1. Вступ
300-Серія Austenitic Stainless Steel — це робоча конячка сімейства нержавіючих сплавів, які використовуються в промисловості, оскільки вони поєднують стійкість до корозії, пластичність, міцність, і чудова виробничість в одному, універсальна система матеріалів.
Характеризується головним чином вмістом хрому в межах 16–20% і вміст нікелю приблизно 8–12%, ці сплави (найчастіше оцінки 304 і 316 та їх низьковуглецеві та стабілізовані варіанти)
утворюють стійкий аустеніт (гранецентрований куб) мікроструктура при кімнатній температурі, що забезпечує немагнітну поведінку в відпаленому стані, висока міцність до кріогенних температур, і передбачувані показники корозії в багатьох середовищах.
2. Що таке аустенітна нержавіюча сталь серії 300?
«300-серія» позначає групу аустеніту Нержавіючі сталі мікроструктура якого стабілізована як аустеніт (гранецентрований куб) відносно високим вмістом нікелю і хрому.
Типовий хімічний діапазон становить приблизно 16–20% хрому і 8–12% нікель, деякі сорти містять молібден, титан або ніобій для покращення продуктивності в певних середовищах.
Цей хімічний склад створює самовідновлювану пасивну оксидну плівку на поверхні та забезпечує пластичність і міцність, які визначають групу.
3. Загальні оцінки та переваги, що стосуються застосування
З 300-Серія аустенітних нержавіючих сталей охоплюють різноманітні оцінки, кожен розроблений для досягнення певних характеристик продуктивності шляхом контрольованих варіацій хімічного складу та обробки.
| Сорт (Нас) | Основні легуючі добавки | Ключові переваги | Основні програми |
| 304 (США S30400) | 18% Cr, 8% У, ≤0,08% С | Відмінна загальна стійкість до корозії, висока пластичність і пластичність | Обладнання для переробки харчових продуктів, кухонний посуд, архітектурні панелі |
| 304Л (США S30403) | 18% Cr, 8% У, ≤0,03% С | Низький вміст вуглецю для чудової зварюваності, знижений ризик сенсибілізації | Зварні баки, Трубопровідні системи, конструкційні зварні з'єднання |
| 316 (США S31600) | 16–18% Cr, 10% У, 2–3% міс, ≤0,08% С | Підвищена стійкість до хлоридів і хімічної корозії | Морська арматура, Хімічна обробка, фармацевтичне обладнання |
| 316Л (США S31603) | 16–18% Cr, 10% У, 2–3% міс, ≤0,03% С | Низьковуглецевий варіант 316 для зварних конструкцій, Відмінна резистентність до корозії | Морські трубопроводи, медичні інструменти, установки опріснення |
| 321 (США S32100) | 17–19% Cr, 9–12% в, Ti стабілізація, ≤0,08% С | Стабілізований титаном, стійкий до осадження карбіду при високих температурах | Випускні колектори, Теплообмінники, компоненти печі |
| 347 (США S34700) | 17–19% Cr, 9–12% в, Nb стабілізація, ≤0,08% С | Стабілізовані ніобієм, відмінна міцність на повзучість і стійкість до міжкристалічної корозії | Котельні труби, Нафтопереробні заводи, Судна тиску, високотемпературні парові системи |
| 310S (UNS S31008) | 24–26% Cr, 19–22% в, ≤0,08% С | Виняткова стійкість до високотемпературного окислення та корозії, зберігає міцність при підвищених температурах | Частини печі, обладнання для термообробки, печі, газові пальники, високотемпературні димоходи |
4. Ключові фізичні та механічні властивості
З 300-Серія аустенітних нержавіючих сталей характеризуються унікальним поєднанням механічної міцності, пластичність, і фізична поведінка, що робить їх дуже універсальними для інженерних застосувань.
На ці властивості впливає склад сплаву, холодна робота, термічна обробка, та умови навколишнього середовища.
