Нержавеющая сталь сплав 20: свойства и ключевые применения

Сплав 20, также известный как Carpenter 20 или UNS N08020, является сплавом никеля, хрома и молибдена, разработанным для отличной коррозионной стойкости, особенно в условиях серной кислоты. Он классифицируется как аустенитная нержавеющая сталь, характеризующаяся высоким содержанием никеля, что обеспечивает улучшенную стойкость к точечной и шовной коррозии. Основными легирующими элементами являются никель (Ni), хром (Cr) и молибден (Mo), каждый из которых способствует общей производительности и долговечности сплава.

Общий обзор

Сплав 20 в основном используется в приложениях, где стойкость к коррозионным условиям критична. Его состав обычно включает около 20% никеля, 20% хрома и 2-3% молибдена, что в совокупности увеличивает его стойкость к различным коррозионным агентам, особенно к серной кислоте. Высокое содержание никеля стабилизирует аустенитную структуру, обеспечивая хорошую пластичность и прочность, в то время как хром обеспечивает стойкость к окислению, а молибден улучшает стойкость к точечной коррозии.

Преимущества:
- Коррозионная стойкость: Исключительная стойкость к серной кислоте и другим коррозионным условиям.
- Пластичность и прочность: Сохраняет хорошие механические свойства даже при низких температурах.
- Свариваемость: Подходит для различных процессов сварки без значительного риска растрескивания.

Ограничения:
- Стоимость: Более высокое содержание никеля приводит к увеличению стоимости материалов по сравнению со стандартными нержавеющими сталями.
- Упругость при обработке: Может быть сложно обрабатывать из-за характеристик упрочнения при деформации.

Сплав 20 имеет значительное присутствие на рынке в таких отраслях, как химическая переработка, фармацевтика и производство продуктов питания, где его коррозионная стойкость имеет первостепенное значение. Исторически он был предпочтительным выбором для приложений, связанных с агрессивными химикатами, что сделало его основным материалом в области материаловедения.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Номенклатура/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Замечания
UNS	N08020	США	Ближайший эквивалент AISI 316L, но с лучшей стойкостью к серной кислоте.
ASTM	A387 Gr. 20	США	Используется для сосудов под давлением в коррозионной среде.
EN	2.4660	Европа	Похожие свойства, но могут быть небольшие различия в составе.
JIS	G 4305	Япония	Эквивалент SUS 316L с улучшенной коррозионной стойкостью.

Различия между Сплавом 20 и его эквивалентами часто заключаются в специфическом составе и полученной производительности в определенных условиях. Например, хотя AISI 316L предлагает хорошую коррозионную стойкость, Сплав 20 специально разработан для превосходной производительности в серной кислоте, что делает его лучшим выбором для определенных приложений.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ)	Процентный диапазон (%)
Никель (Ni)	19.0 - 21.0
Хром (Cr)	19.0 - 21.0
Молибден (Mo)	2.0 - 3.0
Железо (Fe)	Остальное
Углерод (C)	≤ 0.03
Марганец (Mn)	≤ 2.0
Кремний (Si)	≤ 1.0
Фосфор (P)	≤ 0.045
Сера (S)	≤ 0.030

Основная роль никеля в Сплаве 20 заключается в повышении его коррозионной стойкости и стабилизации аустенитной структуры, в то время как хром способствует устойчивости к окислению. Молибден особенно эффективен в улучшении стойкости к точечной и шовной коррозии, что делает Сплав 20 подходящим для жестких химических условий.

Механические свойства

Свойство	Условие	Типичное значение/диапазон (метрическая)	Типичное значение/диапазон (имперская)	Справочный стандарт
Прочность на растяжение	Отожженный	620 - 750 МПа	90 - 110 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (с 0.2% смещения)	Отожженный	310 - 450 МПа	45 - 65 ksi	ASTM E8
Удлинение	Отожженный	40 - 50%	40 - 50%	ASTM E8
Твердость (по Роквеллу B)	Отожженный	85 - 95 HRB	85 - 95 HRB	ASTM E18
Ударная прочность (по Шарпи)	-20°C	40 Дж	30 ft-lbf	ASTM E23

Комбинация высокой прочности на растяжение и предельной прочности, наряду с хорошим удлинением, делает Сплав 20 подходящим для приложений, требующих как прочности, так и пластичности. Его ударная прочность при низких температурах обеспечивает надежность в холодных условиях, что делает его универсальным выбором для различных инженерных приложений.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	Температура окружающей среды	8.0 г/см³	0.289 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1370 - 1400 °C	2500 - 2550 °F
Теплопроводность	Температура окружающей среды	14 Вт/м·К	81 BTU·дюйм/фут²·час·°F
Удельная теплоемкость	Температура окружающей среды	500 Дж/кг·К	0.12 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Температура окружающей среды	0.7 µΩ·м	0.7 µΩ·дюйм

Плотность Сплава 20 указывает на его значительную массу, что полезно в приложениях, требующих долговечности. Его теплопроводность умеренная, что делает его подходящим для тепловых приложений без избыточных потерь тепла. Удельная теплоемкость свидетельствует о том, что он может поглощать значительное количество тепла без резких изменений температуры, что является преимуществом в условиях тепловой обработки.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C)	Рейтинг стойкости	Примечания
Серная кислота	0 - 98	20 - 60	Отлично	Высокая стойкость, минимальное точечное корродирование.
Хлориды	0 - 10	20 - 50	Хорошо	Риск точечной коррозии при более высоких концентрациях.
Уксусная кислота	0 - 100	20 - 80	Хорошо	В общем, искомая стойкость, но следует проявлять осторожность при высоких температурах.
Морская вода	-	Окружающая среда	Умеренно	Подвержен локализованной коррозии.

