310S против 321 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между нержавеющими сталями 310S и 321 при спецификации деталей, которые должны сочетать в себе высокую температуру работы, коррозионную стойкость, свариваемость и стоимость. Типичные контексты принятия решений включают компоненты высокотемпературных печей, теплообменники, выхлопные системы и сварные сборки, которые могут подвергаться условиям сенсибилизации.
Основное практическое различие между двумя марками заключается в их стратегии легирования для стабильности при высоких температурах и после сварки: 310S — это аустенитный сплав с высоким содержанием хрома и никеля, оптимизированный для сопротивления окислению и ползучести при повышенных температурах, в то время как 321 — это аустенитный сплав с титановым стабилизатором, разработанный для сопротивления межкристаллитной коррозии после сварки путем предотвращения осаждения карбида хрома. Из-за этой разницы проектировщики сравнивают их, когда применение предъявляет одновременные требования к температурным возможностям, производительности сварки и долговременной коррозионной стойкости.
1. Стандарты и обозначения
Основные стандарты и обозначения, обычно используемые для этих марок, включают: - ASTM/ASME: 310S — ASTM A240/A240M (термостойкая нержавеющая сталь), 321 — ASTM A240/A240M (стабилизированная аустенитная нержавеющая сталь). - EN (Европа): 310S примерно EN 1.4845 / X10CrNi25-21; 321 примерно EN 1.4541 / X6CrNiTi18-10. - JIS (Япония): существуют эквиваленты (например, SUS310S, SUS321). - GB (Китай): соответствующие обозначения GB/T обычно используются для листов и плит.
Классификация: как 310S, так и 321 являются аустенитными нержавеющими сталями (класс нержавеющего сплава), а не углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент (вес.%) | 310S (типичный диапазон) | 321 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.5 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 24 – 26 | 17 – 19 |
| Ni | 19 – 22 | 9 – 12 |
| Mo | — (следы, если есть) | — (следы, если есть) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | ~0.4 – 0.7 (стабилизатор; обычно ≥ 5×C) |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Примечания по стратегии легирования - 310S полагается на высокое содержание хрома и никеля для стабилизации аустенитной матрицы при повышенных температурах, улучшая сопротивление окислению и прочность при высоких температурах. - 321 содержит титан в количествах, достаточных для связывания углерода в стабильные карбиды (TiC) и тем самым предотвращает осаждение карбида хрома (сенсибилизация) в диапазоне 425–870°C. Титан не существенно увеличивает базовую коррозионную стойкость, но сохраняет ее после сварки или термического воздействия.
Как легирование влияет на свойства - Хром увеличивает сопротивление окислению и стабильность пассивной пленки. - Никель стабилизирует аустенитную матрицу, улучшает прочность и пластичность, а также повышает прочность при повышенной температуре. - Титан в 321 улучшает межкристаллитную коррозионную стойкость после сварки, образуя стабильные карбиды вместо карбидов хрома. - Повышенное содержание углерода (не типично здесь) увеличивает прочность, но повышает восприимчивость к сенсибилизации; обе марки являются низкоуглеродными вариантами, чтобы ограничить этот эффект.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры - Как 310S, так и 321 полностью аустенитные при комнатной температуре в стандартных отожженных условиях. Структура зерна — равносторонний аустенит после отжига. - 321 в состоянии после сварки или в открытых условиях содержит осадки TiC/Ti(C,N), которые связывают углерод; эти осадки обычно мелкие и распределены на границах зерен и внутри зерен. - 310S не содержит титана: в термических колебаниях в диапазоне сенсибилизации могут осаждаться карбиды хрома (Cr23C6) вблизи границ зерен, если не соблюдать осторожность с тепловым вводом и охлаждением.
Реакция на термообработку и обработка - Отжиг: обе марки отжигаются для восстановления пластичности после холодной обработки (типичный отжиг с последующим контролируемым охлаждением). Растворы для нержавеющих аустенитов обычно находятся в пределах, рекомендованных стандартами (следуйте данным поставщика). - Нормализация и закалка/отпуск: не применимо в том же смысле, что и для мартенситных сталей — эти аустенитные сплавы не закаливаются при закалке. Их реакция на обычную закалку и отпуск минимальна, поскольку они являются не трансформирующимися аустенитными сплавами. - Термо-механическая обработка: холодная обработка увеличивает прочность за счет упрочнения в обоих марках; однако холодная обработка плюс последующее нагревание в 321 не вызывает сенсибилизации в такой же степени, как 310S, потому что титан стабилизирует углерод.
