317L против 904L – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

317L и 904L — это аустенитные нержавеющие стали, широко используемые для коррозионно-стойкого оборудования, но они занимают разные позиции в спектре производительности и стоимости. Инженеры и команды по закупкам часто оценивают коррозионную стойкость (особенно к хлоридам и восстанавливающим кислотам), свариваемость и формуемость, механические требования и стоимость жизненного цикла при выборе между ними. Основное металлургическое различие заключается в их легирующей стратегии: 317L — это аустенитная сталь с содержанием молибдена, предназначенная для улучшения стойкости к питтингу и трещинам, по сравнению с семействами 304/316, в то время как 904L — это более легированная аустенитная сталь, которая сочетает повышенное содержание никеля, молибдена и меди для обеспечения превосходной стойкости в агрессивных восстанавливающих и содержащих хлор средах.

Поскольку обе стали используются для коррозионно-критических приложений, их часто сравнивают при выборе материалов для химической переработки, оффшорных и высокохлоридных условий. Остальная часть этой статьи сравнивает стандарты, химию, микроструктуру и реакцию на термообработку, механическое поведение, свариваемость, коррозионные индексы, характеристики обработки, области применения, стоимость и доступность, а также завершает рекомендации.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и семейства спецификаций, охватывающие эти марки:
• ASTM / ASME: типичные продуктовые стандарты включают ASTM A240 / ASME SA-240 для листов и пластин, ASTM A276 для прутков и нержавеющих форм, ASTM A312 для труб.
• EN / ISO: охватываются в серии EN 10088 (нержавеющие стали) и связанных продуктовых стандартах.
• JIS (Японские промышленные стандарты) и GB (Китайские национальные стандарты) предоставляют эквивалентные продуктовые спецификации для аустенитных нержавеющих сталей; обратитесь к таблицам преобразования для точных соответствий.
• Обозначения UNS: 317L обычно обозначается как UNS S31703; 904L обычно обозначается как UNS N08904.
• Классификация:
• 317L: нержавеющая (аустенитный сплав, низкоуглеродный вариант "L" для улучшенной свариваемости/стойкости к межкристаллитной коррозии).
• 904L: нержавеющая (аустенитная, высоколегированная, низкоуглеродная версия, предназначенная для повышенной коррозионной стойкости в восстанавливающих и содержащих хлор средах).

2. Химический состав и легирующая стратегия

Таблица: типичный химический состав (вт%) — представительные отожженные диапазоны; Fe — баланс.

Обсуждение легирующей стратегии: - Хром обеспечивает основную пассивность и общую коррозионную стойкость для обеих марок. Более высокое содержание Cr, как правило, улучшает стойкость к окислению и базовую коррозионную стойкость. - Никель стабилизирует аустенитную микроструктуру, улучшает прочность и пластичность, а также увеличивает стойкость к коррозионным трещинам под напряжением (SCC), когда присутствует в больших количествах; повышенное содержание Ni в 904L улучшает пластичность и стойкость к SCC во многих средах. - Молибден является ключевым элементом для стойкости к питтингу и трещинам в средах, содержащих хлор; оба сплава содержат Mo, но 904L обычно содержит несколько больше Mo, чем 317L, и дополняет его более высоким содержанием Ni и добавленной меди. - Медь в 904L улучшает стойкость к восстанавливающим кислотам, таким как серная кислота, и помогает в работе в определенных восстанавливающих средах, содержащих хлор. - Низкоуглеродные ("L") варианты снижают риск межкристаллитного поражения после сварки и позволяют проводить обширную сварку без постсварочной стабилизации во многих условиях эксплуатации.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

