304L против 316L – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
304L и 316L — это два из самых широко используемых аустенитных нержавеющих сталей. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто взвешивают компромиссы между коррозионной стойкостью, легкостью обработки и стоимостью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают спецификацию материалов для труб и сосудов для коррозионных условий, выбор листов или плит для оборудования в пищевой и фармацевтической промышленности, а также выбор сварных сборок, где предпочтительно низкое содержание углерода, чтобы избежать сенсибилизации.
Основное металлургическое различие между этими марками заключается в том, что 316L содержит дополнительный легирующий элемент, который значительно улучшает стойкость к локализованной коррозии, особенно к образованию ямок и коррозии в трещинах в средах, содержащих хлориды. Поскольку их базовая матрица является одной и той же аустенитной системой 300-й серии, обе марки часто сравниваются, когда критерии проектирования подчеркивают коррозионные характеристики по сравнению со стоимостью и формуемостью.
1. Стандарты и обозначения
Общие стандарты и обозначения для каждой марки включают:
- ASTM/ASME: A240 / SA240 (плита, лист); A312 (труба) — обычно используется в контексте США/ASME.
- EN (Европа): серия EN 10088; 304L соответствует X2CrNi18-9 / 1.4306; 316L соответствует X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404.
- JIS (Япония): эквиваленты SUS304L / SUS316L.
- GB (Китай): эквиваленты GB/T 1220 и GB/T 3280.
Классификация: как 304L, так и 316L являются нержавеющими сталями (аустенитными). Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA; это коррозионно-стойкие легированные стали с гранецентрированной кубической (аустенитной) кристаллической структурой в отожженном состоянии.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже приведены типичные диапазоны состава для общих коммерческих спецификаций (выраженные в процентах по массе). Точные пределы зависят от конкретных стандартов (ASTM, EN, JIS, GB) и формы продукта; приведенные значения являются репрезентативными.
| Элемент | 304L (типичные диапазоны) | 316L (типичные диапазоны) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.5–19.5 (≈18–20) | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–12.0 | 10.0–14.0 |
| Mo | — (только следы) | 2.0–3.0 |
| V | — | — |
| Nb (Cb) | — | — (редко в 316L; присутствует в стабилизированных марках) |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Объяснение стратегии легирования: - Хром (Cr) обеспечивает основное нержавеющее поведение, образуя пассивную хромовую оксидную пленку. Типичные уровни Cr в обеих марках создают стабильную аустенитную пассивную поверхность. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу, улучшая прочность и формуемость; 316L часто имеет немного более высокий Ni. - Молибден (Mo), присутствующий в 316L, увеличивает стойкость к образованию ямок и коррозии в трещинах в средах, содержащих хлориды, и улучшает стойкость к определенным восстанавливающим кислотам. - Низкоуглеродные (L) марки (≤0.03% C) минимизируют риск осаждения интеркристаллитного карбида (сенсибилизация) во время сварки, сохраняя коррозионную стойкость в зоне термического воздействия.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура: - Как 304L, так и 316L полностью аустенитные (гранецентрированная кубическая) в отожженном состоянии при комнатной температуре. Они не реагируют на традиционное закаливание и отпуск для формирования мартенситных микроструктур; вместо этого холодная обработка может вводить мартенсит, вызванный деформацией, в сплавах 300-й серии, особенно в вариантах 304, в зависимости от состава и уровня деформации. - Добавление Mo в 316L не изменяет аустенитную матрицу, но влияет на поведение осаждения и стабильность пассивной пленки.
Реакция на термообработку: - Отжиг: Типичный растворный отжиг при 1010–1150 °C с последующим быстрым охлаждением восстанавливает полностью аустенитную, коррозионно-стойкую структуру для обеих марок. - Сенсибилизация: Обе марки подвержены осаждению хромового карбида, когда находятся в диапазоне примерно 450–850 °C, если углерод присутствует. Низкоуглеродные 'L' варианты снижают этот риск; 316L и 304L выбираются для сварных конструкций, чтобы избежать интеркристаллитной коррозии. - Нормализация, закалка и отпуск: Эти термические процессы не применимы для упрочнения аустенитных нержавеющих сталей 300-й серии, поскольку они не закаливаются через мартенситные превращения. Механические свойства регулируются через холодную обработку или специализированную термомеханическую обработку. - Термомеханическая обработка: Холодная обработка увеличивает прочность за счет пластичности; 304L несколько более подвержен мартенситу, вызванному деформацией, во время интенсивной холодной обработки, чем 316L из-за тонких различий в энергии стекания дефектов.
