Жаропрочная нержавеющая сталь 347/347H: Основное руководство

Жаропрочная нержавеющая сталь 347 (S34700) - это высокостабильная аустенитная нержавеющая сталь, известная своей исключительной устойчивостью к межкристаллитной коррозии. Этот сплав сохраняет свою структурную целостность и коррозионную стойкость даже в суровых условиях, особенно в критическом диапазоне температур 800-1500°F (427-816°C), где обычно происходит выпадение карбида хрома.

Превосходная стабильность нержавеющей стали 347 объясняется ее тщательно продуманным составом, в частности, добавлением титана в качестве стабилизирующего элемента. Титан преимущественно соединяется с углеродом, образуя карбиды титана, эффективно препятствуя образованию карбидов хрома на границах зерен. Этот механизм, известный как стабилизация, сохраняет хром в твердом растворе, что позволяет сохранить коррозионную стойкость сплава даже после длительного воздействия повышенных температур.

В высокотемпературных областях применения жаропрочная нержавеющая сталь 347 демонстрирует значительные преимущества благодаря своим превосходным механическим свойствам. Она демонстрирует превосходную прочность при ползучести, сопротивление термической усталости и стабильность размеров по сравнению с нестабилизированными сортами. Эти характеристики делают ее особенно подходящей для компонентов теплообменников, деталей печей и оборудования для химической обработки, работающего при повышенных температурах.

По сравнению с широко используемой аустенитной нержавеющей сталью 304, 347 обладает заметными улучшениями как в пластичности, так и в сопротивлении разрыву под напряжением при высоких температурах. Эти улучшенные характеристики имеют решающее значение для применения в условиях термоциклирования или при длительном воздействии высоких температур. Улучшенная пластичность обеспечивает лучшую формуемость и снижает риск растрескивания при циклах термического расширения и сжатия.

Хотя 347 является предпочтительным выбором для высокотемпературных применений, требующих максимальной коррозионной стойкости, стоит отметить, что 304L (низкоуглеродистая разновидность 304) также может использоваться для снижения чувствительности и межкристаллитной коррозии в некоторых менее жестких средах. Однако 304L достигает этого за счет снижения содержания углерода, а не стабилизации, что может ограничить его высокотемпературную прочность по сравнению с 347.

I. Общая характеристика

Сплав 321 (UNS S32100) - это высокостабильная аустенитная нержавеющая сталь, известная своей исключительной стойкостью к межкристаллитной коррозии, особенно в критическом диапазоне температур 800-1500°F (427-816°C), где обычно происходит осаждение карбида хрома. Такая стабильность достигается благодаря стратегическому добавлению титана, который преимущественно образует карбиды титана, предотвращая тем самым истощение хрома по границам зерен.

Для сравнения, жаропрочная нержавеющая сталь 347 сохраняет свою стабильность благодаря добавлению колумбия (ниобия) и тантала. Оба элемента служат сильными карбидообразователями, эффективно стабилизируя сплав против сенсибилизации.

Жаропрочные нержавеющие стали 321 и 347 являются предпочтительными материалами для длительной эксплуатации в высокотемпературных средах в диапазоне 800-1500°F (427-816°C). Их уникальный состав делает их идеальными для применения в условиях, требующих длительного воздействия повышенных температур. Для менее сложных сценариев, предполагающих только сварку или кратковременный нагрев, 304L может стать подходящей альтернативой благодаря более низкому содержанию углерода, что снижает восприимчивость к сенсибилизации.

Превосходство сплавов 321 и 347 в высокотемпературных операциях выходит за рамки коррозионной стойкости и включает в себя улучшенные механические свойства. Эти сплавы демонстрируют значительно более высокие показатели сопротивления ползучести и разрыву под напряжением по сравнению с марками 304 и 304L. Такие превосходные характеристики позволяют сплавам 321 и 347 выдерживать более высокие нагрузки при повышенных температурах и при этом соответствовать строгим нормам для котлов и сосудов под давлением, установленным Американским обществом инженеров-механиков (ASME).

Таким образом, максимально допустимая температура использования жаропрочных нержавеющих сталей 321 и 347 может достигать 1500°F (816°C), что значительно выше предела в 800°F (426°C) для марок 304 и 304L. Такой расширенный температурный диапазон значительно расширяет область применения этих стабилизированных сплавов в высокотемпературных промышленных процессах.