Фізичні властивості
| Майно | Типове значення / Діапазон | Нотатки |
| Щільність | 7.9–8,1 г/см³ | Трохи вище для марок, що містять Мо (316/316Л) |
| Діапазон плавлення | 1370–1450°C | Дещо відрізняється залежно від сорту; 310S плавиться при ~1400–1450°C |
| Теплопровідність | 14–16 Вт/м·К | Відносно низький порівняно з вуглецевими сталями; впливає на зварювання та розсіювання тепла |
| Коефіцієнт теплового розширення (20–100°C) | 16–19 мкм/м·°C | Вище, ніж феритні сталі; важливий для збірок з різнорідними металами |
| Конкретна теплоємність | 0.50–0,54 Дж/г·К | Невеликий вплив вмісту нікелю |
| Електричний опір | 0.72–0,75 мкОм·м | Помірний; впливає на застосування з електричним нагріванням |
Механічні властивості
| Майно | 304 / 304Л | 316 / 316Л | 321 / 347 | 310S | Нотатки |
| Сила на розрив (MPA) | 505–720 | 515–720 | 515–760 | 550–830 | Залежить від холодної роботи; вище для листів холодної обробки |
| Похідна сила 0.2% Зсув (MPA) | 205–310 | 205–310 | 205–275 | 240–310 | Холодна робота підвищує межу текучості |
| Подовження (%) | 40–60 | 40–60 | 40–55 | 35-50 | Відмінна пластичність дозволяє глибоко витягувати і формувати |
| Твердість (HRB) | 70–95 | 70–95 | 80–95 | 80–95 | Загартування значно підвищує твердість |
| Модуль еластичності (GPA) | 193–200 | 193–200 | 190–200 | 190–200 | Нижче, ніж феритні сталі, впливає на пружність при формуванні |
| Вплив міцність (J) | 200–300 | 200–300 | 180–250 | 180–220 | Зберігає міцність при кріогенних температурах |
5. Основні характеристики аустенітної нержавіючої сталі 300-ї серії
З 300-серії аустенітної нержавіючої сталі відрізняються від інших сімейств нержавіючої сталі завдяки комбінації стабільна мікроструктура, продуктивність, керована легуванням, виняткова формоздатність, і універсальна зварюваність.
Стабільна аустенітна мікроструктура
- Немагнітний у відпаленому стані: З магнітною проникністю <1.005 (ASTM A342), відпалені сталі серії 300 по суті немагнітні.
Ця властивість критична в електроніка, МРТ камери, та медичне діагностичне обладнання, де навіть незначні магнітні перешкоди можуть поставити під загрозу функціональність. - Кріогенна міцність: Зберігається аустенітна мікроструктура ≈90% енергії удару при –270°C (температури рідкого гелію), роблячи ці сталі придатними для Ємності для зберігання СПГ, ракетні паливопроводи, і кріогенні труби.
- Температурна стабільність: Аустеніт залишається стабільним у широкому діапазоні температур, забезпечення постійних механічних властивостей від мінусових до високих температур.
Ефективність, керована легуванням
- Молібден для стійкості до хлориду: Додавання 2–3% понеділок в 316 оцінки збільшує Еквівалентне число опору піттінгу (Деревина) з 16 (304) до 18, уможливлення стійкості до 5% Розчини NaCl при 80°С, порівняно з 60°C для 304.
Це робить 316 ідеально підходить для морський, хімічний, і фармацевтичне застосування. - Стабілізатори для надійності зварювання: Титан в 321 зв'язується з вуглецем, запобігання осадження карбіду в зоні термічного впливу шва (Хаз).
Ніобій в 347 забезпечує аналогічну стабілізацію. Обидва сорти пройти тест Штрауса ASTM A262, забезпечення стійкість до міжкристалітної корозії після зварювання або тривалої роботи при високій температурі.
Виняткова здатність до формування
- Глибоке малювання: 304 може досягти a відношення глибини до діаметра 2.5:1, що робить його придатним для мийки з нержавіючої сталі, кухонний посуд, і складні геометрії танків.
Високе подовження (≥40%) і відносно низька межа текучості сприяють широкому формуванню без розтріскування. - Згинання: 300-серії сталей можна зігнути до a радіус такий маленький, як 1× товщина матеріалу (ASTM A480), порівняно з 2× для феритних 430 нержавіюча сталь.
Це мінімізує відходи виготовлення та дозволяє створювати складні конструкції компонентів. - Універсальність виготовлення: Відмінна пластичність дозволяє штампувати, спінінг, і операції гідроформування, забезпечення гнучкості для різноманітних промислових застосувань.
Універсальна зварюваність
- Термічна обробка після зварювання не потрібна: Низьковуглецеві марки (304Л, 316Л) зберігають повну стійкість до корозії після зварювання,
скорочення часу виготовлення на 20–30% порівняно з мартенситними нержавіючими сталями, які потребують термічної обробки після зварювання (Pwht) для зняття стресів. - Ефективність зварювання: Зварні з'єднання в 316L зберігаються ≈80% міцності на розрив основного металу (ASTM A312), роблячи їх придатними для Судна тиску, Трубопровідні системи, та структурні компоненти відповідно до ASMIME BPVCCCE A VIII.
