Nehrđajući čelik 321 nasuprot 347: koji je bolji za zavarivanje?

Uvod

Prilikom odabira nehrđajućeg čelika za visoke-temperature ili korozivna okruženja, dva razreda stalno se penju na vrh popisa:321 nehrđajući čeliki 347 nehrđajućeg čelika. Oba pripadaju obitelji austenitnog nehrđajućeg čelika i posebno su projektirani da se odupru destruktivnom fenomenu koji se naziva senzibilizacija - oblik interkristalne korozije koji može tiho oslabiti čelik, posebno u i oko zona zavara.

Ali evo ključnog pitanja koje inženjeri, proizvođači i voditelji nabave često postavljaju:

"Je li nehrđajući čelik 321 ili 347 bolji za zavarivanje?"

Kratak odgovor: nehrđajući čelik 347 općenito je preferirani izbor za zavarivanje. Međutim, potpuni odgovor ovisi o vašem specifičnom radnom okruženju, proračunu i zahtjevima za performansama. Ovaj vodič rastavlja sve - od kemije i metalurgije do praktičnih savjeta za zavarivanje i-podataka o primjeni iz stvarnog svijeta.

Odjeljak 1: Što je nehrđajući čelik 321?

Nehrđajući čelik 321 (UNS S32100) je titanom-stabilizirani austenitni nehrđajući čelik izveden iz standardne kvalitete 304. Dodavanje titana - u minimalnom omjeru od 5 puta većem od sadržaja ugljika - daje 321 njegovu definirajuću karakteristiku: otpornost na interkristalnu koroziju, posebno u zoni utjecaja topline-(HAZ) tijekom zavarivanja i rada na-povišenoj temperaturi.

Titan se preferirano veže s ugljikom da bi nastao titanijev karbid (TiC), sprječavajući migraciju ugljika do granica zrna gdje bi se inače spojio s kromom da bi nastao krom karbid - proces koji iscrpljuje materijal od njegove korozije-otporan na krom i stvara ranjive zone sklone napadu.

Ključne karakteristike nehrđajućeg čelika 321

Stabiliziran titanom kako bi se spriječilo taloženje krom karbida

Izvrsna izvedba u neprekidnom radu između 425 stupnjeva i 870 stupnjeva (800 stupnjeva F do 1600 stupnjeva F)

Dobra sposobnost oblikovanja i zavarljivost za opću proizvodnju

Poželjno u preradi hrane, farmaciji i umjerenim kemijskim okruženjima

Široko se koristi u ispušnim sustavima zrakoplova, komponentama kotlova i izmjenjivačima topline

Odjeljak 2: Što je nehrđajući čelik 347?

347 nehrđajući čelik(UNS S34700) je niobijem-stabiliziran (također nazvan kolumbijem-stabiliziran) austenitni nehrđajući čelik. Kao i 321, izveden je iz 304 i dizajniran da prevlada problem senzibilizacije. Međutim, umjesto titana, niobij (Nb) - dodan u minimalno 10 puta većem sadržaju ugljika - služi kao stabilizirajući element.

Niobijeva veća atomska stabilnost u usporedbi s titanom čini ga posebno učinkovitim u teško zavarenim strukturama i pri ekstremnim temperaturama. Kritično za zavarivanje, niobij ne isparava niti oksidira tako lako kao titan tijekom procesa zavarivanja, što rezultira predvidljivijom i dosljednijom kemijom zavara.

Ključne karakteristike nehrđajućeg čelika 347

Stabiliziran niobijem (i tantalom) za vrhunsku zaštitu zone zavara

Izvrsna otpornost na interkristalnu koroziju u zonama-zahvaćenih toplinom zavara

Superiorna otpornost na puzanje na vrlo visokim temperaturama u usporedbi s 321

Široko specificiran u zrakoplovstvu, nuklearnoj elektrani, proizvodnji električne energije i kemijskoj obradi

Industrija-poželjna kada je dosljedna kvaliteta zavara zahtjev-o kojem se ne može pregovarati

Odjeljak 3: Usporedba kemijskog sastava

Razumijevanje kemijskog sastava oba razreda bitno je za razumijevanje njihove zavarljivosti. Donja tablica uspoređuje 321 SS, 347 SS i 304 SS (kao osnovnu referencu) prema standardima ASTM A240 i ASTM A182.