Для применений, требующих еще большей высокотемпературной прочности, предлагаются высокоуглеродистые версии сплавов 321 и 347, обозначаемые как UNS S32109 и S34709 соответственно. Эти сплавы обладают еще большим сопротивлением ползучести и прочностью при повышенных температурах, хотя и несколько меньшей пластичностью по сравнению с их стандартными аналогами.

II. Химический состав

ASTM A240 и ASME SA-240:

III. Коррозионная стойкость

1. Равномерная коррозия

Сплавы 321 и 347 обладают такой же способностью противостоять общей коррозии, как и нестабильный никель-хромовый сплав 304. Длительный нагрев в температурном диапазоне степени карбида хрома может повлиять на коррозионную стойкость сплавов 321 и 347 в жестких агрессивных средах.

В большинстве сред коррозионная стойкость обоих сплавов вполне сопоставима, однако стойкость отожженного сплава 321 в сильных окислительных средах несколько уступает стойкости отожженного сплава 347.

Таким образом, сплав 347 лучше в водной среде и других низкотемпературных условиях. Воздействие температур от 800°F до 1500°F (427°C - 816°C) значительно снижает общую коррозионную стойкость сплава 321 по сравнению со сплавом 347.

Сплав 347 в основном используется для высокотемпературных применений, где требуется сильная устойчивость к сенсибилизации для предотвращения межкристаллитной коррозии при более низких температурах.

2. Межкристаллитная коррозия

Нестабильные никель-хромовые стали, такие как сплав 304, подвержены межкристаллитной коррозии, поэтому для решения этой проблемы были разработаны сплавы 321 и 347.

Когда нестабильная хромоникелевая сталь помещается в среду с температурой 800-1500°F (427-816°C) или медленно охлаждается в этом температурном диапазоне, на границах зерен выпадает карбид хрома.

При воздействии агрессивной коррозионной среды эти границы зерен могут первыми подвергнуться коррозии, что может ослабить характеристики металла и привести к его полному разрушению.

В органических средах или слабоагрессивных водных растворах, молоке или других молочных продуктах, а также в атмосферных условиях межкристаллитная коррозия наблюдается редко даже при наличии значительного количества карбидных осадков.

Когда сварка Тонкие листы, короткое воздействие температур в диапазоне 800-1500°F (427-816°C) снижает вероятность межкристаллитной коррозии, что делает нестабильные марки подходящими для этой задачи.

Степень вредного осаждения карбидов зависит от продолжительности воздействия температур 800-1500°F (427°C-816°C) и коррозионной среды.

При сварке более толстых листов, несмотря на более длительное время нагрева, нестабильная марка L с содержанием углерода 0,03% или менее приводит к недостаточному выпадению карбидов, чтобы представлять угрозу для этой марки.

Сильная устойчивость стабилизированной нержавеющей стали 321 и сплава 347 к сенсибилизации и межкристаллитной коррозии продемонстрирована в таблице ниже (Испытание на медно-сульфатную коррозию с серной кислотой (ASTM A262, Практика E)).

Перед испытанием отожженные на сталелитейном заводе образцы подвергаются сенсибилизирующей термообработке при температуре 1050°F (566°C) в течение 48 часов.

После 240-часового отжиг В процессе обработки при температуре 1100°F образцы сплава 347 не показали признаков межкристаллитной коррозии, что указывает на то, что они не сенсибилизировались при воздействии таких температурных условий. Низкая скорость коррозии образцов Сплава 321 позволяет предположить, что, хотя они и подверглись некоторой межкристаллитной коррозии, их коррозионная стойкость в этих условиях была выше, чем у Сплава 304L.

В условиях данного испытания все эти сплавы показали себя значительно лучше, чем стандартная нержавеющая сталь Alloy 304.

Как правило, сплавы 321 и 347 используются для изготовления сварочного оборудования, работающего в тяжелых условиях и не поддающегося отжигу, а также оборудования, работающего или медленно охлаждающегося в диапазоне от 800°F до 1500°F (от 427°C до 816°C).

Опыт, накопленный в различных условиях эксплуатации, дает достаточно данных для прогнозирования вероятности возникновения межкристаллитной коррозии в большинстве случаев. Ознакомьтесь также с некоторыми нашими мнениями, опубликованными в журнале термическая обработка раздел.

3. Коррозионное растрескивание под напряжением

Сплавы 321 и 347 аустенитный Нержавеющие стали чувствительны к коррозионному растрескиванию под напряжением в галогенидах, как и нержавеющая сталь Alloy 304. Это объясняется схожим содержанием никеля. Условия, которые приводят к коррозионному растрескиванию под напряжением, включают:

(1) воздействие галоидных ионов (обычно хлоридов)

(2) остаточное растягивающее напряжение

(3) температура окружающей среды выше 120°F (49°C).

