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F304/F316L/310S/F321/F347奥氏体不锈钢
F321奥氏体不锈钢(S32100/ 0Cr18Ni10Ti/ 06Cr18Ni11Ti/ 1.4541)

F321奥氏体不锈钢(S32100/ 0Cr18Ni10Ti/ 06Cr18Ni11Ti/ 1.4541)

 材质信息

 

321 - 300系列耐热不锈钢

 

321 合金
 

合金321(UNS S32100)是一种稳定性非常好的不锈钢。在温度达到800-1500°F(427-816°C),碳化铬沉淀的条件下,仍能保持良好的抗粒间腐蚀的能力。由于成分中添加了钛,在碳化铬形成的情况下,321合金仍然可以保持稳定性。

321合金不锈钢由于其优良的机械性能,在高温环境下工作很有优势。与304 合金 相比,321 合金不锈钢具有更好的延展性及抗应力断裂能力。另外,304L 也可用于抗敏 化作用及晶间腐蚀。


321
一般属性
化学成分
耐腐蚀性
抗高温氧化性
物理性能
机械性能
加工 
热处理
 

一般属性
合金321(UNS S32100)是一种稳定性非常好的不锈钢。在温度达到800-1500°F(427-816°C),碳化铬沉淀的条件下,仍能保持良好的抗粒间腐蚀的能力。由于成分中添加了钛,在碳化铬形成的情况下,321合金仍然可以保持稳定性。

321合金常用于高温环境下800-1500°F(427-816°C)的长期作业。如果应用只涉及焊接或短时间加热时,用304L代替就可以了。

321合金的高温作业优势,也有赖于其良好的机械性能。和304, 304L相比,321具有更佳的抗蠕变应力和抗应力破裂性能。这使得在更高一点温度的时候,这些稳定的合金所承受的压力依然符合美国机械工程学会锅炉法规和压力容器规范。因此321合金的最高使用温度可达1500°F (816°C),而304,304L只局限于800°F (426°C)


化学成分
ASTM A276 和 ASTM A182

成分

重量百分比除特别说明外,

表中所列为最大值

  321  
碳* 0.08  
2.00  
0.045  
0.030  
1.00  
17.00-19.00  
9.00-12.00  
钶+钽** --  
-- --
钛** 5x(C+N)最小 0.70 最大 --
-- --
0.10 --
剩余部分  
  * H 等级 碳含量为 0.04 ? 0.10%.

 

 


耐腐蚀性
均匀腐蚀
合金321具有与不稳定的镍铬合金304相似的抵挡一般腐蚀的能力。在碳化铬程度的温度范围中的长时间加热可能会影响合金321在恶劣的腐蚀介质中的耐蚀性。

在大多数环境中,两种合金的耐蚀性差不多;但退火状态下的合金321在强氧化性环境中的耐蚀性稍逊于经退火处理的合金347。因此,合金347在水环境和其他低温环境中更优越。暴露于800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)这一温度范围时,会使合金321的整体耐蚀性大大差于合金347。合金347主要用于高温应用,高温应用要求材料有强的抗敏化性,以防止在较低温度的粒间腐蚀。

粒间腐蚀
合金304等不稳定的镍?钢对粒间腐蚀敏感,而合金321就是开发来应用在这方面的。

当不稳定的铬镍钢被置于温度为800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)的环境中或在这一温度范围内被慢慢冷却时,碳化铬在晶界产生沉淀。置于某些腐蚀性强的介质时,这些晶界最先受侵蚀,也许会弱化金属的效能,可能发生完全瓦解。

有机介质或若腐蚀性的水剂、牛奶或其他乳制品或大气条件下,即使存在大量碳化物沉淀,也很少会产生粒间腐蚀。当焊接较薄的板材时,因为停留在800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)这一温度范围的时间非常短,不容易产生粒间腐蚀,所以不稳定的等级都可以胜任了。碳化物沉淀到什么程度是有害的取决于合金暴露于800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)这一温度范围的时间长短以及腐蚀介质。焊接较厚的板材是尽管加热时间较长,但由于不稳定的L等级,含碳量在0.03%或更低,碳化物的沉淀也不足以对这个等级产生危害。

