310S против 309 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с компромиссом при выборе нержавеющих сталей, работающих при высоких температурах: коррозионная стойкость, прочность при высоких температурах и стойкость к ползучести, свариваемость и стоимость материала. Марки 310S и 309 (и их низкоуглеродные варианты "S") являются аустенитными нержавеющими сталями, выбранными для работы при повышенных температурах, компонентов печей и соединений различных металлов, но они оптимизированы немного по-разному.
Основное техническое различие между ними заключается в их легирующем составе: 310S содержит значительно больше хрома и никеля, чем 309, что смещает его характеристики в сторону более высокой стойкости к окислению при высоких температурах и прочности на ползучесть, в то время как 309 часто выбирается, когда требуется баланс хорошей прочности при высоких температурах, стойкости к образованию накипи и экономичности (или совместимости для различных сварных соединений). Поскольку обе марки являются аустенитными нержавеющими сталями с аналогичными свойствами при комнатной температуре, выбор чаще всего определяется ожидаемой рабочей температурой, окислительной средой и бюджетом.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты:
- ASTM / ASME: A240 (лист/плита), A182 (для кованых изделий/трубных фитингов в некоторых вариантах), другие стандарты, специфичные для продукции.
- EN: серия EN 10088 (обозначение варьируется в зависимости от национальной нумерации).
- JIS и GB: национальные эквиваленты с аналогичными составами и суффиксами (например, JIS SUS, GB/T).
- UNS: 309/309S (например, UNS S30900 / S30908), 310S (например, UNS S31008).
- Классификация: как 309, так и 310S являются аустенитными нержавеющими сталями (нержавеющий класс) — не углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA. Суффикс "S" обозначает низкоуглеродный вариант, предназначенный для снижения чувствительности при сварке.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица показывает типичные диапазоны состава для коммерческих 309 (и 309S) и 310S (низкоуглеродный 310S). Значения являются представительными диапазонами, используемыми большинством спецификаций и стандартов; сертификаты продукции всегда должны быть проконсультированы для закупок проекта.
| Элемент | 309 / 309S (типично, вес%) | 310S (типично, вес%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (309S) / до ~0.20 (309) | ≤ 0.08 (низкоуглеродный 310S) |
| Mn | 1.0 – 2.0 | 1.0 – 2.0 |
| Si | 0.5 – 1.0 | 0.5 – 1.5 |
| P | ≤ 0.04 – 0.045 | ≤ 0.04 – 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~22 – 24 | ~24 – 26 |
| Ni | ~12 – 15 | ~19 – 22 |
| Mo | ≤ 0.6 (обычно ноль) | ≤ 0.6 (обычно ноль) |
| Nb / Ti / V | обычно не добавляется | обычно не добавляется |
| B | только следы | только следы |
| N | следы – 0.12 | следы – 0.12 |
Как легирование влияет на характеристики: - Хром является основным компонентом, способствующим стойкости к окислению при высоких температурах и пассивной коррозионной стойкости. Более высокий Cr улучшает образование накипи при повышенных температурах. - Никель стабилизирует аустенитную матрицу, увеличивает пластичность и улучшает прочность на ползучесть и при высоких температурах. Более высокий Ni в 310S является основной причиной его превосходных характеристик при очень высоких температурах. - Содержание углерода влияет на чувствительность (осаждение карбида хрома) при сварке или медленном охлаждении. Низкоуглеродные марки "S" снижают риск межкристаллической коррозии после сварки. - Марганец и кремний способствуют горячей обрабатываемости и дегазации; ни одна из марок не предназначена для стойкости к питтингу или коррозии в трещинах, так как обе содержат мало или совсем не содержат молибдена.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичная микроструктура: как 309, так и 310S полностью аустенитны в отожженном состоянии. Размер зерна и осадки зависят от термомеханической истории и скорости охлаждения.
- Термообработка:
- Аустенитные нержавеющие стали не закаливаются традиционными циклами закалки и отпускания — механические свойства устанавливаются холодной обработкой и структурой зерна. Растворное отжиг (например, 1,040–1,100 °C с последующим быстрым охлаждением) растворяет карбиды и восстанавливает пластичность.
- Для марок "S" растворное отжиг и быстрое охлаждение минимизируют осаждение карбидов и сохраняют коррозионную стойкость.
- Эффекты термо-механической обработки:
- Холодная обработка увеличивает прочность (упрочнение) и может снизить пластичность; обе марки реагируют аналогично на холодную обработку.