- Легкість приєднання: Сумісний з TIG, Я, і контактне зварювання; мінімальна деформація та чудова стійкість до корозії в HAZ.
6. Корозійна стійкість: механізми та службові середовища
300-Сталі серії «нержавіючі», тому що тонкі, прихильник оксид хрому (Cr₂O₃) на поверхні швидко утворюється плівка.
Плівка самовідновлюється в окисних середовищах, але продуктивність залежить від середовища, температура і хімія сплаву.
Загальна корозія:
Відмінно в атмосферах, прісноводний, і багато хімічних технологічних рідин. Для більшості санітарно-гігієнічних і внутрішніх/зовнішніх конструкцій, 304 працює дуже добре.
Локалізована корозія (хлоридна точкова та щілинна корозія):
Ось де 316 і споріднені молібденовмісні марки перевершують 304.
Молібден підвищує еквівалентну кількість опору точці (Деревина) і підвищує порогову концентрацію хлоридів і температуру, за якої утворюються стійкі ямки.
Міжгранулярна корозія (сенсибілізація):
Якщо під час зварювання або тривалого перегріву аустенітні нержавіючі сталі утримуються в межах 450–850°C, карбіди хрому можуть випадати в осад на межах зерен, виснаження суміжного хрому та призведення до міжзеренної атаки.
Низьковуглецевий (Л) сорти та стабілізовані сорти (321/347) зменшити цей ризик.
Корозійне розтріскування під напругою (SCC):
Аустенітні сталі можуть бути сприйнятливі до SCC у певних середовищах (Напр., хлоридних середовищах при підвищених температурах).
Нікель підвищує стійкість до багатьох форм SCC, але вибір матеріалу та контроль напруги мають значення.
Високотемпературне окислення:
300-сплави серії виявляють гарну стійкість до окислення до кількох сотень °C, але при більш високих температурах, інші класи сплавів можуть бути переважними.
7. Теплові властивості та поведінка при термічній обробці
Термічна обробка:
- Аустенітні нержавіючі сталі неможливо зміцнити за допомогою звичайної термічної обробки загарту та відпустки, оскільки їх стабільна аустенітна структура не перетворюється на мартенсит при охолодженні.
Міцність підвищується в першу чергу холодною роботою. - Розведення розчину (зазвичай 1000–1150°C для багатьох сплавів серії 300) з подальшим швидким загартовуванням розчиняє осад (Напр., карбіди хрому) і відновлює стійкість до корозії.
Це зазвичай використовується для відновлення стійкості до корозії після зварювання або впливу високої температури.
Теплове розширення і провідність:
- Коефіцієнт теплового розширення вище, ніж у феритних сталей, що важливо для збірок, що поєднують різнорідні метали.
Теплопровідність нижче, ніж у вуглецевої сталі, тому тепло від зварювання розсіюється повільніше; це впливає на процедури зварювання та контроль надходження тепла.
Кріогенна продуктивність:
- Аустенітні нержавіючі сталі зберігають міцність при дуже низьких температурах і зазвичай використовуються в кріогенних умовах без крихкого руйнування.
8. Переваги аустенітної нержавіючої сталі серії 300
Технічні особливості 300-серії аустенітної нержавіючої сталі—включаючи стійкість до корозії, стабільна аустенітна мікроструктура, відмінна пластичність, і зварюваність—перевести в практичний, відчутні вигоди для виробників, кінцеві користувачі, і промисловості.
Невибагливість у обслуговуванні та тривалий термін служби
- Корозійна стійкість: Внутрішня стійкість до корозії усуває необхідність фарбування, покриття, або часте прибирання.
Наприклад, 316L морські компоненти такі як поручні для човнів можуть тривати 20– 30 років у солоній воді, порівняно з 5–10 років для вуглецевої сталі з покриттям. - Економія коштів: Зменшення частоти заміни та роботи з обслуговування призводять до значної економії.
Використання харчових комбінатів 304 обладнання звіт до 50% менші витрати на обслуговування порівняно з обладнанням із вуглецевої сталі.
Універсальність різних програм
- Багатоцільовий матеріал: Єдиний сорт, наприклад 304 може обслуговувати декілька галузей—харчова обробка (раковини, конвеєри), архітектура (фасадів, поручні), і електроніка (корпуси)— спрощення ланцюгів постачання та зменшення вимог до запасів.
