347/347H hittebestendig roestvrij staal: Essentiële gids

347 hittebestendig roestvrij staal (S34700) is een zeer stabiel type roestvrij staal. Het behoudt een goede weerstand tegen interkristallijne corrosie, zelfs onder omstandigheden van precipitatie van chroomcarbide bij temperaturen van 427-816°C (800-1500°F).

Door de toevoeging van titanium in de samenstelling behoudt 347 hittebestendig roestvrij staal zijn stabiliteit, zelfs wanneer er chroomcarbide wordt gevormd.

Dankzij de uitstekende mechanische eigenschappen is 347 hittebestendig roestvrij staal heeft aanzienlijke voordelen bij het werken in omgevingen met hoge temperaturen.

Vergeleken met legering 304 vertoont hittebestendig roestvrij staal 347 een superieure vervormbaarheid en weerstand tegen spanningsbreuk.

Bovendien kan 304L ook worden gebruikt om weerstand te bieden tegen sensibilisatie en interkristallijne corrosie.

I. Algemene kenmerken

Alloy 321 (UNS S32100) is een zeer stabiel roestvast staal. Het behoudt een uitstekende weerstand tegen interkristallijne corrosie onder omstandigheden van neerslag van chroomcarbide bij temperaturen van 427-816°C (800-1500°F).

Dankzij de toevoeging van titanium in de samenstelling, behoudt legering 321 stabiliteit, zelfs in aanwezigheid van de vorming van chroomcarbide. De stabiliteit van hittebestendig roestvrij staal 347 wordt daarentegen behouden door de toevoeging van columbium en tantaal.

Zowel 321 als 347 hittebestendig roestvast staal worden vaak gebruikt voor langdurige bewerkingen in omgevingen met hoge temperaturen variërend van 427-816°C (800-1500°F). Als de toepassingen echter alleen lassen of kortstondige verwarming inhouden, kan 304L als vervanging worden gebruikt.

De voordelen van het gebruik van 321 en 347 hittebestendig roestvast staal voor bewerkingen bij hoge temperaturen liggen ook in hun indrukwekkende mechanische eigenschappen.

Vergeleken met 304 en 304L hebben 321 en 347 een superieure weerstand tegen kruip en spanningsbreuk. Hierdoor zijn deze stabiele legeringen bestand tegen druk bij iets hogere temperaturen die nog steeds voldoen aan de voorschriften voor boilers en drukvaten van de American Society of Mechanical Engineers.

Daarom kan de maximale gebruikstemperatuur voor 321 en 347 hittebestendig roestvrij staal oplopen tot 1500°F (816°C), terwijl 304 en 304L beperkt zijn tot 800°F (426°C).

Er zijn ook koolstofrijke versies van legeringen 321 en 347, respectievelijk UNS S32109 en S34709 genoemd.

II. Chemische samenstelling

ASTM A240 en ASME SA-240:

III. Corrosiebestendigheid

1. Uniforme corrosie

Legeringen 321 en 347 hebben een vergelijkbaar vermogen om algemene corrosie te weerstaan als de instabiele nikkel-chroomlegering 304. Langdurige verhitting in het temperatuurbereik van de chroomcarbidegraad kan de corrosiebestendigheid van legeringen 321 en 347 in agressieve corrosieve media beïnvloeden.

In de meeste omgevingen is de corrosieweerstand van beide legeringen redelijk vergelijkbaar; de weerstand van de gegloeide legering 321 in sterk oxiderende omgevingen is echter iets minder dan die van de gegloeide legering 347.

Daarom is legering 347 superieur in wateromgevingen en andere omstandigheden met lage temperaturen. Blootstelling aan temperaturen tussen 800°F en 1500°F (427°C en 816°C) vermindert de algehele corrosieweerstand van legering 321 aanzienlijk in vergelijking met legering 347.

Alloy 347 wordt voornamelijk gebruikt voor toepassingen bij hoge temperaturen, waar een sterke weerstand tegen sensibilisatie nodig is om interkristallijne corrosie bij lagere temperaturen te voorkomen.

2. Interkristallijne corrosie

Het onstabiele nikkel-chroomstaal zoals legering 304 is gevoelig voor interkristallijne corrosie, terwijl legeringen 321 en 347 werden ontwikkeld om dit probleem aan te pakken.

Wanneer onstabiel chroomnikkelstaal in een omgeving wordt geplaatst met temperaturen tussen de 427°C en 816°C (800°F - 1500°F) of langzaam wordt afgekoeld binnen dit temperatuurbereik, slaat chroomcarbide neer op de korrelgrenzen.