- При повышенных рабочих температурах длительное воздействие может вызвать рост зерна и, при более высоких углеродных марках, осаждение карбидов на границах зерен. Более высокое содержание Ni и Cr в 310S, как правило, замедляет неблагоприятные микроструктурные изменения при очень высоких температурах по сравнению с 309.
- Нормализация/закалка: не применимо так же, как для ферритных или мартенситных сталей; контроль термических циклов и постсварочные термообработки (PWHT) отличается, поскольку эти аустенитные марки сохраняют прочность и сопротивляются закалке.
4. Механические свойства
Механические свойства отожженных аустенитных нержавеющих сталей зависят от формы продукта (лист, плита, труба), холодной обработки и точной химии. Таблица ниже обобщает представительные, типичные диапазоны для отожженного материала (значения являются ориентировочными; проконсультируйтесь с сертифицированными данными поставщика для расчетов проектирования).
| Свойство (отожженное, типично) | 309 / 309S | 310S |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~510 – 750 | ~520 – 750 |
| Предельная прочность, 0.2% (МПа) | ~200 – 320 | ~200 – 320 |
| Удлинение (%, на 50 мм) | ~35 – 55 | ~35 – 55 |
| Ударная вязкость (Charpy V-образный, Дж) | Пластичная при РТ; сохраняет прочность | Пластичная при РТ; сохраняет прочность |
| Твердость (HRB) | ~80 – 95 | ~80 – 95 |
Интерпретация: - При комнатной температуре обе марки демонстрируют аналогичные диапазоны прочности и пластичности; различия незначительны, поскольку обе являются аустенитными. - При повышенных температурах 310S, как правило, лучше сохраняет стойкость к образованию накипи и прочность на ползучесть, чем 309, что связано с его более высоким комбинированным содержанием Cr и Ni. - Ударная вязкость при комнатной температуре обычно хороша для обеих марок; ни одна из марок не выбирается для приложений с высокой твердостью.
5. Свариваемость
Аустенитные нержавеющие стали, как правило, свариваемы, а низкоуглеродные варианты "S" улучшают стойкость к чувствительности. Оценка свариваемости часто использует эмпирические индексы, такие как эквивалент углерода:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
и более детальную формулу Pcm:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Низкое содержание углерода в 309S и 310S снижает риск осаждения карбида хрома и межкристаллической атаки после сварки; это делает их легче свариваемыми, чем соответствующие высокоуглеродные марки. - Обе марки имеют низкую закаливаемость (аустенитные нержавеющие стали не образуют мартенсит при охлаждении), минимизируя риск холодных трещин. Риски трещин при сварке в основном обусловлены трещинами затвердевания, горячими разрывами и загрязнением, а не мартенситной трансформацией. - 309 часто используется в качестве присадочного металла для соединения нержавеющих сталей с углеродными сталями (поскольку его состав соединяет оба), в то время как 310S выбирается, когда сварное соединение должно сохранять превосходную стойкость к окислению при высоких температурах. - Предварительный подогрев и постсварочная термообработка, как правило, не требуются для предотвращения мартенситной трансформации, но внимание к разбавлению, межпроходным температурам и выбору присадки критично для работы при высоких температурах и в карбюризующих/окисляющих атмосферах.
6. Коррозия и защита поверхности
- Как нержавеющие аустенитные марки, как 309, так и 310S образуют пассивную пленку оксида хрома, которая обеспечивает общую коррозионную стойкость в неагрессивных средах.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) обычно используется для оценки стойкости к локализованному питтингу, когда присутствуют молибден и азот:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Применимость:
- Для 309 и 310S PREN имеет ограниченную полезность, поскольку обе обычно содержат мало или совсем не содержат молибдена и только низкие уровни азота; их стойкость к питтингу и коррозии в трещинах в средах, содержащих хлориды, поэтому ограничена по сравнению с молибденсодержащими нержавеющими сплавами (например, 316, дуплексные марки).
- Окисление при высоких температурах:
- 310S, с его более высоким содержанием Cr и Ni, имеет превосходную стойкость к образованию накипи и лучше сохраняет прочность при непрерывных рабочих температурах выше, чем 309.
- 309 предлагает хорошую стойкость к окислению до умеренно высоких температур и может быть более экономичным во многих печных и термообрабатывающих приложениях.
