無錫誠飛金屬制品有限公司
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300系列耐熱不銹鋼板材
300系列耐熱不銹鋼板材
310/310S 合金( UNS S31000/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(qiáng)度要高一點。
一般屬性
309/309S和310/310S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(qiáng)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(qiáng)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 A167和ASTM A240標(biāo)準(zhǔn)。
|
309合金 |
309S合金 |
|
(UNS S30900) |
(UNS S30908) |
C |
0.20 |
0.08 |
Mn |
2.00 |
2.00 |
P |
0.045 |
0.045 |
S |
0.030 |
0.030 |
Si |
0.75 |
0.75 |
Cr |
22.00 *小值/24.00 *大值 |
22.00 *小值/24.00 *大值 |
Ni |
12.00 *小值/15.00 *大值 |
12.00 *小值/15.00 *大值 |
Fe |
剩余部分 |
剩余部分 |
|
310合金 |
310S合金 |
|
(UNS S31000) |
(UNS S31008) |
C |
0.25 |
0.08 |
Mn |
2.00 |
2.00 |
P |
0.045 |
0.045 |
S |
0.030 |
0.030 |
Si |
1.75 |
1.50 |
Cr |
24.00 *小值/26.00 *大值 |
24.00 *小值/26.00 *大值 |
Ni |
19.00 *小值/22.00 *大值 |
19.00 *小值/22.00 *大值 |
Fe |
剩余部分 |
剩余部分 |
表中的數(shù)值表示重量***,除特別說明范圍外,表中都是*大值
物理性能
|
309合金 |
|
密度 |
lbm/in3 |
g/cm3 |
68°F (20°C) |
0.29 |
8.03 |
熱膨脹系數(shù) |
(min/in)?°F |
(mm/m)?°K |
68 - 212°F |
8.7 |
15.6 |
68 - 932°F |
9.8 |
17.6 |
68 - 1832°F |
10.8 |
19.4 |
電阻率 |
mW?in |
mW?cm |
68°F (20°C) |
30.7 |
78.0 |
1200°F (648°C) |
45.1 |
114.8 |
導(dǎo)熱性 |
Btu/hr?ft?°F |
W/m?K |
68 - 212°F |
9.0 |
15.6 |
68 - 932°F |
10.8 |
18.7 |
比熱 |
Btu/lbm?°F |
J/kg?K |
32 - 212°F |
0.12 |
502 |
導(dǎo)磁率(退火)1 |
|
|
200H |
1.02 |
|
彈性系數(shù)(退火)2 |
psi |
GPa |
受拉(E) |
29 x 106 |
200 |
扭曲 (G) |
11.2 x 106 |
77 |
|
310合金 |
|
密度 |
lbm/in3 |
g/cm3 |
68°F (20°C) |
0.29 |
8.03 |
熱膨脹系數(shù) |
(min/in)?°F |
(mm/m)?°K |
68 - 212°F |
8.8 |
15.9 |
68 - 932°F |
9.5 |
17.1 |
68 - 1832°F |
10.5 |
18.9 |
電阻率 |
mW?in |
mW?cm |
68°F (20°C) |
30.7 |
78.0 |
1200°F (648°C) |
-- |
-- |
導(dǎo)熱性 |
Btu/hr?ft?°F |
W/m?K |
68 - 212°F |
8.0 |
13.8 |
68 - 932°F |
10.8 |
18.7 |
比熱 |
Btu/lbm?°F |
J/kg?K |
32 - 212°F |
0.12 |
502 |
導(dǎo)磁率(退火)1 |
|
|
200H |
1.02 |
|
彈性系數(shù)(退火)2 |
psi |
GPa |
受拉 (E) |
29 x 106 |
200 |
扭曲 (G) |
11.2 x 106 |
77 |
短期機(jī)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(*少2個樣品,*多10個樣品)得出來測試結(jié)果的平均值。屈服強(qiáng)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。
309合金
測試溫度 |
抗屈強(qiáng)度 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
77 |
25 |
42.0 |
290 |
400 |
204 |
35.0 |
241 |
800 |
427 |
30.0 |
207 |
1000 |
538 |
24.0 |
166 |
1200 |
649 |
22.0 |
152 |
1400 |
760 |
20.0 |
138 |
1600 |
871 |
18.5 |
128 |
1800 |
982 |
-- |
-- |
測試溫度 |
抗拉強(qiáng)度 |
延伸率 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
% |
77 |
25 |
90.0 |
621 |
49 |
400 |
204 |
80.0 |
552 |
46 |
800 |
427 |
72.0 |
497 |
40 |
1000 |
538 |
66.0 |
455 |
36 |
1200 |
649 |
55.0 |
379 |
35 |
1400 |
760 |
36.0 |
248 |
40 |
1600 |
871 |
21.0 |
145 |
50 |
1800 |
982 |
10.1 |
69 |
65 |
309S合金
測試溫度 |
抗屈強(qiáng)度 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
77 |
25 |
50.9 |
351 |
200 |
93 |
44.7 |
308 |
400 |
204 |
37.4 |
258 |
600 |
316 |
33.4 |
230 |
800 |
427 |
29.6 |
204 |
900 |
482 |
30.4 |
210 |
1000 |
538 |
26.7 |
184 |
1100 |
593 |
26.5 |
182 |
1200 |
649 |
24.7 |
170 |
1300 |
704 |
23.7 |
163 |
1400 |
760 |
22.2 |
153 |
1500 |
816 |
20.1 |
138 |
1600 |
871 |
16.6 |
114 |
1700 |
927 |
13.1 |
90 |
1800 |
982 |
8.2 |
56 |
1900 |
1038 |
4.6 |
32 |
測試溫度 |
抗拉強(qiáng)度 |
延伸率 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
% |
77 |
25 |
97.1 |
670 |
44.6 |
200 |
93 |
88.8 |
612 |
29.0 |
400 |
204 |
81.7 |
563 |
34.5 |
600 |
316 |
80.2 |
553 |
31.6 |
800 |
427 |
77.1 |
531 |
32.1 |
900 |
482 |
74.7 |
515 |
32.0 |
1000 |
538 |
71.2 |
491 |
26.6 |
1100 |
593 |
65.6 |
452 |
25.5 |
1200 |
649 |
55.9 |
386 |
28.8 |
1300 |
704 |
55.7 |
384 |
-- |
1400 |
760 |
36.0 |
248 |
22.5 |
1500 |
816 |
24.7 |
170 |
64.8 |
1600 |
871 |
20.7 |
142 |
73.3 |
1700 |
927 |
15.4 |
106 |
78.7 |
1800 |
982 |
10.8 |
74 |
-- |
1900 |
1038 |
6.6 |
46 |
-- |
310合金
測試溫度 |
抗屈強(qiáng)度 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
77 |
25 |
42.4 |
292 |
400 |
204 |
31.5 |
217 |
800 |
427 |
27.2 |
188 |
1000 |
538 |
24.2 |
167 |
1200 |
649 |
22.6 |
156 |
1500 |
816 |
19.7 |
136 |
1800 |
982 |
-- |
-- |
2000 |
1093 |
-- |
-- |
測試溫度 |
抗拉強(qiáng)度 |
延伸率 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
% |
77 |
25 |
89.5 |
617 |
45 |
400 |
204 |
76.6 |
528 |
37.5 |
800 |
427 |
74.8 |
516 |
37 |
1000 |
538 |
70.1 |
483 |
36 |
1200 |
649 |
57.2 |
394 |
41.5 |
1500 |
816 |
