенклатура SUS304L и SUS304H в стандартах типа JIS G4303/G4312.
- GB (Китай): 06Cr19Ni10/06Cr19Ni10-2L эквиваленты для 304/304L; существуют местные обозначения для 304H.
- Классификация: Оба являются нержавеющими сталями (аустенитными). Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | Типичный 304L (вес.%) | Типичный 304H (вес.%) | Примечания |
|---|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | 0.04 – 0.10 | 304L поддерживается на низком уровне, чтобы избежать осаждения карбидов; 304H повышен для улучшения прочности при высоких температурах. |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 | Марганец является стабилизатором аустенита; аналогичные пределы. |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 | Кремний для дегазации; немного более высокий предел для 304H. |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 | Предел примесей; поддерживается на низком уровне. |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 | Примесь; влияет на обрабатываемость. |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 18.0 – 20.0 | Основной элемент, обеспечивающий коррозионную стойкость. |
| Ni | 8.0 – 12.0 | 8.0 – 11.0 | Стабилизирует аустенит, улучшает прочность и коррозионную стойкость. |
| Mo | — / след | — / след | Типичные варианты 304 не включают Mo. |
| V, Nb, Ti, B | — | — | Не стандарт для 304/304L/304H; специальные стабилизированные сорта (например, 321, 347) включают Ti или Nb. |
| N | ≤ 0.1 (след) | ≤ 0.1 (след) | Азот может присутствовать в небольших количествах; увеличивает прочность и влияет на PREN. |
Как легирование влияет на характеристики: - Хром (Cr) обеспечивает пассивный оксид, ответственный за коррозионную стойкость. Оба сорта имеют схожий Cr, поэтому базовое коррозионное поведение схоже. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу и улучшает прочность и коррозионную стойкость; схожие содержания означают схожую пластичность. - Углерод (C) влияет на образование карбидов: более высокий C увеличивает прочность (особенно при повышенной температуре), но способствует осаждению карбидов хрома и возможной межкристаллитной коррозии, если не контролировать должным образом. - Неосновные элементы (Mn, Si, N) влияют на механическую прочность и упрочнение; азот повышает прочность и стойкость к коррозии, Mo улучшил бы стойкость к коррозии, но отсутствует.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная микроструктура как для 304L, так и для 304H полностью аустенитная (кубическая с гранями) в отожженном состоянии. Поскольку аустенит стабилен при комнатной температуре в этих составах, во время охлаждения не происходит мартенситной трансформации при стандартной обработке.
- 304L: Низкий углерод минимизирует осаждение карбидов хрома ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) на границах зерен во время охлаждения сварки или при нагреве, вызывающем сенсибилизацию (примерно 450–850 °C). В результате микроструктура остается свободной от значительных карбидов на границах зерен после обычной обработки, сохраняя межкристаллитную коррозионную стойкость.
- 304H: Более высокий углерод увеличивает силу, способствующую осаждению карбидов во время термического воздействия. При повышенных температурах некоторые $\text{Cr}_{23}\text{C}_6$ могут образовываться на границах зерен, что может локально снизить коррозионную стойкость, если не применяются стабилизаторы или термообработка после сварки. Однако более высокое содержание углерода также увеличивает упрочнение в твердом растворе и стойкость к ползучести при температурах, как правило, выше 500–600 °C.
Ответ на термообработку: - Отжиг (полный отжиг с последующим быстрым охлаждением) восстанавливает пластичность и растворяет большинство карбидов в обоих сортах. Для 304H температура растворения и кинетика схожи, но повторное осаждение при медленном охлаждении более вероятно. - Нормализация обычно не используется для аустенитных нержавеющих сталей, поскольку аустенитная фаза стабильна; механические свойства в основном контролируются холодной обработкой и отжигом. - Термомеханическая обработка (холодная обработка с последующим отжигом) изменяет поведение текучести и прочности аналогично в обоих сортах, но 304H будет сохранять несколько более высокую текучесть/прочность при повышенных температурах.
