一般屬性
合金347(UNS S34700)是一種穩(wěn)定性非常好的不銹鋼。在溫度達到800-1500°F(427-816°C),碳化鉻沉淀的條件下,仍能保持良好的抗粒間腐蝕的能力。由于成分中添加了鈮,在碳化鉻形成的情況下,347合金仍然可以保持穩(wěn)定性。
347合金常用于高溫環(huán)境下800-1500°F(427-816°C)的長期作業(yè)。如果應用只涉及焊接或短時間加熱時,用304L代替就可以了。
347合金的高溫作業(yè)優(yōu)勢,也有賴于其良好的機械性能。和304, 304L相比,347具有更佳的抗蠕變應力和抗應力破裂性能。這使得在更高一點溫度的時候,這些穩(wěn)定的合金所承受的壓力依然符合美國機械工程學會鍋爐法規(guī)和壓力容器規(guī)范。因此347合金的最高使用溫度可達1500°F (816°C),而304,304L只局限于800°F (426°C)
化學成分
ASTM A276 和 ASTM A182:
成分 |
重量百分比除特別說明外,
表中所列為最大值 |
|
|
347 |
碳* |
|
0.08 |
錳 |
|
2.00 |
磷 |
|
0.045 |
硫 |
|
0.03 |
硅 |
|
1.00 |
鉻 |
|
17.00-19.00 |
鎳 |
|
9.00-13.00 |
鈳+鉭** |
-- |
10xC最小 1.00 最大 |
鉭 |
-- |
-- |
鈦** |
|
-- |
鈷 |
-- |
-- |
氮 |
|
-- |
鐵 |
|
剩余部分 |
|
* H 等級 碳含量為 0.04 ? 0.10%.
|
耐腐蝕性
均勻腐蝕
合金347具有與不穩(wěn)定的鎳鉻合金304相似的抵擋一般腐蝕的能力。在碳化鉻程度的溫度范圍中的長時間加熱可能會影響合金347在惡劣的腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性。
在大多數(shù)環(huán)境中,合金321和347的耐蝕性差不多;但退火狀態(tài)下的合金321在強氧化性環(huán)境中的耐蝕性稍遜于經(jīng)退火處理的合金347。因此,合金347在水環(huán)境和其他低溫環(huán)境中更優(yōu)越。暴露于800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度范圍時,會使合金321的整體耐蝕性大大差于合金347。合金347主要用于高溫應用,高溫應用要求材料有強的抗敏化性,以防止在較低溫度的粒間腐蝕。
粒間腐蝕
合金304等不穩(wěn)定的鎳?鋼對粒間腐蝕敏感,而合金347就是開發(fā)來應用在這方面的。
當不穩(wěn)定的鉻鎳鋼被置于溫度為800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)的環(huán)境中或在這一溫度范圍內(nèi)被慢慢冷卻時,碳化鉻在晶界產(chǎn)生沉淀。置于某些腐蝕性強的介質(zhì)時,這些晶界最先受侵蝕,也許會弱化金屬的效能,可能發(fā)生完全瓦解。
有機介質(zhì)或若腐蝕性的水劑、牛奶或其他乳制品或大氣條件下,即使存在大量碳化物沉淀,也很少會產(chǎn)生粒間腐蝕。當焊接較薄的板材時,因為停留在800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度范圍的時間非常短,不容易產(chǎn)生粒間腐蝕,所以不穩(wěn)定的等級都可以勝任了。碳化物沉淀到什么程度是有害的取決于合金暴露于800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度范圍的時間長短以及腐蝕介質(zhì)。焊接較厚的板材是盡管加熱時間較長,但由于不穩(wěn)定的L等級,含碳量在0.03%或更低,碳化物的沉淀也不足以對這個等級產(chǎn)生危害。
穩(wěn)定的合金347不銹鋼的強抗敏化性和抗粒間腐蝕性通過下表數(shù)據(jù)體現(xiàn)。(銅-硫酸銅-16% 硫酸測試(ASTM A262, Practice E))。在測試開始前,對鋼廠經(jīng)退火處理的樣品進行1050°F (566°C) 、48小時的均熱光敏熱處理。