Практическое значение - Для компонентов, подверженных повторяющимся термическим циклам или сварке, 321 предлагает более предсказуемую микроструктуру после сварки и устойчивость к межкристаллитной коррозии. Для непрерывной работы при высоких температурах, устойчивой к окислению, более высокое содержание Cr/Ni в 310S дает преимущество.
4. Механические свойства
| Свойство (типичное, отожженное, комнатная температура) | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Сравнимая; обе умеренные (аустенитные) | Сравнимая; аналогичный диапазон |
| Предел текучести (0.2% смещение) | Сравнимая; умеренная | Сравнимая; умеренная |
| Удлинение (пластичность) | Высокое (хорошая формуемость) | Высокое (хорошая формуемость) |
| Ударная вязкость | Хорошая, стойкая к надрезам при RT; сохраняет вязкость при повышенной T | Хорошая; сохраняет вязкость после сварки благодаря стабилизации |
| Твердость (отожженная) | Низкая до умеренной (легко поддается холодной обработке) | Низкая до умеренной (легко поддается холодной обработке) |
Интерпретация - Обе марки демонстрируют схожее механическое поведение при комнатной температуре, поскольку обе являются аустенитными нержавеющими сталями в отожженном состоянии. Различия незначительны: более высокое содержание Ni и Cr в 310S обеспечивает несколько лучшую прочность при высоких температурах и сопротивление ползучести; содержание титана в 321 помогает поддерживать вязкость и коррозионную стойкость после сварки и термического воздействия. Для критически важных несущих частей проектировщики должны использовать сертифицированные поставщиком данные механических испытаний для указанной формы продукта и термообработки.
5. Свариваемость
Вопросы свариваемости сосредоточены на содержании углерода, стабилизирующих элементах и закаливаемости. Для нержавеющих сталей эквиваленты углерода и Pcm могут быть полезными качественными индикаторами.
Общие уравнения, используемые для оценки тенденций к трещинообразованию/закаливаемости: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация - Как 310S, так и 321 относительно легко свариваются по сравнению с ферритными или мартенситными сталями, поскольку аустенитная микроструктура не подвергается мартенситной трансформации и имеет низкую закаливаемость. - 321 имеет преимущество для сварных компонентов, подвергающихся термическим циклам после сварки, поскольку титан предотвращает образование карбидов хрома и тем самым снижает риск межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния (HAZ). - 310S, хотя и свариваемый, требует тщательного контроля параметров сварки и процедур после сварки, если сборка будет подвергаться сенсибилизирующим температурам или коррозионным средам; выбор присадочного материала и правильное охлаждение после сварки имеют важное значение. - Предварительный нагрев и термообработка после сварки обычно не требуются для этих аустенитных марок, но хорошая практика сварки (подходящие расходные материалы, контроль теплового ввода и очистка) важна для избежания загрязнения и потери азота.
6. Коррозия и защита поверхности
Нержавеющее поведение - Как 310S, так и 321 образуют защитные пассивные пленки, богатые хромом, в окисляющих средах; их сопротивление общей коррозии схоже во многих водных средах. - 310S имеет более высокое содержание Cr и Ni, поэтому он предлагает превосходное сопротивление окислению при высоких температурах и лучшую производительность в окисляющих атмосферах при повышенных температурах. - Стабилизация титана в 321 специально направлена на предотвращение межкристаллитной коррозии после воздействия на диапазон температур сенсибилизации.
PREN (эквивалентный номер сопротивления к питтингу) часто используется для сравнения устойчивости к питтингу в средах, содержащих хлориды: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - PREN наиболее полезен для дуплексных и аустенитных нержавеющих сталей, содержащих молибден и азот. Для 310S и 321, которые обычно содержат мало или не содержат Mo, PREN не является основным критерием выбора: обе марки имеют умеренное сопротивление к питтингу по сравнению с марками, содержащими Mo.
