316Ti против 321H – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

316Ti и 321H — это аустенитные нержавеющие стали, используемые там, где требуется сочетание коррозионной стойкости и работы при повышенных температурах. Выбор между ними является постоянной дилеммой для инженеров и команд по закупкам, которые балансируют между коррозионной стойкостью, прочностью при высоких температурах, свариваемостью и стоимостью жизненного цикла: 316Ti — это марка с содержанием молибдена, стабилизированная титаном для улучшенной стойкости к сенсибилизации, в то время как 321H — это марка хром-никель с титановым стабилизатором, предлагающая более высокое содержание углерода для улучшенной стойкости к ползучести и прочности при повышенных температурах. Эти различия делают две марки привлекательными для перекрывающихся, но различных условий эксплуатации — 316Ti, где приоритетом является стойкость к образованию точечной коррозии и общей коррозии, и 321H, где важна долговременная стабильность в высокотемпературных окисляющих средах и стойкость к ползучести.

1. Стандарты и обозначения

Общие международные стандарты и обозначения, в которых встречаются эти марки:

• ASTM/ASME: A240 (лист, пластина и лента), A312 (трубопровод), A403 (фитинги) — указаны варианты 316Ti и 321/321H.
• EN: EN 1.4571 (316Ti), EN 1.4878 (321H) эквиваленты используются в европейских стандартах.
• JIS: Семейство JIS G4303/G4313 включает стабилизированные аустениты с местными обозначениями.
• GB (Китай): Стандарты GB/T перечисляют нержавеющие марки, сопоставимые с 316Ti и 321H.

Классификация: - Обе марки 316Ti и 321H являются нержавеющими сталями (аустенитными). Они не являются углеродными сталями, легированными сталями, инструментальными сталями или HSLA.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: типичные диапазоны состава (выраженные в процентах по массе). Значения варьируются в зависимости от спецификации и формы продукта; таблица показывает представительные диапазоны, обычно упоминаемые в стандартах. Всегда консультируйтесь с соответствующим стандартом или сертификатом завода для точного состава.

Элемент	316Ti (типичный диапазон)	321H (типичный диапазон)
C	≤ 0.08 (контроль на низкий углерод)	~0.04–0.10 (вариант с высоким содержанием углерода 321)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~16–18	~17–19
Ni	~10–14	~9–12
Mo	~2.0–3.0	≤ 0.5 (обычно отсутствует)
V	следы или не указано	следы или не указано
Nb	— (не является основным стабилизатором)	— (Ti является стабилизатором; Nb иногда используется в связанных марках)
Ti	контролируемое добавление (≥ 5 × C, до ~0.7)	контролируемое добавление (≥ 5 × C, до ~0.7)
B	следы	следы
N	следы или возможны небольшие добавления	следы

Примечания по стратегии легирования: - 316Ti: основана на семействе 316 — хром, никель и молибден обеспечивают превосходную общую и точечную коррозионную стойкость. Титан добавляется для стабилизации углерода, образуя карбидно-титановую осадку, чтобы избежать осаждения карбида хрома при воздействии в диапазоне сенсибилизации (примерно 450–850 °C). - 321H: происходит от 321 (Cr–Ni с титановым стабилизатором), но снабжена более высоким содержанием углерода для улучшения прочности на ползучесть и устойчивых свойств при высоких температурах. Титан в 321H связывает углерод и снижает сенсибилизацию, сохраняя более высокое содержание углерода для прочности на ползучесть.

Эффекты легирования: - Хром обеспечивает пассивность и общую коррозионную стойкость. - Никель стабилизирует аустенитную структуру и улучшает прочность. - Молибден в 316Ti увеличивает стойкость к локализованной коррозии (точечной/щелевой). - Титан связывает свободный углерод, чтобы предотвратить межкристаллитную коррозию после сварки или воздействия на сенсибилизирующие температуры; в 321H более высокое содержание углерода увеличивает прочность при повышенных температурах, но требует правильного содержания титана для предотвращения сенсибилизации.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Типичные микроструктуры: - Обе марки полностью аустенитные в отожженном состоянии с дисперсными карбидами или интерметаллидами в зависимости от термической истории. - Титан образует осадки TiC или Ti(C,N) предпочтительно перед образованием карбида хрома, поддерживая хром в растворе на границах зерен.

Эффекты термической обработки и обработки: - Отжиг (растворная обработка) при типичных температурах аустенитизации, за которым следует быстрое охлаждение, возвращает оба материала к пластичной, однофазной аустенитной микроструктуре. - Для 316Ti стандартный растворный отжиг устраняет предыдущее осаждение карбидов; осадки Ti–C остаются стабильными, если Ti достаточно относительно углерода. - 321H обычно поставляется в состоянии растворного отжига; более высокое содержание углерода обеспечивает большую прочность осаждения при длительном воздействии при повышенной температуре, улучшая прочность на ползучесть. - Нормализация, закалка и отпуск не применимы к аустенитным нержавеющим сталям в том же смысле, что и для ферритных/перлитных сталей; механические свойства достигаются в основном за счет холодной обработки, растворного отжига и старения/осаждения при рабочей температуре. - Термомеханическая обработка (холодная работа + отжиг) может увеличить прочность за счет упрочнения; длительное воздействие при температуре около 500–800 °C может вызвать сложное осаждение карбидов и интерметаллидов, влияющее на прочность и коррозионную стойкость, если титана недостаточно.

