321 против 347 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Типы 321 и 347 — это два часто используемых стабилизированных аустенитных нержавеющих сталей, применяемых там, где требуется сочетание коррозионной стойкости, свариваемости и стабильности при повышенных температурах. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто выбирают между ними, учитывая баланс между коррозионной стойкостью, технологичностью и стоимостью жизненного цикла — например, выбирая между лучшей стойкостью к межкристаллитной коррозии после сварки и немного более низкой стоимостью материала или его доступностью.

Основное металлургическое различие заключается в том, что 321 стабилизирована главным образом добавками титана, тогда как 347 — ниобием (колюмбием) — каждый из них образует стабильные карбонитридные включения, уменьшающие образование карбидов хрома при термическом воздействии. Поскольку обе стали представляют собой аустенитные нержавеющие стали типа 18–8, их часто сравнивают для применения в выхлопных системах, оборудовании печей и химических установках, где важны процессы сенсибилизации и высокотемпературная эксплуатация.

1. Стандарты и обозначения

Распространённые стандарты и обозначения, в которых используются 321 и 347:

• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (лист, полоса и плита из нержавеющей стали)
• EN: серия EN 10088 (европейские стандарты нержавеющих сталей)
• JIS: JIS G4303 / G4311 (японские нержавеющие стали) — существуют эквиваленты, но необходимо проверять соответствие конкретных марок
• GB: китайские стандарты GB/T (существуют сопоставимые марки; нужно проверять химический состав и обозначение)
• UNS: UNS S32100 (тип 321), UNS S34700 (тип 347)

Классификация: обе марки 321 и 347 — аустенитные нержавеющие стали, а не углеродистые стали, инструментальные или высокопрочные низколегированные стали (HSLA). Это стабилизированные аустенитные нержавеющие стали, предназначенные для ограничения сенсибилизации и межкристаллитной коррозии.

2. Химический состав и стратегия легирования

В таблице приведены типичные элементы состава и обычные контрольные пределы для марок 321 и 347 в стандартных коммерческих вариантах. Значения отражают диапазоны, указанные в распространённых стандартах (например, ASTM A240, EN), точные пределы состава следует проверять в сертификате качества для конкретного плавления.

Элемент	Тип 321 (типичные диапазоны)	Тип 347 (типичные диапазоны)
C (мас.%)	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn (мас.%)	≤ 2.0	≤ 2.0
Si (мас.%)	≤ 1.0	≤ 1.0
P (мас.%)	≤ 0.045	≤ 0.045
S (мас.%)	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr (мас.%)	17–19	17–19
Ni (мас.%)	9–13	9–13
Mo (мас.%)	— / следы	— / следы
V (мас.%)	— / следы	— / следы
Nb (мас.%)	обычно ≤ 0.10 (может содержать следы)	обычно 0.8–1.25
Ti (мас.%)	обычно 0.5–1.0 (по крайней мере примерно в 5 раз больше C)	обычно ≤ 0.10 (может содержать следы)
B (мас.%)	следы, если присутствует	следы, если присутствует
N (мас.%)	малые количества (≤ 0.1)	малые количества (≤ 0.1)

Принцип легирования:

• Cr и Ni формируют базовую аустенитную матрицу, обеспечивающую коррозионную стойкость и пластичность.
• Титан или ниобий преимущественно связываются с углеродом и азотом, образуя стабильные карбидно-нитридные частицы (TiC/TiN или NbC/Nb(C,N)), предотвращая выпадение карбидов хрома на границах зерен во время термических циклов (сенсибилизация).
• Низкое содержание углерода снижает количество потенциально образующихся карбидов хрома; стабилизаторы служат дополнительным запасом прочности, особенно важным при сварке или длительном воздействии в диапазоне температур сенсибилизации (~450–850°C).

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура:

• Обе марки полностью аустенитные (гранецентрированная кубическая структура) в состоянии отожженного раствора.
• Стабилизирующие элементы образуют тонко дисперсные карбонитриды титана или ниобия. Их распределение и размер зависят от технологии плавки, горячей обработки и термической истории.
• Если содержание стабилизатора недостаточно по отношению к углероду, при нагреве до сенсибилизирующих температур на границах зерен могут выпадать карбиды хрома, что снижает стойкость к межкристаллитной коррозии.