Bij blootstelling aan agressieve corrosieve media kunnen deze korrelgrenzen als eerste corroderen, waardoor de prestaties van het metaal verzwakken en het metaal volledig uit elkaar valt.

In organische media of zwak corrosieve wateroplossingen, melk of andere zuivelproducten, of atmosferische omstandigheden, wordt interkristallijne corrosie zelden waargenomen, zelfs in aanwezigheid van aanzienlijke carbideprecipitatie.

Wanneer lassen dunnere platen vermindert de korte blootstelling aan temperaturen tussen 427°C en 816°C (800°F - 1500°F) de kans op interkristallijne corrosie, waardoor onstabiele kwaliteiten geschikt zijn voor deze taak.

De mate van schadelijke carbideprecipitatie hangt af van de duur van de blootstelling aan temperaturen tussen 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) en de corrosieve media.

Voor het lassen van dikkere platen, ondanks langere verwarmingstijden, resulteert de onstabiele L-kwaliteit, met een koolstofgehalte van 0,03% of minder, in onvoldoende carbideprecipitatie om een bedreiging te vormen voor deze kwaliteit.

De sterke weerstand tegen sensibilisatie en interkristallijne corrosie van gestabiliseerd 321 en gelegeerd 347 roestvast staal wordt aangetoond in de onderstaande tabel (koper-kopersulfaat-16% zwavelzuurtest (ASTM A262, praktijk E)).

Voor de test ondergaan de in de staalfabriek gegloeide monsters een sensibiliserende warmtebehandeling bij 566°C gedurende 48 uur.

Na 240 uur gloeien proces bij 1100°F, vertoonden de Alloy 347 monsters geen tekenen van interkristallijne corrosie, wat aangeeft dat ze niet gevoelig werden bij blootstelling aan dergelijke hitteomstandigheden. De lage corrosiesnelheid van de Alloy 321 monsters suggereert dat hoewel ze enige interkristallijne corrosie ondergingen, hun corrosieweerstand superieur was aan die van Alloy 304L in deze omstandigheden.

In de omgeving van deze test presteerden al deze legeringen aanzienlijk beter dan standaard Alloy 304 roestvast staal.

In het algemeen worden Legeringen 321 en 347 gebruikt voor het vervaardigen van zware lasapparatuur die geen gloeibehandeling kan ondergaan, evenals apparatuur die langzaam werkt of afkoelt binnen een bereik van 800 °F tot 1500 °F (427 °C tot 816 °C).

De ervaring die is opgedaan onder verschillende bedrijfsomstandigheden levert voldoende gegevens op om de waarschijnlijkheid van interkristallijne corrosie in de meeste toepassingen te voorspellen. Bekijk ook enkele van onze standpunten gepubliceerd in de warmtebehandeling sectie.

3. Scheuren door spanningscorrosie

Legeringen 321 en 347 austenitisch roestvast staal is gevoelig voor spanningscorrosie in halogeniden, net als Alloy 304 roestvast staal. Dit komt door hun vergelijkbare nikkelgehalte. Omstandigheden die leiden tot spanningscorrosie zijn onder andere:

(1) blootstelling aan halide-ionen (meestal chloriden)

(2) resterende trekspanning

(3) omgevingstemperaturen boven 49°C (120°F).

Koude vervorming bij het vervormen of thermische cycli bij het lassen kunnen spanning opwekken. Een gloei- of spanningsontlastende warmtebehandeling na koude vervorming kan de spanningsniveaus verminderen.

Gestabiliseerde legeringen 321 en 347 zijn geschikt voor spanningsvrije bewerkingen die interkristallijne corrosie zouden kunnen veroorzaken in onstabiele legeringen.

Legeringen 321 en 347 zijn bijzonder nuttig in omgevingen die polythionzuur spanningscorrosie veroorzaken in onstabiel austenitisch roestvast staal, zoals legering 304. De legeringen 321 en 347 zijn bijzonder nuttig in omgevingen die polythionzuur spanningscorrosie veroorzaken in onstabiel austenitisch roestvast staal. Instabiel austenitisch roestvast staal zal bij blootstelling aan temperaturen die sensibilisatie veroorzaken, chroomcarbiden neerslaan op de korrelgrenzen.

Bij afkoeling tot kamertemperatuur in een zwavelhoudende omgeving reageren sulfiden (meestal waterstofsulfide) met stoom en zuurstof om polythionzuren te vormen die gevoelige korrelgrenzen aantasten.

