一般屬性
合金321(UNS S32100)是一種穩(wěn)定性非常好的不銹鋼。在溫度達(dá)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。由于成分中添加了鈦,在碳化鉻形成的情況下,321合金仍然可以保持穩(wěn)定性。
321合金常用于高溫環(huán)境下800-1500°F(427-816°C)的長(zhǎng)期作業(yè)。如果應(yīng)用只涉及焊接或短時(shí)間加熱時(shí),用304L代替就可以了。
321合金的高溫作業(yè)優(yōu)勢(shì),也有賴于其良好的機(jī)械性能。和304, 304L相比,321具有更佳的抗蠕變應(yīng)力和抗應(yīng)力破裂性能。這使得在更高一點(diǎn)溫度的時(shí)候,這些穩(wěn)定的合金所承受的壓力依然符合美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍋爐法規(guī)和壓力容器規(guī)范。因此321合金的最高使用溫度可達(dá)1500°F (816°C),而304,304L只局限于800°F (426°C)
化學(xué)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
|
|
321 |
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碳* |
0.08 |
|
錳 |
2.00 |
|
磷 |
0.045 |
|
硫 |
0.030 |
|
硅 |
1.00 |
|
鉻 |
17.00-19.00 |
|
鎳 |
9.00-12.00 |
|
鈳+鉭** |
-- |
|
鉭 |
-- |
-- |
鈦** |
5x(C+N)最小 0.70 最大 |
-- |
鈷 |
-- |
-- |
氮 |
0.10 |
-- |
鐵 |
剩余部分 |
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* H 等級(jí) 碳含量為 0.04 ? 0.10%.
|
耐腐蝕性
均勻腐蝕
合金321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(zhǎng)時(shí)間加熱可能會(huì)影響合金321在惡劣的腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性。
在大多數(shù)環(huán)境中,兩種合金的耐蝕性差不多;但退火狀態(tài)下的合金321在強(qiáng)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(shí),會(huì)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(yīng)用,高溫應(yīng)用要求材料有強(qiáng)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(duì)粒間腐蝕敏感,而合金321就是開發(fā)來應(yīng)用在這方面的。
當(dāng)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(shí),碳化鉻在晶界產(chǎn)生沉淀。置于某些腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)時(shí),這些晶界最先受侵蝕,也許會(huì)弱化金屬的效能,可能發(fā)生完全瓦解。
有機(jī)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(huì)產(chǎn)生粒間腐蝕。當(dāng)焊接較薄的板材時(shí),因?yàn)橥A粼?00°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度范圍的時(shí)間非常短,不容易產(chǎn)生粒間腐蝕,所以不穩(wěn)定的等級(jí)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(shí)間長(zhǎng)短以及腐蝕介質(zhì)。焊接較厚的板材是盡管加熱時(shí)間較長(zhǎng),但由于不穩(wěn)定的L等級(jí),含碳量在0.03%或更低,碳化物的沉淀也不足以對(duì)這個(gè)等級(jí)產(chǎn)生危害。
穩(wěn)定的321不銹鋼的強(qiáng)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(cè)試(ASTM A262, Practice E))。在測(cè)試開始前,對(duì)鋼廠經(jīng)退火處理的樣品進(jìn)行1050°F (566°C) 、48小時(shí)的均熱光敏熱處理。
粒間腐蝕測(cè)試長(zhǎng)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(shí)
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(shí)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(gè)測(cè)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321用于制作不可進(jìn)行退火處理的重型焊接設(shè)備以及在800°F to 1500°F (427°C to 816°C)這一范圍運(yùn)作或從這一范圍慢慢冷卻的設(shè)備。在各種操作條件中獲得的經(jīng)驗(yàn)為我們預(yù)測(cè)粒間腐蝕在大多數(shù)應(yīng)用中發(fā)生的可能性提供了充足的資料。
同時(shí)請(qǐng)回顧我們?cè)跓崽幚聿糠职l(fā)表的一些觀點(diǎn)。
應(yīng)力腐蝕龜裂
合金321奧氏體不銹鋼對(duì)鹵化物中的應(yīng)力腐蝕龜裂敏感,類似于合金304不銹鋼。會(huì)出現(xiàn)這一結(jié)果是由于它們的鎳含量相近。導(dǎo)致應(yīng)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(yīng)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。退火處理或冷變形之后的消除應(yīng)力熱處理可能會(huì)降低應(yīng)力水平。穩(wěn)定的合金321適用于消除了應(yīng)力的、可能會(huì)對(duì)不穩(wěn)定的合金產(chǎn)生粒間腐蝕的操作環(huán)境。