粒間腐蝕測試長期敏化作用下的結(jié)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退火處理, 240小時
合金347樣品沒有出現(xiàn)粒間腐蝕,這表明它們暴露于這種熱環(huán)境中時沒有敏化。合金321樣品的低腐蝕率表明:雖然它遭受了一些粒間腐蝕,但在這些環(huán)境下,它的耐蝕性比合金304L好。在這個測試的環(huán)境下,所有的這些合金都比普通的合金304不銹鋼優(yōu)越得多。
一般而言,合金347用于制作不可進行退火處理的重型焊接設備以及在800°F to 1500°F (427°C to 816°C)這一范圍運作或從這一范圍慢慢冷卻的設備。在各種操作條件中獲得的經(jīng)驗為我們預測粒間腐蝕在大多數(shù)應用中發(fā)生的可能性提供了充足的資料。
同時請回顧我們在熱處理部分發(fā)表的一些觀點。
應力腐蝕龜裂
合金347奧氏體不銹鋼對鹵化物中的應力腐蝕龜裂敏感,類似于合金304不銹鋼。會出現(xiàn)這一結(jié)果是由于它們的鎳含量相近。導致應力腐蝕龜裂的條件有:(1)暴露于鹵化物離子中(一般是氯化物),(2)殘余張應力,(3)環(huán)境溫度超過120°F (49°C)。成形操作中的冷變形或焊接操作中遇到的熱循環(huán)都可能會產(chǎn)生應力。退火處理或冷變形之后的消除應力熱處理可能會降低應力水平。穩(wěn)定的合金347適用于消除了應力的、可能會對不穩(wěn)定的合金產(chǎn)生粒間腐蝕的操作環(huán)境。
347在對不穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼(如合金304)產(chǎn)生連多硫酸應力腐蝕的環(huán)境中尤其有用。不穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼若被暴露于會發(fā)生敏化作用的溫度,會在晶界產(chǎn)生碳化鉻沉淀。在含硫環(huán)境中冷卻至室溫時,硫化物(通常是氫化硫)會與水汽及氧發(fā)生反應,形成侵蝕敏化晶界的連多硫酸。在具有應力、粒間腐蝕的條件下,連多硫酸應力腐蝕龜裂發(fā)生在硫化物普遍存在的煉油環(huán)境中。穩(wěn)定的合金347因在升溫操作環(huán)境中具有抗敏化性而解決了連多硫酸應力腐蝕龜裂問題。若操作環(huán)境的條件會引起敏化,為使這些合金達到最佳的抗敏化性,應在熱穩(wěn)條件下使用。
點腐蝕/隙腐蝕
穩(wěn)定的合金347在含有氯離子的環(huán)境中的耐點蝕性和耐隙蝕性與合金304或304L不銹鋼差不多,因為它們的鉻含量相近。一般而言,對于不穩(wěn)定的及穩(wěn)定的合金,水環(huán)境中的氯化物含量上限為百萬分之一百,尤其是存在隙腐蝕時。較高的氯離子含量會導致隙腐蝕和點腐蝕。若在氯化物含量更高、PH值較低而且/或溫度較高的惡劣條件下,需考慮使用含鉬的合金,如合金316。穩(wěn)定的合金347通過了100小時的5%鹽霧測試(ASTM B117),被測樣本沒有產(chǎn)生鐵銹,沒有退色。但是,若把這些合金暴露于來自海洋的鹽霧中,可能會出現(xiàn)點腐蝕、隙腐蝕和嚴重變色。不推薦把合金321和347暴露于海洋環(huán)境中。
高溫抗氧化性
347的抗氧化性可與其它18-8奧氏體不銹鋼媲美。把樣本暴露于高溫的實驗室大氣中。定期把樣本從高溫環(huán)境中拿出稱重,可推算出銹皮形成的程度。測試結(jié)果通過重量變化(毫克/平方厘米)來表示,取兩個不同被測樣本的最小值的平均值。
重量變化 (毫克/平方厘米) |
暴露時間 |
1300°F |
1350°F |
1400°F |
1450°F |
1500°F |
168 小時 |
0.032 |
0.046 |
0.054 |
0.067 |
0.118 |
500 小時 |
0.045 |
0.065 |
0.108 |
0.108 |
0.221 |
1,000 小時 |
0.067 |
-- |
0.166 |
-- |
0.338 |
5,000 小時 |
-- |
-- |
0.443 |
-- |
-- |
