304不銹鋼
合金304 (S30400), 304L (S30403), and 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(jiàn)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(guó)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用于焊接產(chǎn)品,這些產(chǎn)品作業(yè)時(shí)可能暴露在會(huì)引起不規(guī)則腐蝕的環(huán)境下。
304H合金是304的改良品,它的碳含量在0.04-0.10之間,對(duì)于要暴露在溫度800°F以上的零件,采用304H有助于改善高溫下的強(qiáng)度。
化學(xué)成分
ASTM A240 and ASME SA-240:
成分 | 重量百分比除特別說(shuō)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 | 0.75 | 0.75 | 0.75 |
鉻 | 18.00 20.00 | 18.00 20.00 | 18.00 20.00 |
鎳 | 8.0 10.50 | 8.0 12.00 | 8.0 10.5 |
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,奶制品設(shè)備和器具。熱交換器,管道,油罐,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(duì)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9-11%,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(duì)于這些材料來(lái)說(shuō),攻擊性就太強(qiáng)了。即使是半沸騰的,腐蝕性也太強(qiáng)。
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(lèi)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(guò)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(zhǎng)了碳化鉻沉淀到危害水平的時(shí)間,但是材料長(zhǎng)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(cè)試 | ||
ASTM A262 評(píng)估測(cè)試 | 腐蝕率, Mils/Yr (mm/a) | |
304 | 304L | |
Practice E | 彎曲無(wú)龜裂 焊接有一些龜裂(不接受) | 無(wú)龜裂
|
Practice A | 級(jí)別結(jié)構(gòu) 起溝 (不接受) | 級(jí)別結(jié)構(gòu) 級(jí)別結(jié)構(gòu) |
應(yīng)力腐蝕龜裂
04,304L,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?duì)低。引起應(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(guò)120°F (49°C)。合金成形過(guò)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(cè)試) | ||
測(cè)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) |
26% 氯化鈉, 沸騰 | 基焊金屬 焊接后 | 斷裂,142-1004小時(shí) |
40% 氯化鈣, 沸騰 | 基焊金屬 | 斷裂,144小時(shí) -- |
周?chē)h(huán)境 暴露在海邊環(huán)境 | 基焊金屬 焊接后 | 無(wú)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(lái)說(shuō),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(huì)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(wú)磁性的,磁導(dǎo)率在200H的情況下一般低于1.02。磁導(dǎo)率會(huì)因金屬的成分不用而有所不同。通過(guò)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奧氏體不銹鋼板,ASTM標(biāo)準(zhǔn)A240, ASME標(biāo)準(zhǔn)SA-240,要求的最低機(jī)械性能如下表所示:
性能 | ASTM A240和 ASME SA-240 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(cè)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?/strong> | ||
°F | °C | 英尺 ? 磅 | 焦耳 |
75 | 23 | 150 | 200 |
-320 | -196 | 85 | 115 |
-425 | -254 | 85 | 115 |
疲勞強(qiáng)度
金屬材料在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱(chēng)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(lái)說(shuō)是抗拉強(qiáng)度的35%,在實(shí)際作業(yè)中,疲勞強(qiáng)度也會(huì)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(kāi)裂。
材料被焊接過(guò)程中會(huì)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?chē)鷾囟?。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(duì)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程中形成的銹皮和熔渣通過(guò)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(guò)除銹溶液處理(如硝酸和氫氟酸混合溶液),可以洗掉焊接過(guò)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。
頑固的污漬和沉淀物可以用擦洗劑和纖維刷,海綿,不銹鋼絨擦洗。不銹鋼絨會(huì)在平滑的不銹鋼表面留下永久的擦痕。
很多不銹鋼都要定期清洗和消毒。設(shè)備通常用特制的苛性鈉,有機(jī)溶劑,酸性溶液(入磷酸或硫酸)清洗。強(qiáng)還原酸(如氫氟酸或鹽酸)可能對(duì)不銹鋼造成損壞。
溶液清洗后,用清水徹底沖洗不銹鋼。
適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)有助于清洗。帶圓抹角,內(nèi)圓角,無(wú)縫隙的設(shè)備,有利于清洗和表面拋光。