4. Механические свойства
| Свойство (типичное, отожженное) | 304L | 304H | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Прочность на разрыв (UTS) | Приблизительно умеренная; типичный отожженный диапазон | Немного выше, чем у 304L при комнатной и повышенной температуре | Более высокий C у 304H увеличивает UTS, особенно при высоких температурах. |
| Предельная прочность (0.2% смещение) | Умеренная | Немного выше | 304H получает предельную прочность от C и возможного упрочнения в твердом растворе. |
| Удлинение (пластичность) | Высокое (хорошая формуемость) | Сравнимое или немного сниженное | Более высокий C может немного снизить пластичность после воздействия высоких температур. |
| Ударная вязкость | Высокая при комнатной температуре | Высокая при комнатной температуре; может снизиться при повышенных температурах | Аустенитные нержавеющие стали сохраняют хорошую вязкость; риск хрупкости увеличивается с длительным термическим старением. |
| Твердость | Относительно низкая (отожженная) | Немного выше | Различия скромные в отожженном состоянии; скорость упрочнения схожа. |
Примечания: Точные числовые значения зависят от формы продукта (лист, плита, труба), термообработки и холодной обработки. Основной вывод: 304H обычно предлагает более высокую прочность при повышенных температурах за счет несколько сниженной стойкости к осаждению карбидов и немного более низких пределов обрабатываемости.
5. Свариваемость
Свариваемость аустенитных нержавеющих сталей в целом отличная благодаря их аустенитной матрице и низкой склонности к образованию мартенсита.
Ключевые соображения по сварке: - Содержание углерода имеет значение: более низкий углерод в 304L снижает риск сенсибилизации (межкристаллитной коррозии) после сварки и позволяет избежать постсварочного отжига во многих приложениях. - Более высокий углерод 304H увеличивает риск сенсибилизации; могут потребоваться контроль сварочного процесса (выбор присадки, быстрое охлаждение или постсварочный отжиг) для коррозионных сред или соблюдения норм. - Устойчивость к закаливанию низкая для обоих; подверженность трещинам от жестких микроструктур ограничена.
Полезные эмпирические формулы для оценки свариваемости/устойчивости к закаливанию: - Углеродный эквивалент (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Уменьшение свариваемости коррелирует с более высоким $CE_{IIW}$. - Хромовый эквивалент или Pcm для нержавеющих сталей: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ - Более высокий $P_{cm}$ указывает на большую склонность к образованию проблем с балансом феррит/аустенит и может информировать о требованиях к предварительному нагреву/послесварочной обработке.
Интерпретация: - 304L обычно имеет более низкие показатели по углеродочувствительным индексам и предпочтительнее, когда требуется целостность сварки без постсварочной термообработки. - 304H может требовать более строгого контроля сварки в коррозионных или кодовых приложениях, но предлагает лучшую прочность для сварных конструкций при высоких температурах.
6. Коррозия и защита поверхности
- Оба 304L и 304H являются нержавеющими (содержат ~18% Cr) и полагаются на пассивную пленку Cr2O3 для общей коррозионной стойкости во многих средах.
- Стойкость к питтингу и коррозии в трещинах умеренная, поскольку Mo отсутствует. Для оценки стойкости к питтингу PREN является общим индексом: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Для вариантов 304 (Mo ≈ 0) PREN определяется Cr и N; при схожем Cr и низком N оба сорта имеют сопоставимую общую и питтинговую стойкость.
- Риск сенсибилизации: более высокий углерод 304H способствует образованию карбидов хрома на границах зерен при воздействии температур, вызывающих сенсибилизацию, что может локально снизить коррозионную стойкость (межкристаллитная атака). 304L выбирается для снижения этого риска.
- Защита поверхности для не нержавеющих сталей (не применимо здесь) будет включать оцинковку или покрытия; для этих нержавеющих сортов основными мерами являются очистка, пассивация и избегание сред, содержащих хлориды.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость/гибкость: 304L обладает отличной формуемостью и характеристиками глубокого вытягивания благодаря более низкой прочности и более высокой пластичности в отожженном состоянии. 304H все еще поддается обработке, но может показать немного сниженные пределы формования.
- Обрабатываемость: Аустенитные нержавеющие стали подвержены упрочнению и имеют более низкую обрабатываемость, чем углеродные стали. Более высокий углерод 304H и потенциально увеличенная прочность могут немного снизить срок службы инструмента и потребовать более прочного инструмента или медленной подачи; версии с легким резанием или добавленный серый улучшают обрабатываемость, но снижают коррозионную стойкость.
