321 против 347 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Тип 321 и Тип 347 являются аустенитными, хром-никелевыми нержавеющими сталями, широко используемыми в инженерных системах, где требуется коррозионная стойкость, формуемость и стабильность при повышенных температурах. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто выбирают между ними, балансируя между коррозионными характеристиками, поведением при обработке, долгосрочной стабильностью при температуре и стоимостью.
Основное техническое различие между двумя марками заключается в выборе элемента, стабилизирующего карбид: Тип 321 стабилизирован титаном (Ti), в то время как Тип 347 стабилизирован ниобием (колумбием, Nb). Это различие определяет, как каждая марка сопротивляется осаждению хромового карбида (сенсибилизации) во время сварки или эксплуатации при 450–850 °C, и влияет на долгосрочную стабильность, особенно для высокотемпературных или циклических приложений.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM/ASME: A240 / SA-240 (общие для листа и пластины).
- UNS: 321 = UNS S32100; 347 = UNS S34700.
- EN: 321 / 347 существуют эквиваленты, но проконсультируйтесь с номерами EN (например, EN 1.4541 для 321 иногда, проверьте текущие перекрестные ссылки).
- JIS / GB: Японские и китайские стандарты имеют аналогичные стабилизированные аустениты; проверьте местные таблицы перекрестных ссылок для точного обозначения.
Классификация: Оба 321 и 347 являются нержавеющими сталями (аустенитными, немагнитными в отожженном состоянии). Они не являются углеродными сталями, легированными углеродными инструментальными сталями или сталями HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица — Типичные номинальные диапазоны состава (весовые проценты). Значения являются ориентировочными для отожженного, коммерчески специфицированного материала; проконсультируйтесь с конкретным стандартом или сертификатом поставщика для точных пределов.
| Элемент | Типичный диапазон – Тип 321 | Типичный диапазон – Тип 347 |
|---|---|---|
| C (Углерод) | ≤ 0.08 (макс) | ≤ 0.08 (макс) |
| Mn (Марганец) | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si (Кремний) | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P (Фосфор) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S (Сера) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (Хром) | ~17.0–19.0 | ~17.0–19.0 |
| Ni (Никель) | ~9.0–13.0 | ~9.0–13.0 |
| Mo (Молибден) | 0 (обычно) | 0 (обычно) |
| V (Ванадий) | только следы | только следы |
| Nb (Ниобий / Колумбий) | минимальный/следы | обычно присутствует (стабилизатор) |
| Ti (Титан) | присутствует (стабилизатор), контролируемое количество | минимальный/следы |
| B (Бор) | только следы | только следы |
| N (Азот) | малое (например, ~0.10 типично) | малое (например, ~0.10 типично) |
Примечания: - 321 использует добавки титана, размер которых соотносится с углеродом, чтобы связать C как TiC/Ti(C,N), чтобы предотвратить образование Cr23C6. Стандарты обычно требуют Ti ≥ 5 × C до практического максимума. - 347 использует ниобий (часто с небольшим количеством тантала как естественной примеси) для формирования NbC/Nb(C,N) с той же целью. Пределы спецификации и типичное содержание Nb варьируются в зависимости от стандарта и формы продукта. - Ни одна из марок обычно не содержит значительного количества молибдена; они не являются молибденсодержащими дуплексными или супер-аустенитными семействами.
Как легирование влияет на свойства: - Хром обеспечивает общую коррозионную стойкость пассивной пленки. - Никель стабилизирует аустенитную фазу и улучшает прочность и формуемость. - Титан или ниобий предотвращают сенсибилизацию, образуя стабильные карбиды и карбонитриды, защищая хром от связывания в виде Cr-карбидов на границах зерен во время воздействия на сенсибилизирующие температуры. - Небольшие добавки N увеличивают прочность за счет интерстициального упрочнения.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
- Микроструктура (отожженная): Обе марки полностью аустенитные с кубической решеткой с центром на грани (FCC). Стабилизирующие карбиды/нитриды (TiC/TiN в 321, NbC/Nb(C,N) в 347) присутствуют, как правило, в виде мелких осадков, распределенных на границах зерен и внутри зерен.
- Сопротивление сенсибилизации: Стабилизаторы предпочитают образовывать карбиды; это предотвращает образование зон, обедненных хромом, на границах зерен и защищает от межзерновой коррозии после воздействия при 450–850 °C.
- Реакция на термическую обработку:
- Отжиг (типичный): Растворный отжиг при ~1010–1150 °C с последующим быстрым охлаждением для сохранения аустенитной структуры и растворения нежелательных осадков.
- Нормализация/Закалка и отпуск: Это не стандартные маршруты для аустенитных нержавеющих сталей — они не закаливаются и не отжигаются, как мартенситные стали. Термомеханическая обработка влияет на размер зерен и текстуру, но химическая стабилизация в первую очередь определяет поведение при высоких температурах.
