310S - 300系列耐熱不銹鋼

310S合金

310S 合金( UNS S31008 ) 合金奧氏體不銹鋼主要用于高溫環(huán)境。其較 高的鉻含量及鎳含量保證了良好的抗腐蝕能力及抗氧化能力。與奧氏體304 合金相比， 它在室溫下強度要高一點。

310S  (UNS S31008) 

一般屬性 
應(yīng)用
化學(xué)成分
物理性能
短期機械性能
水溶液腐蝕
高溫抗氧化性
其他形式的退化
加工特性
焊接
熱處理/退火

一般屬性
310S奧氏體不銹鋼經(jīng)常被應(yīng)用于高溫環(huán)境下的作業(yè)。其較高的鉻含量和鎳含量確保了良好的耐腐蝕性和抗氧化性，與奧氏體304 合金相比，它在室溫下強度要高一點。

應(yīng)用
高合金不銹鋼通常表現(xiàn)出良好高溫強度，抗蠕變性和抗環(huán)境腐蝕性。因此，它們被廣泛應(yīng)用于熱處理行業(yè)的熔爐零部件，如：傳送帶，滾筒，爐頭，耐火墊板，吊管架等。這些等級也應(yīng)用到化學(xué)加工行業(yè)，用于承載熱濃酸，氨水和二硫化物。在食物加工行業(yè)，這些等級用于與熱乙酸和檸檬酸接觸。

化學(xué)成分
除特別說明外，以下的化學(xué)成分是根據(jù)ASTM A276和ASTM A182標準。

表中的數(shù)值表示重量百分百，除特別說明范圍外，表中都是最大值

物理性能

機械性能
所有的抗拉試驗都是根據(jù)ASTM E8來完成的。表中的數(shù)據(jù)是若干個測試樣品（最少2個樣品，最多10個樣品）得出來測試結(jié)果的平均值。屈服強度是通過0.2%抵消方法得到的。塑性延伸通過一個2英寸的樣品來測量。

310S合金

抗水溶液腐蝕
310S主要用于高溫環(huán)境下，可以有效利用它們的抗氧化性。但是，這些合金因為含鉻量和含鎳量高，對水溶液也具有一定的耐腐蝕性。

含鎳量高使這些合金對氯化物應(yīng)力龜裂腐蝕的抵抗力比18-8不銹鋼稍好，盡管如此，但是310S奧氏體不銹鋼仍然容易受這種腐蝕的影響。

需要提高耐水溶液腐蝕的應(yīng)用中，往往會用到310S，如：濃硝酸溶液中的作業(yè)，這種溶液中可能發(fā)生晶界擇優(yōu)腐蝕。

高溫抗氧化性
在多數(shù)情況下，金屬合金都會與周圍環(huán)境發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)。最常見的化學(xué)反應(yīng)就是氧化：金屬元素與氧氣結(jié)合，生成氧化物。不銹鋼通過鉻元素的局部氧化使其具有抗氧化性，在鉻元素局部氧化的過程中，可以形成一種非常穩(wěn)定的氧化物（Cr2O3 氧化鉻）。只要金屬的鉻含量充足，在金屬表面即可形成一層連續(xù)的氧化鉻綠，防止其他氧化物生成，并對金屬起到保護作用。氧化率是由帶點粒子的傳輸來控制的。當(dāng)表面的銹皮越厚，氧化率就會大幅度下降，因為帶點粒子傳輸?shù)穆窂皆竭h。這個過程叫鈍化，也就是鈍化膜形成的過程。

奧氏體不銹鋼的抗氧化性可以通過鉻含量來推算。耐高溫的合金含鉻量至少20%（重量百分百）。用鎳成分代替鐵成分也通�？梢蕴峁┖辖鹪诟邷叵碌男阅堋�310S是高合金材料，因此，具有相當(dāng)好的抗氧化性。

已氧化的金屬樣品，其重量會有所增加，因為一定量的氧氣組合到產(chǎn)品的氧化膜。測量金屬抗氧化性的其中一種方法是：讓金屬在特定時間內(nèi)暴露在高溫環(huán)境下，然后測量其重量的變化。重量增加越多，表面氧化越嚴重。

氧化過程比簡單的銹皮增厚要復(fù)雜得多。散裂，或者說表面皮分離，是不銹鋼氧化過程中最常見的問題。散裂通常表現(xiàn)為急速的重量損失。其他一些因素也會引起散裂，其中主要包括熱循環(huán)，機械損傷和氧化物過厚。

在氧化過程中，鉻以氧化鉻的形式存在于銹皮中。當(dāng)氧化皮剝落時，未氧化的金屬暴露出來，因為新的氧化鉻的形成，材料的氧化率暫時升高。銹皮散裂到達一定程度，鉻含量的損失可能引起金屬的耐熱性降低，從而導(dǎo)致鐵氧化物和鎳氧化物快速增加，這種情況稱為破裂氧化。