Термообработка и технология обработки:

• Отжиг раствора: типичные температуры отжига раствора аустенитных нержавеющих сталей варьируются от 1010°C до 1120°C с последующим быстрым охлаждением (водой или воздушным способом) для сохранения однородной аустенитной структуры. Оба типа 321 и 347 обычно поставляются в отожженном состоянии.
• Отпуск / закалка: в отличие от ферритных и мартенситных сталей, традиционные циклы закалки и отпуска неприменимы к этим аустенитным маркам; они не превращаются в мартенсит в форме, выгодной для отпуска.
• Нормализация: не применяется для аустенитных нержавеющих сталей.
• Термо-механическая обработка: холодная деформация (прокатка, волочение) увеличивает прочность за счёт наклёпа и влияет на деформацию зерен; последующий отжиг применяется для восстановления пластичности.
• Эффективность стабилизации: карбонитриды ниобия формируют очень стабильные включения в широком температурном диапазоне, обеспечивая отличную стабилизацию при высокотемпературном или длительном воздействии. Стабилизация титаном эффективна для большинства стандартных циклов изготовления и сварки, но требует контроля соотношения Ti/C для предотвращения образования крупных включений.

4. Механические свойства

Обе марки обладают механическими свойствами, характерными для аустенитных нержавеющих сталей типа 18–8 в отожженном состоянии. Поскольку это близкие сплавы, диапазоны механических свойств существенно перекрываются.

Свойство (отожжённое состояние, типичные диапазоны)	Тип 321	Тип 347
Временное сопротивление разрыву (MPa)	500–700 (типично)	500–700 (типично)
Предел текучести при 0,2% (MPa)	190–310 (типично)	190–310 (типично)
Относительное удлинение (%)	40–60%	40–60%
Ударная вязкость	Высокая вязкость при комнатной температуре; нет универсального требования по испытанию на удар	Высокая вязкость при комнатной температуре; аналогично 321
Твёрдость (отожжённое состояние)	~70–95 HRB (примерно)	~70–95 HRB (примерно)

Интерпретация:

• Механические прочности в отожженном состоянии практически идентичны из-за схожего содержания Ni и Cr.
• Максимальное наклёпывание при формовании повысит прочность и снизит пластичность одинаково для обеих марок; склонность к быстрому наклёпыванию схожа.
• Небольшие отличия в сопротивлении ползучести при высоких температурах или долговременной прочности могут быть связаны с разной стабильностью и распределением карбонитридных выделений (ниобиевое стабилизированное изделие иногда показывает лучшую сопротивляемость ползучести при длительном воздействии высоких температур).

5. Свариваемость

Общая свариваемость:

• Обе марки хорошо свариваются стандартными методами сварки аустенитных нержавеющих сталей (TIG, MIG, контактная сварка) благодаря низкому содержанию углерода и аустенитной структуре, препятствующей образованию трещин.
• Стабилизация снижает риск межкристаллитной коррозии после сварки, связывая углерод, что во многих случаях устраняет необходимость в последующем отжиге раствора.

Индексы свариваемости:

• Формула углеродного эквивалента (CE) широко используется для оценки склонности к закалке и образованию трещин: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Более детальная формула с учётом фосфора, марганца и хрома: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация:

• Обе марки имеют низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с мартенситными сталями, что свидетельствует о хорошей свариваемости.
• Присутствие стабилизаторов (Ti или Nb) снижает риск сенсибилизации после сварки; однако грубые включения стабилизаторов или неправильное соотношение Ti/Nb могут вызывать локальные неоднородности. Технология сварки должна соответствовать лучшим практикам: контролируемый тепловой ввод, корректный выбор присадочного материала и, при необходимости, последующий отжиг раствора для критически ответственных и длительных эксплуатаций.
• Марка 347 может демонстрировать лучшую стойкость при длительных или высокотемпературных сварочных воздействиях благодаря более стабильным включениям ниобия; тем не менее обе марки считаются свариваемыми и часто используются в сварных конструкциях.

6. Коррозия и защита поверхности

Поведение при коррозии: - Обе марки устойчивы к коррозии в широком диапазоне сред, типичных для аустенитных нержавеющих сталей 18–8. Их стратегия стабилизации направлена на сопротивление межкристаллитной коррозии после термического воздействия (сварка или длительный нагрев в области сенситизации). - Ни одна из марок не обладает значительно более высокой устойчивостью к равномерной коррозии по сравнению с другой в обычных водных или атмосферных условиях; различия заметны в специализированных условиях с высокой температурой или чувствительности к сенситизации.

Когда использовать коррозионные индексы: - PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) применяется для сравнения устойчивости к точечной коррозии (в первую очередь важен при значительном содержании Mo и N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Для 321 и 347 Mo обычно отсутствует или присутствует только в следовых количествах, а N низок, поэтому PREN не является дифференцирующим индексом между этими двумя марками.