- Отделка поверхности: Оба сорта хорошо полируются и пассивируются; однако шлифовка или агрессивная отделка, которая нагревает поверхность, могут локально более легко сенсибилизировать 304H, чем 304L.
- Сварочная обработка: 304L обычно является предпочтительным выбором для сварных конструкций, если не требуется прочность при повышенных температурах.
8. Типичные применения
| 304L — Типичные применения | 304H — Типичные применения |
|---|---|
| Оборудование для переработки пищи, компоненты для молочной и пивоваренной промышленности, фармацевтические сосуды, где постсварочный отжиг нецелесообразен, а коррозионная стойкость имеет первостепенное значение | Трубки котлов, детали печей, теплообменники и компоненты, подвергающиеся длительной эксплуатации при повышенных температурах, где требуется дополнительная прочность/стойкость к ползучести |
| Резервуары для химических процессов, трубопроводы и фитинги в слабо коррозионных средах | Детали, удерживающие давление для эксплуатации при повышенных температурах, и некоторые теплообменники нефтехимической промышленности |
| Архитектурные отделки, раковины и бытовая техника | Сварные конструкции при высоких температурах, где код требует более высоких допустимых напряжений при температуре |
Обоснование выбора: - Выбирайте 304L, когда простота сварки, стойкость к межкристаллитной коррозии и формуемость являются более важными приоритетами. - Выбирайте 304H, когда требуется стойкость к ползучести и прочность при длительной эксплуатации при повышенных температурах, и когда меры после сварки или обработки могут контролировать риск сенсибилизации.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 304L широко производится и хранится; относительная стоимость схожа со стандартной 304, но немного выше из-за контролируемой низкоуглеродной обработки. 304H является более специализированным сортом — стоимость материала может быть сопоставима или немного выше из-за более строгих спецификаций углерода и, возможно, более низких объемов производства.
- Доступность: 304L широко доступна во многих формах продукта (лист, плита, рулон, труба, пруток, кованые изделия). 304H доступна, но менее распространена на некоторых рынках и в некоторых формах продукта; сроки поставки для специализированных форм или больших количеств могут быть длиннее.
- Примечание по закупкам: При спецификации указывайте правильное обозначение ASTM/EN/JIS и желаемую форму продукта, чтобы избежать замены стандартной 304 или стабилизированных сортов.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 304L | 304H |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная (низкий риск сенсибилизации) | Хорошая, но более высокий риск сенсибилизации — требует контроля |
| Прочность–вязкость (комнатная температура) | Хорошая вязкость; умеренная прочность | Немного более высокая прочность; сопоставимая вязкость при комнатной температуре |
| Прочность/ползучесть при повышенной температуре | Умеренная | Превосходная при повышенных температурах |
| Коррозионная стойкость в условиях сенсибилизации | Лучше (устойчивость к межкристаллитной атаке) | Ниже, если не смягчена термообработкой/выбором присадки |
| Стоимость/доступность | Широко доступна; экономически эффективна | Специализированная; потенциально более высокая стоимость/сроки поставки |
Выбирайте 304L, если: - Компонент будет широко сварен, и постсварочная термообработка нецелесообразна. - Стойкость к межкристаллитной коррозии (например, трубопроводы для пищи, фармацевтики или питьевой воды) является приоритетом. - Требуется хорошая формуемость и глубокое вытягивание.
Выбирайте 304H, если: - Приложение связано с длительной эксплуатацией при повышенных температурах, где требуется более высокая прочность на разрыв или стойкость к ползучести (например, теплообменники, котлы, детали печей). - План закупок и обработки позволяет контролировать сварку, выбирать совместимые присадки и, если необходимо, проводить постсварочный отжиг или альтернативные меры для управления сенсибилизацией.
Заключительная заметка: Оба 304L и 304H являются действительными выборами в рамках своих проектных границ. Указывайте предполагаемую рабочую температуру, коррозионную среду (воздействие хлоридов, кислотность), последовательность обработки и применимые коды/стандарты при выборе между ними, чтобы обеспечить правильный баланс свариваемости, коррозионной стойкости и характеристик при высоких температурах.