高溫氧化可能導(dǎo)致銹皮揮發(fā)。在耐熱不銹鋼表面形成的氧化鉻，最開始是Cr2O3 ，當(dāng)溫度進一步升高時，會進一步氧化成具有高蒸汽壓力的CrO3 。氧化物此時分成兩部分：通過形成Cr2O3 使銹皮增厚，通過CrO3 的蒸發(fā)使銹皮變薄。最終的趨勢是在增厚和變薄之間達到最終的平衡，從而使銹皮處于恒定的厚度。銹皮揮發(fā)在溫度達到2000°F (1093°C)以上時，成為一個突出問題，在流動氣體的作用下，會進一步惡化。

其他形式的退化
除了氧氣以外，粒子在高溫環(huán)境下也可以引起不銹鋼的加速退化。硫的存在可以引起硫化腐蝕。不銹鋼的硫化腐蝕是一個復(fù)雜的過程，而且很大程度上受硫和氧氣含量以及硫的存在形式影響（比如：氣態(tài)，氧化硫，氫化硫）。鉻可以形成穩(wěn)定的氧化物和硫化物。在氧氣和含硫化合物共同存在的情況下，通常在外部形成氧化鉻層作為一個保護層阻止硫進入。然而，硫化腐蝕仍然可以在銹皮損壞和分離的地方發(fā)生，在某些特定情況下，硫可以穿過氧化鉻，在金屬內(nèi)部形成硫化鉻。在含鎳量高（25%或者更高）的合金中，硫化作用增強。鎳和硫化鎳形成低熔點的共晶相，在高溫條件下，可能對材料造成嚴重的損壞。

環(huán)境中如果存在含碳量高的粒子，會導(dǎo)致碳元素進入金屬，隨后形成內(nèi)部碳化物。滲碳作用一般在溫度1470°F (800°C)以上發(fā)生。內(nèi)部滲碳金屬會引起機械性能和物理性能的改變。通常來說，氧氣可以通過在金屬表面形成保護膜來阻止碳進入。較高的鎳含量和硅含量都可以一定程度上減少滲碳作用。金屬粉塵是滲碳作用的一種特殊形式，通常在較低溫度范圍發(fā)生(660-1650°F or 350-900°C)。金屬粉塵可以通過一個復(fù)雜的機構(gòu)把固體金屬轉(zhuǎn)換成石墨和金屬微粒的混合物，進而形成較深的小坑，最終導(dǎo)致局部腐蝕。

在氮氣存在的情況下，可能發(fā)生滲氮作用。氧化物通常比氮化物穩(wěn)定，因此在含氧的大氣環(huán)境中，通常形成氧化皮。這層保護膜可以很好地阻擋氮進入，因此在大氣環(huán)境和氣態(tài)的燃燒產(chǎn)物環(huán)境下，幾乎不用考慮滲氮作用的影響。在純氮環(huán)境下，尤其是在干燥，裂化氨氣環(huán)境下，氧含量非常低，就可能發(fā)生滲氮作用。在相對低溫的情況下，在金屬表面可以形成氮化膜。在1832°F或1000°C)以上高溫情況下，氮的擴散性可以迅速滲透金屬，在晶界生成內(nèi)部氮化物，影響金屬的機械性能。

金相的不穩(wěn)定性，高溫暴露時形成新的金相，都可以反過來影響機械性能和降低耐腐蝕性。當(dāng)奧氏體不銹鋼在溫度范圍800-1650°F (427-899°C)緩慢冷卻時，碳化物粒子常常在晶界沉淀（敏化作用）。鉻和鎳的含量越高，碳的可溶性就越低，也就是說更容易受敏化作用影響。在這個溫度范圍，推薦用強制淬火冷卻，尤其是對于較厚的材料。隨著碳含量的降低，形成碳化鉻的時間和溫度就增加。因此，這些合金的低碳等級對敏化具有較好的抵抗力，但是并不是可以完全避免敏化作用的影響。當(dāng)加熱溫度長期達到1200-1850°F (649-1010°C)，310S在室溫下的延展性會降低，這是因為西格瑪相和碳化物的影響。西格瑪相通常在晶界形成并影響金屬的延展性。這種副作用可以通過在指定溫度重退火來消除。

高溫退化很多程度受大氣和其他作業(yè)環(huán)境影響。一般的氧化數(shù)據(jù)通常只能用于對不同合金相對抗氧化性的估計。如果有需要，森邁爾鋼鐵公司，可以為您提供具體應(yīng)用的抗氧化性數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

加工特性
310S不銹鋼因其耐高溫和抗氧化性能，被廣泛應(yīng)用于熱處理/加工行業(yè)。也因為這樣，這些合金常被加工成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。碳鋼的加工性通常被認為是金屬成型操作中的標準。奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出來的性能和碳鋼大不相同：奧氏體不銹鋼更難加工，變硬的速度非�？�。盡管這并不會改變我們一般用的加工方法，如：切割，機械加工，成型等，但是這些特性卻影響這些加工方法的具體細節(jié)。