Polythionzuur spanningscorrosie komt voor in raffinaderijomgevingen waar sulfiden overheersen, onder omstandigheden van spannings- en interkristallijne corrosie.

De gestabiliseerde legeringen 321 en 347 lossen het probleem van spanningscorrosie door polythionzuur op door hun weerstand tegen sensibilisatie tijdens verhitting. Als de bedrijfsomstandigheden sensitisatie kunnen veroorzaken, moeten deze legeringen worden gebruikt onder thermisch gestabiliseerde omstandigheden voor optimale weerstand tegen sensitisatie.

4. Putcorrosie/spleetcorrosie

De weerstand tegen put- en spleetcorrosie van stabiele legeringen 321 en 347 in omgevingen met chloride-ionen is ongeveer gelijk aan die van roestvaststalen legeringen 304 of 304L vanwege hun vergelijkbare chroomgehalte.

Over het algemeen is het maximale chloridegehalte in een wateromgeving voor onstabiele en stabiele legeringen honderd delen per miljoen, vooral wanneer er sprake is van spleetcorrosie. Een hoger chloride-ionengehalte kan leiden tot spleet- en putcorrosie.

In barre omstandigheden met een hoger chloridegehalte, lagere pH en/of hogere temperaturen moet het gebruik van molybdeenhoudende legeringen, zoals legering 316, worden overwogen. Stabiele legeringen 321 en 347 hebben de 100 uur 5% zoutsproeitest (ASTM B117) doorstaan zonder roest of verkleuring op de geteste monsters.

Als deze legeringen echter worden blootgesteld aan zoutsproeinevel op zee, kan putcorrosie, spleetcorrosie en ernstige verkleuring optreden. Blootstelling van legeringen 321 en 347 aan zeewater wordt niet aanbevolen.

IV. Oxidatieweerstand op hoge temperatuur

De oxidatieweerstand van 321 en 347 kan vergeleken worden met andere 18-8 austenitische roestvaste staalsoorten. De monsters worden blootgesteld aan laboratoriumatmosferen van hoge temperatuur.

Door de monsters die uit de omgeving met hoge temperatuur zijn gehaald regelmatig te wegen, kan de mate van kalkaanslag worden voorspeld. Testresultaten worden weergegeven door gewichtsveranderingen (milligram/vierkante centimeter), waarbij het gemiddelde wordt genomen van de minimumwaarden van twee verschillende geteste monsters.

Het belangrijkste verschil tussen 321 en 347 zit in de subtiele legeringstoevoegingen, maar dit heeft geen invloed op hun antioxiderende eigenschappen.

Daarom zijn deze testresultaten representatief voor beide soorten. Oxidatiesnelheden worden echter beïnvloed door inherente factoren zoals de blootstellingsomgeving en de productvorm.

Bijgevolg moeten deze resultaten enkel beschouwd worden als typische antioxidatiewaarden voor deze kwaliteiten.

V. Fysische eigenschappen

De fysische eigenschappen van legeringen 321 en 347 lijken veel op elkaar, in feite kunnen ze als identiek worden beschouwd. De waarden in de tabel gelden voor beide legeringen.

Met de juiste gloeibehandeling bevatten de roestvaste staalsoorten Alloys 321 en 347 voornamelijk austeniet en titaancarbiden of niobiumcarbiden. Een kleine hoeveelheid ferriet kan al dan niet verschijnen in de microstructuur. Bij langdurige blootstelling aan temperaturen tussen 593°C en 816°C (1000°F en 1500°F) kan zich een kleine hoeveelheid sigmafase vormen.

Warmtebehandeling kan gestabiliseerd Alloys 321 en 347 roestvrij staal niet harden.

De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt van het metaal hangt niet alleen af van de thermische geleidbaarheid van het metaal, maar ook van andere factoren.

In de meeste gevallen zijn dit de filmkoelingscoëfficiënt, de aanslag en de oppervlaktegesteldheid van het metaal. Roestvrij staal heeft een schoon oppervlak, waardoor de warmteoverdracht beter is dan bij metalen met een hoger warmtegeleidingsvermogen.

Magnetisme

Gestabiliseerde legeringen 321 en 347 zijn over het algemeen niet magnetisch. In de gegloeide toestand is hun magnetische permeabiliteit minder dan 1,02. De magnetische permeabiliteit verandert met de samenstelling en neemt toe bij koudvervormen. De magnetische permeabiliteit van ferriethoudende lassen is iets hoger.