Tablica 1: Kemijski sastav - 321 u odnosu na nehrđajući čelik 347 u odnosu na 304

Izvor: Standardi ASTM A240 / ASTM A182. Sve vrijednosti u težinskim postocima (wt%).

Zašto je to važno za zavarivanje?Titan u 321 je hlapljiv na temperaturama zavarivanja. Tijekom procesa elektrolučnog zavarivanja, posebno plinskog volframovog elektrolučnog zavarivanja (GTAW/TIG), titan može oksidirati i ispariti iz zavarene kupke. To je razlog zašto se dodatni materijal 347 obično preporučuje čak i kada je zavarivanje osnovnog materijala 321 - niobij u punilu daleko stabilniji tijekom zavarivanja.

Odjeljak 4: Mehanička svojstva

Na sobnoj temperaturi, nehrđajući čelici 321 i 347 pokazuju gotovo identična mehanička svojstva - oba ispunjavaju iste minimalne zahtjeve prema standardima ASTM. Značajne razlike pojavljuju se na povišenim temperaturama, osobito iznad 550 stupnjeva.

Tablica 2: Mehanička svojstva - 321 u odnosu na nehrđajući čelik 347 (sobna temperatura)

Izvor: ASTM A240, ASME odjeljak II, dio D. Podaci predstavljaju žareno stanje.

Performanse na visokim-temperaturama:Na radnim temperaturama iznad 600 stupnjeva, 347 SS dosljedno pokazuje superiornu otpornost na puzanje - otpornost materijala na sporu deformaciju pod dugotrajnim naprezanjem. Ova se prednost izravno pripisuje snažnoj sklonosti niobija-stvaranju karbida, koji ojačava granice zrna pod toplinskim opterećenjem. Za komponente koje će biti zavarene i zatim stavljene u zahtjevnu toplinsku službu (npr. plinske turbine, pregrijači ili nuklearni reaktori), 347 nudi mjerljivo bolji dugoročni -strukturalni integritet.

Odjeljak 5: Svojstva zavarivanja - Usporedba jezgre

Ovo je srce vodiča. Ispitajmo svaki kritični faktor zavarivanja jedan pored drugog.

Tablica 3: Svojstva zavarivanja - 321 u odnosu na nehrđajući čelik 347

Izvor: AWS D1.6 Kodeks strukturalnog zavarivanja - nehrđajući čelik; Lincoln vodiči za električno zavarivanje.

Senzibilizacija i zona-zahvaćena toplinom (HAZ)

Kada je nehrđajući čelik izložen temperaturama između 425 stupnjeva i 870 stupnjeva - raspon koji se obično susreće tijekom zavarivanja - ugljik može difundirati do granica zrna i reagirati s kromom stvarajući kromove karbide (Cr23C6). Time se okolno područje iscrpljuje od zaštitnog kroma, ostavljajući zonu-osjetljivu na koroziju. Taj se proces naziva senzibilizacija.

I 321 i 347 su napravljeni za borbu protiv senzibilizacije, ali kroz različite mehanizme:

321 SS koristi titanijev karbid (TiC) za izdvajanje ugljika prije nego što može reagirati s kromom. Učinkovito -, ali hlapljivost titana tijekom zavarivanja znači da se dio zaštite može izgubiti.

347 SS koristi niobijev karbid (NbC). Niobij ostaje stabilan u uvjetima zavarivanja, pružajući dosljednu zaštitu kroz cijeli zavar i ZUT.

Odabir dodatnog materijala je kritičan kod zavarivanja nehrđajućeg čelika. AWS klasifikacija i standardna industrijska praksa preporučuju:

Za osnovni metal 321 SS: Koristite žicu za punjenje AWS ER347. Korištenje ER321 je moguće, ali je manje poželjno, budući da titan u punilu ima tendenciju oksidacije, ostavljajući talog zavara nedovoljno snabdjeven stabilizatorom.

