Жаропрочная нержавеющая сталь 347/347H: Основное руководство

Жаропрочная нержавеющая сталь 347 (S34700) - очень стабильный тип нержавеющей стали. Она сохраняет хорошую устойчивость к межкристаллитной коррозии даже в условиях осаждения карбида хрома при температурах 800-1500°F (427-816°C).

Благодаря добавлению титана в состав, жаропрочная нержавеющая сталь 347 сохраняет стабильность даже при образовании карбида хрома.

Благодаря своим превосходным механическим свойствам, жаропрочная нержавеющая сталь 347 сталь имеет значительные преимущества при работе в высокотемпературных средах.

По сравнению со сплавом 304, жаропрочная нержавеющая сталь 347 обладает повышенной пластичностью и устойчивостью к разрыву под напряжением.

Кроме того, 304L может быть использован для защиты от сенсибилизации и межкристаллитная коррозия.

I. Общая характеристика

Сплав 321 (UNS S32100) - это высокостабильная нержавеющая сталь. Она сохраняет превосходную стойкость к межкристаллитной коррозии в условиях осаждения карбида хрома при температурах 800-1500°F (427-816°C).

Благодаря добавлению титан в своем составе, сплав 321 сохраняет стабильность даже в присутствии образования карбида хрома. Стабильность жаропрочной нержавеющей стали 347, напротив, сохраняется благодаря добавлению колумбия и тантала.

Жаропрочные нержавеющие стали 321 и 347 обычно используются для длительных работ в высокотемпературных средах в диапазоне 800-1500°F (427-816°C). Однако, если речь идет только о сварке или кратковременном нагреве, в качестве замены можно использовать 304L.

Преимущества использования жаропрочных нержавеющих сталей 321 и 347 в высокотемпературных операциях заключаются также в их впечатляющих механических свойствах.

По сравнению с 304 и 304L, сплавы 321 и 347 обладают более высокими характеристиками сопротивления ползучести и разрыву под напряжением. Это позволяет этим стабильным сплавам выдерживать давление при несколько более высоких температурах, но при этом соответствовать нормам для котлов и сосудов под давлением, установленным Американским обществом инженеров-механиков.

Таким образом, максимальная температура использования жаропрочных нержавеющих сталей 321 и 347 может достигать 1500°F (816°C), в то время как 304 и 304L ограничены 800°F (426°C).

Существуют также высокоуглеродистые версии сплавов 321 и 347, обозначаемые как UNS S32109 и S34709 соответственно.

II. Химический состав

ASTM A240 и ASME SA-240:

III. Устойчивость к коррозии

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. Точечная/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 при ползучести и разрыве 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. Термообработка

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

Независимо от коррозионной стойкости, нержавеющая сталь требует чистоты поверхности на протяжении всего процесса использования и производства, даже при нормальных условиях работы.

Во время сварки используется инертный газ, а образующиеся окислы и шлак удаляются щеткой из нержавеющей стали. Обычные щетки из углеродистой стали оставляют на поверхности нержавеющей стали частицы углеродистой стали, что в конечном итоге может привести к образованию ржавчины на поверхности. В сложных случаях для удаления окислов и шлака зону сварки необходимо обработать раствором для удаления ржавчины (например, смесью азотной и фтористоводородной кислоты).

После удаления ржавчины поверхность из нержавеющей стали следует тщательно промыть, чтобы смыть остатки кислотного раствора.

В районах, не имеющих выхода к морю, материалы, используемые в легкой промышленности, требуют меньшего ухода. Только в экранированных зонах иногда требуется очистка водой под давлением. В тяжелой промышленности, однако, рекомендуется часто проводить очистку, чтобы удалить скопившуюся пыль, которая может привести к коррозии и испортить внешний вид поверхности нержавеющей стали.

Соответствующая конструкция способствует очистке. Оборудование с круглый галтели, внутренние радиусы и отсутствие зазоров облегчают очистку и полировку поверхности.

Справочные данные представляют собой просто типичный анализ и не могут быть использованы в качестве спецификации, максимального или минимального значения конечного продукта. Данные для конкретного материала могут не совпадать с приведенными выше справочными данными.