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

Введение

316L и 316Ti — это два широко используемых аустенитных нержавеющих стали, происходящих из семейства 316. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно учитывают коррозионную стойкость, свариваемость и стоимость при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают сварные системы под давлением (где важны низкое содержание углерода или стабилизация), трубопроводы и теплообменники при высоких температурах (где возникает проблема осаждения карбидов), а также общие компоненты для коррозионных условий, где предпочтительны нержавеющие стали 300-й серии с содержанием Mo.

Основное металлургическое различие между двумя сталями заключается в том, как каждый сплав предотвращает осаждение карбидов хрома при повышенных температурах: один минимизирует содержание углерода, другой связывает углерод со стабилизирующим элементом. Это различие приводит к различным выборам в обработке, термической стойкости и некоторых механических свойствах, что и объясняет, почему 316L и 316Ti часто сравниваются в проектных или производственных спецификациях.

1. Стандарты и обозначения

• Общие спецификации и обозначения:
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (плита/лист для нержавеющей стали); другие стандарты ASTM для прутков, труб, фитингов.
• EN: 1.4404 (обычно ссылаются на 316L), 1.4571 (обычно ссылаются на 316Ti).
• JIS, GB и другие национальные стандарты часто имеют эквивалентные марки (например, эквиваленты SUS316L).
• Классификация: обе стали являются нержавеющими (аустенитные, с содержанием Mo, серии Cr–Ni). Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица ниже показывает типичные диапазоны состава для 316L и 316Ti, как указано в общих стандартах (значения даны в весовых процентах и являются ориентировочными; обратитесь к конкретному стандарту для обязательных пределов).

Как легирование влияет на поведение: - Хром и молибден обеспечивают основную коррозионную стойкость и стойкость к образованию ямок. Ni стабилизирует аустенитную матрицу и улучшает прочность. - Углерод увеличивает прочность, но способствует осаждению карбидов хрома ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) при 425–850 °C, что истощает Cr на границах зерен и приводит к межзерновой коррозии (сенсибилизация). - 316L снижает этот риск, ограничивая содержание углерода. 316Ti использует титан для формирования стабильных Ti–углеродных соединений (например, TiC), которые предпочтительно связывают углерод, предотвращая образование карбидов хрома при воздействии на сенсибилизирующие температуры.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура: - Оба сорта в основном аустенитные (кубическая решетка с центром в гранях) в отожженном состоянии, с типичной микроструктурой из равномерно ориентированных аустенитных зерен и возможными небольшими количествами сигма-фазы или карбидов после длительного воздействия при высоких температурах. - 316L: низкое содержание углерода означает меньшее количество карбидов после термических циклов; микроструктура остается чистой аустенитом, если не подвергалась сильной холодной обработке или не была подвержена очень агрессивным термическим циклам. - 316Ti: титан осаждается в виде мелких частиц TiC/TiN, обычно на границах зерен и внутри зерен; они действуют как стабилизаторы.

Реакция на термообработку и обработку: - Растворное отжиг (обычно 1000–1100 °C с последующим быстрым охлаждением) восстанавливает однородную аустенитную структуру и растворяет вредные фазы. Оба сорта обычно подвергаются растворному отжигу для критических применений. - Нормализация/закалка/отпуск не являются типичными для аустенитных нержавеющих сталей; термомеханическая обработка (холодная обработка, снятие напряжений) влияет на плотность дислокаций и механические свойства, а не на превращение фаз. - 316Ti особенно устойчив к термическим колебаниям в диапазоне сенсибилизации, поскольку Ti связывает углерод; однако, если Ti недостаточно по сравнению с углеродом или если происходит длительное старение при высоких температурах, вторичные осадки (например, сигма-фаза) все равно могут образовываться и хрупчить сталь.

4. Механические свойства

Механические свойства аустенитных нержавеющих сталей сильно зависят от формы продукта (лист, плита, пруток), холодной обработки и термической истории. Таблица ниже дает ориентировочные диапазоны для этих сортов в отожженном состоянии. Используйте сертификаты поставщика/испытаний для значений на уровне проектирования.

Интерпретация: - 316Ti может демонстрировать немного более высокую прочность в отожженном состоянии из-за более высокого содержания углерода и осадков стабилизации, но различия незначительны для большинства применений в сосудах под давлением и трубопроводах. - Пластичность и вязкость в целом схожи; 316L может предложить немного лучшую пластичность и гарантированное поведение с низким содержанием углерода после сварки, в то время как 316Ti предлагает стабильность против сенсибилизации при повышенных рабочих температурах.

5. Свариваемость

Обе стали 316L и 316Ti считаются высокосвариваемыми по сравнению с ферритными или мартенситными сталями, но у них есть разные практические соображения.