Нержавеющие альтернативы и защита поверхности - Где нержавеющие марки не требуются, распространенные защиты поверхности включают оцинковку, покраску и обшивку. Эти методы не являются заменой нержавеющей производительности при высоких температурах или в агрессивных окисляющих средах; выбор зависит от ожидаемых условий эксплуатации.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: как аустенитные нержавеющие стали, обе марки труднее обрабатывать, чем углеродные стали; они легко упрочняются и требуют острых инструментов, жестких установок и соответствующих подач/скоростей. 310S может быть несколько труднее обрабатывать из-за более высокого содержания легирующих элементов, но различия незначительны.
- Формуемость: обе марки демонстрируют отличную пластичность и формуемость в отожженном состоянии. Упругость и упрочнение при работе являются общими соображениями; промежуточные отжиги могут потребоваться для тяжелой формовки.
- Отделка поверхности и полировка: более высокая коррозионная стойкость 310S обычно хорошо поддается полировке и выдерживает окисляющее воздействие при высоких температурах; 321 также хорошо полируется.
- Холодная обработка: обе марки могут быть холодно обработаны для увеличения прочности, но холодная обработка снижает пластичность и может изменить коррозионное поведение, если не провести повторный отжиг.
8. Типичные применения
| 310S — Типичные применения | 321 — Типичные применения |
|---|---|
| Части печей, мuffle и радиационные трубы (обслуживание при высоких температурах окисления) | Компоненты выхлопных систем самолетов, компенсаторы и сварное оборудование для химической обработки (стабилизированные против межкристаллитной коррозии) |
| Компоненты теплообменников, работающие при повышенных температурах | Крепеж, фланцы и сварные конструкции, где критична коррозионная стойкость после сварки |
| Линеры горелок, корзины для отжига | Оборудование для нефтехимической и пищевой промышленности, подвергающееся циклическим термическим нагрузкам и сварке |
Обоснование выбора - Выбирайте 310S, если непрерывная или циклическая коррозионная стойкость при высоких температурах и высокая прочность при высоких температурах являются основными требованиями. - Выбирайте 321, если сварные соединения должны сохранять коррозионную стойкость в диапазоне сенсибилизации или если компонент будет подвергаться повторяющимся термическим циклам и сварка будет обширной.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 310S обычно дороже, чем 321 на килограмм, из-за более высокого содержания никеля и хрома. Никель является основным фактором стоимости.
- Доступность: обе марки широко доступны по всему миру в виде листов, плит, труб и прутков, но некоторые формы продукции (например, бесшовные трубы большого диаметра из 310S) могут быть менее распространены и иметь более длительные сроки поставки. Местные рыночные условия и волатильность цен на никель влияют на относительную стоимость и сроки поставки.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая, но следите за сенсибилизацией HAZ в некоторых условиях | Очень хорошая для сварных конструкций (стабилизированные титаном) |
| Прочность–вязкость (комнатная температура) | Сравнима с 321; лучшая прочность при высоких температурах | Сравнима с 310S; лучшая сохраненная коррозионная стойкость после сварки |
| Стоимость | Выше (большее содержание Ni/Cr) | Ниже (умеренное содержание Ni/Cr) |
Рекомендации - Выбирайте 310S, если: - Приложение требует превосходной коррозионной стойкости при высоких температурах или сопротивления ползучести. - Непрерывная работа при повышенных температурах или окисляющих атмосферах является основным фактором проектирования. - Дополнительные затраты на материал оправданы производительностью при температуре.
- Выбирайте 321, если:
- Часть будет часто свариваться или будет подвергаться временным термическим циклам, которые могут вызвать сенсибилизацию.
- Долговременная устойчивость к межкристаллитной коррозии в сварных конструкциях важна.
- Вы хотите экономически эффективный аустенитный сплав с хорошей общей коррозионной стойкостью и стабильной производительностью после сварки.
Заключительная заметка Всегда подтверждайте выбор материала сертификатами поставщика и учитывайте геометрию компонента, ожидаемые термические циклы, окружающую среду (окисляющая против восстанавливающей, наличие хлора) и процесс обработки. Для критически важных приложений запрашивайте полные данные механических испытаний для конкретной формы продукта и, в случае сомнений, проводите представительные испытания сварки и коррозии, чтобы подтвердить выбранный класс в предполагаемых условиях эксплуатации.