Холодная деформация при формовке или термические циклы, возникающие при сварке, могут создавать напряжение. Обработка отжигом или термическая обработка для снятия напряжения после холодной деформации может снизить уровень напряжения.

Стабилизированные сплавы 321 и 347 подходят для операций с ослаблением напряжения, которые могут вызвать межкристаллитную коррозию в нестабильных сплавах.

Сплавы 321 и 347 особенно полезны в средах, вызывающих политионную кислотную коррозию под напряжением в нестабильных аустенитных нержавеющих сталях, таких как сплав 304. Нестабильная аустенитная нержавеющая сталь при воздействии температур, вызывающих сенсибилизацию, будет осаждать карбиды хрома на границах зерен.

При охлаждении до комнатной температуры в серосодержащей среде сульфиды (обычно сероводород) реагируют с паром и кислородом, образуя политионовые кислоты, которые разъедают границы сенсибилизированных зерен.

Коррозионное растрескивание под напряжением в политионовой кислоте происходит в нефтеперерабатывающей среде, где преобладают сульфиды, в условиях напряженной и межкристаллитной коррозии.

Стабилизированные сплавы 321 и 347 решают проблему коррозионного растрескивания под напряжением в политионовой кислоте благодаря устойчивости к сенсибилизации при нагреве. Если условия эксплуатации могут вызвать сенсибилизацию, эти сплавы следует использовать в термически стабилизированных условиях для оптимальной устойчивости к сенсибилизации.

4. Питтинговая/крестовая коррозия

Стойкость к точечной и щелевой коррозии стабильных сплавов 321 и 347 в средах, содержащих хлорид-ионы, примерно такая же, как у сплавов нержавеющей стали 304 или 304L, благодаря схожему содержанию хрома.

Как правило, для нестабильных и стабильных сплавов максимальное содержание хлоридов в водной среде составляет сто частей на миллион, особенно при наличии щелевой коррозии. Более высокое содержание хлорид-ионов может привести к щелевой и точечной коррозии.

В суровых условиях с повышенным содержанием хлоридов, низким уровнем pH и/или более высокими температурами следует рассмотреть возможность использования молибденсодержащих сплавов, таких как сплав 316. Стабильные сплавы 321 и 347 прошли 100-часовое испытание в соляном тумане 5% (ASTM B117) без образования ржавчины или обесцвечивания на испытанных образцах.

Однако если эти сплавы подвергаются воздействию морского соляного тумана, могут возникнуть точечная коррозия, щелевая коррозия и сильное обесцвечивание. Не рекомендуется подвергать сплавы 321 и 347 воздействию морской среды.

IV. Стойкость к высокотемпературному окислению

Стойкость к окислению 321 и 347 можно сравнить с другими аустенитными нержавеющими сталями 18-8. Образцы подвергаются воздействию высокотемпературной лабораторной атмосферы.

Регулярное взвешивание образцов, извлеченных из высокотемпературной среды, позволяет предсказать степень образования накипи. Результаты испытаний представлены в виде изменений веса (миллиграмм/квадратный сантиметр), усредненных минимальных значений двух различных испытанных образцов.

Основное различие между 321 и 347 заключается в тонких добавках к сплаву, но это не влияет на их антиокислительные свойства.

Поэтому данные результаты испытаний являются репрезентативными для обоих сортов. Однако на скорость окисления влияют такие факторы, как среда воздействия и форма продукта.

Следовательно, эти результаты должны рассматриваться просто как типичные значения антиоксидации для этих марок.

V. Физические свойства

Физические свойства сплавов 321 и 347 весьма схожи, фактически их можно считать идентичными. Значения, приведенные в таблице, относятся к обоим сплавам.

При соответствующей обработке отжигом нержавеющие стали сплавов 321 и 347 в основном содержат аустенит и карбиды титана или ниобия. В микроструктуре может присутствовать или отсутствовать небольшое количество феррита. При длительном воздействии температур от 1000°F до 1500°F (от 593°C до 816°C) может образоваться небольшое количество сигма-фазы.

Термическая обработка не может упрочнить стабилизированные сплавы 321 и 347 нержавеющих сталей.

Общий коэффициент теплопроводности металла зависит не только от его теплопроводности, но и от других факторов.