347的主要區(qū)別在于細微的合金添加劑,但不影響抗氧化性。因此,這些測試結(jié)果對兩個等級來說都具有代表性。但是,氧化率會受暴露環(huán)境以及產(chǎn)品形態(tài)等固有因素的影響,因此,這些結(jié)果應僅被視為這些等級抗氧化性的通常數(shù)值。
物理性能
合金347的物理性能頗相似,實際上,可以視為相同。表格中所列數(shù)值對這兩種合金都適用。
若經(jīng)適當?shù)耐嘶鹛幚恚辖?47不銹鋼主要含有奧氏體鈮碳化物。少量的鐵素體可能會或可能不會出現(xiàn)在微觀結(jié)構(gòu)中。若長時間暴露于溫度介于1000°F -- 1500°F (593°C -- 816°C)的環(huán)境中,可能會形成少量的西格瑪相。
熱處理不能使穩(wěn)定的合金347不銹鋼硬化。
金屬的總傳熱系數(shù)除了取決于金屬的導熱系數(shù)外,還取決于其它因素。在大多數(shù)情況下,膜層散熱系數(shù)、銹皮和金屬的表面狀況。不銹鋼能保持表面整潔,因此它的傳熱性比其它導熱系數(shù)更高的金屬更好。
導磁性
穩(wěn)定的合金347一般不帶磁性。在退火狀態(tài)下,它的導磁系數(shù)低于1.02。導磁率會因成分而改變,因冷作而增加。含鐵素體的焊縫的導磁率會高一點。
物理性能 |
密度 |
等級 |
g/cm3 |
lb/in3 |
|
|
|
347 |
7.96 |
0.288 |
抗拉彈性系數(shù) |
28 x 106 psi |
193 GPa |
線性熱膨脹平均系數(shù) |
溫度范圍 |
|
°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 |
導熱性 |
溫度范圍 |
|
°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 |
比熱 |
溫度范圍 |
|
°C |
°F |
J/kg K |
Btu/lb•°F |
0-100 |
32 - 212 |
500 |
0.12 |
電阻率 |
溫度范圍 |
|
°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 |
熔化范圍 |
°C |
°F |
1398 - 1446 |
2550 - 2635 |
機械性能
室溫下的延展性
穩(wěn)定的合金347鉻鎳等級在退火狀態(tài)下(2000°F [1093°C], 空氣冷卻)的機械性能最小值如下表所示。
高溫下的延展性
合金347在高溫下的典型機械性能如下表所示。在1000°F (538°C)及更高的溫度環(huán)境中,這些穩(wěn)定合金的強度明顯高于不穩(wěn)定的304合金。
含碳量高的合金347H在1000°F (537°C)以上的環(huán)境中具有更高的強度。合金347H的ASME最大許用設計應力數(shù)據(jù)顯示這個等級的強度比含碳量較低的合金347高。
蠕變及應力破裂性能
合金347不銹鋼的典型蠕變及應力破裂數(shù)據(jù)如下表所示。穩(wěn)定合金在高溫中的蠕變及應力破裂強度高于不穩(wěn)定合金304和304L。合金347這些優(yōu)越的性能使其適用于高溫作業(yè)的承壓零件,例如我們常見的鍋爐及壓力容器。
347的沖擊強度 |
測試溫度 |
夏比沖擊能量吸收 |
°F |
°C |
Ft-lb |
Joules |
75 |
24 |
90 |
122 |
-25 |
-32 |
66 |
89 |
-80 |
-62 |
57 |
78 |
ASTM A 276和ASTM A182
要求的室溫下機械性能的最小值 |
類型 |
屈服強度
.2% Offset
psi (MPa)
|
極限抗拉強度
psi (MPa) |
延伸率 (%)
|
|
|
|
|
347 |
30,000
(205) |
75,000
(515) |
30.0 |
高溫條件下的拉伸性能
合金 347 (0.060 英寸厚 / 1.54 mm 厚) |
測試溫度 |
屈服強度
.2% Offset psi
(MPa) |
極限抗拉強度
psi
(MPa) |
%延伸率
|
°F |
°C |
68 |
20 |
36,500
(250)
|
93,250
(640) |
45.0 |
400 |
204 |