稳定的321不锈钢的强抗敏化性和抗粒间腐蚀性通过下表数据体现。(铜-硫酸铜-16% 硫酸测试(ASTM A262, Practice E))。在测试开始前,对钢厂经退火处理的样品进行1050°F (566°C) 、48小时的均热光敏热处理。

粒间腐蚀测试长期敏化作用下的结果

ASTM A262 Practice E

合金 Rate (ipm) Bend Rate (mpy)
304 0.81 dissolved 9720.0
304L 0.0013 IGA 15.6

*1100°F退火处理, 240小时

合金347样品没有出现粒间腐蚀,这表明它们暴露于这种热环境中时没有敏化。合金321样品的低腐蚀率表明:虽然它遭受了一些粒间腐蚀,但在这些环境下,它的耐蚀性比合金304L好。在这个测试的环境下,所有的这些合金都比普通的合金304不锈钢优越得多。

一般而言,合金321用于制作不可进行退火处理的重型焊接设备以及在800°F to 1500°F (427°C to 816°C)这一范围运作或从这一范围慢慢冷却的设备。在各种操作条件中获得的经验为我们预测粒间腐蚀在大多数应用中发生的可能性提供了充足的资料。

同时请回顾我们在热处理部分发表的一些观点。

应力腐蚀龟裂
合金321奥氏体不锈钢对卤化物中的应力腐蚀龟裂敏感,类似于合金304不锈钢。会出现这一结果是由于它们的镍含量相近。导致应力腐蚀龟裂的条件有:(1)暴露于卤化物离子中(一般是氯化物),(2)残余张应力,(3)环境温度超过120°F (49°C)。成形操作中的冷变形或焊接操作中遇到的热循环都可能会产生应力。退火处理或冷变形之后的消除应力热处理可能会降低应力水平。稳定的合金321适用于消除了应力的、可能会对不稳定的合金产生粒间腐蚀的操作环境。

321在对不稳定的奥氏体不锈钢(如合金304)产生连多硫酸应力腐蚀的环境中尤其有用。不稳定的奥氏体不锈钢若被暴露于会发生敏化作用的温度,会在晶界产生碳化铬沉淀。在含硫环境中冷却至室温时,硫化物(通常是氢化硫)会与水汽及氧发生反应,形成侵蚀敏化晶界的连多硫酸。在具有应力、粒间腐蚀的条件下,连多硫酸应力腐蚀龟裂发生在硫化物普遍存在的炼油环境中。稳定的合金321和347因在升温操作环境中具有抗敏化性而解决了连多硫酸应力腐蚀龟裂问题。若操作环境的条件会引起敏化,为使这些合金达到最佳的抗敏化性,应在热稳条件下使用。

点腐蚀/隙腐蚀
稳定的合金321在含有氯离子的环境中的耐点蚀性和耐隙蚀性与合金304或304L不锈钢差不多,因为它们的铬含量相近。一般而言,对于不稳定的及稳定的合金,水环境中的氯化物含量上限为百万分之一百,尤其是存在隙腐蚀时。较高的氯离子含量会导致隙腐蚀和点腐蚀。若在氯化物含量更高、PH值较低而且/或温度较高的恶劣条件下,需考虑使用含钼的合金,如合金316。稳定的合金321通过了100小时的5%盐雾测试(ASTM B117),被测样本没有产生铁锈,没有退色。但是,若把这些合金暴露于来自海洋的盐雾中,可能会出现点腐蚀、隙腐蚀和严重变色。不推荐把合金321暴露于海洋环境中。


高温抗氧化性
321的抗氧化性可与其它18-8奥氏体不锈钢媲美。把样本暴露于高温的实验室大气中。定期把样本从高温环境中拿出称重,可推算出锈皮形成的程度。测试结果通过重量变化(毫克/平方厘米)来表示,取两个不同被测样本的最小值的平均值。

重量变化 (毫克/平方厘米)
暴露时间 1300°F 1350°F 1400°F 1450°F 1500°F
168 小时 0.032 0.046 0.054 0.067 0.118
500 小时 0.045 0.065 0.108 0.108 0.221
1,000
小时
0.067 -- 0.166 -- 0.338

5,000
小时

-- -- 0.443 -- --

321和347的主要区别在于细微的合金添加剂,但不影响抗氧化性。因此,这些测试结果对两个等级来说都具有代表性。但是,氧化率会受暴露环境以及产品形态等固有因素的影响,因此,这些结果应仅被视为这些等级抗氧化性的通常数值。