- Эксплуатация при высоких температурах: При длительном воздействии при повышенной температуре Ti-стабилизированный 321 может образовывать сложные осадки, богатые титаном, и, если соотношение Ti/C недостаточно или если происходит длительное воздействие, может развиться вторичное осаждение хромового карбида. Nb-стабилизированный 347, как правило, лучше сохраняет прочность и сопротивляется обеднению хромом на границах зерен во время длительной эксплуатации при высоких температурах, поэтому 347 (и вариант 347H с более высоким содержанием C) часто специфицируется для длительной работы при повышенных температурах.
4. Механические свойства
Таблица — Типичные диапазоны механических свойств для отожженного материала при комнатной температуре (ориентировочные; форма продукта и спецификация определяют гарантированные значения).
| Свойство (отожженное) | Тип 321 (типичный) | Тип 347 (типичный) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ~520–750 | ~520–750 |
| Предел текучести, 0.2% смещение (МПа) | ~205–310 | ~205–310 |
| Удлинение (%) | ~40–60 | ~40–60 |
| Ударная вязкость (Charpy V, комнатная температура) | Хорошая, высокая вязкость | Хорошая, высокая вязкость |
| Твердость (HRB) | ~70–95 | ~70–95 |
Интерпретация: - В отожженном состоянии при комнатной температуре механические свойства 321 и 347 очень похожи. Стабилизирующий элемент имеет лишь умеренное влияние на статическую прочность на растяжение/предел текучести и пластичность при обычных условиях. - При повышенной температуре и длительном воздействии 347 (ниобий-стабилизированный) может демонстрировать лучшее сохранение пластичности и сопротивления ползучести, поскольку ниобиевые карбиды более стабильны и менее подвержены коагуляции в определенных режимах эксплуатации по сравнению с титановыми осадками — это особенно актуально для длительной эксплуатации при высоких температурах и циклического термического воздействия.
5. Сварка
- Оба 321 и 347 имеют хорошую свариваемость, характерную для аустенитных нержавеющих сталей: низкое содержание углерода и наличие стабилизаторов снижают риск межзернового разрушения после сварки.
- Ключевые соображения по сварке:
- Правильный выбор присадки и сварочной процедуры остаются важными для предотвращения горячих трещин и контроля дельта-феррита, когда это необходимо.
- Постсварочный отжиг обычно не требуется только для предотвращения межзерновой коррозии, при условии, что соотношение стабилизатора к углероду и контроль процесса правильные.
- Важные индексы свариваемости (примеры — используйте их качественно):
- Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Хромовый эквивалент (Pcm) — оценка восприимчивости к сварочным трещинам: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Качественная интерпретация:
- Обе марки хорошо подходят для общего сварки, благодаря низкому содержанию C и стабилизации. Ниобий в 347 появляется в термине $P_{cm}$; внося вклад в сопротивление сенсибилизации, он может немного влиять на поведение затвердевания при сварке. На практике различия в свариваемости небольшие; выбор подходящего сварочного металла (часто соответствующего или использующего присадки семейства 308/309, как указано) и контроль теплового ввода имеют большее значение, чем выбор между Ti и Nb.
- Для ремонта сварки или изготовления, где происходят повторные термические циклы, 347 может быть предпочтительным, когда долгосрочная стабильность стабилизирующего карбида критична.
6. Коррозия и защита поверхности
- Общая коррозия: Обе марки образуют пассивную пленку, богатую хромом, и показывают коррозионную стойкость, аналогичную 304 во многих средах. Ни одна из них не содержит Mo, поэтому стойкость к образованию ямок в хлоридных средах не так высока, как у марок с Mo.
- Межзерновая коррозия: Обе марки стабилизированы против сенсибилизации своими соответствующими стабилизаторами; однако необходимы правильные уровни стабилизатора относительно содержания углерода и контролируемая обработка.
- Использование PREN: Эквивалентный номер стойкости к образованию ямок обычно используется, где Mo и N обеспечивают стойкость к образованию ямок: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Для 321 и 347 (Mo ~ 0) PREN в основном определяется Cr и N и, следовательно, является умеренным; PREN имеет ограниченную ценность для различения этих двух марок, поскольку обе не содержат Mo.
- Защита поверхности для не нержавеющих сталей: Здесь не применимо — обе являются нержавеющими. Однако, где требуется повышенная защита (обслуживание в хлоридной среде, морская вода), рассмотрите нержавеющие стали с Mo или дуплексные нержавеющие стали или покрытия.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Аустенитные нержавеющие стали быстро упрочняются; 321 и 347 аналогичны 304 в этом отношении. Стратегии обработки (жесткая установка, острые инструменты, высокий положительный угол резания, обильное охлаждение) применимы одинаково.
