309S нержавеющая сталь: свойства и ключевые применения

Нержавеющая сталь 309S - это высоколегированная аустенитная нержавеющая сталь, известная своим отличным сопротивлением к окислению и коррозии при повышенных температурах. Классифицируется как аустенитная нержавеющая сталь, она в основном содержит хром (Cr) и никель (Ni) в качестве легирующих элементов, с низким содержанием углерода, что улучшает ее сварку и снижает риск осаждения карбидов во время сварки. Типичный состав 309S включает примерно 22% хрома и 12% никеля, что способствует ее прочности при высоких температурах и устойчивости к окислению.

Обзор

Нержавеющая сталь 309S особенно ценится в приложениях, где стабильность при высоких температурах и сопротивление окислению являются критическими. Ее врожденные свойства включают отличную пластичность, прочность и высокую формуемость, что делает ее подходящей для различных процессов обработки. Низкое содержание углерода сводит к минимуму риск межзерновой коррозии, которая является распространенной проблемой в сталях с более высоким содержанием углерода.

Преимущества:
- Устойчивость к высоким температурам: 309S сохраняет прочность и сопротивление окислению при температурах до 1100°C (2012°F).
- Коррозионная стойкость: Обладает хорошей устойчивостью к различным коррозионным средам, включая кислые и щелочные условия.
- Сварка: Низкое содержание углерода позволяет легко сваривать без значительного риска деградации сварного шва.

Ограничения:
- Стоимость: Высокое содержание никеля может сделать 309S более дорогой, чем другие сорта нержавеющей стали.
- Рабочая упрочняемость: Хотя она пластична, может быстро упрочняться, что может усложнить процессы обработки.

Исторически 309S использовалась в таких приложениях, как компоненты печей, теплообменники и оборудование для химической обработки, что отражает ее важность в отраслях, требующих материалов, способных выдерживать экстремальные условия.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Организация стандартизации	Обозначение/Группа	Страна/Регион происхождения	Заметки
UNS	S30908	США	Ближайший эквивалент 309S
AISI/SAE	309S	США	Версия с низким содержанием углерода 309
ASTM	A240	США	Стандартная спецификация для нержавеющих стальных листов
EN	1.4828	Европа	Эквивалентная группа в Европе
JIS	SUS309S	Япония	Японское стандартное обозначение
GB	00Cr25Ni20	Китай	Эквивалент с незначительными составными отличиями

Различия между эквивалентными группами часто связаны с конкретными легирующими элементами и их процентами, что может влиять на такие свойства, как коррозионная стойкость и механическая прочность. Например, хотя 1.4828 обладает схожими свойствами, она может не проявлять себя на уровне 309S в определенных коррозионных средах.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Процентный диапазон (%)
Cr (Хром)	22.0 - 24.0
Ni (Никель)	12.0 - 15.0
C (Углерод)	≤ 0.08
Mn (Марганец)	2.0 - 4.0
Si (Кремний)	0.5 - 1.0
P (Фосфор)	≤ 0.045
S (Сера)	≤ 0.03

Основная роль хрома в 309S заключается в повышении коррозионной стойкости и образовании защитного оксидного слоя. Никель способствует прочности и пластичности стали, в то время как марганец и кремний улучшают прочность стали и деоксидирование во время плавления.

Механические свойства

Свойство	Условие/Температура	Типичное значение/Диапазон (метрические)	Типичное значение/Диапазон (имперские)	Ссылка на стандарт для метода испытаний
Предельная прочность при растяжении	Отожженная	520 - 750 МПа	75 - 109 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (сдвиг 0.2%)	Отожженная	205 - 310 МПа	30 - 45 ksi	ASTM E8
Удлинение	Отожженная	40 - 50%	40 - 50%	ASTM E8
Твердость (по Роквеллу B)	Отожженная	70 - 90 HRB	70 - 90 HRB	ASTM E18
Ударная прочность (Шарпи)	-20°C (-4°F)	40 Дж	30 фунт-фут	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на разрыв и предела текучести, вместе с хорошим удлинением, делает 309S подходящей для приложений, требующих структурной целостности под механической нагрузкой. Ее прочность при низких температурах также позволяет использовать в криогенных приложениях.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	Комнатная температура	7.93 г/см³	0.286 фунт/дюйм³
Температура плавления/Диапазон	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	16.3 Вт/м·К	112 BTU·дюйм/(ч·фут²·°F)
Удельная теплоемкость	Комнатная температура	500 Дж/кг·К	0.12 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Комнатная температура	0.72 µΩ·м	0.72 µΩ·дюйм
Коэффициент теплового расширения	20 - 100 °C	16.0 x 10⁻⁶/К	8.89 x 10⁻⁶/°F

Плотность и температура плавления 309S указывают на ее прочность, в то время как теплопроводность и теплопроводимость являются критически важными для приложений, связанных с теплопередачей. Коэффициент теплового расширения показывает, что она может выдерживать тепловые циклы без значительных деформаций.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Оценка сопротивления	Заметки
Серная кислота	10	25/77	Удовлетворительная	Риск точечной коррозии
Хлористые соединения	3	60/140	Хорошо	Уязвимость к точечной коррозии
Уксусная кислота	50	25/77	Отлично	Устойчива
Морская вода	-	25/77	Хорошо	Общая коррозионная стойкость
Соляная кислота	5	25/77	Плохо	Не рекомендуется

Нержавеющая сталь 309S демонстрирует отличное сопротивление широкому спектру коррозионных сред, особенно в кислых и щелочных условиях. Однако она подвержена точечной коррозии в средах с высоким содержанием хлоридов, что является критическим фактором в морских приложениях. По сравнению с такими марками, как 304 и 316, 309S предлагает превосходное сопротивление окислению при высоких температурах, но может не проявлять себя так же хорошо в хлоридных средах, как 316.

