321 против 347H – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Выбор между нержавеющими сталями 321 и 347H является распространенной точкой принятия решений для инженеров, менеджеров по закупкам и планировщиков производства, работающих в условиях высокой температуры или коррозионной среды. Обычно компромиссы сосредоточены на коррозионной стойкости при термическом воздействии, свариваемости и легкости обработки, долговечной прочности при высоких температурах и стоимости жизненного цикла.
Основное различие между этими двумя аустенитными, стабилизированными нержавеющими сталями заключается в их стратегии стабилизации против осаждения карбидов при повышенных температурах: одна марка стабилизирована титаном, в то время как другая стабилизирована ниобием и предлагается в варианте с более высоким содержанием углерода для улучшения прочности при высоких температурах. Это различие определяет их устойчивость к межкристаллическому разрушению после термического цикла, их поведение при ползучести и разрушении, а также влияет на выбор для оборудования печей, труб котлов и супернагревателей, а также компонентов химических заводов.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты и обозначения:
- ASTM/ASME: 321 (часто указывается как ASTM A240 / ASME SA240), 347H (ASTM A240 / ASME SA240 вариант с высоким содержанием углерода 347)
- EN: эквиваленты представлены как X6CrNiTi17-12 или аналогичные для 321; варианты 347/347H сопоставлены с EN классами с колумбием/ниобием в качестве стабилизатора
- JIS/GB: национальные стандарты предоставляют соответствующие обозначения и диапазоны состава
- Классификация:
- Обе марки 321 и 347H являются аустенитными нержавеющими сталями (семейство нержавеющих).
- Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA — это нержавеющие (коррозионно-стойкие) сплавы, предназначенные для высоких температур.
2. Химический состав и стратегия легирования
Обе марки имеют одинаковую химическую матрицу аустенита (состав на основе никеля и хрома, стабилизирующий аустенит), но различаются по стабилизирующим элементам и контролю углерода.
Таблица: присутствие/роль элементов (качественно)
| Элемент | 321 | 347H | Роль / Примечания |
|---|---|---|---|
| C (углерод) | Низкоуглеродный аустенитный | Вариант с более высоким содержанием углерода (H) | Углерод влияет на прочность при ползучести и поведение осаждения |
| Mn (марганец) | Присутствует (незначительно) | Присутствует (незначительно) | Стабилизатор аустенита, влияет на горячую обработку |
| Si (кремний) | Присутствует (следы) | Присутствует (следы) | Обезвоживатель, незначительное влияние на свойства |
| P (фосфор) | Контроль следов | Контроль следов | Контроль примесей для прочности |
| S (сера) | Контроль следов | Контроль следов | Влияет на обрабатываемость; поддерживается на низком уровне |
| Cr (хром) | Основной легирующий элемент | Основной легирующий элемент | Основной вкладчик в коррозионную стойкость |
| Ni (никель) | Основной легирующий элемент | Основной легирующий элемент | Стабилизирует аустенит, улучшает пластичность и прочность |
| Mo (молибден) | Обычно минимален/отсутствует | Обычно минимален/отсутствует | Не является конструктивной особенностью для этих марок |
| V (ванадий) | Не является стабилизатором здесь | Не является стабилизатором здесь | Как правило, не используется в этих марках |
| Nb (ниобий / колумбий) | Не используется в качестве основного стабилизатора | Присутствует в качестве стабилизатора | Образует Nb-карбонириды, которые фиксируют карбиды и границы зерен |
| Ti (титан) | Присутствует в качестве стабилизатора | Может присутствовать только в небольших количествах | Образует Ti-карбонириды, чтобы предотвратить осаждение карбидов хрома |
| B (бор) | Следы, если есть | Следы, если есть | Не является конструктивным драйвером |
| N (азот) | Низкие уровни | Низкие уровни | Незначительно влияет на прочность и стойкость к образованию ямок |
Объяснение - Оба сплава являются аустенитными нержавеющими сталями на основе хрома и никеля. Хром обеспечивает пассивную пленку для общей коррозионной стойкости; никель стабилизирует аустенитную фазу и улучшает прочность. - 321 использует титан в качестве стабилизатора: титан предпочитает образовывать титановый карбид/нитрид, который связывает углерод и предотвращает осаждение карбидов хрома на границах зерен во время длительного термического воздействия. - 347H использует ниобий (колумбий) в качестве стабилизатора и поставляется в варианте с более высоким содержанием углерода (буква "H"), чтобы повысить прочность при высоких температурах и стойкость к ползучести. Ниобий имеет аналогичное стабилизирующее действие, как титан, но особенно эффективен в сочетании с более высоким содержанием углерода для долговечной прочности при повышенных температурах.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура - При комнатной температуре обе марки являются однофазным аустенитом (кубическая решетка с центром грани), с легирующими добавками и стабилизаторами, представленными в виде мелких карбидов/нитридов. - Стабилизирующие осадки: 321 показывает титановый карбонирид; 347H показывает ниобиевый карбонирид. Эти осадки обычно мелкие и распределены на границах зерен и внутри зерен.