- 347 может быть немного сложнее обрабатывать, если более высокое содержание Nb-карбидов увеличивает износ инструмента в некоторых подачах, но различия на практике небольшие.
- Формуемость: Обе демонстрируют отличную холодную формуемость и характеристики глубокого вытягивания в отожженном состоянии. Эффект пружинистости и поведение при упрочнении сопоставимы.
- Отделка поверхности и полировка: Обе хорошо полируются и принимают большинство обработок поверхности; сварные участки должны быть пассивированы, если требуется повышенная коррозионная стойкость.
8. Типичные применения
Таблица — Типичные применения каждой марки и обоснование выбора.
| Тип 321 (Ti-стабилизированный) | Тип 347 (Nb-стабилизированный) |
|---|---|
| Части печей и теплообменников, подвергающиеся кратковременному воздействию высоких температур | Котлы, супернагреватели и теплообменники, требующие долгосрочной стабильности при повышенной температуре |
| Компоненты выхлопных систем для авиации и автомобилей, где часто происходят термические циклы и кратковременные колебания | Оборудование химических процессов, где ожидается длительное воздействие вблизи диапазона сенсибилизации |
| Расширительные соединения, гофры, внутренние покрытия печей | Сварные сборки и сосуды, где критична производительность при длительном ползучести и снижении осаждения на границах зерен |
| Крепежные элементы и отделка, требующие хорошей стойкости к окислению при повышенных температурах на умеренные сроки | Трубопроводы химических заводов и конструктивные компоненты печей, предназначенные для длительного воздействия |
Обоснование выбора: - Выбирайте 321, когда типичное воздействие включает случайные или кратковременные высокотемпературные колебания и когда титановая стабилизация эффективна для ожидаемых термических циклов. - Выбирайте 347, когда длительное воздействие при повышенной температуре или продолжительная эксплуатация в диапазоне температур сенсибилизации требуют стабильности ниобиевых карбидов (вариант 347H может быть специфицирован для более высокой ползучести/прочности при температуре из-за более высокого содержания углерода).
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 347 часто немного дороже, чем 321, поскольку ниобий является более дорогой легирующей добавкой, чем титан. Рыночные цены колеблются в зависимости от цен на сырье ниобия.
- Доступность: Обе марки широко доступны в формах листа, пластины, трубы и прутка от крупных заводов. 321 исторически имеет очень широкую доступность, так как долгое время была распространенной легирующей сталью в аэрокосмической и промышленной сферах. 347 и 347H хорошо поставляются, но доступность в определенных формах продукта или специальных терминах может быть более ограниченной, а сроки поставки немного длиннее.
- Советы по закупкам: Указывайте точный UNS/ASTM класс и форму продукта в заказах; если срок поставки или стоимость критичны, подтвердите наличие на складе завода или рассмотрите замену с одобрением инженера.
10. Резюме и рекомендации
Таблица — Быстрое сравнение (качественное).
| Категория | Тип 321 | Тип 347 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Очень хорошая (стабилизированная) | Очень хорошая (стабилизированная) |
| Прочность–Ударная вязкость (при комнатной температуре) | Эквивалентные | Эквивалентные |
| Долгосрочная стабильность при высоких температурах | Хорошая (кратковременные до умеренных воздействий) | Лучше (длительные воздействия / сопротивление ползучести) |
| Коррозия (общая) | Похожа на 304; стабилизированная против сенсибилизации | Похожа на 304; стабилизированная против сенсибилизации |
| Стоимость | Ниже (в общем) | Немного выше (в общем) |
| Доступность | Очень хорошая | Очень хорошая, иногда более длительные сроки поставки для специальных форм |
Выводы: - Выбирайте Тип 321, если вам нужна стабилизированная аустенитная нержавеющая сталь с отличной общей коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и чувствительностью к стоимости, когда эксплуатация включает термические циклы или кратковременное высокотемпературное воздействие. 321 является распространенным выбором для частей печей, расширительных соединений и приложений, где титановая стабилизация работает адекватно. - Выбирайте Тип 347, если приложение включает длительное воздействие при повышенных температурах, продолжительную эксплуатацию вблизи диапазона сенсибилизации или где критична долгосрочная ползучесть и стабильность на границах зерен. 347 (или 347H для прочности при высоких температурах) предпочтителен, когда стабильность ниобиевого карбида дает измеримые преимущества в жизненном цикле, несмотря на умеренный прирост в стоимости.
Заключительная практическая заметка: Всегда проверяйте конкретные пределы ASTM/UNS/EN и запрашивайте сертификаты завода для критических проектов. Для критических высокотемпературных или коррозионных сред проводите специфические для применения испытания на коррозию и консультируйтесь с металлургами для подтверждения выбора марки и процедур сварки/обработки.