В большинстве случаев к ним относятся коэффициент охлаждения пленки, окалина и состояние поверхности металла. Нержавеющая сталь имеет чистую поверхность, благодаря чему ее теплопередача лучше, чем у металлов с более высокой теплопроводностью.

Магнетизм

Стабилизированные сплавы 321 и 347, как правило, немагнитны. В отожженном состоянии их магнитная проницаемость составляет менее 1,02. Магнитная проницаемость изменяется в зависимости от состава и увеличивается при холодной обработке. Магнитная проницаемость ферритосодержащих сварных швов несколько выше.

VI. Механические свойства

1. Пластичность при комнатной температуре

Минимальные механические свойства стабильных сплавов 321 и 347 на уровне хрома и никеля в отожженном состоянии (2000°F [1093°C], воздушное охлаждение) приведены в таблице ниже.

2. Пластичность при высокой температуре

Типичные механические свойства сплавов 321 и 347 при высоких температурах приведены в таблице ниже. При температуре 1000°F (538°C) и выше прочность этих стабильных сплавов значительно выше, чем у нестабильного сплава 304.

Высокоуглеродистые сплавы 321H и 347H (UNS32109 и S34700) обладают более высокой прочностью в средах с температурой выше 1000°F (537°C). Данные ASME по предельно допустимому расчетному напряжению сплава 347H показывают, что прочность этого сплава выше, чем у сплава 347 с низким содержанием углерода.

Сплав 321H не допускается к применению в условиях раздела VIII, а в условиях раздела III он ограничен температурой 800°F (427°C) или ниже.

3. Свойства ползучести и разрыва под напряжением

Типичные данные по ползучести и разрыву под напряжением для сплавов нержавеющей стали 321 и 347 приведены в таблице ниже. Прочность при ползучести и разрыве под напряжением стабильных сплавов при высоких температурах выше, чем у нестабильных сплавов 304 и 304L.

Превосходные характеристики сплавов 321 и 347 делают их пригодными для изготовления деталей, работающих под давлением при высоких температурах, таких как обычно встречающиеся котлы и сосуды под давлением.

4. Ударная прочность

Сплавы 321 и 347 демонстрируют отличную ударную вязкость, как в закрытых помещениях, так и при отрицательных температурах.

Ударное испытание по Шарпи V сплава 347 после отжига, который был оставлен при заданной температуре испытания на один час, показано на следующем графике. Ситуация для сплава 321 аналогична 347.

5. Усталостная прочность

На самом деле усталостная прочность каждого металла зависит от таких факторов, как коррозионная среда, качество обработки поверхности, форма изделия и среднее напряжение.

По этой причине невозможно точно определить значение усталостной прочности при всех условиях эксплуатации. Предел усталости сплавов 321 и 347 составляет примерно 35% от предела прочности при растяжении.

VII. Обработка

Сварка

Аустенитная нержавеющая сталь считается самой простой. легированная сталь свариваются всеми плавящимися веществами, а также контактной сваркой.

При сварке аустенитной нержавеющей стали необходимо учитывать два фактора: 1) сохранение ее коррозионной стойкости и 2) предотвращение растрескивания.

Во время сварки очень важно сохранять стабилизирующие элементы в сплавах 321 и 347. Титан в сплаве 321 более склонен к истощению, в то время как ниобий в сплаве 347 часто легко теряется. Необходимо избегать попадания углеродных элементов из нефти и других источников загрязнения, а также азотных элементов из воздуха.

Поэтому при сварке стабильных или нестабильных сплавов необходимо соблюдать чистоту и защиту от инертного газа.

Когда сварка металлов с аустенитной структурой, в процессе эксплуатации легко возникает раскол. По этой причине сплавы 321 и 347 требуют добавления небольшого количества соли железа во время раскалывания, чтобы минимизировать чувствительность к трещинам. Нержавеющая сталь, содержащая ниобий, более склонна к горячему растрескиванию, чем сталь, содержащая титан.

Соответствующие присадочные металлы можно использовать для сварки стабильных сталей, таких как сплавы 321 и 347. Соответствующий присадочный металл сплава 347 иногда также может использоваться для сварочный сплав 321.

Эти стабильные сплавы можно добавлять к другим нержавеющим или углеродистым сталям. Для этого можно использовать сплав 309 (23% Cr-13,5% Ni) или присадочные металлы на основе никеля.

VIII. Термическая обработка

Диапазон температур отжига для сплавов 321 и 347 составляет 1800-2000°F (928-1093°C). Хотя основной целью отжига является повышение мягкости и пластичности сплава, напряжение также может быть устранено в диапазоне температур осаждения карбидов 800 - 1500°F (427 - 816°C) без возникновения межкристаллитной коррозии.

