Нержавеющая сталь AISI 321: состав, свойства при нагреве, аналоги и сварка

Нержавеющая сталь AISI 321: справочные таблицы

Широкие таблицы прокручиваются по горизонтали, первая колонка при этом остаётся на месте.

AISI 321: обозначения и стандарты

AISI 321 — хромоникелевая аустенитная нержавеющая сталь типа 18-10, стабилизированная титаном. В стандартах ASTM она обозначается Type 321 и имеет номер UNS S32100, в Европе ей соответствует сталь 1.4541 (X6CrNiTi18-10) по EN 10088, в Японии — SUS321, в Китае — 06Cr18Ni11Ti. Ближайшая отечественная марка по ГОСТ 5632-2014 — 08Х18Н10Т. Соответствие обозначений приведено в таблице 1.

Главное назначение 321 — сварные конструкции и детали, длительно работающие при температурах, на которых нестабилизированная сталь 304 теряет стойкость к межкристаллитной коррозии. Поэтому 321 применяют в выхлопных системах, авиационных коллекторах, компенсаторах, теплообменниках и печной арматуре.

Стандарты на виды продукции

• ASTM A240/A240M — лист, полоса и плита (марки 321 и 321H).
• ASTM A276/A276M и ASTM A479/A479M — пруток и профили.
• ASTM A312 и ASTM A213 — трубы общего назначения, котельные и теплообменные.
• EN 10088-2 и EN 10088-3 — листовой и сортовой прокат из стали 1.4541.
• AMS 5510 и AMS 5645 — лист и пруток для авиационной техники.

Для оборудования, рассчитываемого по нормам ASME, применяют материалы по ASME BPVC, Section II, Part A (SA-240 и другие), а допускаемые напряжения берут из Section II, Part D действующей редакции. По ASTM A240 марки без индекса H, заказываемые для оборудования по нормам ASME с рабочей температурой выше 540 °C, поставляют с дополнительным требованием S2.

Химический состав AISI 321: почему Ti ≥ 5×(C+N)

По ASTM A240/A240M-20a сталь 321 содержит не более 0,08 % углерода, 17,0–19,0 % хрома, 9,0–12,0 % никеля, не более 0,10 % азота и титан в количестве от 5×(C+N) до 0,70 %. Сравнение с европейской 1.4541 и отечественными марками — в таблице 2.

Зачем в формуле азот

Титан обладает очень высоким сродством и к азоту, и к углероду. Ещё в расплаве он связывает азот в прочные нитриды TiN, и на образование карбидов TiC, которые защищают сталь от выделения карбидов хрома, остаётся только оставшаяся часть титана. Поэтому ASTM считает минимальный титан от суммы углерода и азота, а азот ограничивает значением 0,10 %.

ГОСТ 5632-2014 для 08Х18Н10Т и EN 10088 для 1.4541 требуют только Ti ≥ 5×C. Из-за этого одна и та же плавка может соответствовать отечественной марке и не соответствовать ASTM. Расчёт для нескольких сочетаний углерода и азота приведён в таблице 3.

Другие различия норм

• Никель: 9,0–12,0 % по ASTM и EN, 9,0–11,0 % по ГОСТ. Плавка 321 с никелем выше 11 % не соответствует 08Х18Н10Т.
• Сера: не более 0,030 % по ASTM, 0,015 % по EN 10088-2 для листа, 0,020 % по ГОСТ.
• Кремний: 0,75 % по ASTM, 1,00 % по EN, 0,80 % по ГОСТ.

Избыток титана сверх необходимого также нежелателен: он образует крупные твёрдые частицы нитридов и карбонитридов, которые ухудшают полируемость и увеличивают износ режущего инструмента.

321 и 321H: в чём разница

Марка 321H (UNS S32109) — вариант 321 для работы при высоких температурах. По ASTM A240 у неё углерод 0,04–0,10 %, а минимальный титан рассчитывается как 4×(C+N) при том же максимуме 0,70 %. Кроме того, для H-марок нормируется размер зерна: ASTM № 7 или крупнее.

Смысл этих требований — сопротивление ползучести. Повышенный углерод и крупное зерно увеличивают длительную прочность при температурах выше примерно 540 °C. По данным Nickel Institute, марки с индексом H появились после преждевременных разрушений котельных труб из стали 321 при высоких температурах и давлениях. Минимальные механические свойства 321H при 20 °C по ASTM A240 такие же, как у 321: 515 МПа по временному сопротивлению и 205 МПа по пределу текучести.

