304L против 321 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

304L и 321 — это два широко используемых аустенитных нержавеющих стали, выбор между которыми часто становится инженерной дилеммой. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно оценивают коррозионную стойкость, поведение при обработке и сварке, стабильность при повышенных температурах и стоимость при выборе между ними. Основное практическое отличие заключается в том, как каждый сплав обрабатывает карбиды во время сварки и работы при высоких температурах: 304L полагается на низкое содержание углерода, чтобы избежать сенсибилизации, в то время как 321 полагается на стабилизацию титана, чтобы связать углерод и предотвратить осаждение хромового карбида.

Поскольку оба сорта являются аустенитными нержавеющими сталями с похожим содержанием хрома и никеля, их часто сравнивают в трубопроводах, сосудах под давлением, теплообменниках и изготовленных компонентах, где свариваемость и коррозионная стойкость при высоких температурах определяют выбор.

1. Стандарты и обозначения

• Общие международные стандарты и обозначения:
• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403), 321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100).
• EN: 304L примерно соответствует EN 1.4307; 321 соответствует EN 1.4541 (или вариантам 1.4541/1.4550 в зависимости от содержания титана).
• JIS, GB: существуют национальные эквиваленты с похожей химией и свойствами (обратитесь к конкретным стандартам для точных пределов).
• Классификация: как 304L, так и 321 являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющая семья). Они не являются углеродными сталями, легированными сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

В следующей таблице перечислены ключевые элементы и типичные диапазоны или максимумы в соответствии с общими спецификациями (диапазоны являются типичными и зависят от стандарта/спецификации и формы продукта).

Элемент	304L (типичные спецификации)	321 (типичные спецификации)
C (макс, вес%)	≤ 0.03	≤ 0.08
Mn (вес%)	≤ 2.00	≤ 2.00
Si (вес%)	≤ 0.75	≤ 0.75
P (вес%)	≤ 0.045	≤ 0.045
S (вес%)	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr (вес%)	17.5–20.0	17.0–19.0
Ni (вес%)	8.0–12.0	9.0–12.0
Mo (вес%)	— (обычно ≤0.10)	— (обычно ≤0.10)
V (вес%)	—	—
Nb (вес%)	—	—
Ti (вес%)	—	обычно 0.15–0.70 (стабилизатор)
B (вес%)	—	—
N (вес%)	≤ 0.10	≤ 0.10

Стратегия легирования и эффекты: - Хром (Cr) обеспечивает общую коррозионную стойкость, образуя пассивную оксидную пленку. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную структуру, улучшая прочность и пластичность. - Низкое содержание углерода в 304L снижает склонность к осаждению хромового карбида (сенсибилизация) во время медленного охлаждения после сварки. - Титан в 321 образует стабильные карбиды/нитриды титана, предотвращая образование хромового карбида при воздействии на диапазон сенсибилизации (~425–850°C). Это дает 321 преимущество для работы при повышенных температурах и в приложениях, связанных с циклическим воздействием высоких температур. - Отсутствие Mo означает, что ни один из сортов не оптимизирован для стойкости к коррозии от питтинга при высоком содержании хлора; сорта с содержанием Mo (например, 316) предпочтительнее для хлоридов.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура: - Оба сорта 304L и 321 полностью аустенитные (кубическая решетка с центром в гранях) в отожженном состоянии. Они демонстрируют хорошую прочность и пластичность даже при криогенных температурах. - 304L: аустенитная матрица с минимальным осаждением карбидов при правильной термообработке или при низком содержании углерода. - 321: аустенитная матрица с дисперсными осадками Ti(C,N), которые действуют как стабилизаторы и уменьшают образование хромового карбида на границах зерен.

Реакция на термообработку: - Аустенитные нержавеющие стали не поддаются термообработке для увеличения прочности путем закалки и отпускания, как ферритные/марганцевые стали. Механические свойства достигаются за счет холодной обработки или стабилизации/растворного отжига. - Растворный отжиг: нагрев до ~1010–1120°C с последующим быстрым охлаждением восстанавливает пластичную, коррозионно-стойкую микроструктуру для обоих сортов. - 304L: из-за низкого содержания углерода он менее подвержен межкристаллитной коррозии после сварки и не требует стабилизации. - 321: добавление титана делает его более устойчивым к медленному охлаждению после сварки или температур снятия напряжения; Ti должен присутствовать в количестве, достаточном для соединения с доступным углеродом (обычно не менее 5×C по весу).

