316 против 310S – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между нержавеющими сталями 316 и 310S при спецификации деталей для коррозионных или высокотемпературных условий. Решение обычно балансирует между коррозионной стойкостью и свариваемостью против прочности при высоких температурах и стойкости к окислению, а также первичными затратами и вопросами поставок. Хотя обе стали являются аустенитными нержавеющими сталями и имеют много общих характеристик обработки, 316 обычно выбирается для сред, содержащих хлориды, и приложений, чувствительных к свариваемости, в то время как 310S выбирается, когда требуется стойкость к окислению при высоких температурах и прочность на сжатие.

Основное практическое различие заключается в том, что 316 акцентирует внимание на улучшенной коррозионной (особенно по точкам) стойкости за счет легирования молибденом, в то время как 310S акцентирует внимание на стабильности при высоких температурах и стойкости к окислению за счет повышенного содержания хрома и никеля. Эти разные стратегии легирования приводят к различиям в механическом поведении, реакции на обработку и пригодности для применения.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и спецификации:
• ASTM/ASME: 316 (семейство A240/A312/A403, UNS S31600 / S31603 для низкоуглеродной 316L) и 310S (A240, UNS S31008).
• EN: 1.4401 / 1.4404 эквиваленты для 316 / 316L; 1.4845 для 310S.
• JIS: SUS316 / SUS316L и SUS310S.
• GB: 06Cr19Ni10 (приблизительно 316), 0Cr25Ni20 (приблизительно 310S) может встречаться.
• Классификация: обе стали являются нержавеющими (аустенитными). Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица показывает типичные диапазоны состава для коммерческих отожженных марок. Диапазоны варьируются в зависимости от стандарта и производителя; приведенные значения являются репрезентативными.

Стратегия легирования и эффекты: - Хром (Cr) устанавливает пассивную оксидную пленку и стойкость к окислению при высоких температурах. 310S имеет значительно более высокий Cr для лучшей стойкости к образованию окалины при повышенных температурах. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу и улучшает прочность и пластичность; 310S имеет более высокий Ni, чтобы сохранить пластичность при высоких температурах и противостоять ползучести. - Молибден (Mo) в 316 усиливает стойкость к образованию точечной и трещинной коррозии в средах, содержащих хлориды, и увеличивает локальную коррозионную стойкость (не присутствует в 310S). - Содержание углерода влияет на осаждение карбидов и сенсибилизацию; низкоуглеродные варианты (316L / 310S) уменьшают межкристаллитную атаку после сварки. - Небольшие добавки (Nb, Ti) используются в стабилизированных марках для связывания углерода и предотвращения сенсибилизации.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

• Микроструктура: как 316, так и 310S полностью аустенитные (кубическая решетка с центром в гранях) в типичном отожженном состоянии при комнатной температуре. Они не трансформируются в мартенсит при охлаждении.
• Реакция на термообработку:
• Растворное отжиг (например, 1,040–1,100°C), за которым следует быстрое охлаждение, является стандартной обработкой для растворения осадков и восстановления коррозионной стойкости для обеих сплавов.
• Ни одна из марок не может быть значительно закалена с помощью обычных методов закалки и отпускания; упрочнение достигается холодной обработкой или упрочнением при высоких температурах (например, для 310S).
• При промежуточных температурах (примерно 450–900°C) оба сплава подвержены осаждению сигма-фазы или карбидов, если их держать достаточно долго; более высокое содержание Ni в 310S улучшает стабильность фазы при некоторых температурах, в то время как Mo в 316 может способствовать образованию сигмы при определенных условиях. Правильная термообработка и выбор низкоуглеродных или стабилизированных вариантов уменьшают сенсибилизацию.
• Термо-механическая обработка (прокатка, ковка), за которой следует правильное отжиг, приведет к образованию мелкозернистого аустенита в обоих сплавах; холодная обработка увеличивает прочность, но также приводит к упрочнению и снижению пластичности.

4. Механические свойства

Типичные диапазоны свойств при комнатной температуре и отожженном состоянии (заметьте: фактические значения зависят от формы продукта, толщины и поставщика):

Интерпретация: - 310S обычно демонстрирует более высокие прочность на растяжение и предельную прочность в отожженном состоянии благодаря более тяжелому легированию и большему упрочнению раствора (более высокий Cr и Ni). - 316, как правило, показывает более высокую пластичность и, как правило, более прочен при комнатной и субамбиентной температурах, чему способствует его содержание Ni и меньший вклад упрочнения раствора от Cr. - Ни одна из марок не предназначена для высокой твердости в отожженном состоянии; холодная обработка увеличивает прочность за счет пластичности.

5. Свариваемость

Аустенитные нержавеющие стали являются одними из самых свариваемых семейств нержавеющих сталей, но различия имеют значение на практике.