物理性能
合金321和347的物理性能颇相似,实际上,可以视为相同。表格中所列数值对这两种合金都适用。

若经适当的退火处理,合金321不锈钢主要含有奥氏体和钛碳化物。少量的铁素体可能会或可能不会出现在微观结构中。若长时间暴露于温度介于1000°F -- 1500°F (593°C -- 816°C)的环境中,可能会形成少量的西格玛相。

热处理不能使稳定的合金321不锈钢硬化。

金属的总传热系数除了取决于金属的导热系数外,还取决于其它因素。在大多数情况下,膜层散热系数、锈皮和金属的表面状况。不锈钢能保持表面整洁,因此它的传热性比其它导热系数更高的金属更好。

导磁性
稳定的合金321一般不带磁性。在退火状态下,它的导磁系数低于1.02。导磁率会因成分而改变,因冷作而增加。含铁素体的焊缝的导磁率会高一点。

物理性能
密度
Grade g/cm3 lb/in3
321 7.92 0.286
     
抗拉弹性系数
28 x 106 psi
193 GPa
线性热膨胀平均系数
温度范围  
°C °F cm/cm °C in/in °F
20-100 68 - 212 16.6 x 10-6 9.2 x 10-6
20 - 600 68 - 1112 18.9 x 10-6 10.5 x 10-6
20 - 1000 68 - 1832 20.5 x 10-6 11.4 x 10-6
导热性
温度范围  
°C °F W/m•K Btu•in/hr•ft2•°F
20-100 68 - 212 16.3 112.5
20 - 500 68 - 932 21.4 14.7
比热
温度范围  
°C °F J/kg K Btu/lb•°F
0-100 32 - 212 500 0.12
电阻率
温度范围  
°C °F microhm•cm
20 68 72
100 213 78
200 392 86
400 752 100
600 1112 111
800 1472 121
900 1652 126
熔化范围
°C °F
1398 - 1446 2550 - 2635

 


机械性能
室温下的延展性
稳定的合金321铬镍等级在退火状态下(2000°F [1093°C], 空气冷却)的机械性能最小值如下表所示。

高温下的延展性
合金321在高温下的典型机械性能如下表所示。在1000°F (538°C)及更高的温度环境中,这些稳定合金的强度明显高于不稳定的304合金。

含碳量高的合金321H在1000°F (537°C)以上的环境中具有更高的强度。合金321H不允许用于Section VIII的应用,而且对于Section III的应用,只限于800°F (427°C)或以下的温度。

蠕变及应力破裂性能
合金321不锈钢的典型蠕变及应力破裂数据如下表所示。稳定合金在高温中的蠕变及应力破裂强度高于不稳定合金304和304L。合金321这些优越的性能使其适用于高温作业的承压零件,例如我们常见的锅炉及压力容器。

321冲击强度
测试温度 夏比冲击能量吸收
°F °C Ft-lb Joules
75 24 90 122
-25 -32 66 89
-80 -62 57 78

ASTM A276和ASTM A182

要求的室温下机械性能的最小值
类型

屈服强度
.2% Offset
psi (MPa)

极限抗拉强度
psi (MPa)

延伸率 (%)

321 30,000
(205)
75,000
(515)
30.0
       

ASTM A276和ASTM A182

要求的室温下机械性能的最小值

类型 硬度,最大值
321

217
Brinell

95Rb 95Rb
       

高温条件下的抗拉性能

合金 321 (0.036 英寸厚 / 0.9 mm 厚)
测试问题 屈服强度
.2% Offset psi
(MPa)
极限抗拉强度
psi
(MPa)

%延伸率

°F °C
68 20 31,400
(215)
85,000 
(590)
55.0
400 204 23,500 
(160)
66,600 
(455)
38.0
800 427 19,380 
(130)
66,300 
(455)
32.0
1000 538 19,010 
(130)
64,400 
(440)
32.0
1200 649 19,000 
(130)
55,800 
(380)
28.0
1350 732 18,890 
(130)
41,500 
(285)
26.0
1500 816 17,200 
(115)
26,000 
(180)
45.0