Соответствующие индексы свариваемости: - Углеродный эквивалент для аустенитов (пример): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Эмпирический параметр коррозии/растрескивания сварки (пример): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 316L: очень хорошая свариваемость благодаря низкому содержанию углерода; минимальный риск сенсибилизации и межзерновой коррозии после типичных сварочных циклов. Постсварочный растворный отжиг обычно не требуется для коррозионной стойкости во многих приложениях. - 316Ti: также свариваемый, и часто выбирается специально для сварных компонентов, подверженных воздействию температур в диапазоне сенсибилизации, поскольку Ti стабилизирует углерод и снижает восприимчивость к межзерновой коррозии. Необходимо следить за адекватным соотношением Ti:C и избегать чрезмерного несоответствия присадочных материалов; присадочные металлы обычно представляют собой 316L/316-типовые расходные материалы для сохранения коррозионной стойкости. - Оба сорта обычно не требуют предварительного нагрева; избегайте медленного охлаждения через 500–800 °C в чувствительных приложениях; постсварочный растворный отжиг может быть указан для критического обслуживания.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе стали являются коррозионно-стойкими нержавеющими сталями (по умолчанию не оцинкованы и не окрашены).
• Для оценки коррозии ямок и трещин используйте PREN (эквивалентный номер стойкости к ямкам): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс подчеркивает Cr, Mo и N. Типичные значения PREN для сталей семейства 316 находятся в умеренном диапазоне; 316L и 316Ti имеют очень похожие PREN, поскольку их содержание Cr и Mo сопоставимо, а N низкое.
• Когда выбор нержавеющей стали не является подходящим (например, в сильно восстанавливающих или щелочных средах), нержавеющие стали требуют защиты поверхности, такой как оцинковка, покрытие или обшивка; это не является нормой для деталей семейства 316.
• Практическое примечание: 316Ti предпочтительнее для приложений, где термическое воздействие может вызвать осаждение карбидов хрома (например, теплообменники, паровые трубопроводы), поскольку Ti снижает сенсибилизацию. 316L достигает того же практического результата, имея очень низкое содержание углерода.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали быстро упрочняются и сложнее обрабатываются, чем углеродные стали. 316Ti может быть немного сложнее, чем 316L, поскольку стабилизация и более высокое содержание углерода могут увеличить упрочнение и износ инструмента. Используйте надежные инструменты, соответствующие подачи, скорости резания и охлаждающую жидкость.
• Формуемость: 316L обычно предлагает лучшую формуемость и производительность глубокого вытягивания благодаря более низкому пределу текучести и более высокой пластичности в отожженном состоянии. 316Ti формуется аналогично, но может потребовать немного больших усилий и более строгого контроля радиусов изгиба.
• Отделка: обе стали принимают стандартные отделочные поверхности и пассивацию; травление/нейтрализация после сварки могут использоваться для восстановления пассивной пленки и удаления термического потемнения.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 316L, если коррозионная стойкость после сварки, глубокое вытягивание и доступность/стоимость являются основными факторами. - Выбирайте 316Ti, если служба включает длительное или циклическое воздействие температур, которые в противном случае вызвали бы сенсибилизацию, и если компонент не будет подвергаться растворному отжигу после обработки.

9. Стоимость и доступность

• 316L более распространен и обычно доступен в более широком диапазоне форм продуктов и отделок; это, как правило, более дешевый вариант из двух.
• 316Ti имеет умеренную надбавку из-за добавления титана и более низкого общего объема на рынке; доступность все еще хороша для общих форм (труба, плита, трубка), но сроки поставки для специализированных размеров или отделок могут быть длиннее.
• Для закупок: указывайте точный стандарт (например, ASTM A240 316L или EN 1.4571) и требуемую отделку/термообработку, чтобы избежать проблем с цепочкой поставок.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендации: - Выбирайте 316L, если вам нужна лучшая общая коррозионная стойкость с максимальной свариваемостью и формуемостью, и когда стоимость и широкая доступность являются приоритетами. - Выбирайте 316Ti, если приложение будет подвергаться термическим циклам или длительным воздействиям в диапазоне температур сенсибилизации (примерно 425–850 °C), и вы не можете или не будете выполнять растворный отжиг после обработки; 316Ti обеспечивает стабильность против межзернового воздействия в этих условиях.

Заключительное практическое примечание: для критических конструкций всегда указывайте точный стандарт, форму продукта и требуемую термообработку или постсварочные обработки, и запрашивайте сертификаты на продукцию/испытания. В случае сомнений относительно длительного термического воздействия или специфических механизмов коррозии проконсультируйтесь с данными испытаний на коррозию или проведите испытания на квалификацию материала для предполагаемой среды обслуживания.