Нержавеющие стали AISI-304 -321 -316L: технический обзор Фото: Винные емкости из нержавеющей стали. Pixabay

Основным преимуществом сталей аустенитного класса AISI-304 -321 -316L являются их высокие эксплуатационные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность

  • 23.06.2020
  • 243

Свойства металлов

Красноломкость - свойство металлов давать трещины при горячей обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка) в области температур красного или жёлтого каления (850-1150°C).

Хладноломкость - склонность металла растрескиваться и ломаться при холодной механической обработке.

Определение нержавеющей стали

Нержавеющая сталь (коррозионностойкие стали) - легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.

Классификация

Нержавеющие стали делят на 3 группы:

1. Коррозионностойкие стали - от них требуется стойкость к коррозии в несложных промышленных и бытовых условиях (из них можно изготавливать детали оборудования для нефтегазовой, легкой, машиностроительной промышленности, хирургические инструменты, бытовую нержавеющую посуду и тару).

2. Жаростойкие стали - от них требуется жаростойкость, то есть стойкость к коррозии при высоких температурах в сильно агрессивных средах, например, на химических предприятиях.

3. Жаропрочные стали - от них требуется жаропрочность, то есть хорошая механическая прочность при высоких температурах.

По химическому составу нержавеющие стали делятся на 3 группы:

1. Хромистые

  • Мартенситные;
  • Полуферритные (мартенисто-ферритные);
  • Ферритные.

2. Хромоникелевые

  • Аустенитные;
  • Аустенитно-ферритные;
  • Аустенитно-мартенситные;
  • Аустенитно-карбидные.

3. Хромомарганцево-никелевые

Стали марки AISI-304 -321 -316L относятся к хромоникелевым сталям, аустенитному классу высоколегированных сталей, образующих при кристаллизации преимущественно однофазную аустенитную структуру γ-Fe c гранецентрированной кристаллической (ГЦК) решеткой, которая сохраняет форму при охлаждении материала до криогенных температур. Содержание другой фазы - высоколегированного феррита (δ-Fe с объёмно-центрированной кристаллической (ОЦК) решеткой) изменяется от 0 до 10%.

Такие стали содержат 18-25% Сг (хрома) обеспечивающего жаро- и коррозионную стойкость, а также 8-35% Ni (никеля), стабилизирующего аустенитную структуру и повышающего жаропрочность, увеличивая пластичность и технологичность сталей в широком интервале температур.

Это позволяет использовать аустенитные стали в качестве коррозионностойких, жаропрочных, жаростойких, криогенных конструкционных материалов в химических, теплоэнергетических и атомных установках, где они подвергаются совместному сочетанию воздействия напряжений, высоких температур и агрессивных сред.

Обозначения стандартных нержавеющих сталей по AISI включают в себя три цифры и следующие за ними в ряде случаев одну, две или более буквы. Первая цифра обозначения определяет класс стали. Так, обозначения аустенитных нержавеющих сталей начинаются с цифр 2ХХ и 3ХХ, в то время как ферритные и мартенситные стали определяются по классу 4ХХ.

Дополнительные буквы, следующие за цифрами, используемые для обозначения нержавеющих сталей по AISI означают:

xxxL

Низкое содержание углерода <0,03%

xxxS

Нормальное содержание углерода <0,08%

xxxN

Добавлен азот

xxxLN

Низкое содержание углерода <0,03% + добавлен азот

xxxF

Повышенное содержание серы и фосфора

xxxSe

Добавлен селен

xxxB

Добавлен кремний

xxxH

Расширенный интервал содержания углерода

xxxCu

Добавлена медь

Основным преимуществом сталей аустенитного класса AISI-304 -321 -316L являются их высокие эксплуатационные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.

Теоретически изделия из аустенитных нержавеющих сталей при нормальных условиях - немагнитные, но после холодного деформирования (любой механической обработки) могут проявлять некоторые магнитные свойства (часть аустенита превращается в феррит).