Аналоги AISI 321 по ГОСТ: 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т

Формально ближайший отечественный аналог AISI 321 — сталь 08Х18Н10Т: углерод не более 0,08 % и верхний предел титана 0,70 % совпадают с ASTM. Различаются диапазон никеля, требования к сере и фосфору и формула минимального титана.

Сталь 12Х18Н10Т часто называют аналогом 321, но у неё допускается до 0,12 % углерода и до 0,80 % титана. Плавка 12Х18Н10Т с углеродом выше 0,08 % по ASTM не проходит. Если документация требует 321, в сертификате на отечественный прокат проверяют углерод, никель и титан с учётом азота.

Сталь AISI 304 аналогом 321 не является: в ней нет титана. Её свойства и отличия разобраны на странице AISI 304.

Механические характеристики AISI 321

По ASTM A240/A240M-20a минимальные свойства листа и плиты из 321 и 321H: временное сопротивление 515 МПа, предел текучести 205 МПа, удлинение 40 %, твёрдость не более 217 HBW (95 HRBW). По дополнительному требованию S3 нормируется предел текучести при 1 % деформации — не менее 240 МПа. Требования EN 10088 для стали 1.4541 зависят от вида проката (таблица 4).

Как и другие аустенитные стали, 321 не упрочняется закалкой: прочность повышается только холодной деформацией. Однако возможности нагартовки у 321 ограничены. EN 10088-2 предусматривает для 1.4541 только состояния нагартовки +C700 и +C850 (по временному сопротивлению) и +CP350 и +CP500 (по пределу текучести), тогда как для 1.4301 — вплоть до +C1300. Поэтому для упругих элементов высокой прочности 321 не применяют.

Низкие температуры

По EN 10088-2 аустенитные стали в аустенизированном состоянии не склонны к хрупкому разрушению при низких температурах: при охлаждении их прочность растёт, а пластичность остаётся высокой. Поэтому 321 применяют и в криогенной технике.

AISI 321 при высоких температурах

Высокотемпературная служба — главная область применения 321. Сравнение минимальных значений предела текучести по EN 10088-2:2014 показывает её преимущество перед нестабилизированными сталями (таблица 5).

Минимальное временное сопротивление 1.4541 снижается с 440 МПа при 100 °C до 330 МПа при 550 °C (таблица 6). Отсюда практический вывод: в интервале примерно 400–550 °C замена 321 на 304L снижает расчётную прочность почти в полтора раза, даже если по коррозионной стойкости 304L подходит. Для температур выше 550 °C в расчётах используют данные по длительной прочности из норм расчёта и стандартов на жаропрочные трубы и листы.

При длительной работе в интервале сенсибилизации в стабилизированных сталях всё равно постепенно выделяются карбиды и интерметаллидные фазы, снижающие ударную вязкость. Поэтому для ответственного оборудования, работающего годами при высокой температуре, учитывают не только прочность при нагреве, но и деградацию свойств со временем.

Жаростойкость AISI 321

По данным Nickel Institute (Designers' Handbook № 9004), предельная температура применения 321 на воздухе по окалинообразованию — около 870 °C в циклическом режиме и около 925 °C в непрерывном (таблица 8). Циклический режим жёстче, потому что при нагреве и охлаждении окалина растрескивается и отслаивается из-за разницы коэффициентов расширения металла и оксида.

Эти значения относятся к ненагруженным деталям в сухом воздухе. Outokumpu указывает, что водяной пар в атмосфере снижает стойкость к окислению и максимальную температуру службы до 100 °C. Для нагруженных деталей предел определяют не окалинообразование, а длительная прочность и охрупчивание. Если температура выше, применяют более легированные жаростойкие стали, например 309S или 310S.

Почему трескаются выхлопные коллекторы

Коэффициент линейного расширения 321 составляет 16,0·10⁻⁶ 1/К в интервале 20–100 °C и 18,0·10⁻⁶ 1/К в интервале 20–500 °C (таблица 7), а теплопроводность низкая. При частых пусках и остановах в коллекторах возникают большие термические напряжения, которые приводят к термоусталостным трещинам. Их вероятность снижают конструктивно: компенсаторами и гибкими опорами, плавными переходами сечений, отсутствием жёстких защемлений и концентраторов у сварных швов.