30.3 |
209 |
66 |
1800 |
982 |
11.0 |
76 |
65 |
2000 |
1093 |
7.0 |
48 |
77 |
310S合金
測試溫度 |
抗屈強(qiáng)度 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
77 |
25 |
45.6 |
314 |
200 |
93 |
41.4 |
286 |
400 |
204 |
36.9 |
254 |
600 |
316 |
34.6 |
239 |
800 |
427 |
30.3 |
209 |
1000 |
538 |
29.4 |
203 |
1200 |
649 |
25.8 |
178 |
1400 |
760 |
21.4 |
147 |
1600 |
871 |
16.1 |
111 |
1800 |
982 |
8.2 |
56 |
2000 |
1093 |
4.0 |
27 |
測試溫度 |
抗拉強(qiáng)度 |
延伸率 |
||
(°F) |
(°C) |
ksi |
MPa |
% |
77 |
25 |
90.5 |
624 |
42.6 |
200 |
93 |
83.4 |
575 |
41.3 |
400 |
204 |
77.3 |
533 |
35.8 |
600 |
316 |
75.2 |
519 |
35.0 |
800 |
427 |
73.6 |
508 |
33.5 |
1000 |
538 |
70.2 |
484 |
37.0 |
1200 |
649 |
57.0 |
393 |
32.0 |
1400 |
760 |
37.7 |
260 |
54.0 |
1600 |
871 |
22.5 |
155 |
56.5 |
1800 |
982 |
11.8 |
81 |
93.3 |
2000 |
1093 |
6.5 |
44 |
121.0 |
抗水溶液腐蝕
309/309S和310/310S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309/309S和310/310S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310/310S,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)。*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(hù)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(yuǎn)。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***)。用鎳成分代替鐵成分也通常可以提供合金在高溫下的性能。309/309S,310/310S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(yán)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*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(jī)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(dá)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,*開始是Cr2O3 ,當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時,會進(jìn)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。*終的趨勢是在增厚和變薄之間達(dá)到*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(dá)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(jìn)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(hù)層阻止硫進(jìn)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(qiáng)。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(yán)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(jìn)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(jī)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(hù)膜來阻止碳進(jìn)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(jī)構(gòu)把固體金屬轉(zhuǎn)換成石墨和金屬微粒的混合物,進(jìn)而形成較深的小坑,*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(hù)膜可以很好地阻擋氮進(jìn)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(kuò)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(dá)到1200-1850°F (649-1010°C),309/309S,310/310S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
309/309S,310/310S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(rèn)為是金屬成型操作中的標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)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(xì)節(jié)。
切割和機(jī)械加工普通軟鋼的標(biāo)準(zhǔn)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??臁<庸み^程中產(chǎn)生的碎片細(xì)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(jī)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(kuò)口加工/凸緣加工,旋轉(zhuǎn),精抽,液壓成形等方法達(dá)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(qiáng)大的成形設(shè)備并且*終限制了成型度。
因為各種環(huán)境和金相的因數(shù),用于309和310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**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(rèn)為是不銹鋼中*容易焊接的等級。它們可以通過所有常見的方法進(jìn)行焊接。309/309S,310/310S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)。
309/309S,310/310S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(yán)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。基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(jìn)行退火的主要原因是產(chǎn)生一個再結(jié)晶的微細(xì)結(jié)構(gòu),達(dá)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。
309/309S,310/310S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(jìn)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(jī)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*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(jìn)入金屬的表面,進(jìn)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(qiáng)度) 和 _-3% HF (60% 初始強(qiáng)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(jìn)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309/309S,310/310S在室溫下呈現(xiàn)奧氏體結(jié)構(gòu),因此不能通過熱處理達(dá)到硬化。通過熱作或冷作,可以達(dá)到更高的機(jī)械強(qiáng)度,但是這些等級通常達(dá)不到這種狀態(tài)。通過冷作,也可以獲得更好的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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。