Реакция на термообработку и обработку - Аустенитные нержавеющие стали обычно не поддаются закалке; регулировка прочности осуществляется путем холодной обработки или отжига в растворе. - Отжиг в растворе с последующим быстрым охлаждением растворяет осадки и восстанавливает коррозионную стойкость, если выполнен правильно. - Для стабилизированных марок стабилизатор связывает углерод во время сварки или медленного охлаждения, уменьшая риск осаждения карбидов хрома (сенсибилизация). - 347H, с более высоким содержанием углерода и ниобием, предназначен для сохранения лучшей стойкости к ползучести и поддержания стабильности границ зерен при длительном воздействии высоких температур; однако процедуры сварки все равно должны контролировать термические циклы, чтобы избежать нежелательных осадков.
Эффекты процесса - Нормализация не является стандартной практикой для этих аустенитных марок; отжиг (термическая обработка) является обычным термическим процессом для восстановления структуры после обработки. - Термомеханическая обработка (контролируемая прокатка для труб или кованых изделий) в основном влияет на размер зерна и прочность при ползучести; обе марки реагируют аналогично с точки зрения рекристаллизации и роста зерна, но поведение осаждения 347H улучшает стойкость к ползучести при более высоких температурах.
4. Механические свойства
Таблица: качественное сравнение при обычных и повышенных условиях эксплуатации
| Свойство | 321 | 347H | Примечания |
|---|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (комнатная температура) | Похожие | Похожие | Обе имеют сопоставимые свойства растяжения при комнатной температуре, характерные для аустенитных нержавеющих сталей |
| Предельная прочность | Сравнимы | Немного выше при повышенных температурах | Более высокое содержание углерода и осаждение Nb в 347H улучшают прочность при высоких температурах |
| Удлинение / пластичность | Хорошая, более высокая пластичность | Хорошая, немного сниженная пластичность по сравнению с 321 | Более высокое содержание углерода умеренно снижает пластичность в 347H |
| Ударная прочность | Отличная при комнатной температуре | Отличная при комнатной температуре | Обе сохраняют хорошую прочность; требуется тщательный контроль после холодной обработки |
| Твердость | Похожие в отожженном состоянии | Похожие (могут быть немного выше при холодной обработке) | Твердость увеличивается с холодной обработкой для обеих марок |
Интерпретация - При комнатной температуре механические свойства в целом схожи, и обе предлагают хорошую прочность и пластичность, характерные для аустенитных нержавеющих сталей. - В условиях длительной эксплуатации при повышенных температурах 347H обычно предлагает лучшую сохранность прочности/предельной прочности и стойкость к ползучести благодаря более высокому содержанию углерода и осаждениям, стабилизированным ниобием, которые укрепляют матрицу и замедляют деградацию границ зерен.
5. Свариваемость
Свариваемость критически важна для надежности изготовления и эксплуатации.
Факторы - Обе марки 321 и 347H обычно считаются свариваемыми по стандартным практикам сварки аустенитных нержавеющих сталей, но стратегия стабилизации и содержание углерода влияют на восприимчивость к сенсибилизации и вторичным фазам. - Более низкое содержание углерода в 321 снижает тенденцию к образованию карбидов хрома, а стабилизация титаном помогает предотвратить сенсибилизацию. Стабилизация ниобием и более высокое содержание углерода в 347H требуют осторожности с термическими циклами сварки, чтобы обеспечить эффективное связывание углерода ниобием и избежать локальных зон с недостатком хрома.
Общие индексы свариваемости (для интерпретации) - Углеродный эквивалент (форма IIW), часто используемый качественно для оценки закаливаемости/риска трещин при сварке: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более детальный параметр для нержавеющих сталей: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация (качественно) - Обе марки дают умеренные значения в этих индексах по сравнению с ферритными/закаленными сталями; они не подвержены трещинам, вызванным водородом, но могут проявлять трещины при затвердевании и образование вредных интерметаллических фаз, если используется неправильный наполнитель или тепловая подача. - Предварительный нагрев обычно не требуется для аустенитных нержавеющих сталей, но термообработка после сварки и выбор наполнителя должны быть выбраны для сохранения эффективности стабилизации: для 321 убедитесь, что соотношение титана к углероду в сварочном металле адекватно; для 347H выберите наполнитель и процедуру, которые учитывают стабилизацию ниобием и предотвращают локальное истощение.
6. Коррозия и защита поверхности
Общая коррозия - Обе марки 321 и 347H полагаются на хром для формирования пассивной оксидной пленки; они обеспечивают хорошую общую коррозионную стойкость во многих атмосферах и мягких химических средах.
Межкристаллическая коррозия и высокая температура сенсибилизации - Стабилизаторы (Ti в 321 и Nb в 347H) специально включены для предотвращения осаждения карбидов хрома на границах зерен во время воздействия на сенсибилизирующие температурные диапазоны, тем самым уменьшая восприимчивость к межкристаллической коррозии. - Стабилизация ниобием в 347H в сочетании с более высоким содержанием углерода улучшает стойкость к межкристаллическому разрушению при длительном воздействии высоких температур и термических циклах, характерных для котлов и супернагревателей.