Устойчивость к жаре

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Заметки
Максимальная температура непрерывной работы	1100	2012	Подходит для длительного воздействия
Максимальная температура периодической работы	1200	2192	Только для кратковременного воздействия
Температура образования окалины	900	1652	Начинает значительно окисляться
Условия прочности на ползучесть	800	1472	Сопротивление ползучести начинает снижаться

При высоких температурах 309S сохраняет свою прочность и сопротивление окислению, что делает ее подходящей для приложений, таких как компоненты печей и теплообменники. Однако длительное воздействие температур выше 1100°C может привести к окислению и образованию окалины, что может повредить целостности материала.

Свойства обработки

Сварка

Процесс сварки	Рекомендуемый наполняющий металл (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Заметки
TIG	ER309L	Аргон	Предпочтителен наполняющий металл с низким содержанием углерода
MIG	ER309	Аргон + CO2	Хорошо подходит для тонких секций
SMAW	E309L	-	Подходит для всех положений

309S очень хорошо сваривается, особенно при использовании наполняющих металлов с низким содержанием углерода, чтобы минимизировать риск осаждения карбидов. Обычно предварительный подогрев не требуется, но послесварочная термообработка может быть полезной для снятия напряжений.

Обрабатываемость

Параметр обработки	309S	AISI 1212	Заметки/Советы
Относительный индекс обрабатываемости	30%	100%	Требует более медленных скоростей
Типичная скорость резания	20 м/мин	40 м/мин	Используйте острые инструменты

Обработка 309S может быть сложной из-за ее свойств упрочнения. Рекомендуется использовать острые инструменты и медленные скорости резания для достижения оптимальных результатов.

Формуемость

309S обладает хорошей формуемостью, что позволяет проводить холодные и горячие процессы формования. Однако, из-за своей характеристики упрочнения, необходимо внимательно следить за радиусами изгиба и техниками формования, чтобы избежать трещин.

Термическая обработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	1040 - 1150 / 1900 - 2100	1 - 2 часа	Воздух	Снятие напряжений, улучшение пластичности
Растворительная обработка	1050 - 1100 / 1920 - 2010	30 минут	Вода	Растворение карбидов, повышение коррозионной стойкости

Во время термической обработки 309S проходит металлургические изменения, улучшающие ее микроструктуру и свойства. Отжиг снимает внутренние напряжения и улучшает пластичность, в то время как растворительная обработка помогает растворить карбиды, улучшая коррозионную стойкость.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора
Aэрокосмическая	Выхлопные системы	Устойчивость к высоким температурам, коррозионная стойкость	Долговечность в экстремальных условиях
Химическая переработка	Реакторы	Коррозионная стойкость, свариваемость	Долгий срок службы в жестких условиях
Энергетика	Трубки котлов	Прочность при высоких температурах, стойкость к окислению	Эффективность передачи тепла
Нефть и газ	Компоненты трубопроводов	Коррозионная стойкость, прочность	Надежность в жестких условиях

• Компоненты печей: 309S часто используется в защитном слое печей и приспособлениях для термической обработки из-за своей способности выдерживать высокие температуры.
• Теплообменники: Ее теплопроводность и коррозионная стойкость делают ее идеальной для теплообменников в химической переработке.
• Оборудование для химической обработки: Используется в реакторах и резервуарах, где важна устойчивость к коррозионным агентам.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные соображения

Особенность/Свойство	309S	304	316	Краткое примечание о преимуществах/недостатках или компромиссе
Ключевое механическое свойство	Высокая предел прочности на разрыв	Умеренная прочность	Умеренная прочность	309S предлагает превосходную прочность при высоких температурах
Ключевой аспект коррозии	Хорошо в кислых средах	Хорошо в общих средах	Отлично в хлоридных средах	316 лучше подходит для морских приложений
Сварка	Отлично	Хорошо	Хорошо	У 309S меньший риск осаждения карбидов
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошо	Умеренная	304 легче обрабатывать
Формуемость	Хорошо	Отлично	Хорошо	304 обладает лучшей формуемостью
Приблизительная относительная стоимость	Выше	Ниже	Выше	Цена варьируется в зависимости от рыночной ситуации
Типичная доступность	Умеренная	Высокая	Высокая	304 и 316 более распространены на складе

При выборе нержавеющей стали 309S следует учитывать ее экономическую эффективность, доступность и специфические требования к приложению. Хотя она может быть дороже других марок, ее превосходные показатели при высоких температурах и коррозионная стойкость могут оправдать инвестиции в критически важные приложения. Кроме того, ее магнитные свойства незначительны, что делает ее подходящей для приложений, где необходимо минимизировать магнитные помехи.

В заключение, нержавеющая сталь 309S - это универсальный и прочный материал, который превосходит в условиях высокой температуры и коррозии, что делает его предпочитаемым выбором в различных отраслях. Ее уникальные свойства, хотя и создают некоторые трудности в обработке, предоставляют значительные преимущества, которые могут улучшить производительность и долговечность компонентов в требовательных приложениях.