4. Механические свойства
Механические свойства обеих марок варьируются в зависимости от формы продукта (лист, плита, пруток, труба) и истории обработки. Таблица ниже дает репрезентативные диапазоны отожженного состояния, обычно встречающиеся в инженерных спецификациях; фактические значения должны быть подтверждены по сертификатам завода-поставщика.
| Свойство (отожженное, типичное) | 304L | 316L |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ≈ 480–620 | ≈ 480–620 |
| Предел текучести, 0.2% (МПа) | ≈ 170–300 | ≈ 170–300 |
| Удлинение (%), типичное | ≥ 40 | ≥ 40 |
| Ударная вязкость (Шарпи, Дж, при комнатной температуре) | Высокая, стойкая к надрезам | Высокая, стойкая к надрезам |
| Твердость (HRC/HV) | Умеренная (например, HB ~120–200) | Умеренная (аналогично 304L) |
Интерпретация: - Прочность: Обе марки демонстрируют схожие базовые прочностные характеристики в отожженном состоянии; различия обычно небольшие и зависят от содержания Ni и упрочнения. Холодная обработка увеличивает прочность сопоставимо в обеих марках. - Ударная вязкость и пластичность: Обе остаются высокопластичными и прочными при комнатной температуре; 316L может демонстрировать немного лучшую ударную вязкость в некоторых формах продукта из-за более высокого влияния Ni и Mo на энергию стекания дефектов, но различия незначительны для большинства инженерных приложений. - Твердость: Сравнима в отожженном состоянии; холодная обработка увеличивает твердость в обеих.
5. Сварка
Как 304L, так и 316L хорошо свариваются с помощью общих процессов сварки плавлением и сопротивлением, отчасти благодаря их низкому содержанию углерода, что снижает сенсибилизацию.
Индексы свариваемости (качественное использование): - Углеродный эквивалент IIW предоставляет быстрый качественный взгляд на свариваемость: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более детальный параметр, иногда используемый в Европе, это $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация: - Поскольку 304L и 316L имеют очень низкий углерод, умеренный Mn и отсутствие сильных микроалюминиевых добавок, обе марки производят низкие значения $CE_{IIW}$/$P_{cm}$ по сравнению с высокопрочными сталями; это подразумевает отличную свариваемость, низкую восприимчивость к холодным трещинам и небольшую необходимость в предварительном нагреве в большинстве случаев. - Mo в 316L немного влияет на эти термины в выражениях $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, но влияние на свариваемость небольшое; однако выбор присадки важен для обеспечения соответствия коррозионной стойкости в сварном металле (например, выбор 316L или соответствующих 316 расходных материалов для сварки основы 316L). - Постсварочная термообработка (освобождение от напряжений) редко требуется для аустенитных нержавеющих сталей и используется только для обеспечения размерной стабильности или специфических требований к обслуживанию.
6. Коррозия и защита поверхности
- Нержавеющая сталь: Обе марки полагаются на пассивную хромовую оксидную пленку. Наличие молибдена в 316L значительно улучшает стойкость к образованию ямок и коррозии в трещинах в средах, содержащих хлориды, таких как морская вода или потоки процессов, богатые хлоридами.
Использование PREN для иллюстрации стойкости к локализованной коррозии: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Интерпретация: - Поскольку 316L содержит Mo, а 304L — нет, PREN 316L выше, что указывает на превосходную стойкость к образованию ямок. Добавления азота также увеличивают PREN, когда они присутствуют. - PREN наиболее полезен для сравнения нержавеющих сплавов, где стойкость к образованию ямок является критерием проектирования; это не универсальный предсказатель коррозии для всех сред.
Не нержавеющие стали: - Для сталей, которые не являются нержавеющими (не применимо здесь), защита от коррозии часто зависит от покрытий, таких как горячее цинкование, органические краски или гальванизация. Для 304L и 316L покрытия обычно используются для эстетики или защиты от абразивного износа, а не для первичной защиты от коррозии.