• Факторы:
• Уровень углерода, остаточные элементы и содержание легирующих элементов влияют на восприимчивость к горячим трещинам, режим затвердевания и коррозионную стойкость после сварки.
• Поскольку обе стали аустенитные, риск мартенситной трансформации и трещин, связанных с закаляемостью, низок.
• Полезные индексы:
• Эквивалент углерода для общей свариваемости:
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Более высокие значения указывают на большую закаляемость и потенциальную возможность трещин в ферритных сталях; для аустенитных сталей эта формула используется качественно для сравнения эффектов легирования.
• Параметр сварки 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 крупный $P_{cm}$ указывает на повышенную предрасположенность к межкристаллитным трещинам во время сварки.
• Качественная интерпретация:
• 316 выигрывает от Mo для коррозионной стойкости, но имеет в целом умеренные CE/Pcm; он легко сваривается со стандартными присадочными металлами (например, 316/316L или 309 для несоответствующих соединений) и показывает хорошую пластичность в зонах термического влияния сварки. Использование низкоуглеродных или стабилизированных марок снижает сенсибилизацию.
• 310S хорошо сваривается в многих условиях, но его более высокое содержание легирующих элементов может увеличить восприимчивость к трещинам при затвердевании и делает выбор присадок и практику до/после сварки более критичными, особенно для тяжелых секций и многопроходных сварок. Присадки 310/310L или 309 для соединений с несоответствующими материалами являются обычными.
• Предварительный подогрев редко требуется для любой из марок по металлургическим причинам, но внимание к тепловому вводу, температуре между проходами и химии присадок важно для контроля деформации и предотвращения осаждения сигма-фазы.

6. Коррозия и защита поверхности

• Нержавеющее поведение:
• Использование PREN (эквивалентный номер стойкости к точечной коррозии) помогает сравнить локальную коррозионную стойкость:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
  • Содержание Mo в 316 повышает PREN относительно 310S, что дает 316 лучшую стойкость к точечной и трещинной коррозии в средах, содержащих хлориды.
  • 310S, не имея Mo, имеет PREN, в основном определяемый более высоким Cr — хорошая общая коррозионная и стойкость к окислению, но меньшая стойкость к точечной коррозии, чем у марок с Mo.
• Окисление при высоких температурах:
• 310S превосходит в стойкости к окислению и стойкости к образованию окалины при повышенных температурах (например, работа в печи, компоненты выхлопа) благодаря более высокому содержанию Cr и Ni.
• Когда нержавеющая защита не используется:
• Для не нержавеющих сталей защита осуществляется путем оцинковки, покраски или покрытия. Не применимо при сравнении этих двух нержавеющих сплавов, за исключением случаев, когда используются обработки поверхности (пассивация, травление) для восстановления пассивной пленки после обработки.
• Уточнение: PREN имеет смысл для сравнения стойкости к точечной коррозии среди нержавеющих сталей; он не применим к общим механизмам коррозии, таким как равномерная кислотная атака или окисление при высоких температурах.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формование и изгиб:
• 316, как правило, легче формовать и изгибать из-за немного лучшей пластичности и более низкой скорости упрочнения.
• 310S более устойчива к формованию и пружинистости из-за более высокой прочности и более сильной тенденции к упрочнению.
• Обрабатываемость:
• Обе марки обрабатываются хуже, чем углеродные стали. 316 обычно немного легче обрабатывается, чем 310S; обе требуют жестких установок, острых инструментов и частой замены инструмента. Использование карбидных инструментов с высоким подачей и положительным углом резания и обильного охлаждения является обычным.
• Обработка поверхности:
• Обе марки хорошо полируются и отделываются; более низкое образование окалины у 316 при умеренных температурах облегчает достижение однородной отделки после сварки.
• Примечание по обработке:
• Для компонентов, работающих при высоких температурах (310S), допуски на обработку и планы термообработки должны учитывать деформацию и образование окалины.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 316 для сред, где основными проблемами являются точечная коррозия, трещинная коррозия и свариваемость с сохранением коррозионной стойкости. - Выбирайте 310S, когда доминируют требования к рабочей температуре, стойкости к окислению или ползучести при повышенных температурах.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость:
• 310S, как правило, дороже, чем 316 на килограмм, из-за значительно более высокого содержания никеля и хрома.
• 316 обычно менее дорогой и часто доступен в более широком диапазоне товарных форм.
• Доступность по форме продукта:
• 316: широкая доступность в листах, пластинах, трубах, прутках, крепежах и широкий выбор холоднокатаных и низкоуглеродных вариантов (316L).
• 310S: доступен в листах, пластинах и специализированных формах для высоких температур, но менее распространен в товарных крепежах или недорогих формах.
• Рекомендации по закупкам: для проектов большого объема, где не требуется высокая температура, 316 может предложить лучшую общую стоимость и безопасность поставок. Для специализированных компонентов, работающих при высоких температурах, доступность 310S обычно достаточна, но следует ожидать сроков выполнения и надбавок к стоимости.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендация: - Выбирайте 316 (или 316L), если ваши основные потребности заключаются в стойкости к точечной коррозии, отличной свариваемости с сохранением коррозионной производительности, хорошей пластичности и ударной вязкости, а также более низкой стоимости материала или широком предложении. Типичные случаи использования: морская, химическая переработка, резервуары и трубопроводы для продуктов питания/фармацевтики. - Выбирайте 310S, если ваши основные потребности заключаются в долгосрочной стойкости к окислению при высоких температурах, стойкости к образованию окалины или работе при повышенных температурах, где критичны ползучесть и термическая стабильность. Типичные случаи использования: компоненты печи, радиационные трубы, оборудование для печей и высокотемпературные воздуховоды.

Заключительная заметка: оба сплава лучше всего специфицировать с явной формой продукта, отделкой и любыми требованиями к термообработке или стабилизации после сварки. Консультируйтесь с поставщиками материалов и спецификациями сварочных процедур (WPS) для выбора присадочного сплава, практики до/после сварки и предельных температур, специфичных для применения, чтобы избежать образования сигма-фазы, сенсибилизации и преждевременных отказов.