Таблица стандартов

Европейская
норма
EN10088-2

Аналоги стали

UNS

SIS

BS

JIS
Япония

ГОСТ
Россия

AISI
США

Германия

1.4301

S30400

2332/33

304S31

SUS304

08X18H10

304

X5CrNi1810

1.4404

S31603

2348

316S11

SUS316L

03X17H13M2

316L

X2CrNiMo17-12-2

1.4541

S32100

2337

321S31

SUS321

08X18H10T

321

X6CrNiTi18 -10

Различия сталей AISI

AISI-304

Аустенитная, с низким содержанием углерода. Модификация стали AISI-304 имеет широкую сферу применения и большой спрос у потребителей, поскольку является универсальным продуктом. AISI-304 обладает лучшими (относительно других марок) показателями по свариваемости, сопротивлению коррозии и окислению. Сталь этой марки обладает отличными низкотемпературными свойствами и одновременно рекомендована к использованию при высоких температурах. Среди множества других сплавов ее также выделяют механические свойства, химический состав и относительно невысокая стоимость. AISI 304 обладает высокой пластичностью для таких операций механической обработки как прокат, волочение.

AISI-316L

Сталь аналогичная AISI-304 с очень низким содержанием углерода и добавлением молибдена около 2,5%. Стальной сплав AISI-316L представляет собой оптимизированный вариант версии AISI-304, который дополнительно обогащен молибденом. Для этого сплава характерно более высокое содержание никеля. Данная версия стали имеет в разы большую способность к сопротивлению коррозии в агрессивных средах. В условиях паров уксусной кислоты, едкого хлора или морской воды добавление молибдена позволяет стали приобрести устойчивость к различным видам коррозии, среди которых можно назвать, в том числе, питтинговую (точечную) и щелевую. Более низкая общая коррозионная устойчивость в относительно малоагрессивных средах позволяет показывать прекрасное сопротивление коррозии в загрязненном воздухе и в приморской зоне.

AISI-321

Хромоникелевая сталь с добавкой титана (Ti). Модификация стали AISI-321 обладает отличными характеристиками устойчивости к коррозии и высоким температурам, однако при этом она недостаточно сопротивляется воздействию серосодержащих сред. Данную сталь рекомендуется использовать при температурах от 600°С до 800°С. Стоит отметить, что срок ее службы может быть очень длительным. Сталь AISI321 не подвержена межкристаллитной коррозии, поскольку в ее составе есть титан, применяемый для придания сплавам высокой твердости. Особое внимание стоит обратить на то, что в сваренном состоянии сталь AISI-321 не должна применяться в чрезмерно кислых агрессивных средах. Сталь более устойчива к механическому воздействию в отличии от AISI-304 -316L.

Применение сталей AISI

AISI-304

Это наиболее распространенная в применении сталь. Она обладает высокой пластичностью, что позволяет широко использовать AISI-304 в штампованных изделиях с высоким уровнем вытяжки и сложным рельефом, например при изготовлении моек, раковин и тому подобных предметов быта. Благодаря низкому содержанию углерода сталь AISI-304 обладает улучшенными сварочными характеристиками.

Пищевая промышленность: изготовление различных емкостей, передающих устройств. Изготовление дымоходов, систем дымоудаления и вентиляции. Практически во всех молочных и пивоваренных производствах используется сталь AISI-304 в качестве основного материала для изготовления оборудования, инструмента и приборов.

Вторыми по значимости отраслями промышленности, которые без преувеличения не могут обойтись без стали AISI-304, можно назвать фармацевтическую и медицинскую. В этих отраслях AISI-304 применяют при производстве медицинского и фармакологического оборудования и инструмента, имплантатов и медицинской мебели.

Самый большой объем потребления стали AISI-304 приходится на нефтехимические и химические производства. Благодаря высокой сопротивляемости агрессивным средам трубы из AISI-304 в этих отраслях применяются повсеместно. Также, в нефтегазовой сфере большой объем потребления приходится на производство скважинных фильтров, плоских щелевых решеток, плоских щелевых сит, которые изготавливаются из профилированной нержавеющей проволоки.