- Налаштування класу: Спеціалізовані сорти розширюють корисність:
-
- 310: Стійкість до високих температур для промислових печей і сміттєспалювальних установок.
- 321: Стабілізований титаном для зварних вузлів аерокосмічного та високотемпературного обладнання.
Економічна ефективність
- Збалансована продуктивність проти. Вартість: 304 типово 20– на 30% дешевше, ніж спеціальні сплави (Напр., Hastelloy C276) при виконанні о 80% потреб застосування нержавіючої сталі.
Наприклад, 304L труби коштує $2–$4 за фут, проти 10–15 доларів США за фут 6% молібденові сплави. - Низькі витрати на обробку: Відмінна здатність до формування та зварювання скорочує етапи виготовлення та час виробництва.
Звіт виробників ≈30% швидше виробництво на 304 резервуари з нержавіючої сталі порівняно з феритними марками.
Стійкість та переробність
- Висока можливість вторинної переробки: 300-серії з нержавіючої сталі 100% переробка, з над 90% брухту, використаного повторно в новому виробництві.
Перероблений 304 зберігає такі ж механічні та корозійні властивості, як і первинний матеріал, скорочення викиди вуглецю на ~50%. - Подовжений термін служби: Тривалий термін служби (20– 50 років) мінімізує частоту заміни, зниження загального впливу на навколишнє середовище.
Наприклад, 304 фасади будівель часто не потребують заміни 40+ років, порівняно з 10–15 років для пофарбованого алюмінію.
Надійність в екстремальних умовах
- Кріогенна стабільність: Оцінка 304 і 316 зберігають міцність при –270°C, що робить їх ідеальними для Сховище СПГ, баки для ракетного палива, та інші кріогенні програми де невдача може бути катастрофічною.
- Стійкість до високих температур:310 витримує тривалу роботу до 1150° C, забезпечення надійності в промислові печі та обладнання для термообробки.
Цикли заміни є 5– 10 років для 310 частини печі, проти 1–2 роки для вуглецевої сталі.
9. Обмеження, режими відмов і стратегії пом'якшення
- Точкова та щілинна корозія в хлоридах: Зменште вплив, вибравши сорти, що містять молібден (316), визначення високолегованих або дуплексних сталей для агресивного впливу хлоридів, або нанесення захисних покриттів.
- Корозійне розтріскування під напругою: Зменшити залишкові напруги розтягування, контроль температури та середовища, або виберіть більш стійку до SCC металургію.
- Нагартування та оброблюваність: Використовуйте відповідні інструменти та параметри обробки; розгляньте відпал або використання варіантів вільної обробки, якщо оброблюваність є критичною.
- Чутливість до витрат: Там, де вартість нікелю або бюджетні обмеження мають першочергове значення, розглянути дешевші альтернативи (феритна нержавіюча сталь, вуглецеві сталі з покриттям, або дуплекс) під час зважування компромісів продуктивності.
Основні причини типових несправностей: неправильний підбір сорту для навколишнього середовища; погана практика зварювання, що призводить до сенсибілізації; неадекватне відновлення пасивної плівки після виготовлення; неправильна механічна конструкція (Напр., концентратори напруги, що призводять до SCC).
10. Типове застосування 300 Серія аустенітної нержавіючої сталі
Завдяки своїм збалансованим властивостям, 300-сплави серії використовуються майже в усіх галузях промисловості:
- Їжа & напій / фармацевтичний: Танки, трубопровід, Теплообмінники, конвеєри — 304 і 316 є стандартними, тому що легко миються та стійкі до харчових кислот.
- Хімічна обробка та нафтохімія: 316 і варіанти з більш високим вмістом Mo для стійкості до корозії в агресивних рідинах.
- Морський і офшори: 316 для середовища морської води, хоча суворі морські умови можуть вимагати дуплексних матеріалів або матеріалів з більш високими сплавами.
- Медичні прилади та хірургічні інструменти: 316Л (і варіанти) для біосумісності та стійкості до корозії; деякі імплантати використовують спеціальні класи.
- Архітектура і будівництво: Облицювання, поручні, і арматура—304 загального користування, 316 для прибережних або забруднених середовищ.
- Кріогеніка та космонавтика: Відмінна низькотемпературна міцність; використовується в кріогенних резервуарах, трубопроводи та конструктивні компоненти.
- Автомобільні та споживчі товари: Вихлопні компоненти, обрізати, кухонний посуд.