切割和機械加工普通軟鋼的標準技術(shù)，稍作調(diào)整后也可用于加工奧氏體不銹鋼。但是奧氏體不銹鋼更難加工，變硬的速度非常快。加工過程中產(chǎn)生的碎片細且硬，并保留著相當(dāng)好的延展性。加工用的道具應(yīng)保持鋒利和堅硬。對于硬化區(qū)域，一般采用深度和慢速切割。由于奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱性低和熱膨脹系數(shù)高，在切割和機械加工的過程中，必須考慮排熱和尺寸公差。

奧氏體不銹鋼可通過彎曲，拉伸成形，滾扎成形，錘打成形，擴口加工/凸緣加工，旋轉(zhuǎn)，精抽，液壓成形等方法達到冷作成形。在加工過程中，奧氏體不銹鋼容易硬化，表現(xiàn)為加工過程中要不斷增大加工的力量。這就意味著需要用更強大的成形設(shè)備并且最終限制了成型度。

因為各種環(huán)境和金相的因數(shù)，用于310S熱作的溫度范圍相對較窄。鍛造的初始溫度范圍是1800-2145°F (980-1120°C)，結(jié)束溫度不能低于1800°F (980°C)。在過高的溫度下加工，因為環(huán)境和金相的因素，尤其是鐵素體的生成，會導(dǎo)致合金的熱塑性下降。在過低的溫度下加工，形成脆片第二相，如：西格瑪相。鍛造后，鍛件需迅速冷卻到暗熱。

焊接
奧氏體等級被認為是不銹鋼中最容易焊接的等級。它們可以通過所有常見的方法進行焊接。310S也是如此。如果需要填充焊料，一般要選成分匹配的。因為這個等級的合金含量提高，可以降低熔池的流動性。如果熔池的流動性仍然需要降低，可以采用含硅的焊料(如 ER309Si, ER309LSi)。

310S的熱膨脹系數(shù)較高，導(dǎo)熱性較低，在固化的焊接金屬中會形成少量的鐵素體，可能導(dǎo)致熱裂紋。這個問題在防脫焊口，寬焊口可能更嚴重。低合金含量的焊料(如ER308)可以增加堆焊中的鐵素體從而降低熱裂紋的趨勢�；�焊金屬的成分被稀釋后，可能降低該金屬焊口處的耐腐蝕性和耐熱性。

S等級的含碳量相對較低。焊接得當(dāng)?shù)脑�，不太可能發(fā)生熱影響區(qū)的粒間腐蝕。去除回火色和銹皮可恢復(fù)焊口附近的耐腐蝕性。采用不銹鋼刷研磨和刷洗，可以去除回火色和銹皮。酸洗也可去除銹皮。小件的材料可以放入槽中酸洗，大件的材料，可以采用特制的硝酸，氟化氫酸，鹽酸的混合物來局部清洗。酸洗以后，要用清水徹底洗掉酸洗的殘留物。

熱處理/退火
對這些合金進行退火的主要原因是產(chǎn)生一個再結(jié)晶的微細結(jié)構(gòu)，達到均勻晶粒度，分解有害的碳化鉻沉淀物。要確保完全退火，必須把材料置于2050-2150°F (1120-1175°C)溫度范圍內(nèi)每英寸厚度所需時間約30分鐘。這僅僅是一般的做法。特殊的情況可能需要特殊的處理方法。適當(dāng)退火后，這些等級在室溫下主要是奧氏體，少量的鐵素體也可能存在。

310S在空氣退火過程中產(chǎn)生氧化皮是不可避免的。銹皮中含有豐富的鉻并且具有一定的附著性。通常來說，在進一步加工之前都要把退火銹皮去除。去除銹皮有兩種方法：機械方法和化學(xué)方法。表面噴砂和化學(xué)除銹二者相結(jié)合通常是去除所有頑固銹皮最有效的方法。硅砂，玻璃微珠是很好的噴砂材料。也可以采用鐵粒，鋼粒，但是這可能引起游離鐵進入金屬的表面，進而引起表面生銹或變色。

化學(xué)除銹通常采用硝酸和氫氟酸的混合物�；瘜W(xué)槽液和加工溫度通常視實際情況而定。常用的槽液包括5-15%HNO3 (65%初始強度) 和 _-3% HF (60% 初始強度)的水溶液。濃度過高的氫氟酸會導(dǎo)致除銹過猛。槽液溫度通常從室溫到140°F (50°C)。 溫度過高會導(dǎo)致除銹過快，槽液侵蝕晶界，進而造成金屬表面出現(xiàn)凹槽。酸洗以后，要用清水徹底洗掉酸洗的殘留物，然后干燥，避免金屬表面出現(xiàn)斑漬。

由于310S在室溫下呈現(xiàn)奧氏體結(jié)構(gòu)，因此不能通過熱處理達到硬化。通過熱作或冷作，可以達到更高的機械強度，但是這些等級通常達不到這種狀態(tài)。通過冷作，也可以獲得更好的抗拉強度和屈服強度，冷作后如果不退火，這些性能在高溫下就不穩(wěn)定，而這些合金往往是用于高溫作業(yè)。如果在高溫環(huán)境下使用冷作后的材料，卻剛好相反，會影響材料的蠕變性能。