一般屬性
合金304L (S30403), 304 (S30400), 304H (S30409)的不銹鋼是18%鉻,8%鎳奧氏體合金的幾種變體,是不銹鋼家族中最常見和最常用的合金。因?yàn)檫@些合金具有以下一種或多種屬性,因此可以用作各種應(yīng)用。屬性包括:
- 耐腐蝕
- 防止產(chǎn)品污染
- 抗氧化
- 易于加工
- 良好的成形性
- 外觀精美
- 易于清潔
- 高強(qiáng)度、低重量
- 低溫環(huán)境下,良好的強(qiáng)度和韌性
- 已存在多種產(chǎn)品形式
每種合金都很好地結(jié)合了耐腐蝕性和良好的加工性。性能的良好結(jié)合是這種合金被廣泛使用的原因,幾乎占全美國不銹鋼產(chǎn)量的一半。18-8不銹鋼,主要是304,304L,304H,以多種形式存在,包括片,條和板。這些合金通常用于設(shè)備的制造,應(yīng)用的例子包括:食物和飲料,衛(wèi)生,冷凍,壓力容器。
氬氧脫碳技術(shù)(AOD技術(shù))以低成本實(shí)現(xiàn)了低碳水平,304成為了標(biāo)準(zhǔn)合金,304L合金是304的改良品,它的碳含量在0.030以下。304L用于焊接產(chǎn)品,這些產(chǎn)品作業(yè)時(shí)可能暴露在會引起不規(guī)則腐蝕的環(huán)境下。
化學(xué)成分
ASTM A182:
成分 |
重量百分比除特別說明外,表中所列為最大值
|
|
304 |
304L |
304H |
碳 |
0.08 |
0.030 |
0.04-0.01 |
錳 |
2.00 |
2.00 |
2.00 |
磷 |
0.045 |
0.045 |
0.045 |
硫 |
0.030 |
0.030 |
0.030 |
硅 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
鉻 |
18.00
20.00 |
18.00
20.00 |
18.00
20.00 |
鎳 |
8.0
11.00 |
8.0
13.00 |
8.0
11.00 |
氮 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
以上表中的數(shù)據(jù)僅是典型的成分分析,不能作為最終產(chǎn)品成分的最大值或最小值。具體某一塊材料的成分可能與以上數(shù)據(jù)不一致。
耐腐蝕
均勻腐蝕
奧氏體不銹鋼304,304L,304H,在適度的氧化和還原環(huán)境下,具有相當(dāng)?shù)哪透g性。這些合金被廣泛用于加工和處理食物飲料,奶制品的設(shè)備和器具。熱交換器,管道,油罐,和其他與淡水接觸的加工設(shè)備都可以采用這些合金。
這些合金的鉻含量是18-19%,在氧化環(huán)境下具有抗氧化性。下表是304合金在稀硝酸環(huán)境下的氧化率。
% 硝酸 |
溫度
°F (°C) |
腐蝕率
Mils/Yr (mm/a) |
10 |
300 (149) |
5.0 (0.13) |
20 |
300 (149) |
10.1 (0.25) |
30 |
300 (149) |
17.0 (0.43) |
304,304L,304H對中度有機(jī)酸(如醋酸)和還原酸(如磷酸)也具有抵抗性。18-8合金鎳含量8-11%,能抵抗中度還原環(huán)境。更高還原性的還原環(huán)境(如沸騰的稀鹽酸和硫酸),對于這些材料來說,攻擊性就太強(qiáng)了。
某些情況下,低碳含量的304L合金比高碳含量的304合金的腐蝕率低。從甲酸,氨基磺酸,氫氧化鈉得到的數(shù)據(jù)印證了這一點(diǎn)。除此以外,304,304L,304H在大多數(shù)腐蝕環(huán)境下的性能都是相同的。一個(gè)值得注意的特例是:在足以引起焊接和熱影響區(qū)粒間腐蝕的環(huán)境中,更傾向使用304L合金,因?yàn)樗牡吞己坑兄诘挚沽ig腐蝕。
粒間腐蝕
18-8奧氏體不銹鋼暴露在800°F至 1500°F (427°C至 816°C)溫度下,可能引起碳化鉻在晶界沉淀。這類不銹鋼暴露在苛刻環(huán)境下,容易形成粒間腐蝕。304合金中的碳成分導(dǎo)致其在氣焊和熱影響區(qū)焊接過程中的熱狀態(tài)下,產(chǎn)生敏化。因此,材料在焊后狀態(tài)使用的情況下,通常選用碳含量較低的304L合金。低碳含量延長了碳化鉻沉淀到危害水平的時(shí)間,但是材料長期處于沉淀溫度范圍內(nèi),并不是完全消除這種沉淀。
粒間腐蝕測試 |
ASTM A262
評估測試 |
腐蝕率, Mils/Yr (mm/a) |
304 |
304L |
Practice E
基焊金屬
焊接后
|
彎曲無龜裂
焊接有一些龜裂