Сплав 20 демонстрирует исключительную стойкость к серной кислоте, что делает его идеальным для приложений в химической переработке. Однако важно отметить, что хотя он хорошо показывает себя во многих средах, он может быть подвержен локализованной коррозии в средах, богатых хлоридами, особенно при повышенных температурах. По сравнению с марками, такими как AISI 316L, Сплав 20 предлагает превосходные показатели в кислых условиях, но может быть не столь эффективным в щелочных средах.

Тепловая стойкость

Свойство/Ограничение	Температура (°C)	Температура (°F)	Замечания
Максимальная температура непрерывной службы	400 °C	752 °F	Подходит для непрерывной работы при этой температуре.
Максимальная температура прерывистой службы	450 °C	842 °F	Может выдерживать более высокие температуры прерывисто.
Температура отслаивания	600 °C	1112 °F	Риск отслаивания выше этой температуры.

При высоких температурах Сплав 20 сохраняет свои механические свойства и коррозионную стойкость, что делает его подходящим для приложений с температурными нагрузками. Однако необходимо избегать длительного воздействия температур выше 400 °C, так как это может привести к отслаиванию и ухудшению свойств.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый заполненный металл (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
TIG	ERNiCr-3	Аргон	Отлично для тонких секций.
MIG	ERNiCrMo-3	Аргон + CO2	Хорошо для более толстых сечений.
SMAW	E NiCrFe-3	-	Подходит для полевых приложений.

Сплав 20 обладает высокой свариваемостью с минимальным риском растрескивания в процессе сварки. Предварительный подогрев, как правило, не требуется, но термическая обработка после сварки может улучшить свойства шва. Следует уделить внимание выбору соответствующих заполненных металлов для обеспечения совместимости и производительности.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Сплав 20	AISI 1212	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	30%	100%	Сплав 20 сложнее обрабатывать.
Типичная скорость резки (токарная обработка)	30 м/мин	60 м/мин	Используйте острые инструменты и соответствующие подачи.

Обработка Сплава 20 может быть более сложной, чем обработка углеродных сталей из-за его характеристик упрочнения при деформации. Рекомендуется использовать острые инструменты и соответствующие скорости резки, чтобы минимизировать износ инструмента и добиться желаемого качества поверхности.

Формуемость

Сплав 20 демонстрирует хорошую формуемость, что позволяет проводить процессы холодной и горячей формовки. Его можно сгибать и формировать без значительного риска растрескивания, хотя следует учитывать избежание чрезмерного упрочнения при деформации. Рекомендуемые радиусы изгиба должны соблюдаться, особенно в приложениях холодной формовки.

Термическая обработка

Процесс обработки	Диапазон температур (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основное назначение / Ожидаемый результат
Растворное отжиг	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	30 минут	Воздух	Растворение карбидов, повышение коррозионной стойкости.
Снятие напряжений	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 час	Воздух	Снижение остаточных напряжений.

Процессы термической обработки, такие как растворное отжиг, имеют решающее значение для оптимизации микроструктуры Сплава 20. Этот процесс помогает растворять карбиды и увеличивать коррозионную стойкость сплава, обеспечивая оптимальную производительность в агрессивных условиях.

Типичные приложения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора
Химическая переработка	Хранилища для серной кислоты	Коррозионная стойкость, прочность	Ключевое значение для работы с агрессивными химикатами.
Фармацевтика	Оборудование в производстве лекарств	Удобство очистки, коррозионная стойкость	Обеспечивает чистоту и безопасность продукта.
Переработка пищи	Оборудование для переработки	Коррозионная стойкость, гигиеничность	Соответствует строгим требованиям к здоровью.

Другие применения включают:
- Нефть и газ: Компоненты, подвергающиеся воздействию коррозионных сред.
- Целлюлоза и бумага: Оборудование, обрабатывающее кислые процессы целлюлизации.
- Морские приложения: Компоненты в условиях морской воды.

Сплав 20 выбирается для этих приложений из-за его превосходной коррозионной стойкости, особенно в средах, где другие нержавеющие стали могут не справиться.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения

Особенность/Свойство	Сплав 20	AISI 316L	Hastelloy C-276	Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая прочность	Умеренная прочность	Высокая прочность	Сплав 20 предлагает баланс прочности и коррозионной стойкости.
Ключевой аспект коррозии	Отлично в кислотах	Хорошо в общем	Отлично в жестких условиях	Сплав 20 превосходит в серной кислоте, в то время как Hastelloy лучше для экстремальных условий.
Свариваемость	Хорошо	Отлично	Хорошо	Сплав 20 подходит для различных процессов сварки.
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошо	Плохо	Сплав 20 сложнее обрабатывать, чем 316L.
Приблизительная относительная стоимость	Высокая	Умеренная	Очень высокая	Расходы имеют важное значение для бюджета проекта.
Типичное наличие	Умеренное	Высокое	Низкое	Сплав 20 может иметь более длительные сроки поставки по сравнению с 316L.

При выборе Сплава 20 важны такие соображения, как стоимость, доступность и специфические требования приложений. Его уникальные свойства делают его подходящим для специализированных приложений, особенно в коррозионных условиях, в то время как его более высокая цена по сравнению со стандартными нержавеющими сталями должна быть оправдана потребностями в производительности.

В заключение, Сплав 20 является универсальным и высокоэффективным материалом для приложений, требующих исключительной коррозионной стойкости, особенно в условиях серной кислоты. Его механические свойства, свариваемость и формуемость делают его предпочтительным выбором в различных отраслях, несмотря на его более высокую стоимость и сложности в обработке.