• Типичная микроструктура: как 317L, так и 904L полностью аустенитны в отожженном состоянии (кубическая кристаллическая структура с центром грани). Нет закаливаемой мартенситной трансформации при закалке; прочность контролируется в основном за счет упрочнения раствором и холодной обработки.
• Реакция на термическую обработку:
• Отжиг: Полный отжиг при типичных температурах (около 1000–1150 °C для аустенитных нержавеющих сплавов) восстанавливает пластичность и растворяет карбиды и интерметаллиды.
• Стабилизация: Поскольку обе марки являются низкоуглеродными, стабилизация с Ti или Nb обычно не требуется для предотвращения сенсибилизации, хотя некоторые продукты могут включать стабилизаторы.
• Упрочнение при деформации: Оба сплава упрочняются при холодной формовке; более высокое содержание Ni и легирующих элементов в 904L может привести к более сильному поведению упрочнения при деформации, чем в 317L, что влияет на формуемость и требуемую силу.
• Термические обработки, направленные на упрочнение осаждением, не применимы; длительное воздействие при температуре примерно 400–900 °C может способствовать осаждению карбидов или интерметаллидов (что может повлиять на коррозионную стойкость). Процессы нормализации/закалки, используемые для ферритных/низколегированных сталей, не имеют отношения к полностью аустенитным маркам.

4. Механические свойства

Таблица: типичные механические свойства (отожженное состояние, ориентировочные диапазоны)

Интерпретация: - Оба сплава демонстрируют хорошую пластичность и вязкость в отожженном состоянии. 904L часто показывает умеренно более высокую предельную прочность благодаря более высокому упрочнению раствором от Ni и Mo; однако различия в UTS обычно невелики в отожженном состоянии. - 317L может показывать немного большее удлинение в некоторых условиях поставки, что может помочь в операциях формовки. - Ударная вязкость для обоих сплавов обычно отличная при комнатной температуре; ни один из них не демонстрирует переход от пластичного к хрупкому, характерный для ферритных сталей.

5. Свариваемость

• Общее: Оба 317L и 904L считаются свариваемыми аустенитными нержавеющими сталями. Их низкое содержание углерода снижает восприимчивость к межкристаллитному осаждению карбидов во время сварки и уменьшает необходимость в постсварочной термообработке.
• Факторы, которые следует учитывать:
• Аустенитные нержавеющие стали подвержены горячему растрескиванию (растрескиванию при затвердевании) в сварных швах; правильный выбор присадочного материала и параметры сварки важны.
• Высокое содержание легирующих элементов (Ni, Mo, Cu) влияет на поведение затвердевания и может потребовать соответствующих или превышающих по прочности присадочных металлов.
• Полезные индексы свариваемости (числовые расчеты здесь не требуются):
• Эквивалент углерода для аустенитов (форма IIW) может использоваться качественно: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Более высокий $CE_{IIW}$ указывает на большую предрасположенность к проблемам свариваемости в некоторых контекстах.
• Индекс стойкости к питтингу/трещинам/более консервативный индекс свариваемости, относящийся к углеродно-марганцевым и другим упрочняющим элементам: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ иногда используется как качественный предсказатель риска растрескивания при сварке.
• Практическая интерпретация:
• 317L: обычно легко сваривается с обычными аустенитными нержавеющими присадками (например, расходными материалами типа 316L). Предварительный подогрев обычно не требуется. Постсварочный отжиг редко необходим.
• 904L: свариваемый, но требует внимания к выбору присадочного материала (часто проволока для сварки, соответствующая 904L, или специально подобранные никелевые присадки), чтобы избежать различий в гальванической или коррозионной производительности. Более высокое содержание легирующих элементов может увеличить восприимчивость к горячему растрескиванию, если процедуры сварки не оптимизированы. Изготовители должны консультироваться с руководствами по сварке от поставщиков.
• Для обеих марок контроль теплового ввода, температуры межпрохода и адекватная постсварочная очистка важны для сохранения коррозионной производительности.