321在對(duì)不穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼(如合金304)產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)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(huì)發(fā)生敏化作用的溫度,會(huì)在晶界產(chǎn)生碳化鉻沉淀。在含硫環(huán)境中冷卻至室溫時(shí),硫化物(通常是氫化硫)會(huì)與水汽及氧發(fā)生反應(yīng),形成侵蝕敏化晶界的連多硫酸。在具有應(yīng)力、粒間腐蝕的條件下,連多硫酸應(yīng)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321和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(yīng)力腐蝕龜裂問題。若操作環(huán)境的條件會(huì)引起敏化,為使這些合金達(dá)到最佳的抗敏化性,應(yīng)在熱穩(wěn)條件下使用。
點(diǎn)腐蝕/隙腐蝕
穩(wěn)定的合金321在含有氯離子的環(huán)境中的耐點(diǎn)蝕性和耐隙蝕性與合金304或304L不銹鋼差不多,因?yàn)樗鼈兊你t含量相近。一般而言,對(duì)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(shí)。較高的氯離子含量會(huì)導(dǎo)致隙腐蝕和點(diǎn)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321通過了100小時(shí)的5%鹽霧測(cè)試(ASTM B117),被測(cè)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(huì)出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕、隙腐蝕和嚴(yán)重變色。不推薦把合金321暴露于海洋環(huán)境中。
高溫抗氧化性
321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(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果通過重量變化(毫克/平方厘米)來表示,取兩個(gè)不同被測(cè)樣本的最小值的平均值。
重量變化 (毫克/平方厘米) |
暴露時(shí)間 |
1300°F |
1350°F |
1400°F |
1450°F |
1500°F |
168 小時(shí) |
0.032 |
0.046 |
0.054 |
0.067 |
0.118 |
500 小時(shí) |
0.045 |
0.065 |
0.108 |
0.108 |
0.221 |
1,000
小時(shí) |
0.067 |
-- |
0.166 |
-- |
0.338 |
5,000
小時(shí)
|
-- |
-- |
0.443 |
-- |
-- |
321和347的主要區(qū)別在于細(xì)微的合金添加劑,但不影響抗氧化性。因此,這些測(cè)試結(jié)果對(duì)兩個(gè)等級(jí)來說都具有代表性。但是,氧化率會(huì)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(yīng)僅被視為這些等級(jí)抗氧化性的通常數(shù)值。
物理性能
合金321和347的物理性能頗相似,實(shí)際上,可以視為相同。表格中所列數(shù)值對(duì)這兩種合金都適用。
若經(jīng)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚,合?21不銹鋼主要含有奧氏體和鈦碳化物。少量的鐵素體可能會(huì)或可能不會(huì)出現(xiàn)在微觀結(jié)構(gòu)中。若長(zhǎng)時(shí)間暴露于溫度介于1000°F -- 1500°F (593°C -- 816°C)的環(huán)境中,可能會(huì)形成少量的西格瑪相。
熱處理不能使穩(wěn)定的合金321不銹鋼硬化。
金屬的總傳熱系數(shù)除了取決于金屬的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)更高的金屬更好。
導(dǎo)磁性
穩(wěn)定的合金321一般不帶磁性。在退火狀態(tài)下,它的導(dǎo)磁系數(shù)低于1.02。導(dǎo)磁率會(huì)因成分而改變,因冷作而增加。含鐵素體的焊縫的導(dǎo)磁率會(huì)高一點(diǎn)。
物理性能 |
密度 |
Grade |
g/cm3 |
lb/in3 |
321 |
7.92 |
0.286 |
|
|
|
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(dǎo)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(jī)械性能
室溫下的延展性
穩(wěn)定的合金321鉻鎳等級(jí)在退火狀態(tài)下(2000°F [1093°C], 空氣冷卻)的機(jī)械性能最小值如下表所示。
高溫下的延展性
合金321在高溫下的典型機(jī)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(qiáng)度明顯高于不穩(wěn)定的304合金。
含碳量高的合金321H在1000°F (537°C)以上的環(huán)境中具有更高的強(qiáng)度。合金321H不允許用于Section VIII的應(yīng)用,而且對(duì)于Section III的應(yīng)用,只限于800°F (427°C)或以下的溫度。
蠕變及應(yīng)力破裂性能