(不接受)
|
無龜裂
無龜裂
|
Practice A
基焊金屬
焊接后
|
級別結(jié)構(gòu)
起溝
(不接受) |
級別結(jié)構(gòu)
級別結(jié)構(gòu)
|
應(yīng)力腐蝕龜裂
304,304L,304H合金是奧氏體不銹鋼中最容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕龜裂的(SSC),因?yàn)樗麄兊逆嚭肯鄬Φ。引起?yīng)力腐蝕龜裂的條件有:(1)鹵化物離子的存在(通常是氯化物),(2)殘余的張力,(3)溫度超過120°F (49°C)。合金成形過程中的冷變形,拉幅成管板,焊接操作等都可以產(chǎn)生應(yīng)力。退火,冷變形后的消除應(yīng)力熱處理都可減少應(yīng)力,因而降低了鹵化物應(yīng)力腐蝕龜裂可能性。在可能引起粒間腐蝕的環(huán)境中,低溫退火狀態(tài)下作業(yè),最好選擇低碳的304L合金材料。
鹵化物 (氯化物應(yīng)力腐蝕測試) |
測試 |
U型彎曲(高度受壓)樣品 |
304 |
33%
氯化鋰,
沸騰
|
基焊金屬
焊接后 |
斷裂,14-96小時(shí)
斷裂,18-90小時(shí)
|
26% 氯化鈉,
沸騰
|
基焊金屬
焊接后 |
斷裂,142-1004小時(shí)
斷裂,300-500小時(shí)
|
40% 氯化鈣,
沸騰 |
基焊金屬 |
斷裂,144小時(shí)
-- |
周圍環(huán)境
暴露在海邊環(huán)境 |
基焊金屬
焊接后 |
無斷裂
無斷裂
|
點(diǎn)腐蝕/隙腐蝕
18-8合金被非常成功地應(yīng)用在氯離子含量低的淡水中。一般來說,尤其是有縫隙出現(xiàn)的情況下,18-8合金的極限是100ppm 的氯化物。高含量的氯化物可能引起隙腐蝕和點(diǎn)腐蝕。在更嚴(yán)厲的條件下,如:低PH值,或者高溫,則會考慮使用鉬含量較高的合金,如316。18-8合金也不建議用于海洋環(huán)境。
物理性能
密度:
0.285 lb/in3 (7.90 g/cm3)
抗拉彈性模數(shù):
29 x 106 psi (200 GPa)
線性熱膨脹系數(shù):
溫度范圍 |
系數(shù) |
°F |
°C |
in/in/°F |
cm/cm/°C |
68-212 |
20-100 |
9.2 x 10-6 |
16.6 x 10-6 |
18 - 1600 |
20 - 870 |
11.0 x 10-6 |
19.8 x 10-6 |
熱傳導(dǎo):
溫度范圍 |
Btu/hr/ft/°F |
W/m/K |
°F |
°C |
212 |
100 |
9.4 |
16.3 |
932 |
500 |
12.4 |
21.4 |
金屬的總傳導(dǎo)系數(shù)除了由金屬的熱傳導(dǎo)性決定以外,還取決于其他因素。18-8合金不銹鋼具有保持表面清潔的性能,和其他熱傳導(dǎo)系數(shù)高的金屬相比,18-8合金的熱傳導(dǎo)性能往往更好。
比熱:
°F |
°C |
Btu/lb/°F |
J/kg/K |
32-212 |
0-100 |
0.12 |
500 |
磁導(dǎo)率:
18-8合金在退火狀態(tài)下是無磁性的,磁導(dǎo)率在200H的情況下一般低于1.02。磁導(dǎo)率會因金屬的成分不用而有所不同。通過冷作,可以提高磁導(dǎo)率。
冷作百分比 |
磁導(dǎo)率 |
304 |
304L |
0 |
1.005 |
1.015 |
10 |
1.009 |
1.064 |
30 |
1.163 |
3.235 |
50 |
2.291 |
8.480 |
機(jī)械性能
室溫下的機(jī)械性能
已退火的304和304L奧氏體不銹鋼,ASTM標(biāo)準(zhǔn)A276, ASTM標(biāo)準(zhǔn)A182,要求的最低機(jī)械性能如下表所示:
性能 |
ASTM A276和 ASTM A182
要求的最低機(jī)械性能
|
304 |
304L |
304H |
0.2% 抵消
屈服強(qiáng)度,
psi
MPa |
30,000
205 |
25,000
170 |
30,000
205 |
極限抗張強(qiáng)度,
psi
MPa |
75,000
515 |
70,000
485 |
75,000
515 |
延伸百分比(2英寸或51mm) |
40.0 |
40.0 |
40.0 |
硬度,
最大.,
(布氏硬度)
RB |
201
92 |
201
92 |
201
92 |
低溫和升溫情況下的性能
低溫和升溫情況下的短期抗拉性能如下表所示。溫度達(dá)到1000°F (538°C)或以上,要考慮應(yīng)力破裂,應(yīng)力破裂數(shù)據(jù)也在下表顯示。