4. Механические свойства

Механические свойства зависят от формы продукта (лист, пластина, труба), термической обработки и стандарта испытаний. Таблица ниже предоставляет качественные сравнительные дескрипторы, а не абсолютные числовые значения — консультируйтесь с сертификатами завода для точных цифр.

Свойство	316Ti (отожженный, типичное поведение)	321H (отожженный или стабилизированный)
Устойчивость к растяжению	Умеренная — соответствует аустенитной семье 316	Похожая или немного выше при повышенных температурах из-за упрочнения углеродом
Предельная прочность	Умеренная — хорошая пластичность	Немного выше предельная прочность при высоких температурах; предельная прочность при комнатной температуре похожа на 316Ti
Удлинение	Высокое (хорошая пластичность и формуемость)	Хорошее, но может быть умеренно снижено, если углерод выше или материал подвергался холодной обработке
Ударная вязкость	Высокая при комнатной температуре; хорошая низкотемпературная вязкость	Хорошая при комнатной температуре; сохраняет вязкость при повышенной температуре, но длительное воздействие может повлиять на вязкость, если происходит осаждение
Твердость	Низкая до умеренной (мягкая, пластичная, легко поддается холодной обработке)	Сравнимая; более высокий углерод может немного увеличить твердость

Интерпретация: - При комнатной температуре обе марки демонстрируют характерную пластичность и вязкость аустенитных нержавеющих сталей. - Более высокий углерод и стратегия стабилизации 321H дают ей преимущество в прочности на ползучесть и сохранении прочности при высоких температурах в течение длительного времени, в то время как 316Ti предлагает немного лучшую стойкость к локализованной коррозии благодаря молибдену.

5. Свариваемость

Свариваемость аустенитных нержавеющих сталей в целом хорошая; здесь важны два аспекта: восприимчивость к сенсибилизации/межкристаллитной коррозии и эффекты холодной обработки/упрочнения вблизи сварных швов.

Ключевые индексы свариваемости: - Углеродный эквивалент (формула IIW) полезен для оценки тенденции к упрочнению при сварке: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Формула эквивалента хрома или Pcm также используется для оценки восприимчивости к трещинам при сварке: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 316Ti: В целом отличная свариваемость. Низкое содержание углерода и стабилизация титаном снижают риск межкристаллитной коррозии после сварки. Молибден не ухудшает свариваемость, но увеличивает тенденцию сплава к образованию низкотемпературных фаз в редких случаях; стандартная металлургия присадок и контроль теплового ввода предотвращают проблемы. - 321H: Также свариваема, но более высокое содержание углерода повышает теоретические меры углеродного эквивалента, увеличивая необходимость в контролируемом тепловом вводе и потенциальных послесварочных обработках в толстых секциях. Стабилизация титаном смягчает образование карбида хрома, но когда содержание углерода намеренно выше (как в 321H), контроль соотношения Ti:C критически важен. Предварительный подогрев обычно не требуется для тонких секций; для толстых секций и циклической работы при высоких температурах рекомендуется квалификация сварочной процедуры.

В целом: обе марки считаются свариваемыми с использованием стандартных процедур; 316Ti часто считается более легким в обработке с меньшими требованиями к дополнительным контролям, когда коррозионная стойкость является первоочередной задачей, в то время как 321H требует внимания при использовании в толстых секциях или в приложениях, где важны послесварочная термическая обработка и производительность на ползучесть.

6. Коррозия и защита поверхности

• Для нержавеющих марок коррозионная стойкость в первую очередь определяется содержанием хрома и наличием молибдена и азота.
• PREN (эквивалентный номер стойкости к точечной коррозии) полезен для сравнения стойкости к точечной коррозии: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Применение PREN: 316Ti выигрывает от своего содержания молибдена, обеспечивая более высокий PREN, чем 321H в типичных составах; отсутствие Mo в 321H означает более низкую стойкость к точечной коррозии в хлоридных средах.

Нержавеющие стали: - Не применимо здесь, так как обе марки являются нержавеющими. Если используются альтернативные углеродные стали, покрытия (гальванизация, покраска, облицовка) будут необходимы.