VI. Mechanische eigenschappen

1. Vervormbaarheid bij kamertemperatuur

De minimale mechanische eigenschappen van stabiele legeringen 321 en 347 op chroom-nikkel niveau in de gegloeide toestand (2000°F [1093°C], luchtgekoeld) zijn zoals weergegeven in de tabel hieronder.

2. Vervormbaarheid bij hoge temperatuur

De typische mechanische eigenschappen van legeringen 321 en 347 bij hoge temperaturen staan in de tabel hieronder. In omgevingen van 538°C (1000°F) en hogere temperaturen is de sterkte van deze stabiele legeringen aanzienlijk hoger dan die van de onstabiele 304 legering.

De koolstofrijke legeringen 321H en 347H (UNS32109 en S34700) hebben een hogere sterkte in omgevingen boven 1000°F (537°C). De ASME maximaal toelaatbare ontwerpspanning van legering 347H toont aan dat de sterkte van deze kwaliteit hoger is dan die van de legering 347 met een lager koolstofgehalte.

Legering 321H is niet toegestaan voor gebruik in toepassingen van Sectie VIII en voor toepassingen van Sectie III is het beperkt tot temperaturen van 427°C (800°F) of lager.

3. Kruip- en spanningsbreukeigenschappen

De typische kruip- en spanningsbreukgegevens van roestvast staallegeringen 321 en 347 zijn zoals weergegeven in de tabel hieronder. De kruip- en spanningsbreuksterkte van stabiele legeringen bij hoge temperaturen is hoger dan die van instabiele legeringen 304 en 304L.

De superieure prestaties van legeringen 321 en 347 maken ze geschikt voor drukonderdelen die bij hoge temperaturen werken, zoals veelvoorkomende ketels en drukvaten.

4. Slagsterkte

Zowel 321- als 347-legeringen hebben een uitstekende slagvastheid, zowel binnenshuis als in omgevingen onder het vriespunt.

De Charpy V-slagproef van legering 347 na het gloeien, dat een uur lang op een gespecificeerde testtemperatuur werd gehouden, wordt weergegeven in de volgende grafiek. De situatie voor legering 321 is vergelijkbaar met 347.

5. Vermoeiingssterkte

De vermoeiingssterkte van elk metaal wordt beïnvloed door factoren zoals de corrosieomgeving, de oppervlakteafwerking, de vorm van het product en de gemiddelde spanning.

Daarom is het onmogelijk om de vermoeiingssterkte onder alle bedrijfsomstandigheden met een exact getal weer te geven. De vermoeiingsgrens van legeringen 321 en 347 is ongeveer 35% van hun treksterkte.

VII. Verwerking

Lassen

Austenitisch roestvast staal wordt beschouwd als het gemakkelijkste gelegeerd staal te lassen en kan worden gelast met alle smeltmiddelen en weerstandslassen.

Bij het lassen van austenitisch roestvast staal moet met twee factoren rekening worden gehouden: 1) de corrosiebestendigheid behouden en 2) scheurvorming voorkomen.

Tijdens het lassen is het cruciaal om de stabiliserende elementen in legeringen 321 en 347 te behouden. Titanium in legering 321 is gevoeliger voor uitputting, terwijl niobium in legering 347 vaak gemakkelijk verloren gaat. Het is noodzakelijk om koolstofelementen uit aardolie en andere verontreinigingsbronnen te vermijden, evenals stikstofelementen uit de lucht.

Daarom moeten bij het lassen van stabiele of onstabiele legeringen de reinheid en bescherming tegen inert gas gehandhaafd blijven.

Wanneer metalen lassen met een austenitische structuur, wordt splijten gemakkelijk veroorzaakt tijdens de bewerking. Daarom moet bij legeringen 321 en 347 een kleine hoeveelheid ijzerzout worden toegevoegd tijdens het ontbinden om de scheurgevoeligheid te minimaliseren. Roestvrij staal dat niobium bevat, is gevoeliger voor warmscheuren dan staal dat titanium bevat.

Bijpassende toevoegmaterialen kunnen worden gebruikt voor het lassen van stabiele staalsoorten zoals legeringen 321 en 347. Het bijpassende toevoegmetaal van legering 347 kan soms ook worden gebruikt voor laslegering 321.

Deze stabiele legeringen kunnen worden toegevoegd aan andere roestvaste staalsoorten of koolstofstaalsoorten. Legering 309 (23% Cr-13,5% Ni) of toevoegmetalen op nikkelbasis kunnen dit doel dienen.