Хотя длительный нагрев в этом температурном диапазоне может несколько снизить общую коррозионную стойкость сплава, сплавы 321 и 347 могут снять напряжение после отжига в течение нескольких часов в температурном диапазоне 800-1500°F (427-816°C), и их общая коррозионная стойкость не будет значительно снижена.

Как подчеркивается, низкотемпературный отжиг в диапазоне 800-1500°F (427-816°C) не приводит к межкристаллитной коррозии.

Для достижения оптимальной пластичности рекомендуется использовать более высокую температуру отжига - от 1800 до 2000°F (928-1093°C).

При переработке этих нержавеющих сталей на основе никеля в оборудование, которое должно максимально предотвращать выпадение карбида хрома, необходимо учитывать, что стабильность колумбия не такая, как у титана. По этим причинам при использовании сплава 321 результаты стабильности и защиты не столь очевидны.

Если требуется максимальная коррозионная стойкость, сплав 321 необходимо подвергнуть стабилизирующему отжигу. Нагревайте в диапазоне температур от 1550 до 1650°F (от 843 до 899°C) в течение 5 часов, время нагрева зависит от толщины.

Этот температурный диапазон превышает температурный диапазон образования карбида хрома, а также достаточен для разложения и растворения ранее образовавшегося карбида хрома.

Более того, при этой температуре титан может соединяться с углеродом, образуя безвредный карбид титана. В результате хром восстанавливается до твердого раствора, а углерод вынужден соединяться с титаном, образуя безвредный карбид.

Коламбийсодержащий стабилизированный сплав 347 часто не требует такой дополнительной обработки.

После завершения термообработки в окислительной среде оксиды, образовавшиеся на отожженной поверхности, удаляются в травильном растворе, например, в смеси азотной и плавиковой кислот. После травления поверхность нержавеющей стали необходимо тщательно промыть, чтобы смыть остатки кислотного раствора.

Эти сплавы не могут быть упрочнены путем термической обработки.

IX. Чистота

Поддержание чистоты поверхности крайне важно для нержавеющей стали на протяжении всего ее жизненного цикла, от производства до конечного использования, даже при стандартных условиях эксплуатации. Эта практика необходима для сохранения присущей материалу коррозионной стойкости и эстетической привлекательности.

Во время сварки используется метод защиты инертным газом, чтобы свести к минимуму окисление. После сварки необходимо удалить все окислы и шлак с помощью специальной щетки из нержавеющей стали. Использование щеток из углеродистой стали строго запрещено, так как они могут откладывать частицы углеродистой стали на поверхности нержавеющей стали, что может привести к локальной коррозии. В ответственных областях применения или в высокопроизводительных средах может потребоваться обработка сварной зоны специальным травильным раствором (обычно смесью азотной и фтористоводородной кислот) для тщательного удаления окислов и шлаков, обеспечивая оптимальную коррозионную стойкость.

После любой химической обработки поверхность нержавеющей стали должна быть тщательно промыта деионизированной водой, чтобы удалить все следы кислотных остатков, предотвращая возможное образование питтингов или коррозионного растрескивания под напряжением.

Факторы окружающей среды существенно влияют на требования к обслуживанию. Во внутренних районах легкая промышленность обычно требует минимального ухода. Периодическая очистка водой под давлением может потребоваться только в экранированных или углубленных зонах, склонных к накоплению загрязнений. Однако в тяжелых промышленных условиях настоятельно рекомендуется регулярная и тщательная очистка для удаления накопившихся твердых частиц, которые могут удерживать влагу и коррозионные агенты, потенциально нарушая пассивный слой и целостность поверхности нержавеющей стали.

Учет соображений чистоты на этапе проектирования может существенно облегчить обслуживание. Оборудование с закругленными галтелями, большими внутренними радиусами и бесшовной конструкцией не только упрощает процесс очистки, но и повышает эффективность обработки поверхности, например электрополировки, что позволяет еще больше повысить коррозионную стойкость и чистоту.

Важно отметить, что приведенные справочные данные представляют собой типичные анализы и не должны рассматриваться как окончательные спецификации или абсолютные пределы для конечного продукта. Свойства материала могут варьироваться в зависимости от конкретной производственной партии, методов обработки и предполагаемого применения. Для получения точных данных о составе и механических свойствах материалов для критических применений всегда обращайтесь к сертифицированным отчетам производителя об испытаниях материалов.