Термо-механическая обработка: - Холодная обработка повышает прочность и твердость для обоих сортов за счет упрочнения; рекристаллизация происходит только после растворного отжига. - Воздействие при повышенных температурах: 321 показывает лучшие результаты по сравнению с нестабилизированными сортами в диапазоне 400–900°C, поскольку Ti предотвращает осаждение хромового карбида, вызывающего сенсибилизацию.

4. Механические свойства

Типичные диапазоны механических свойств (в отожженном состоянии) зависят от формы продукта (лист, плита, пруток) и стандарта — значения ниже являются представительными диапазонами для инженерного сравнения.

Свойство	304L (отожженный, типичный)	321 (отожженный, типичный)
Устойчивость к растяжению (UTS)	~480–700 МПа	~480–700 МПа
Предел текучести (0.2% смещение)	~170–300 МПа	~170–300 МПа
Удлинение (в 50 мм)	≥40% (типичное)	≥40% (типичное)
Ударная вязкость (качественная)	Хорошая, сохраняет прочность при низких температурах	Хорошая, аналогична 304L
Твердость (HRB/HV)	Умеренная (отожженная)	Умеренная (отожженная)

Интерпретация: - В отожженном состоянии 304L и 321 имеют очень похожую прочность, пластичность и вязкость. - Различия в механических характеристиках обычно небольшие при комнатной температуре; основное преимущество 321 проявляется в стабильности при высоких температурах и стойкости к ползучести/окислению, где стабилизация титана помогает поддерживать свойства после длительного воздействия.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от углерода, легирующих элементов и восприимчивости к трещинам при затвердевании или сенсибилизации.

Соответствующие индексы свариваемости: - Эквивалент углерода (IIW) — это широко используемый индекс для оценки влияния свариваемости и закаливаемости: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Индекс Pcm — это еще одна мера, связанная с предрасположенностью к холодным трещинам и свариваемости: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 304L: Намеренно низкое содержание углерода снижает вклад $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ от углерода, уменьшая риск межкристаллитной коррозии (сенсибилизации) после сварки. В результате 304L широко считается легким в сварке с обычными сварочными металлами (сопоставимый состав или сварка 308L), и многие производственные мастерские предпочитают его для сварных конструкций, которые не будут подвергаться серьезному воздействию высоких температур. - 321: Стабилизация титана снижает чувствительность к осаждению карбидов в зоне термического влияния; следовательно, 321 можно сваривать без тех же ограничений по низкому углероду и все равно сопротивляться межкристаллитной коррозии при медленном охлаждении. Однако практика сварки все равно должна контролировать разбавление и выбор присадок; часто рекомендуется использовать присадку 321 или стабилизированную присадку для критических высокотемпературных приложений. - Трещины при затвердевании и горячие трещины обычно не являются проблемой для этих аустенитных нержавеющих сталей в нормальной обработке. Предварительный нагрев и термообработка после сварки обычно не требуются для конструктивных толщин, но параметры зависят от конструкции соединения и эксплуатации.

Практическое руководство: - Выберите низкоуглеродную присадку (например, 308L) для основного металла 304L, чтобы поддерживать низкое содержание углерода в сварочном металле и избежать сенсибилизации. - Для 321 приемлемо использование сопоставимой стабилизированной присадки или обычной аустенитной присадки, когда учитываются температуры сварки и эксплуатации.

6. Коррозия и защита поверхности

• Оба сорта 304L и 321 являются нержавеющими и полагаются на пассивный оксид, богатый хромом, для коррозионной стойкости. Ни один из них не имеет значительного содержания Mo; следовательно, ни один из них не оптимален для сред, богатых хлором и подверженных питтингу (предпочтительнее сорта 316/316L или дуплексные сорта).
• Использование индексов:
• Индекс эквивалента стойкости к питтингу (PREN) обычно используется для сравнения стойкости к питтингу в нержавеющих сталях с содержанием Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Для 304L и 321, Mo ≈ 0, поэтому PREN сводится примерно к $\text{Cr} + 16\times\text{N}$; однако концепция PREN более актуальна, когда Mo и более высокий азот создают измеримые различия.
• Сенсибилизация:
• 304L: низкое содержание углерода минимизирует осаждение хромового карбида во время сварки — хорошая стойкость к межкристаллитной коррозии после сварки.
• 321: Ti связывает углерод, обеспечивая стойкость к сенсибилизации, даже если углерод выше, что полезно для длительных высокотемпературных приложений.
• Методы защиты, не относящиеся к нержавеющим сталям (для углеродных сталей), такие как оцинковка или покраска, не применимы к этим нержавеющим сортам для общего контроля коррозии, но могут использоваться для эстетической или дополнительной защиты, когда это уместно.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость: оба сорта 304L и 321 превосходны в холодной формовке и глубоком вытягивании благодаря аустенитной пластичности. 304L немного более популярен для сложной формовки из-за широкого доступности и постоянного низкоуглеродного химического состава.
• Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали имеют плохую обрабатываемость по сравнению с углеродными сталями из-за высокой упрочняемости; 321 может показывать аналогичную обрабатываемость с 304L, с небольшими различиями в зависимости от окончательной микроструктуры и содержания включений. Используйте острые инструменты, жесткие установки и соответствующие скорости и подачу резания.
• Обработка поверхности: оба сорта хорошо реагируют на полировку и пассивацию. Электрополировка улучшает коррозионную стойкость и отделку поверхности.
• Сварочная обработка: 304L обычно требует присадок L-класса для низкого углерода в сварочном металле; 321 может использовать стабилизированные присадки, особенно когда конструкция будет находиться при повышенных температурах.