6. Коррозия и защита поверхности

• Нержавеющие стали: не применимо; оба сплава являются нержавеющими.
• Эквивалентный номер стойкости к питтингу (PREN) — это распространенный способ указания относительной стойкости к локализованным атакам в средах, содержащих хлор: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Используя эту формулу качественно, сплав с более высоким содержанием Mo и N будет показывать более высокий PREN и, следовательно, улучшенную стойкость к питтингу.
• Качественное сравнение:
• 317L: содержание Mo существенно улучшает стойкость к питтингу по сравнению с семействами 304/316; широко используется там, где требуется повышенная стойкость к хлоридам и локализованным атакам.
• 904L: обычно достигает более высокой общей стойкости к локализованной коррозии, чем 317L, потому что сочетает более высокий Mo с значительно более высоким Ni и добавленной Cu; чистый эффект повышает PREN и улучшает стойкость как к окисляющим, так и к восстанавливающим средам, содержащим хлор, и некоторым концентрациям серной кислоты.
• Когда индексы недостаточны: фактические условия эксплуатации (температура, концентрация хлора, поток, трещины, окислительная или восстанавливающая химия) должны оцениваться экспериментально или с помощью баз данных по коррозии и испытаний; PREN является лишь индикатором и не гарантирует производительность во всех средах.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формование:
• 317L: хорошая формуемость в отожженном состоянии; типичная аустенитная пластичность позволяет проводить умеренные до сильных процессы формования.
• 904L: также формуемый, но более высокое содержание легирующих элементов и более сильное упрочнение при деформации делают глубокую вытяжку или формование с малым радиусом более требовательными; могут потребоваться более медленные скорости формования или промежуточные отжиги.
• Обрабатываемость:
• Оба сплава более трудны в обработке, чем ферритные или низколегированные стали из-за прочности и упрочнения при деформации. 904L обычно более сложен в обработке, чем 317L, из-за более высокого содержания Ni и Mo и увеличенной прочности; ожидайте меньший срок службы инструмента и необходимость в надежных инструментах, более высокой мощности и контролируемых параметрах резки.
• Обработка поверхности:
• Оба полируются и подвергаются электрохимической отделке без особых сложностей, но 904L может потребовать корректировки процедур полировки для удаления упрочненных слоев и достижения желаемой металлургии поверхности.
• Рекомендации:
• Используйте острые инструменты, жесткие установки, тяжелые инструменты и более низкие скорости резки для 904L. Для 317L стандартные процедуры обработки аустенитной нержавеющей стали обычно достаточны.

8. Типичные применения

Таблица: Типичные применения по маркам

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: 904L значительно дороже, чем 317L из-за более высокого содержания никеля, молибдена и меди. Ожидайте значительную надбавку за сырье и более высокие затраты на обработку и изготовление.
• Доступность: 317L широко доступен по всему миру в виде пластин, листов, прутков, труб и кованых изделий. 904L доступен во многих формах, но менее распространен и часто требует более длительных сроков поставки или специальных производственных партий; доступность в больших диаметрах или нестандартных формах может быть ограничена по сравнению с 317L.
• Импликации для закупок: спецификация 904L должна учитывать преимущества по стоимости жизненного цикла по сравнению с первоначальными затратами на материал и обработку; стратегии закупок по плану и квалификация поставщиков важны.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: краткое резюме сравнения (качественное)

Заключительные рекомендации: - Выбирайте 317L, если вам нужна экономически эффективная, широко доступная аустенитная нержавеющая сталь с улучшенной стойкостью к питтингу по сравнению с обычными сталями 300-й серии, простой сваркой и формованием, а также эксплуатацией в умеренно агрессивных хлоридных средах. - Выбирайте 904L, если приложение сталкивается с агрессивным воздействием хлора, восстанавливающими кислотами (например, определенными концентрациями серной кислоты) или условиями эксплуатации, где наивысшая практическая коррозионная стойкость (и связанная с ней долговечность) оправдывают более высокую стоимость материала и обработки. 904L является предпочтительным вариантом, когда доступ к обслуживанию затруднен, а длительный срок службы в агрессивных химических средах критически важен.

Заключительная заметка: PREN и легирующие индексы являются полезными инструментами для отбора, но окончательный выбор материала должен основываться на специфических испытаниях на коррозию, анализе стоимости жизненного цикла, квалификации сварочных процедур и консультациях с поставщиками материалов и специалистами по коррозии.