Za osnovni metal 347 SS: Koristite žicu za punjenje AWS ER347. Ovo osigurava kemijski kompatibilan, niobij-stabilan zavareni talog koji blisko odgovara sastavu osnovnog metala i otpornosti na koroziju.

U praksi se ER347 koristi za oba razreda - što je dokaz vrhunske kemije zavarivanja 347. Ovo također pojednostavljuje upravljanje zalihama u trgovini.

Otpornost na vruće pucanje

Vruće pukotine (također nazvane pukotine skrućivanja) pojavljuju se u metalu zavara ili ZUT-u kako se zavar hladi i skrućuje. Na njega utječu kemijski sastav zavarene kupke, razine nečistoća (osobito sumpora i fosfora) i prisutnost određenih legirajućih elemenata.

Niobij u 347 SS pomaže u pročišćavanju zrnate strukture i smanjuje rizik od vrućih pukotina, osobito kod više-zavarenih spojeva. Titan, iako je učinkovit u osnovnom metalu, nudi manje dosljednu zaštitu u zavarenom bazenu zbog gore spomenutog faktora oksidacije. Kao rezultat toga, 347 SS se smatra otpornijim na vruće pukotine u složenim geometrijama zavara.

Odjeljak 6: Usporedba primjene prema industriji

Iako obje razine služe mnogim istim industrijama, njihove karakteristike izvedbe čine svaku prikladnijom za specifične slučajeve upotrebe. Donja tablica ističe gdje se svaka ocjena ističe.

Tablica 4: Usporedba primjene u industriji - 321 u odnosu na nehrđajući čelik 347

Izvor: ASTM A213, ASTM A240, ASME Kodeks za kotlove i tlačne posude i industrijski standardi nabave.

Odjeljak 7: Razmatranja cijene i dostupnosti

Cijena je uvijek praktičan faktor pri odabiru materijala. Evo što trebate znati:

321 SS općenito je isplativija-opcija. Titan je kao legirajući dodatak jeftiniji od niobija, a 321 se globalno proizvodi u većim količinama.

347 SS ima skromnu premiju - obično 5% do 15% višu od 321 - zbog cijene niobija i njegovog specijaliziranijeg profila potražnje.

Obje vrste su široko dostupne u oblicima ploča, limova, šipki, cijevi, cijevi i spojnih dijelova iz velikih tvornica i servisnih centara diljem svijeta.

Za većinu zavarenih aplikacija gdje je izvedba zavarivanja 347 kritična, premija cijene je dobro opravdana smanjenom preradom, boljim djelovanjem na koroziju i dužim vijekom trajanja.

Odjeljak 8: Vodič za brzo odlučivanje - 321 nasuprot 347

Upotrijebite ovaj okvir za odlučivanje kako biste vodili svoj odabir materijala:

Tablica 5: Vodič za odlučivanje o odabiru materijala

Odjeljak 9: Relevantni standardi i certifikati

Kada specificirate nehrđajući čelik 321 ili 347, osigurajte usklađenost s primjenjivim standardima za svoju industriju:

ASTM A240 - Standardna specifikacija za ploče, limove i trake od nehrđajućeg čelika od kroma i -nikla

ASTM A182 - Prirubnice cijevi od-kovanog ili valjanog legiranog čelika, kovani priključci i ventili

ASTM A213 - Bešavne feritne i austenitne legure-čelične cijevi za kotao, pregrijač i izmjenjivač topline

ASME Kodeks kotlova i tlačnih posuda (BPVC) - Odjeljak II, Dio D: Svojstva materijala

AWS D1.6 - Kodeks strukturalnog zavarivanja nehrđajućeg čelika

EN 10088 - Europska norma za nehrđajuće čelike (ekvivalentne kvalitete: 1.4541 za 321; 1.4550 za 347)

Odjeljak 10: Najbolji postupci zavarivanja za oba razreda

Bez obzira koju vrstu kvalitete odaberete, slijedite ove najbolje prakse zavarivanja kako biste postigli najbolje rezultate:

Temeljito očistite osnovni metal - uklonite svu masnoću, ulje, boju i kamenac iz zone zavara pomoću acetona ili odobrenog sredstva za čišćenje nehrđajućeg čelika