Политионовая кислота и защита по NACE SP0170

На нефтеперерабатывающих заводах аустенитные стали в оборудовании гидроочистки и риформинга работают в средах с сероводородом. Во время работы на поверхности образуются сульфиды. При останове и вскрытии оборудования они реагируют с влагой и кислородом воздуха, образуя политионовые кислоты. В сенсибилизированном металле эти кислоты вызывают межкристаллитное коррозионное растрескивание, иногда за несколько часов.

Меры защиты установлены стандартом NACE SP0170 «Protection of Austenitic Stainless Steels and Other Austenitic Alloys from Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking during Shutdown of Refinery Equipment» и сведены в таблицу 9: щелочная промывка, продувка азотом, поддержание сухой атмосферы. Для сварных узлов из 321 и 347 применяют стабилизирующую термообработку при 843–900 °C в течение 2–4 часов.

Межкристаллитная и ножевая коррозия: 321 против 347 и 304L

Общий механизм межкристаллитной коррозии (МКК) и роль титана подробно описаны на странице 12Х18Н10Т. Здесь — особенности, важные при выборе 321.

• Стойкость к МКК в состоянии поставки. По EN 10088-2 сталь 1.4541 стойка к МКК и в состоянии поставки, и в сенсибилизированном состоянии. Испытание по EN ISO 3651-2 проводят по согласованию.
• Ножевая коррозия. По данным Hobart Brothers, 321 более склонна к ножевой коррозии, чем 347: карбиды титана растворяются при более низкой температуре, чем карбиды ниобия, поэтому зона у линии сплавления, где стабилизация нарушена, у 321 шире.
• Горячая концентрированная азотная кислота. В сильно окислительных растворах азотной кислоты карбиды титана и околошовная зона растворяются избирательно, поэтому 321 здесь уступает 304L и 347. Для азотной кислоты концентрацией до 60 % вплоть до температуры кипения основным материалом служит 304L.
• Длительная служба при 425–870 °C. Здесь 321 надёжнее 304L: низкий углерод 304L защищает только от кратковременного нагрева при сварке, а не от многолетней выдержки в интервале сенсибилизации.

Склонность к МКК проверяют по ASTM A262, EN ISO 3651-2 или ГОСТ 6032-2017. Для стабилизированных сталей испытанию предшествует провоцирующий нагрев.

Коррозионная стойкость AISI 321 в средах

В обычных средах коррозионная стойкость 321 близка к стойкости 304. Сталь стойка в атмосфере, пресной воде, большинстве органических кислот и растворов без галогенидов. Индекс PRE по данным Outokumpu — 17, критическая температура питтинга в 1-молярном растворе NaCl — ниже 10 °C, поэтому в хлоридных средах и морской воде применение ограничено так же, как у 304.

Пределы по хлоридам и активному хлору, особенности пищевого контакта и выбор отделки поверхности подробно разобраны на странице AISI 304. Для хлоридных сред при повышенной температуре вместо 321 рассматривают молибденсодержащую 316Ti.

Термообработка AISI 321

• Аустенизация (отжиг на твёрдый раствор): по EN 10088-2:2014 — 1000–1100 °C с охлаждением в воде или на воздухе. Цель — растворить выделения, снять наклёп и получить однородный аустенит.
• Стабилизирующий отжиг: 843–899 °C (Carpenter Technology). Его назначают изделиям, которые будут работать при температурах примерно до 870 °C, а на нефтеперерабатывающих заводах — сварным узлам, подверженным политионовому растрескиванию. При этом углерод связывается в карбиды титана, а не хрома.
• Горячая деформация: 1150–850 °C с охлаждением на воздухе (EN 10088-2:2014).

Без требования заказчика температуру аустенизации стабилизированных сталей не стоит поднимать выше рекомендуемого интервала: при перегреве карбиды титана растворяются, и последующий нагрев в интервале сенсибилизации может вызвать выделение карбидов хрома. Для 321H, наоборот, высокая температура аустенизации нужна, чтобы получить крупное зерно, требуемое для сопротивления ползучести.