AISI-316L

Из-за своего выдающегося сопротивления коррозии и окислению, выдающихся механических свойств и технологичности, AISI-316 применяется во многих секторах промышленности. Некоторые из них включают: баки и судна для хранения коррозионных жидкостей, специализированное промышленное оборудование в химическом, продовольственном, бумажно-целлюлозном, горнодобывающем, фармацевтическом и нефтехимическом секторах экономики, архитектурные конструкционные элементы, находящиеся в коррозионных средах.

AISI-321

Нержавеющая сталь AISI-321 применяется во многих областях производства.

Машиностроение и металлообработка: для изготовления деталей механизмов и машин.

Пищевая и химическая промышленность: для изготовления резервуаров и трубопроводов (труб и трубопроводной арматуры), контактирующих с кислыми и щелочными средами, в том числе, с продуктами питания.

Производство оборудования, работающего в диапазоне высоких температур: печной арматуры, теплообменников, корпусов тепловых и паровых котлов.

Нефтегазовая промышленность: для производства емкостей и цистерн высокой прочности, предназначенных для хранения веществ (сжатых и сжиженных газов) под давлением.

Монтаж сварных конструкций (опор, колонн, балок), взаимодействующих с агрессивными средами.

Значение химических элементов, присутствующих в нержавеющих сталях AISI

С

углерод

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита - очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз, поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот снижаются.

Si

кремний

Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Mn

марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

P

фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится к наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости, снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

S

сера

Вредная примесь. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

N

азот

Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250°С.

Cr

хром

Основной легирующий элемент, обеспечивающий коррозионную стойкость стали в любых средах, в том числе окислительных. Хром образует на своей поверхности защитную оксидную пленку и благодаря этому приобретает высокую химическую стойкость. При добавлении хрома в сталь с концентрацией не менее 11,7 % он прочно соединяется с железом и придает ему антикоррозионные свойства, причем эти свойства увеличиваются пропорционально содержанию хрома.

Ni

никель

В сталях является элементом, способствующим образованию и сохранению аустенита. Никель повышает упрочняемость сталей. В комбинации с хромом и молибденом никель еще больше повышает способность сталей к термическому упрочнению, способствует повышению вязкости и усталостной прочности сталей. Растворяясь в феррите, никель повышает его вязкость. Никель увеличивает сопротивление коррозии хромоникелевых аустенитных сталей в неокисляющих кислотных растворах.

Mo

молибден

Молибден повышает коррозионную стойкость сталей и поэтому широко применяется в высоколегированных ферритных нержавеющих сталях и в хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталях. Высокое содержание молибдена снижает склонность нержавеющей стали к точечной (питтинговой) коррозии. Молибден оказывает очень сильное упрочнение твердого раствора аустенитных сталей, которые применяются при повышенных температурах.

Ti

титан

Титан повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Таблица параметров химических элементов

Марка
стали
AISI
Химический состав, %
C Si Mn P S N Cr Mo Ni Ti
304 <0,07 <1,00 <2,00 <0,045 <0,015 <0,011 17,00-19,50   8,00-10,50  
316 L <0,030 <1,00 <2,00 <0,045 <0,015 <0,011 16,50-18,50 2,00-2,50 10,00-13,00  
321 <0,08 <1,00 <2,00 <0,045 <0,015   17,00-19,00   9,00-12,00 <0,70

Физические параметры сталей AISI

Свойства  Eдиница измерения  AISI 304  AISI 316L  AISI 321 
Предел текучести, Rp  N/mm²  190 200 190
Временное сопротивление разрыву, Rm  N/mm²  500-700  500-700  500-700 
Относительное удлинение, А100  45 40 45
Твердость  HRC  215 215 215
Плотность  кг/м³  7,93 8,0 7,9
Температура плавления  °С  1 420 1 440 1 420
Удельная теплоемкость  J/kg∙K  500 500 500
Тепловое расширение  W/m∙K  15 15 15
Электрическое сопротивление  Ом 0,73 0,75 0,73
Магнитная проницаемость  kA/m  1,015 1,005 1,01
Модуль упругости, Е  MPa  200 200 200

Комментарии

Оставить комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Поиск

Другие публикации