Практические заметки: - 316Ti: предпочтительна для сред, содержащих хлориды (морская вода, химические процессы), благодаря повышенной стойкости к точечной коррозии за счет Mo и стабилизации Ti для предотвращения сенсибилизации. - 321H: лучше подходит для высокотемпературных окисляющих сред (выхлопные системы, нагреватели, котлы), где важны стойкость к ползучести и стойкость к высокотемпературной коррозии/окислению; не оптимальна для агрессивных хлоридных сред, если не защищена.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: Аустенитные нержавеющие стали, как правило, более адгезивные и упрочняющиеся, чем ферритные стали. 316Ti и 321H обрабатываются аналогично, хотя повышенное содержание углерода в 321H может немного улучшить взаимодействие с инструментом, но также может увеличить локальное упрочнение.
• Формуемость: Обе марки хорошо формуются в отожженном состоянии; 316Ti обычно имеет немного лучшую формуемость благодаря более низкому содержанию углерода, а наличие молибдена не препятствует формованию. 321H формуется, но процессы должны учитывать потенциальный эффект пружинистости и упрочнения.
• Обработка поверхности: Обе марки принимают стандартные шлифовку, полировку и пассивацию. Химикаты и параметры пассивации такие же, как для других аустенитных марок, но рекомендуется проверка коррозионной стойкости после обработки, особенно после сварки.
• Холодная работа: Холодная деформация увеличивает прочность, но снижает пластичность; финальный отжиг может быть использован для восстановления формуемости и коррозионной стойкости.

8. Типичные применения

316Ti — Типичные применения	321H — Типичные применения
Оборудование для химических процессов, подвергающееся воздействию хлоридов, теплообменники, резервуары и трубопроводы в коррозионных средах, морские фитинги, фармацевтическое оборудование, где важна стойкость к точечной коррозии	Выхлопные трубы, компоненты печей и котлов, трубопроводы для высокотемпературных процессов, термостойкие фитинги, выхлопы самолетов и двигателей, где требуется длительное воздействие высоких температур и стойкость к ползучести
Оборудование для пищевой и напитковой промышленности, где необходимы коррозионная стойкость и легкость очистки	Структурные компоненты и расширительные соединения для высокотемпературных промышленных нагревателей

Обоснование выбора: - Выбирайте 316Ti для сред, где первоочередными являются точечная и щелевая коррозия от хлоридов или агрессивных технологических жидкостей, и где сварные соединения должны избегать межкристаллитной коррозии. - Выбирайте 321H для длительной работы при высоких температурах, где критически важны прочность на ползучесть, стойкость к окислению и стабильность после длительного воздействия, и где точечная коррозия в хлоридных средах не является доминирующим режимом разрушения.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 316Ti обычно стоит дороже по сравнению с нестабилизированным 316 и некоторыми вариантами 321 из-за содержания молибдена и добавления титана. Стоимость 321H зависит от термической обработки, более высокого содержания углерода и рыночной доступности; поскольку он не содержит Mo, он может быть менее дорогим, чем 316Ti с точки зрения содержания сырого сплава, но специализированные поставки и формы продуктов могут повлиять на цену.
• Доступность: Обе марки широко доступны в обычных формах продуктов (лист, пластина, труба, трубка, пруток и фитинги) от крупных производителей нержавеющей стали. 316Ti повсеместно используется в процессных отраслях; 321H обычно доступен там, где хранятся высокотемпературные сплавы. Длительные сроки поставки возможны для больших диаметров, тяжелых секций или специальных требований к отделке/прослеживаемости.

10. Резюме и рекомендации

Критерий	316Ti	321H
Свариваемость	Очень хорошая — стабилизация титаном снижает риск сенсибилизации	Хорошая — более высокий углерод требует внимания к тепловому вводу и контролю Ti:C
Прочность–Вязкость	Хорошее сочетание при комнатной температуре; умеренная прочность при высоких температурах	Лучше сохраняет прочность/ползучесть при высоких температурах при длительных воздействиях
Стоимость	Более высокая стоимость сплава (Mo), но широко доступна	Сравнимая или более низкая стоимость сплава; специализированный спрос на высокотемпературные формы может варьировать доступность

Рекомендация: - Выбирайте 316Ti, если ваше основное требование — коррозионная стойкость в средах, содержащих хлориды или агрессивные химические вещества, в сочетании с необходимостью поддерживать коррозионную стойкость после сварки и хорошими общими механическими свойствами. - Выбирайте 321H, если ваше применение подвергает компоненты длительному воздействию повышенных температур, где приоритетом являются стойкость к ползучести, стойкость к окислению и долговременная размерная стабильность, и где точечная коррозия в хлоридных средах не является доминирующим режимом разрушения.

Заключительная заметка: оба материала служат важным, но различным нишам. Укажите точный сплав, форму продукта, термическую обработку и испытания на приемлемость в документации по закупкам и запросите сертификаты завода. Для критически важных сварных соединений или длительной работы при повышенных температурах проводите специфические для применения оценки (квалификация сварочной процедуры, испытания на коррозию и оценка срока службы на ползучесть), а не полагайтесь на общий выбор марки.