Сварка AISI 321: почему присадка 347

Сталь 321 хорошо сваривается дуговыми способами, но у неё есть особенность: титан плохо переходит через высокотемпературную дугу и выгорает. Поэтому, по данным ASSDA, стандартной присадкой для сварки 321 служит проволока или электрод типа 347, стабилизированные ниобием. Австралийский стандарт AS 1554.6 допускает сварку 321 присадкой 347 без дополнительной квалификации. Варианты сварочных материалов приведены в таблице 10.

• 347 (ER347, E347) — когда шов должен сохранять стабилизацию: работа в интервале сенсибилизации, коррозионные среды. Производители сварочных материалов рекомендуют её при рабочей температуре выше примерно 400 °C.
• 321 (ER321) — применима практически только при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При сварке под флюсом и покрытыми электродами переход титана в шов очень низкий.
• 308L — когда 321 выбрана ради прочности при нагреве, а стабилизация шва не требуется.

Технологические рекомендации

• Минимизировать тепловложение и жёсткость закрепления, чтобы снизить риск горячих трещин (Carpenter Technology).
• Защищать корень шва поддувом аргона; межпроходную температуру ограничивать.
• Газовую сварку не применять.
• После сварки удалять цвета побежалости травлением и выполнять пассивацию.

При сварке 321 с 304 обычно используют присадку 347 или 308L в зависимости от условий службы более ответственной части соединения.

Обработка резанием, гибка и полировка AISI 321

Сталь 321 относится к группе обрабатываемости ISO M. К обычным для аустенитных сталей трудностям — наклёпу, налипанию и вязкой стружке — добавляется износ инструмента частицами нитридов и карбонитридов титана. Эти частицы очень твёрдые и действуют как абразив.

• Жёсткое закрепление заготовки и инструмента, максимально возможная глубина резания без вибраций (Carpenter Technology).
• На твёрдом сплаве Carpenter рекомендует скорость резания в 2–3 раза и подачу на 50–100 % выше, чем на быстрорежущей стали.
• Острые кромки с положительной геометрией, износостойкие сплавы с покрытием для группы M, обильная подача СОЖ.
• При сверлении не останавливать подачу, пока сверло находится в отверстии.

Ориентировочные режимы сверления твердосплавными свёрлами приведены в таблице 12. Подобрать режимы точения и фрезерования можно в тренажёре режимов резания.

Гибка и вытяжка

По данным thyssenkrupp, сталь 1.4541 хорошо подходит для холодной гибки, отбортовки, глубокой вытяжки и ротационной вытяжки. Из неё изготавливают сильфоны и компенсаторы. Особенности те же, что у других аустенитных сталей: сильное упрочнение, повышенное пружинение, возможная слабая магнитность после деформации.

Полировка

Твёрдые частицы нитридов титана при полировке выкрашиваются и оставляют на поверхности дефекты, поэтому зеркальную полировку на 321 получить труднее, чем на 304. Для декоративных и зеркально полированных изделий выбирают нестабилизированные стали; если нужна стабилизация и хорошая полируемость, рассматривают 347.

Физические свойства и плотность AISI 321

Плотность 321 (1.4541) — 7,90 г/см³. Модуль упругости при 20 °C — 200 ГПа, теплопроводность — 15 Вт/(м·К), удельная теплоёмкость — 500 Дж/(кг·К), удельное электросопротивление — 0,73 мкОм·м (таблица 7). В отожжённом состоянии сталь немагнитна; после холодной деформации может слабо притягивать магнит. Подробнее о магнитности аустенитных сталей — на странице AISI 304.

Применение AISI 321

• Авиационные выхлопные коллекторы и патрубки, детали газовых трактов (AMS 5510, AMS 5645).
• Автомобильные и промышленные выхлопные системы, глушители, компенсаторы и сильфоны.
• Теплообменники и трубопроводы нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, высокотемпературная химическая аппаратура.
• Печная арматура и детали, работающие при температурах до 800–870 °C без значительной нагрузки.
• Оборудование производств азотных удобрений.
• Криогенная техника.

По данным Rolled Alloys, сталь чаще всего применяют для службы в интервале 538–871 °C, то есть там, где нестабилизированные стали быстро сенсибилизируются, а более дорогие жаропрочные сплавы не требуются.