11. Порівняння з іншими сімействами нержавіючої сталі
З 300-серії аустенітних нержавіючих сталей часто порівнюють з іншими сімействами нержавіючої сталі—феррит, мартенситний, дуплекс, і дисперсійно-твердіючі сталі— визначити найкращий матеріал для конкретних застосувань.
| Майно | 300-Серія Аустеніт | Феррит | Мартенситний | Дуплекс | Осадження-Гартування (РН) |
| Мікроструктура | Гранецентрований куб (FCC) | Об'ємно-центрований куб (BCC) | Тетрагональний з центром тіла (BCT) | Змішаний аустеніт + Ферит | Аустенітний або мартенситний з виділеннями |
| Ключові легуючі елементи | 16–26% Cr, 8–22% в, Mo, На, NB | 10.5–30% Cr, низький Ni (<1%) | 12–18% Cr, 0.1–1% С, іноді Ni | 19–28% Cr, 4–8% в, 2–5% міс | Cr, У, Куточок, Al, Nb/Ti |
| Корозійна стійкість | Відмінний (Сорти Mo стійкі до хлоридів) | Хороший у м'якому середовищі | Помірний | Відмінний (стійкий до хлоридної корозії) | Помірний |
| Пластичність & Жорсткість | Дуже високий, зберігає кріогенну міцність | Помірний | Від низького до помірного | Високий | Помірний |
| Міцність | Помірний (~500–760 МПа на розтяг) | Низький–помірний | Дуже високий | Високий | Дуже високий |
| Формування | Відмінний | Обмежений | Помірний | Помірний | Обмежений |
| Зварюваність | Відмінний (низький C/стабілізований) | Обмежений | Помірний (Потрібна PWHT) | Помірний | Вимагає термічної обробки після зварювання |
| Магнітні властивості | Немагнітний (відпалений) | Магнітний | Магнітний | Злегка магнітний | Магнітні або слабомагнітні |
| Діапазон температури | –270°C до ~1150°C | від –40°C до ~1200°C | 0°C до ~540 °C | від –40°C до ~315°C | від –40°C до ~500°C |
| Типові програми | Переробка харчових продуктів, морський, хімічний, медичний, кріогенний, високотемпературне обладнання | Автомобільна обробка, архітектурні панелі, вихлопні системи | столові прибори, Турбінні леза, вали, клапани | Хімічна обробка, Офшорні платформи, Судна тиску | Аерокосмічні компоненти, кріплення, високоміцні клапани |
12. Висновок
300-серії аустенітних нержавіючих сталей є винятковими інженерними матеріалами, оскільки вони поєднують стійкість до корозії, пластичність, міцність і зварюваність в універсальному пакеті.
Їх продуктивність визначається ретельно збалансованою хімією — хром для пасивності, нікель для стабільності та міцності аустеніту, і додатковий молібден або стабілізатори для покращеної експлуатації.
Хоча вони не є універсальними рішеннями (обмеження існують у багатих хлоридами, застосування при високій температурі або надвисокій міцності),
їх можливість повторної переробки та тривалий термін служби роблять їх наріжним каменем сучасної техніки в харчовій промисловості, хімічний, медичний, морський та архітектурний сектори.
Поширені запитання
Який сорт серії 300 найчастіше використовується?
Сорт 304 є найбільш широко використовуваним сплавом загального призначення; 316 це вибір, де потрібна стійкість до хлоридів.
Може термічно загартувати аустенітну нержавіючу сталь серії 300?
Ні — ці сплави не піддаються загартуванню та відпуску. Міцність підвищується в першу чергу холодною обробкою; розчинний відпал відновлює пластичність і стійкість до корозії.
Є магнітом з аустенітної нержавіючої сталі серії 300?
Відпалена нержавіюча сталь серії 300 практично немагнітна. Вони можуть стати злегка магнітними після важкої холодної обробки через деформаційний мартенсит у деяких сплавах.
Як вибрати між 304 і 316?
Використання 304 для загального, нехлоридні середовища та де вартість важлива. Використання 316 для середовищ, що містять хлориди (морська вода, солоні атмосфери, деякі хімічні процеси) або де важлива стійкість до точкової корки.
Який догляд вимагає нержавіюча сталь, щоб залишатися стійкою до корозії?
Регулярне очищення для видалення відкладень і забруднень, швидке видалення вбудованого заліза або продуктів корозії,
а пасивація після важкого виготовлення/зварювання збереже пасивну плівку та подовжить термін служби.