Koristite žičane četke od nehrđajućeg čelika i brusne ploče namijenjene samo za nehrđajući čelik - kontaminacija alatima od ugljičnog čelika uzrokuje hrđu i koroziju

Čuvajte i rukujte materijalom u čistom okruženju kako biste spriječili unakrsnu-kontaminaciju

Koristite AWS ER347 žicu za punjenje i za 321 i 347 bazne metale kad god je to moguće

Upotrijebite tehnike niskog unosa topline kako biste smanjili veličinu ZUT-a i smanjili rizik od preosjetljivosti

Koristite povratno{0}}pročišćavanje plinom argonom pri zavarivanju cijevi ili zatvorenih dijelova kako biste zaštitili korijen zavara od oksidacije

Održavajte međuprolazne temperature ispod 175 stupnjeva (350 stupnjeva F) kako biste kontrolirali rast zrna

Pasiviranje - Zone zavara tretirajte dušičnom kiselinom ili otopinom limunske kiseline kako biste obnovili sloj pasivnog krom oksida

Toplinska obrada nakon-zavarivanja (PWHT) - Općenito nije potrebna za stabilizirane stupnjeve, ali može biti specificirana određenim kodovima (ASME) za komponente-koje sadrže pritisak

Dekapiranje - Uklonite toplinu i oksidaciju s područja zavara pomoću odgovarajuće paste ili otopine za dekapiranje, nakon čega slijedi temeljito ispiranje

Zaključak

I nehrđajući čelik 321 i 347 izvanredni su materijali za primjenu na visokim-temperaturama, -otpornim na koroziju. Dijele zajedničku svrhu - sprječavanje senzibilizacije -, ali to postižu različitim strategijama legiranja, a ta je razlika značajna kada je u pitanju zavarivanje.

Da sažmemo ključni nalaz ovog vodiča:

Stabilizacija niobijem 347 SS pruža stabilniju kemiju zavarenog bazena, bolju zaštitu od ZUT-a i vrhunsku izvedbu na povišenim temperaturama - što ga čini ocjenom izbora u sektorima zrakoplovne i svemirske industrije, nuklearne industrije, kemijske obrade i proizvodnje električne energije gdje se o integritetu zavara ne može -pregovarati.

321 SS ostaje ekonomična, svestrana opcija za ne-kritične zavarene sklopove i primjene gdje su sposobnost oblikovanja i troškovna učinkovitost glavni čimbenici.

Ako ste u nedoumici, posavjetujte se sa svojim inženjerom za materijale, pregledajte primjenjive standarde ASTM/ASME za svoju primjenu i udružite se spouzdan dobavljač nehrđajućeg čelikakoji može pružiti certificirana izvješća o ispitivanju mlina (MTR) i tehničku podršku.

Često postavljana pitanja

Da. Korištenje ER347 metala za punjenje industrijski je-standardni pristup za spajanje ova dva razreda. Talog zavara bit će stabiliziran-niobijem, nudeći dobru otpornost na koroziju u cijelom spoju.

U žarenom stanju, 347 SS nije-magnetičan poput većine austenitnih nehrđajućih čelika. Hladna obrada može inducirati mali stupanj magnetizma zbog-formiranja martenzita izazvanog naprezanjem.

Oba stupnja su ocijenjena za kontinuirani rad do približno 870 stupnjeva (1600 stupnjeva F). Za povremeni rad, 347 može izdržati do oko 900 stupnjeva. Iznad ovih temperatura, oksidacija i kamenac postaju značajni problemi.

Titan (u 321) ima tendenciju oksidacije i isparavanja tijekom elektrolučnog zavarivanja, ostavljajući naslage zavara nedovoljno-stabiliziranim. Niobij (u ER347 punilu) daleko je stabilniji u uvjetima zavarivanja, pružajući pouzdanu zaštitu od osjetljivosti u metalu šava i zoni utjecaja topline.

321 SS obično se koristi u opremi za preradu hrane i farmaceutskoj opremi zbog svoje izvrsne otpornosti na koroziju i mogućnosti čišćenja. 347 SS, iako je tehnički -siguran za hranu, rijetko se spominje u ovom sektoru jer su njegova viša cijena i specijalizirana svojstva prikladnija za industrijske primjene.