Защита поверхностей для нестальных сталей: - Здесь не применимо — обе марки являются нержавеющими. Для углеродистых и легированных сталей применяются такие методы, как оцинковка, покраска или нанесение покрытий.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

Особенности изготовления: - Обрабатываемость резанием: аустенитные нержавеющие стали, включая 321 и 347, труднее обрабатывать, чем углеродистые стали, из-за высокой наклёпоспособности и низкой теплопроводности. Рекомендуется использование твердых карбидных инструментов, жёстких креплений и контролируемых режимов подачи и скорости. - Формуемость: обе марки обладают хорошей пластичностью и могут подвергаться холодной обработке, вытяжке и волочению; однако они быстро наклёпываются — при интенсивной деформации может потребоваться частая отжиг. - Отделка поверхности: склонность к прихватам и износу инструмента требует внимания; электрохимическая полировка или пассивация улучшают коррозионную стойкость после изготовления. - Расходные материалы для сварки: обычно используются присадочные материалы с содержанием никеля, равным или немного превышающим состав основного металла; выбор присадочного материала зависит от условий эксплуатации и температуры службы.

8. Типичные области применения

Тип 321 (распространённые применения)	Тип 347 (распространённые применения)
Выхлопные системы авиационной и автомобильной техники	Оборудование химических производств, эксплуатируемое при более высоких постоянных температурах
Элементы печного оборудования, конвекционные печи и теплообменники, требующие стабильности сварных соединений	Ёмкости под давлением и трубопроводы высокого температурного режима с длительным пребыванием при повышенной температуре
Петрохимические компоненты, крепёжные детали и пружины, требующие стабилизации против сенситизации	Трубки котлов и пароперегревателей, где стабилизация ниобием улучшает сопротивление длительной ползучести
Оборудование для пищевой промышленности с частыми термическими циклами и сваркой	Высокотемпературные компоненты печей и фитинги петрохимии с длительным пребыванием при повышенной температуре

Обоснование выбора: - Выбор зависит от доминирующего фактора эксплуатации: если основное — сварка и умеренные тепловые циклы, обе марки подходят; если ожидаются длительная ползучесть или стабильное воздействие высоких температур, предпочтителен 347 с ниобиевой стабилизацией. Также учитываются наличие форм: трубы, лист, рулон и локальные запасы поставщиков.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: обе марки примерно одинаковы по цене, поскольку содержание базового Ni и Cr сходно. 347 может быть немного дороже в некоторых регионах из-за содержания ниобия и рыночной конъюнктуры этого легирующего элемента.
• Доступность: обе марки широко доступны в виде листа, плиты, трубы и прутка у основных производителей и дистрибьюторов нержавеющей стали. Для конкретных форм (например, толстые плиты или специализированные размеры труб) необходимо уточнять наличие у поставщиков; сроки поставки зависят от региона и рыночной ситуации.

10. Итоги и рекомендации

Критерий	Тип 321	Тип 347
Свариваемость	Отличная; стабилизация титаном снижает риск сенситизации	Отличная; стабилизация ниобием снижает риск сенситизации (часто предпочтительна при сварке в более высокотемпературных условиях)
Прочность и вязкость	Типичные значения для аустенитных сталей, высокая вязкость; сопоставимо с 347	Сравнима с 321; преимущество в долгосрочной стабильности при высоких температурах
Стоимость	Чаще всего немного ниже или на уровне 347	Сопоставима; может быть немного выше из-за содержания Nb

Рекомендации: - Выбирайте тип 321, если требуется проверенная стабилизированная аустенитная нержавеющая сталь для сварных конструкций с тепловыми циклами, где эффективна стабилизация титаном; если предпочтительна форма поставки и запас у поставщика именно 321; или если важна чувствительность к стоимости и характерные условия повышенной температуры средней продолжительности. - Выбирайте тип 347, если предполагается длительная эксплуатация при высоких температурах, где ниобиевая стабилизация карбидов обеспечивает повышенную стабильность и возможное сопротивление ползучести; если история эксплуатации или сварки связана с длительным пребыванием в зоне сенситизации; либо если в технической документации требуется Nb-стабилизированная марка по эксплуатационным причинам.

Заключение: Обе марки, 321 и 347, являются отличным выбором при необходимости стабилизации против сенситизации. Выбор обычно определяется температурным профилем (продолжительность и максимальная температура), ожиданиями по долгосрочной ползучести и логистическими факторами (доступность формы поставки и стоимость). Для ответственных или длительных высокотемпературных условий рекомендуется ознакомиться с данными испытаний конкретной партии и сертификатами поставщика, а также рассмотреть инженерную оценку (испытания ползучести, коррозионные испытания или квалификацию сварочных технологий) для подтверждения пригодности выбранной марки к заданным условиям эксплуатации.