Чем отличается AISI 321 от 304L, 347 и 316Ti

Сводное сравнение приведено в таблице 11. Ключевые различия:

• 321 и 304L. 304L защищена от МКК низким углеродом, 321 — титаном. При службе в интервале 400–550 °C 321 прочнее почти в полтора раза и устойчива к длительной сенсибилизации; 304L лучше в горячей азотной кислоте и лучше полируется.
• 321 и 347. Прочность при нагреве одинакова. 347 менее склонна к ножевой коррозии и лучше ведёт себя в окислительных кислотах после сварки, поэтому для сварных узлов в таких средах предпочтительна 347.
• 321 и 316Ti. 316Ti содержит молибден и лучше сопротивляется хлоридам; для сред с хлоридами при повышенной температуре выбирают её.
• 321 и 321H. 321H — для расчёта на ползучесть при длительной службе выше примерно 538 °C.

Порядок выбора

1. Рабочая температура выше 400 °C, сварная конструкция — 321 или 347.
2. Окислительные кислоты и сварка — 347 или 304L (при невысокой температуре).
3. Расчёт на ползучесть выше ~538 °C — 321H или 347H.
4. Хлориды при нагреве — 316Ti или стали с более высоким PRE.
5. Температура выше ~870 °C — жаростойкие стали типа 309S и 310S; из отечественных близка по назначению к 310S сталь 20Х23Н18.

Входной контроль: проверка титана и углерода

Для 321 мало проверить хром и никель — нужно подтвердить соотношение титана с углеродом и азотом. Портативный рентгенофлуоресцентный анализатор показывает хром, никель, титан и молибден, но углерод и азот надёжно не определяет. Их измеряют оптико-эмиссионным спектральным анализом или методами газового анализа в лаборатории.

1. Сверить сертификат: стандарт и редакция, номер плавки, состав, механические свойства.
2. Проверить Ti ≥ 5×(C+N) и Ti ≤ 0,70 % (таблица 3).
3. Для двойной сертификации с ГОСТ проверить никель (не более 11 %), серу (не более 0,020 %) и фосфор (не более 0,040 %).
4. Экспресс-контроль портативным анализатором: наличие титана отличает 321 от 304.
5. Для ответственных изделий — спектральный анализ с определением углерода и испытание на МКК.

Сортамент и расчёт массы AISI 321

Сталь 321 поставляется в виде листа, полосы, круга, шестигранника, проволоки, бесшовных и сварных труб. Теоретическая масса рассчитывается при плотности 7900 кг/м³; готовые значения — в таблицах 13, 14 и 15.

Вопросы и ответы по стали AISI 321

Источники

1. ASTM A240/A240M-20a. Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications.
2. ASTM A276/A276M, ASTM A479/A479M, ASTM A312, ASTM A213 — стандарты на пруток и трубы.
3. ASTM A262. Standard Practices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels.
4. ASME BPVC, Section II, Part A и Part D.
5. EN 10088-1, EN 10088-2:2014, EN 10088-3. Stainless steels. EN 10028-7. Flat products made of steels for pressure purposes — Stainless steels. EN 10272. Stainless steel bars for pressure purposes.
6. ГОСТ 5632-2014. Нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
7. ГОСТ 6032-2017. Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытаний на стойкость против межкристаллитной коррозии.
8. ГОСТ 2246-70, ГОСТ 10052-75 — сварочная проволока и электроды для высоколегированных сталей.
9. NACE SP0170. Protection of Austenitic Stainless Steels and Other Austenitic Alloys from Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking during Shutdown of Refinery Equipment.
10. Nickel Institute / AISI. High-temperature characteristics of stainless steels (Designers' Handbook Series № 9004).
11. Outokumpu. Steel grades, properties and global standards; Core range datasheet; техническая документация по высокотемпературным сталям.
12. Carpenter Technology. CarTech 321 stainless: technical datasheet.
13. Rolled Alloys. 321 stainless steel: data sheet.
14. thyssenkrupp Materials. Материалы по стали 1.4541 (X6CrNiTi18-10).
15. Hobart Brothers. Stainless steel technical guide: carbide precipitation.
16. ASSDA (Australian Stainless Steel Development Association) — материалы по сварке стали 321.
17. Sandvik Coromant. Технические материалы по обработке материалов группы ISO M и каталожные данные по сверлению.