8. Типичные применения

304L — Типичные применения	321 — Типичные применения
Оборудование для химических процессов для умеренно коррозионных сред (без тяжелых хлоридов)	Системы выхлопа самолетов и коллекторы при высоких температурах
Оборудование для переработки пищи, молочные, пивные резервуары и кухонное оборудование	Теплообменники и компоненты печей, подвергающиеся циклическому высокотемпературному воздействию
Трубопроводы, резервуары и сварные сборки, где важна коррозионная стойкость после сварки	Автомобильные и нефтехимические компоненты, работающие в диапазоне 400–900°C
Архитектурные и строительные применения, где приоритетами являются свариваемость и формуемость	Компоненты, требующие стабилизации против сенсибилизации при длительном высокотемпературном воздействии

Обоснование выбора: - Используйте 304L, если приоритетами являются экономия на обработке, свариваемость с минимальной специальной обработкой и общая коррозионная стойкость. - Используйте 321, если эксплуатация включает повторное воздействие высоких температур, термические циклы или если необходима стабилизация против осаждения карбидов.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 304L обычно более экономически эффективен, чем 321, поскольку он производится в больших объемах и не требует дорогостоящих элементов стабилизации и обработки. Рыночные цены варьируются в зависимости от условий на рынке никеля и хрома.
• Доступность: 304L чаще всего имеется в широком ассортименте форм (лист, плита, труба, пруток, проволока) и отделок поверхности. 321 широко доступен, но может быть менее распространен в некоторых специализированных формах продукта или толстых секциях.
• Примечание по закупкам: для крупных проектов подтвердите сертификаты завода и время ожидания доступности; стабилизированные сорта, такие как 321, могут иметь более длительное время ожидания для определенных форм продукта.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	304L	321
Свариваемость	Отличная для общего производства (низкий углерод снижает сенсибилизацию)	Очень хорошая; превосходная для стабильности после сварки при высоких температурах благодаря стабилизации Ti
Прочность–вязкость (при комнатной температуре)	Похожие, хорошая пластичность и вязкость	Похожие, хорошая пластичность и вязкость
Стабильность при высоких температурах	Умеренная (может сенсибилизироваться, если углерод не контролируется)	Превосходная для циклического/высокотемпературного воздействия (стабилизация Ti)
Стоимость	Как правило, ниже	Как правило, выше
Доступность	Очень высокая	Высокая, но иногда меньше в специализированных формах

Рекомендация: - Выберите 304L, если: ваше применение требует отличной коррозионной стойкости общего назначения, частой сварки с обычной практикой обработки, хорошей формуемости и более низкой стоимости материала. 304L является стандартом для многих компонентов в области пищевой, фармацевтической, архитектурной и общей химической переработки, где воздействие хлоридов ограничено. - Выберите 321, если: компоненты будут подвергаться длительному или циклическому воздействию высоких температур (обычно в диапазоне 400–900°C), или если критична стабильность при высоких температурах после сварки и стойкость к осаждению карбидов. 321 предпочтителен для выхлопных систем, печей и определенных приложений теплообменников, где стабилизация титана предотвращает сенсибилизацию без строгого контроля низкого углерода.

Заключительная заметка: оба сорта являются зрелыми, широко специфицированными аустенитными нержавеющими сталями. Оптимальный выбор зависит от баланса между практиками обработки (особенно сварочными процедурами), профилем рабочей температуры, воздействием коррозии (хлориды против общего) и стоимостью жизненного цикла. Для критических сварных конструкций, подвергающихся высоким температурам, проконсультируйтесь со стандартами материалов и сварочными инженерами, чтобы указать соответствующий сварочный металл, предварительные/послесварочные обработки и тесты контроля качества.