冲击强度
321不管是在室内还是在零度以下的环境,其抗冲击的韧性都非常好。

疲劳强度
实际上,每种金属的疲劳强度都要受到腐蚀环境,表面光洁度,产品形态以及平均应力这些因素的影响。由于这个原因,没办法用一个确切的数字来代表在所有操作条件下的疲劳强度值。合金321的耐疲劳度极限大概是其抗张强度的35%左右


加工
焊接
奥氏体不锈钢被认为是最容易焊接的合金钢,可以用所有的融合物焊接,也进行电阻焊接。

生产奥氏体不锈钢的焊接接点时要考虑两个因素:1)保持其耐腐蚀性,2)避免开裂。

焊接时必须要注意保持合金321里的稳定化元素。合金321里面的钛容易流失。需要避免石油和其他污染源里面的碳元素以及空气里面的氮元素。因此,不管是焊接稳定性良好的合金还是不稳定的合金时,都要注意保持清洁以及保护好惰性气体。

焊接奥氏体组织结构的金属时,在操作过程中很容易分裂。由于这个原因,合金321在重新凝固时需要加少量铁酸盐使其裂纹敏感性降到最低。含钶的不锈钢比含钛的不锈钢更容易热裂。

匹配的填充金属可用于合金321等稳定钢的焊接。合金347的匹配填充金属有时也可用于合金321的焊接。

这些稳定的合金可以加入到其他的不锈钢或者碳钢中。合金309(23% Cr-13.5% Ni)或者是镍基填充金属都可以具有这种用途。


热处理
合金321的退火温度范围是1800 -- 2000°F (928 to 1093°C).。虽然退火的主要目的是增强合金的柔软度及延展性,但是在800 -- 1500°F (427 to 816°C)碳化物沉淀的范围内还可以消除应力,而不会产生粒间腐蚀。虽然在这个温度内的长期加热在某种程度上会降低合金的一般防腐蚀能力,但是合金321和347在800 -- 1500°F (427 to 816°C)的温度范围内退火几个小时后却可以消除应力,而其的一般防腐蚀能力也不会显著降低。就象强调的一样,在800 ---- 1500°F (427 to 816°C)的范围内低温退火并不会导致粒间腐蚀。

如果想要达到最佳的延展性的话,建议使用较高的退火温度1800 to 2000°F (928 to 1093°C)。

当把这些镍?不锈钢加工成设备,而这些设备需要最大程度防止碳化铬沉淀时,必须要认识到钶的稳定性跟钛是不一样的。由于这些原因,应用合金321时,稳定的程度及保护导致的结果就没有那么明显了。

耐腐蚀性需要达到最大化的时候,321合金必须采取稳定退火处理。在1550 to 1650°F (843 to 899°C)温度范围内加热最高至5小时,加热时间根据厚度而定。这个温度范围超过了碳化铬形成的温度范围,这个温度也足以分解和溶解之前已经形成的碳化铬。另外,在这个温度,钛可以跟碳结合形成无害的钛化碳。结果是?被还原成固溶体,而碳就被迫跟钛结合形成无害的碳化物。

在氧化环境中完成热处理后,退火后的氧化物到除锈溶液中去除,例如硝酸和氢氟酸的混合溶液。除锈后,应彻底冲洗不锈钢表面,冲洗掉残留的酸性溶液。

这些合金不能通过热处理来达到硬化。

清洁
不管腐蚀性怎么样,不锈钢在使用和制造的过程中都要保持其表面清洁,即使是在正常的工作环境下。

在焊接时采用惰性气体加工,焊接过程中形成的锈皮和熔渣通过不锈钢刷清除。普通碳钢刷会在不锈钢的表面留下碳钢粒子,这些粒子最终会导致表面生锈。在要求严格的情况下,焊接区域要经过除锈溶液处理(如硝酸和氢氟酸混合溶液)来去除锈皮和熔渣,除锈后,应彻底冲洗不锈钢表面,冲洗掉残留的酸性溶液。

内陆,轻工业用的材料,所需要的维护比较少,只有遮蔽区域有时需要用加压水清洗。重工业则建议经常清洗,去除积聚的灰尘,这些灰尘最终有可能引起腐蚀和损坏不锈钢的表面外观。

适当的设计有助于清洗。带圆抹角,内圆角,无缝隙的设备,有利于清洗和表面抛光。



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