- Защита поверхности для не нержавеющих частей: не применимо для этих нержавеющих марок; если используются в агрессивных хлоридных или кислых средах, рассмотрите возможность использования покрытий, обшивки или различных сплавов.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость и гибка: обе марки обладают высокой пластичностью и демонстрируют отличную формуемость в отожженном состоянии. Типичные операции формовки листов просты, но необходимо учитывать возврат, из-за высокой упрочняемости.
- Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали сложнее обрабатывать, чем углеродные стали. 309 и 310S быстро упрочняются и имеют низкую теплопроводность — это требует жестких установок, острых инструментов и контролируемой подачи/скорости. 310S может быть немного более пластичным и немного легче обрабатываемым в некоторых условиях, но ни одна из них не классифицируется как легкообрабатываемая.
- Обработка поверхности: обе марки хорошо принимают стандартные нержавеющие отделки и полировку. Необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать загрязнения (попадания железа) во время обработки, что может ухудшить коррозионную стойкость.
- Сварочная обработка: используйте соответствующую металлургию присадки для условий эксплуатации; выбирайте присадку 309 для различных соединений и 310/310S, когда требуется высокая стойкость к окислению.
8. Типичные применения
| 309 / 309S (Общие применения) | 310S (Общие применения) |
|---|---|
| Части печей и облицовки, подвергающиеся циклическому нагреву | Элементы печи и непрерывная работа при высоких температурах (нагреватели, муфели) |
| Устройства для термообработки и реторты | Процессные сосуды и воздуховоды при высоких температурах (окисляющие атмосферы) |
| Сварочная присадка для соединения нержавеющей стали с углеродной сталью | Компоненты, устойчивые к коррозии/окислению при высоких температурах до максимальных практических температур |
| Выпускные системы и оборудование промышленных печей | Теплообменники и оборудование для сгорания, где требуется высокий Ni/Cr |
| Расширительные соединения и дымовые трубы | Оборудование для стекольной и нефтехимической промышленности при повышенных температурах |
Обоснование выбора: - Выбирайте 309, когда необходимы низкие затраты и хорошая производительность при высоких температурах, но максимальная рабочая температура умеренная и когда часто соединяется с углеродными сталями. - Выбирайте 310S, когда приложение требует превосходной долгосрочной стойкости к образованию накипи и производительности на ползучесть при более высоких устойчивых температурах, и бюджет позволяет покрыть более высокую стоимость легирования.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: 310S, как правило, дороже, чем 309 из-за более высокого содержания никеля и хрома. Волатильность цен на никель может значительно повлиять на ценообразование 310S.
- Доступность: обе марки широко производятся и доступны в виде листов, плит, труб, трубок и прутков. Некоторые специализированные формы продукции или очень большие размеры 310S могут иметь более длительные сроки поставки, чем 309, в зависимости от запасов на заводе и рыночных условий.
- Совет по закупкам: для проектов, чувствительных к стоимости материала, оцените, дает ли более высокая производительность 310S при рабочей температуре экономию в жизненном цикле (долговечность, меньше замен), которая компенсирует более высокую первоначальную стоимость материала.
10. Резюме и рекомендации
| Свойство | 309 / 309S | 310S |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная для сварки нержавеющей стали; предпочтительная присадка для различных соединений | Отличная; низкоуглеродная S марка снижает чувствительность |
| Прочность–Ударная вязкость (РТ) | Хорошая, аналогична другим аустенитам | Хорошая, аналогична при РТ; превосходная стойкость к ползучести/накипи при высоких температурах |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Окончательные рекомендации: - Выбирайте 310S, если ваш проект требует лучшей доступной стойкости к окислению при высоких температурах и производительности на ползучесть для непрерывной или длительной работы при повышенных температурах, или когда стойкость к образованию накипи на верхнем пределе аустенитных температур критична. - Выбирайте 309 (или 309S), если вам нужна экономически эффективная аустенитная нержавеющая сталь, которая предлагает хорошую прочность при высоких температурах, частую совместимость для сварки различных металлов (например, соединение с углеродными или низколегированными сталями) и адекватную стойкость к образованию накипи для умеренной работы при высоких температурах.
Всегда подтверждайте точные спецификации сплава и сертификаты испытаний завода для критически важных компонентов и учитывайте данные лабораторий или поставщиков для пределов разрушения при ползучести, результатов испытаний на окисление и совместимости сварочной присадки для предполагаемой среды и рабочей температуры.