VIII. Warmtebehandeling

Het gloeitemperatuurbereik voor legeringen 321 en 347 is 1800 - 2000°F (928 tot 1093°C). Hoewel het primaire doel van gloeien is om de zachtheid en vervormbaarheid van de legering te verbeteren, kan spanning ook worden geëlimineerd binnen het carbideprecipitatiebereik van 800 - 1500°F (427 tot 816°C) zonder interkristallijne corrosie te veroorzaken.

Hoewel langdurige verhitting binnen dit temperatuurbereik de algemene corrosieweerstand van de legering enigszins kan verminderen, kunnen legeringen 321 en 347 na een paar uur gloeien binnen het temperatuurbereik van 800 - 1500°F (427 tot 816°C) spanningen wegnemen en zal hun algemene corrosieweerstand niet significant verminderen.

Zoals benadrukt zal gloeien bij lage temperatuur binnen het bereik van 800 - 1500°F (427 tot 816°C) niet leiden tot interkristallijne corrosie.

Om optimale vervormbaarheid te bereiken, wordt aanbevolen om een hogere gloeitemperatuur van 928 tot 1093°C (1800 tot 2000°F) te gebruiken.

Bij het verwerken van deze op nikkel gebaseerde roestvaste staalsoorten in apparatuur die chroomcarbideprecipitatie maximaal moet voorkomen, moet worden erkend dat de stabiliteit van columbium niet hetzelfde is als die van titanium. Om deze redenen zijn de resultaten van stabiliteit en bescherming bij het gebruik van legering 321 niet zo voor de hand liggend.

Als maximale corrosiebestendigheid vereist is, moet legering 321 een stabilisatiegloeibehandeling ondergaan. Verwarm binnen een temperatuurbereik van 1550 tot 1650 °F (843 tot 899°C) gedurende maximaal 5 uur, waarbij de verwarmingstijd afhankelijk is van de dikte.

Dit temperatuurbereik overschrijdt het temperatuurbereik voor de vorming van chroomcarbide en is ook voldoende om eerder gevormd chroomcarbide te ontleden en op te lossen.

Bovendien kan titanium bij deze temperatuur zich verbinden met koolstof om onschadelijk titaniumcarbide te vormen. Het resultaat is dat chroom weer wordt gereduceerd tot een vaste oplossing en koolstof wordt gedwongen om te combineren met titanium om onschadelijke carbiden te vormen.

Columbiumhoudende gestabiliseerde legering 347 heeft deze extra behandeling niet vaak nodig.

Nadat de warmtebehandeling in een oxiderende omgeving is voltooid, worden de oxiden die op het gegloeide oppervlak zijn gevormd, verwijderd in een beitsoplossing, zoals een mengsel van salpeterzuur en fluorwaterstofzuur. Na het beitsen moet het roestvaststalen oppervlak grondig worden afgespoeld om de achtergebleven zure oplossing weg te spoelen.

Deze legeringen kunnen niet worden gehard door warmtebehandeling.

IX. Netheid

Ongeacht de corrosiebestendigheid vereist roestvast staal een schone oppervlakte tijdens het gebruik en het productieproces, zelfs onder normale werkomstandigheden.

Tijdens het lassen wordt een proces met inert gas gebruikt en worden de gevormde oxiden en slak verwijderd met een roestvast stalen borstel. Gewone koolstofstalen borstels laten koolstofstaaldeeltjes achter op het roestvaststalen oppervlak, wat uiteindelijk kan leiden tot roestvorming aan het oppervlak. In strenge omstandigheden moet het lasgebied worden behandeld met een roestverwijderende oplossing (zoals een mengsel van salpeterzuur en fluorwaterstofzuur) om oxiden en slak te verwijderen.

Na het verwijderen van roest moet het roestvrijstalen oppervlak grondig worden afgespoeld om de achtergebleven zure oplossing weg te spoelen.

In niet aan zee grenzende gebieden vereisen materialen die in lichte industrieën worden gebruikt minder onderhoud. Alleen afgeschermde gebieden moeten af en toe met water onder druk worden gereinigd. Zware industrieën wordt echter aangeraden om regelmatig te reinigen om opgehoopt stof te verwijderen, wat mogelijk kan leiden tot corrosie en schade aan het uiterlijk van het roestvrijstalen oppervlak.

Een geschikt ontwerp helpt bij het reinigen. Apparatuur met rond fillets, interne radii en geen spleten vergemakkelijken het reinigen en polijsten van het oppervlak.

De referentiegegevens zijn slechts een typische analyse en kunnen niet worden gebruikt als specificatie of maximum- of minimumwaarde van het eindproduct. Het is mogelijk dat de gegevens voor een specifiek stuk materiaal niet overeenkomen met de bovenstaande referentiegegevens.