Использование коррозионных индексов - Эквивалентный номер стойкости к образованию ямок (PREN) имеет значение для оценки стойкости к образованию ямок в хлоридных средах: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Для 321 и 347H PREN имеет ограниченную полезность, поскольку эти марки не предназначены в первую очередь для высокой стойкости к образованию ямок (бедны на Mo); PREN более значим для дуплексных или высоко-Mo аустенитов/ферритов.
Защита поверхности для не нержавеющих альтернатив - Не применимо здесь (обе являются нержавеющими). Для не нержавеющих сталей защита будет включать оцинковку, покраску или покрытие.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Аустенитные нержавеющие стали быстро упрочняются при обработке; обе марки 321 и 347H требуют острых инструментов, жестких установок и правильных параметров резки. 347H (с более высоким содержанием углерода) может обрабатываться немного сложнее, чем 321, но разница незначительна.
- Формуемость и изгиб: Обе марки хорошо формуются в отожженном состоянии. 321 может демонстрировать немного лучшую формуемость из-за более низкого содержания углерода, в то время как более высокое содержание углерода и структура осадков в 347H могут жестче материал.
- Отделка поверхности: Обе марки требуют аналогичных процессов отделки и полировки; травление и пассивация являются стандартными процедурами после сварки для восстановления хромсодержащей пассивной пленки.
8. Типичные применения
| 321 – Типичные применения | 347H – Типичные применения |
|---|---|
| Компоненты выхлопных систем и теплообменники в авиационных и автомобильных системах | Трубки котлов, трубопроводы супернагревателей и повторителей в угольных и ядерных электростанциях |
| Оборудование для химических процессов, подвергающееся умеренным высоким температурам и коррозионным атмосферам | Оборудование для высокотемпературных печей и трубопроводов, требующее долговечной стойкости к ползучести |
| Оборудование для переработки пищи и приспособления для термообработки, где требуется стабилизация | Высокотемпературные трубопроводы и компоненты сосудов в нефтехимической промышленности, где риск сенсибилизации высок |
| Компоненты аэрокосмической и двигательной техники, где стабилизация титаном хорошо понимается | Компоненты, подвергающиеся длительным термическим циклам, где стабилизация ниобием сохраняет целостность границ зерен |
Обоснование выбора - Выбирайте 321, когда требуется общая коррозионная стойкость при высоких температурах и хорошая свариваемость, а стоимость или легкость формования являются приоритетом. - Выбирайте 347H, когда эксплуатация включает длительное воздействие при повышенных температурах, где межкристаллическая коррозия (сенсибилизация) и стойкость к ползучести являются основными проблемами, и приемлема немного более высокая стоимость материала.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 321 обычно доступна и, как правило, дешевле, чем 347H, поскольку марки с высоким содержанием углерода, легированным ниобием, являются специализированными изделиями и требуют более дорогих легирующих и технологических контролей.
- Доступность: 321 широко представлена в виде листов, пластин, прутков и сварных/бесшовных труб. 347H доступна в стандартных формах продукции, но может быть менее распространена в некоторых регионах рынка и в бесшовных продуктах большого диаметра — сроки поставки и минимальные заказы могут быть длиннее.
- Примечание по закупкам: указывайте точный класс и требования к стабилизации (Ti против Nb, диапазон углерода) в заказах на покупку, чтобы избежать получения не-H варианта 347 или нестабилизированной марки.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: качественное резюме
| Критерий | 321 | 347H |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая — легче контролировать с Ti стабилизацией | Хорошая — требует внимания к Nb стабилизации и выбору наполнителя |
| Прочность–Ударная прочность (высокая температура) | Хорошая при умеренных температурах | Лучшая прочность при высоких температурах и стойкость к ползучести |
| Стоимость | Как правило, ниже / широко доступна | Как правило, выше / специализированный класс |
Заключение (рекомендации) - Выбирайте 321, если: - Применение связано с умеренными высокими температурами с периодическим термическим циклом, где требуется хорошая общая коррозионная стойкость и легкость изготовления. - Важны стоимость, формуемость и доступные формы продукции. - Выбирайте 347H, если: - Эксплуатация включает длительное воздействие при повышенных температурах, долговечное напряжение на ползучесть или повторяющиеся термические циклы, которые могут вызвать сенсибилизацию и межкристаллическую коррозию. - Критична сохранность механических свойств при высоких температурах и стабильность границ зерен, и вы можете принять более высокую стоимость материала и немного более строгие требования к сварке/изготовлению.
Заключительная практическая заметка - Для критически важных компонентов, подвергающихся длительному воздействию высоких температур, указывайте стабилизированный класс, требуемую термообработку после изготовления (если есть), состав сварочного наполнителя и критерии инспекции. Раннее взаимодействие с металлургией и сварочной инженерией на этапе проектирования и закупок помогает избежать дорогостоящих поломок на месте или повторного производства.