316 против 316Ti – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Тип 316 и тип 316Ti — это аустенитные нержавеющие стали, широко используемые в химической переработке, морской отрасли, пищевой промышленности и в теплообменниках. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора между немного различной коррозионной стойкостью, свариваемостью, термической стабильностью и стоимостью — например, выбор между материалом с низкой первоначальной стоимостью и отличной общей коррозионной стойкостью и стабилизированным вариантом, предназначенным для длительного воздействия повышенных температур.

Основное металлургическое различие заключается в том, что 316Ti содержит преднамеренное добавление титана для связывания углерода и снижения риска осаждения карбида хрома при воздействии высоких температур; 316 — это нестабилизированный, традиционный аустенитный сорт с содержанием молибдена. Из-за этой стратегии стабилизации два сорта часто сравниваются, когда конструкции должны выдерживать постсварочное воздействие, длительную работу при высоких температурах или при выборе сварочного наполнителя и параметров сварочного процесса.

1. Стандарты и обозначения

• ASTM / ASME:
• 316: ASTM A240 / ASME SA240 (UNS S31600)
• 316Ti: ASTM A240 / ASME SA240 (обычно указывается как 316Ti, UNS S31635 или EN 1.4571)
• EN (Европейский):
• 316: EN 1.4401
• 316Ti: EN 1.4571
• JIS (Япония): существуют эквиваленты (например, SUS316)
• GB (Китай): существуют эквиваленты (например, 0Cr17Ni12Mo2)

Классификация: как 316, так и 316Ti являются нержавеющими сталями (аустенитными). Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица дает типичные диапазоны состава (в % по массе) в соответствии с общими стандартами (диапазоны отражают стандартные спецификации, а не единый собственный анализ). Точный состав варьируется в зависимости от спецификации и производителя.

Как легирование влияет на поведение: - Хром (Cr) обеспечивает пассивную пленку, которая придает нержавеющим сталям их коррозионную стойкость. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу и улучшает прочность и пластичность. - Молибден (Mo) увеличивает стойкость к образованию ямок и коррозии в трещинах в хлорсодержащих средах. - Углерод (C) немного увеличивает прочность, но способствует образованию карбидов хрома на границах зерен при воздействии температуры сенсибилизации (примерно 450–850°C), снижая стойкость к межкристаллитной коррозии. - Титан (Ti) в 316Ti предпочитает образовывать стабильные карбиды и нитриды титана, не позволяя углероду связываться с хромом и тем самым снижая риск сенсибилизации после воздействия критических температурных диапазонов.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Микроструктура: - Как 316, так и 316Ti полностью аустенитные (кубическая решетка с центром в гранях) в состоянии отжига. Типичная микроструктура состоит из аустенитной матрицы; в зависимости от термической истории могут появляться незначительные фазы, такие как карбиды (M23C6), нитриды или интерметаллические соединения. - В 316 углерод может соединяться с хромом на границах зерен, образуя карбиды хрома (M23C6), когда материал медленно охлаждается через или удерживается в диапазоне сенсибилизации, что приводит к образованию зон, обедненных хромом, и повышенной восприимчивости к межкристаллитной коррозии. - В 316Ti титан предпочитает образовывать TiC и TiN во время термического воздействия, ограничивая образование карбидов хрома и помогая сохранить хром на границах зерен.

Реакция на термическую обработку: - Отжиг (типичный диапазон для аустенитных сортов): нагрев до примерно $1040$–$1150^\circ\text{C}$ и закалка. Это растворяет осадки и восстанавливает коррозионную стойкость. - Нормализация обычно не используется для аустенитных нержавеющих сталей, так как она имеет незначительный эффект и не закаливает структуру. - Ни 316, ни 316Ti не поддаются закалке обычной закалкой и отпуском — они упрочняются холодной деформацией или могут быть усилены холодной обработкой или закалкой осаждением в различных легированных системах (что не типично для семейства 316). - Термомеханическая обработка (холодная работа, графики отжига) влияет на размер зерна, текстуру и механические свойства аналогично для обоих сортов, но 316Ti сохраняет лучшую стойкость к межкристаллитной атаке после воздействия высоких температур.

4. Механические свойства

Свойства ниже отражают типичные условия отжига (отожженные); точные значения зависят от формы продукта и обработки на заводе.

Объяснение: - Прочность и пластичность в целом схожи; стабилизация титана не существенно повышает прочность при комнатной температуре в отожженном состоянии. - 316Ti может демонстрировать немного более высокий минимальный предел текучести или твердость в некоторых производственных партиях из-за осаждения TiC/TiN, но различия невелики в большинстве контекстов структурного проектирования. - Вязкость остается высокой для обоих; ни один из них не является хрупким материалом при низких температурах.

5. Свариваемость

Оба сорта считаются легко свариваемыми с использованием стандартных практик сварки аустенитными нержавеющими сталями, но существуют практические различия.