36,600
(250) |
73,570
(505) |
36.0 |
800 |
427 |
29,680
(205) |
69,500
(475) |
30.0 |
1000 |
538 |
27,400
(190) |
63,510
(435) |
27.0 |
1200 |
649 |
24,475
(165) |
52,300
(360) |
26.0 |
1350 |
732 |
22,800
(155) |
39,280
(270) |
40.0 |
1500 |
816 |
18,600
(125) |
26,400
(180) |
50.0 |
沖擊強度
347不管是在室內(nèi)還是在零度以下的環(huán)境,其抗沖擊的韌性都非常好。退火后的合金347在指定測試溫度中靜置一小時后的夏比V沖擊試驗如下圖所示。
疲勞強度
實際上,每種金屬的疲勞強度都要受到腐蝕環(huán)境,表面光潔度,產(chǎn)品形態(tài)以及平均應力這些因素的影響。由于這個原因,沒辦法用一個確切的數(shù)字來代表在所有操作條件下的疲勞強度值。合金347的耐疲勞度極限大概是其抗張強度的35%左右
加工
焊接
奧氏體不銹鋼被認為是最容易焊接的合金鋼,可以用所有的融合物焊接,也進行電阻焊接。
生產(chǎn)奧氏體不銹鋼的焊接接點時要考慮兩個因素:1)保持其耐腐蝕性,2)避免開裂。
焊接時必須要注意保持合金347里的穩(wěn)定化元素。合金347就經(jīng)常性容易流失鈳。需要避免石油和其他污染源里面的碳元素以及空氣里面的氮元素。因此,不管是焊接穩(wěn)定性良好的合金還是不穩(wěn)定的合金時,都要注意保持清潔以及保護好惰性氣體。
焊接奧氏體組織結(jié)構(gòu)的金屬時,在操作過程中很容易分裂。由于這個原因,合金347在重新凝固時需要加少量鐵酸鹽使其裂紋敏感性降到最低。含鈳的不銹鋼比含鈦的不銹鋼更容易熱裂。
匹配的填充金屬可用于跟347等穩(wěn)定鋼的焊接。合金347的匹配填充金屬有時也可用于合金321的焊接。
這些穩(wěn)定的合金可以加入到其他的不銹鋼或者碳鋼中。合金309(23% Cr-13.5% Ni)或者是鎳基填充金屬都可以具有這種用途。
熱處理
合金347的退火溫度范圍是1800 -- 2000°F (928 to 1093°C).。雖然退火的主要目的是增強合金的柔軟度及延展性,但是在800 -- 1500°F (427 to 816°C)碳化物沉淀的范圍內(nèi)還可以消除應力,而不會產(chǎn)生粒間腐蝕。雖然在這個溫度內(nèi)的長期加熱在某種程度上會降低合金的一般防腐蝕能力,但是合金347在800 -- 1500°F (427 to 816°C)的溫度范圍內(nèi)退火幾個小時后卻可以消除應力,而其的一般防腐蝕能力也不會顯著降低。就象強調(diào)的一樣,在800 ---- 1500°F (427 to 816°C)的范圍內(nèi)低溫退火并不會導致粒間腐蝕。
如果想要達到最佳的延展性的話,建議使用較高的退火溫度1800 to 2000°F (928 to 1093°C)。
在氧化環(huán)境中完成熱處理后,退火后的氧化物到除銹溶液中去除,例如硝酸和氫氟酸的混合溶液。除銹后,應徹底沖洗不銹鋼表面,沖洗掉殘留的酸性溶液。
這些合金不能通過熱處理來達到硬化。
清潔
不管腐蝕性怎么樣,不銹鋼在使用和制造的過程中都要保持其表面清潔,即使是在正常的工作環(huán)境下。
在焊接時采用惰性氣體加工,焊接過程中形成的銹皮和熔渣通過不銹鋼刷清除。普通碳鋼刷會在不銹鋼的表面留下碳鋼粒子,這些粒子最終會導致表面生銹。在要求嚴格的情況下,焊接區(qū)域要經(jīng)過除銹溶液處理(如硝酸和氫氟酸混合溶液)來去除銹皮和熔渣,除銹后,應徹底沖洗不銹鋼表面,沖洗掉殘留的酸性溶液。
內(nèi)陸,輕工業(yè)用的材料,所需要的維護比較少,只有遮蔽區(qū)域有時需要用加壓水清洗。重工業(yè)則建議經(jīng)常清洗,去除積聚的灰塵,這些灰塵最終有可能引起腐蝕和損壞不銹鋼的表面外觀。
適當?shù)脑O計有助于清洗。帶圓抹角,內(nèi)圓角,無縫隙的設備,有利于清洗和表面拋光。
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