Практические последствия: - Выбирайте 316L для обслуживания в условиях воздействия хлоридов (морская, химическая переработка, биомедицинские имплантаты в определенных случаях), где есть опасения по поводу образования ямок и коррозии в трещинах. - Выбирайте 304L для общей коррозионной стойкости (оборудование для общественного питания, архитектурные отделки, водные коррозионные среды без хлоридов), где защита на уровне Mo не требуется.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость: Обе марки хорошо формуются благодаря высокой пластичности; 304L часто немного легче формовать из-за своего состава и немного более высокой склонности к упрочнению; управление инструментами и возвратом пружины схожи.
- Обрабатываемость: Аустенитные нержавеющие стали обычно сложнее обрабатывать, чем углеродные стали. 316L, как правило, немного сложнее обрабатывать, чем 304L из-за более высокой прочности и склонности к упрочнению; использование правильных инструментов, подач и охлаждающей жидкости смягчает проблемы.
- Отделка поверхности и полировка: Обе могут быть обработаны до высокого качества поверхности. 316L часто предпочтительнее, когда конечная целостность поверхности должна противостоять образованию ямок (например, полированные отделки для пищевой/фармацевтической или морской арматуры).
- Формование и сварка: Низкоуглеродные марки снижают проблемы с коррозией после сварки; сварка 316L требует соответствующей присадки для поддержания коррозионной стойкости в агрессивных средах.
8. Типичные применения
| 304L — Типичные применения | 316L — Типичные применения |
|---|---|
| Кухонное оборудование, раковины, оборудование для общественного питания, архитектурные отделки | Морская арматура, теплообменники, трубопроводы для морской воды |
| Фармацевтическое и лабораторное оборудование (без хлоридов) | Оборудование для химических процессов, обрабатывающее хлориды |
| Теплообменники, резервуары (общая водная служба) | Биомедицинские устройства, хирургические инструменты (в отдельных случаях) |
| Декоративные и конструктивные компоненты | Офшорные и прибрежные конструкции, оборудование для опреснения |
Обоснование выбора: - 304L выбирается, когда приоритетами являются общая коррозионная стойкость, хорошая формуемость и более низкая стоимость, а среда не содержит агрессивных хлоридов. - 316L выбирается, когда требуется стойкость к локализованной коррозии (ямки/трещины) — особенно в средах, содержащих хлориды — или когда немного улучшенная стойкость к высоким температурам и химическим веществам оправдывает премию.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 316L, как правило, дороже, чем 304L из-за добавления молибдена и обычно несколько более высокого содержания никеля. Ценовые разрывы варьируются в зависимости от глобальных товарных рынков для Ni и Mo.
- Доступность: Обе марки широко доступны по всему миру в виде плит, листов, прутков, труб и арматуры. 304L является самой распространенной аустенитной нержавеющей сталью и обычно имеет наибольшую доступность и самые короткие сроки поставки. 316L также широко представлен на складе, но некоторые формы продукта (бесшовные трубы большого диаметра, специализированная арматура) могут иметь более длительные сроки поставки и более высокие премии.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Атрибут | 304L | 316L |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная | Отличная |
| Прочность–Ударная вязкость | Сравнимая (аналогичные диапазоны) | Сравнимая (аналогичные диапазоны) |
| Сопротивление к образованию ямок/трещин | Хорошее (общее) | Превосходное (особенно в хлоридах) |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Рекомендации: - Выбирайте 304L, если: приложение требует хорошей общей коррозионной стойкости, отличной формуемости и свариваемости, а стоимость или широкая доступность являются основными ограничениями — например, оборудование для общественного питания, воздуховоды HVAC или архитектурные компоненты, не подверженные воздействию хлоридов. - Выбирайте 316L, если: служба включает хлориды, морскую воду или агрессивные химические среды, где локализованная коррозия (ямки/трещины) является проблемой, или где требуется немного лучшая стойкость к высоким температурам/химическим веществам — например, морская арматура, химическая переработка, опреснение и многие биомедицинские или фармацевтические компоненты, где требуется превосходная коррозионная стойкость.
Заключительная заметка: Для критических приложений указывайте точные требования к сплаву и отделке, а также запрашивайте сертификаты завода и данные о тестировании на коррозию для выбранной формы продукта. В случае сомнений по поводу воздействия хлоридов выбирайте 316L с содержанием Mo или более легированные марки, чтобы снизить риск локализованной коррозии.