Важные индексы свариваемости: - Формы эквивалента углерода могут быть использованы для оценки закаливаемости и восприимчивости к трещинам. Один стандартный индекс: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Более детальный параметр для нержавеющих сталей: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Качественная интерпретация: - Как 316, так и 316Ti имеют низкое содержание углерода по сравнению со многими конструкционными сталями, поэтому они не подвержены холодным трещинам из-за образования мартенсита; аустенитные нержавеющие наполнители и защитные газы являются стандартными. - 316L (низкоуглеродный вариант) часто предпочтителен, когда ожидается обширная сварка, поскольку низкий углерод устраняет необходимость в стабилизации. Для 316 (стандартный) и 316Ti: - 316Ti обеспечивает лучшую стойкость к постсварочной сенсибилизации, когда температуры в зоне термического влияния проходят через диапазон сенсибилизации, поскольку титан связывает углерод. Это может быть выгодно для изготовления, когда компонент подвергается повторным циклам высоких температур. - Однако титан в основном металле может усложнить выбор сварочного металла и требует внимания к сварочной процедуре, чтобы избежать образования крупных осадков титана в сварочном металле, которые могут повлиять на пластичность или коррозионную стойкость локально. Во многих сварочных приложениях используется наполнитель 316L, чтобы снизить риск сенсибилизации в сварочном металле. - Предварительный и последующий отжиг после сварки может восстановить коррозионную стойкость, где это необходимо. Для критических приложений используются испытания на межкристаллитную коррозию (например, практики ASTM A262).

6. Коррозия и защита поверхности

• Для нержавеющих сортов, таких как 316 и 316Ti, общая коррозионная стойкость обеспечивается пассивной пленкой оксида хрома; Mo улучшает стойкость к образованию ямок в хлорсодержащих средах.
• Используйте эквивалентный номер стойкости к образованию ямок (PREN) для сравнительной оценки стойкости к образованию ямок, когда это уместно: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Примечание: Титан не входит в выражение PREN; добавление Ti не увеличивает PREN напрямую, но помогает поддерживать хром в растворе, предотвращая образование карбидов хрома.
• Сенсибилизация: 316 (нестабилизированный) может стать сенсибилизированным, если подвергнут воздействию диапазона 450–850°C в течение достаточного времени, что приводит к межкристаллитной коррозии из-за осаждения карбидов хрома. 316Ti специально разработан для снижения этого риска за счет образования TiC/TiN.
• Восприимчивость к коррозионным трещинам (SCC) в хлорсодержащих средах является фактором проектирования для аустенитных нержавеющих сталей; снижение углерода не предотвращает SCC; необходим выбор материала, контроль остаточных напряжений и контроль окружающей среды.
• Защита поверхности: Для не нержавеющих сталей общие меры включают оцинковку или покраску; для 316/316Ti это обычно не требуется, если не требуется эстетическая или абразивная защита.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: Аустенитные нержавеющие стали, как правило, сложнее обрабатывать, чем углеродные стали, из-за упрочнения при работе и низкой теплопроводности. 316 и 316Ti схожи; стабилизация Ti может незначительно снизить обрабатываемость в некоторых партиях из-за наличия твердых частиц TiC/TiN.
• Формуемость: Оба сорта обладают отличной пластичностью и могут быть глубоко вытянуты, согнуты и сформированы с использованием стандартных техник. Предпочтителен отожженный материал для формовки, чтобы избежать чрезмерного пружинения или упрочнения при деформации.
• Обработка поверхности: Оба могут быть шлифованы, полированы и электрохимически полированы. Осадки, содержащие титан, в 316Ti, как правило, микроскопические и не препятствуют получению высококачественных отделок поверхности.
• Сварка и последующая обработка после сварки: Наполнители 316L часто используются; когда ожидается высокая температура ползучести или длительное воздействие повышенных температур, может быть выбран специализированный наполнитель, соответствующий стратегии основного металла.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 316 для общей коррозионной стойкости, экономической эффективности и широкого доступности. - Выбирайте 316Ti, когда обслуживание включает повторное или длительное воздействие температур, где существует риск сенсибилизации, или когда требуется долгосрочная термическая стабильность границ зерен.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 316, как правило, более распространен и немного дешевле, чем 316Ti, поскольку последний включает преднамеренное добавление титана и часто более строгий контроль обработки. Ценовые различия обычно скромные по сравнению с общими затратами на проект, но могут зависеть от рыночных цен на титан и обработки сплавов.
• Доступность: 316 широко доступен в виде листов, плит, труб, прутков и кованых изделий. 316Ti также широко доступен, но может иметь более длительные сроки поставки для некоторых форм продуктов, толщин или специализированных отделок. Для стандартных запасов большого объема 316 часто будет легче найти.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендации: - Выбирайте 316, если: вам нужна универсальная, экономически эффективная аустенитная нержавеющая сталь для общей коррозионной стойкости, компонентов насосов и клапанов, оборудования для переработки продуктов питания или когда будет проводиться обширная сварка в цехе или на месте, и наименьшая общая стоимость сплава является приоритетом (рассмотрите 316L для тяжелой сварки). - Выбирайте 316Ti, если: компонент будет подвергаться длительному или повторному воздействию в диапазоне температур сенсибилизации (например, теплообменники, части печей, некоторые нефтехимические услуги), или когда сохранение хрома на границах зерен после термического цикла критично. 316Ti является предпочтительным вариантом, когда проектировщики хотят стабилизированную аустенитную нержавеющую сталь, не переходя на низкоуглеродный сорт.

Заключительная заметка: Для любого критического применения укажите точное обозначение сорта ASTM/EN, требуемую форму продукта и любые требования к термической обработке или отжигу после сварки. Рекомендуется проводить испытания на коррозию, квалификацию сварочной процедуры и сертификацию поставщика, чтобы гарантировать, что выбранный сорт соответствует ожиданиям по обслуживанию.