測試溫度 |
0.2% 屈服強(qiáng)度
|
°F |
°C |
psi |
(MPa) |
-423 |
-253 |
100,000 |
690 |
-320 |
-196 |
70,000 |
485 |
-100 |
-79 |
50,000 |
354 |
70 |
21 |
35,000 |
240 |
400 |
205 |
23,000 |
160 |
800 |
427 |
19,000 |
130 |
1200 |
650 |
15,500 |
105 |
1500 |
815 |
13,000 |
90 |
抗拉強(qiáng)度 |
延伸 |
psi |
(MPa) |
百分比 |
250,000 |
1725 |
25 |
230,000 |
1585 |
35 |
150,000 |
1035 |
50 |
90,000 |
620 |
60 |
70,000 |
485 |
50 |
66,000 |
455 |
43 |
48,000 |
330 |
34 |
23,000 |
160 |
46 |
沖擊阻力
已退火的奧氏體不銹鋼即使在低溫條件下,仍然能保持較高的沖擊阻力,再加上低溫硬度和加工性等性能,因此被用于處理液化天然氣和其他低溫環(huán)境下的作業(yè)。夏氏V形沖擊實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如下表所示
溫度 |
夏氏V形沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)芰课?/b> |
°F |
°C |
英尺 / 磅 |
焦耳 |
75 |
23 |
150 |
200 |
-320 |
-196 |
85 |
115 |
-425 |
-254 |
85 |
115 |
疲勞強(qiáng)度
金材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。奧氏體不銹鋼的疲勞強(qiáng)度一般來說是抗拉強(qiáng)度的35%,在實(shí)際作業(yè)中,疲勞強(qiáng)度也會受其他因素影響,如:增加表面的平滑程度,可以增加疲勞強(qiáng)度,作業(yè)環(huán)境腐蝕性增加,則降低疲勞強(qiáng)度。
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。304,304L是典型的奧氏體不銹鋼。
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。
材料被焊接過程中會形成溫度階梯,從熔池的熔化溫度到離焊接點(diǎn)稍遠(yuǎn)的周圍溫度。被焊接材料的碳含量越高,焊接熱循環(huán)就更容易導(dǎo)致碳化鉻沉淀,對材料的耐腐蝕性有影響。為了保持材料的耐腐蝕性處于最好的水平,因此在已焊接狀態(tài)下作業(yè),應(yīng)該選擇低碳材料(304L)。另一種做法是,采用完全退火溶解碳化鉻,使標(biāo)準(zhǔn)碳含量的材料恢復(fù)高水平的耐腐蝕性。
焊接完全奧氏體結(jié)構(gòu)的金屬,在焊接操作中更容易形成裂紋。因此,304和304L合金中添加了少量的鐵素體,降低材料的裂紋敏感性,達(dá)到重新固化的作用。
把18-8奧氏體合金焊接到碳鋼時(shí),通常用309合金(23%鉻-13.5%鎳)或鎳基焊料。
熱處理
奧氏體不銹鋼通過熱處理可以清除冷成形產(chǎn)生的副作用和溶解沉淀的碳化鉻。達(dá)到這兩個(gè)要求的最好的熱處理方法是在1850°F 至 2050°F (1010°C 至 1121°C)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行固熔退火。從退火溫度冷卻下來1500-800°F (816°C - 427°C),應(yīng)該足以避免碳化鉻再沉淀。
這些材料不能通過熱處理達(dá)到硬化。
清潔
不管腐蝕性怎么樣,不銹鋼在加工和使用過程中,都要保持其表面清潔。
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。普通碳鋼刷會在不銹鋼的表面留下碳鋼粒子,這些粒子最終會導(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),可以洗掉焊接過程中形成的銹皮和熔渣。
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
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