合金321不銹鋼的典型蠕變及應(yīng)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(yīng)力破裂強(qiáng)度高于不穩(wěn)定合金304和304L。合金321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。
321沖擊強(qiáng)度 |
測(cè)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 A276和ASTM A182
要求的室溫下機(jī)械性能的最小值 |
類型 |
屈服強(qiáng)度
.2% Offset
psi (MPa)
|
極限抗拉強(qiáng)度
psi (MPa) |
延伸率 (%)
|
321 |
30,000
(205) |
75,000
(515) |
30.0 |
|
|
|
|
ASTM A276和ASTM A182
要求的室溫下機(jī)械性能的最小值
|
類型 |
硬度,最大值 |
板 |
片 |
條 |
321 |
217
Brinell
|
95Rb |
95Rb |
|
|
|
|
高溫條件下的抗拉性能
合金 321 (0.036 英寸厚 / 0.9 mm 厚) |
測(cè)試問題 |
屈服強(qiáng)度
.2% Offset psi
(MPa) |
極限抗拉強(qiáng)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 |
沖擊強(qiáng)度
321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。
疲勞強(qiáng)度
實(shí)際上,每種金屬的疲勞強(qiáng)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(yīng)力這些因素的影響。由于這個(gè)原因,沒辦法用一個(gè)確切的數(shù)字來代表在所有操作條件下的疲勞強(qiáng)度值。合金321的耐疲勞度極限大概是其抗張強(qiáng)度的35%左右
加工
焊接
奧氏體不銹鋼被認(rèn)為是最容易焊接的合金鋼,可以用所有的融合物焊接,也進(jìn)行電阻焊接。
生產(chǎn)奧氏體不銹鋼的焊接接點(diǎn)時(shí)要考慮兩個(gè)因素:1)保持其耐腐蝕性,2)避免開裂。
焊接時(shí)必須要注意保持合金321里的穩(wěn)定化元素。合金321里面的鈦容易流失。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(shí),都要注意保持清潔以及保護(hù)好惰性氣體。
焊接奧氏體組織結(jié)構(gòu)的金屬時(shí),在操作過程中很容易分裂。由于這個(gè)原因,合金321在重新凝固時(shí)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合金321等穩(wěn)定鋼的焊接。合金347的匹配填充金屬有時(shí)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321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(qiáng)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(yīng)力,而不會(huì)產(chǎn)生粒間腐蝕。雖然在這個(gè)溫度內(nèi)的長(zhǎng)期加熱在某種程度上會(huì)降低合金的一般防腐蝕能力,但是合金321和347在800 -- 1500°F (427 to 816°C)的溫度范圍內(nèi)退火幾個(gè)小時(shí)后卻可以消除應(yīng)力,而其的一般防腐蝕能力也不會(huì)顯著降低。就象強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致粒間腐蝕。
如果想要達(dá)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)。
當(dāng)把這些鎳?不銹鋼加工成設(shè)備,而這些設(shè)備需要最大程度防止碳化鉻沉淀時(shí),必須要認(rèn)識(shí)到鈳的穩(wěn)定性跟鈦是不一樣的。由于這些原因,應(yīng)用合金321時(shí),穩(wěn)定的程度及保護(hù)導(dǎo)致的結(jié)果就沒有那么明顯了。
耐腐蝕性需要達(dá)到最大化的時(shí)候,321合金必須采取穩(wěn)定退火處理。在1550 to 1650°F (843 to 899°C)溫度范圍內(nèi)加熱最高至5小時(shí),加熱時(shí)間根據(jù)厚度而定。這個(gè)溫度范圍超過了碳化鉻形成的溫度范圍,這個(gè)溫度也足以分解和溶解之前已經(jīng)形成的碳化鉻。另外,在這個(gè)溫度,鈦可以跟碳結(jié)合形成無害的鈦化碳。結(jié)果是?被還原成固溶體,而碳就被迫跟鈦結(jié)合形成無害的碳化物。
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(yīng)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(dá)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(shí)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(huì)在不銹鋼的表面留下碳鋼粒子,這些粒子最終會(huì)導(dǎo)致表面生銹。在要求嚴(yán)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(yīng)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(hù)比較少,只有遮蔽區(qū)域有時(shí)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(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)有助于清洗。帶圓抹角,內(nèi)圓角,無縫隙的設(shè)備,有利于清洗和表面拋光。
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