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300系列耐熱不銹鋼板材

日期:2022-06-15 15:34
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摘要: 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。 一般屬性 309/309S和310/310S奧氏體不銹鋼經常被應用于高溫環境下的作業。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。 應用 高合金不銹鋼通常表現出良好高溫強度,抗蠕變性和抗環境腐蝕性。因此,它們被廣泛應用于熱處理行...

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。

一般屬性

309/309S和310/310S奧氏體不銹鋼經常被應用于高溫環境下的作業。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。

應用

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

化學成分

除特別說明外,以下的化學成分是根據ASTM A167和ASTM A240標準。

抗水溶液腐蝕

309/309S和310/310S主要用于高溫環境下,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用中,往往會用到310/310S,如:濃硝酸溶液中的作業,這種溶液中可能發生晶界擇優腐蝕。

高溫抗氧化性

在多數情況下,金屬合金都會與周圍環境發生一定程度的化學反應。*常見的化學反應就是氧化:金屬元素與氧氣結合,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,因為帶點粒子傳輸的路徑越遠。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??梢蕴峁┖辖鹪诟邷叵碌男阅?。309/309S,310/310S是高合金材料,因此,具有相當好的抗氧化性。

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暴露在高溫環境下,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,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。

高溫氧化可能導致銹皮揮發。在耐熱不銹鋼表面形成的氧化鉻,*開始是Cr2O3 ,當溫度進一步升高時,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 的蒸發使銹皮變薄。*終的趨勢是在增厚和變薄之間達到*終的平衡,從而使銹皮處于恒定的厚度。銹皮揮發在溫度達到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,氧化硫,氫化硫)。鉻可以形成穩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生,在某些特定情況下,硫可以穿過氧化鉻,在金屬內部形成硫化鉻。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。

環境中如果存在含碳量高的粒子,會導致碳元素進入金屬,隨后形成內部碳化物。滲碳作用一般在溫度1470°F (800°C)以上發生。內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生(660-1650°F or 350-900°C)。金屬粉塵可以通過一個復雜的機構把固體金屬轉換成石墨和金屬微粒的混合物,進而形成較深的小坑,*終導致局部腐蝕。

在氮氣存在的情況下,可能發生滲氮作用。氧化物通常比氮化物穩定,因此在含氧的大氣環境中,通常形成氧化皮。這層保護膜可以很好地阻擋氮進入,因此在大氣環境和氣態的燃燒產物環境下,幾乎不用考慮滲氮作用的影響。在純氮環境下,尤其是在干燥,裂化氨氣環境下,氧含量非常低,就可能發生滲氮作用。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,在晶界生成內部氮化物,影響金屬的機械性能。

金相的不穩定性,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。當加熱溫度長期達到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環境影響。一般的氧化數據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用的抗氧化性數據和經驗。

加工特性

309/309S,310/310S不銹鋼因其耐高溫和抗氧化性能,被廣泛應用于熱處理/加工行業。也因為這樣,這些合金常被加工成復雜結構。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。

切割和機械加工普通軟鋼的標準技術,稍作調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???。加工過程中產生的碎片細且硬,并保留著相當好的延展性。加工用的道具應保持鋒利和堅硬。對于硬化區域,一般采用深度和慢速切割。由于奧氏體不銹鋼的導熱性低和熱膨脹系數高,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,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備并且*終限制了成型度。

因為各種環境和金相的因數,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),結束溫度不能低于1800°F (980°C)。在過高的溫度下加工,因為環境和金相的因素,尤其是鐵素體的生成,會導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的熱膨脹系數較高,導熱性較低,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?;附饘俚某煞直幌♂尯?,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。焊接得當的話,不太可能發生熱影響區的粒間腐蝕。去除回火色和銹皮可恢復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生一個再結晶的微細結構,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:機械方法和化學方法。表面噴砂和化學除銹二者相結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入金屬的表面,進而引起表面生銹或變色。

化學除銹通常采用硝酸和氫氟酸的混合物?;瘜W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)。 溫度過高會導致除銹過快,槽液侵蝕晶界,進而造成金屬表面出現凹槽。酸洗以后,要用清水徹底洗掉酸洗的殘留物,然后干燥,避免金屬表面出現斑漬。

由于309/309S,310/310S在室溫下呈現奧氏體結構,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。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定,而這些合金往往是用于高溫作業。如果在高溫環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。

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