SUS321不鏽鋼（UNS S32100）是一種穩定性非常好的不鏽鋼。
基本介紹
- 中文名：SUS321不鏽鋼
- 外文名：321 stainless steel
- UNS： S32100
- 簡介：一種穩定性非常好的不鏽鋼
- 化學成分：ASTM A240 和 ASME SA-240
- 均勻腐蝕：合金321和347
產品介紹,化學成分,耐腐蝕性,高溫抗氧化性,物理性能,機械性能,加工,焊接,熱處理,清潔,
成分 |
產品介紹
在溫度達到800-1500°F（427-816°C），碳化鉻沉澱的條件下，仍能保持良好的抗粒間腐蝕的能力。由於成分中添加了鈦，在碳化鉻形成的情況下，321合金仍然可以保持穩定性。
321合金不鏽鋼由於其優良的機械性能，在高溫環境下工作很有優勢。與304 合金 相比，321 合金不鏽鋼具有更好的延展性及抗應力斷裂能力。另外，304L 也可用於抗敏 化作用及晶間腐蝕。
一般屬性
合金321（UNS S32100）是一種穩定性非常好的不鏽鋼。在溫度達到800-1500°F（427-816°C），碳化鉻沉澱的條件下，仍能保持良好的抗粒間腐蝕的能力。由於成分中添加了鈦，在碳化鉻形成的情況下，321合金仍然可以保持穩定性。347合金則是由於添加了軻和鉭來保持其穩定性。.
321和347合金常用於高溫環境下800-1500°F（427-816°C）的長期作業。如果套用只涉及焊接或短時間加熱時，用304L代替就可以了。
321和347合金的高溫作業優勢，也有賴於其良好的機械性能。和304， 304L相比，321和347具有更佳的抗蠕變應力和抗應力破裂性能。這使得在更高一點溫度的時候，這些穩定的合金所承受的壓力依然符合美國機械工程學會鍋爐法規和壓力容器規範。因此321和347合金的最高使用溫度可達1500°F (816°C)，而304，304L只局限於800°F (426°C)
321和合金347也有碳含量高的品種，它們UNS編號分別為：S32109跟S34709.
化學成分
0.08 |
ASTM A240 和 ASME SA-240:
重量百分比除特別說明外， 表中所列為最大值 |
碳* | 錳 | 磷 | 硫 | 矽 | 鉻 | 鎳 | 鈳+鉭** | 鉭 | 鈦** | 鈷 | 氮 | 鐵 | |
321 | 0.08 | 2.00 | 0.045 | 0.030 | 0.75 | 17.00-19.00 | 9.00-12.00 | -- | -- | 5x(C+N)最小 0.70 最大 | -- | 0.10 | 剩餘部分 |
347 | 0.08 | 2.00 | 0.045 | 0.030 | 0.75 | 17.00-19.00 | 9.00-12.00 | 10xC最小 1.00 最大 | -- | -- | -- | -- | 剩餘部分 |
* H 等級 碳含量為 0.04 ? 0.10%. **H 等級 最低限度的穩定劑是不同的配方。 | |||||||||||||
耐腐蝕性
均勻腐蝕
合金321和347具有與不穩定的鎳鉻合金304相似的抵擋一般腐蝕的能力。在碳化鉻程度的溫度範圍中的長時間加熱可能會影響合金321和347在惡劣的腐蝕介質中的耐蝕性。
在大多數環境中，兩種合金的耐蝕性差不多；但退火狀態下的合金321在強氧化性環境中的耐蝕性稍遜於經退火處理的合金347。因此，合金347在水環境和其他低溫環境中更優越。暴露於800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度範圍時，會使合金321的整體耐蝕性大大差於合金347。合金347主要用於高溫套用，高溫套用要求材料有強的抗敏化性，以防止在較低溫度的粒間腐蝕。
粒間腐蝕
合金304等不穩定的鎳?鋼對粒間腐蝕敏感，而合金321跟合金347就是開發來套用在這方面的。
當不穩定的鉻鎳鋼被置於溫度為800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)的環境中或在這一溫度範圍內被慢慢冷卻時，碳化鉻在晶界產生沉澱。置於某些腐蝕性強的介質時，這些晶界最先受侵蝕，也許會弱化金屬的效能，可能發生完全瓦解。
有機介質或若腐蝕性的水劑、牛奶或其他乳製品或大氣條件下，即使存在大量碳化物沉澱，也很少會產生粒間腐蝕。當焊接較薄的板材時，因為停留在800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度範圍的時間非常短，不容易產生粒間腐蝕，所以不穩定的等級都可以勝任了。碳化物沉澱到什麼程度是有害的取決於合金暴露於800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度範圍的時間長短以及腐蝕介質。焊接較厚的板材是儘管加熱時間較長，但由於不穩定的L等級，含碳量在0.03%或更低，碳化物的沉澱也不足以對這個等級產生危害。
穩定的321和合金347不鏽鋼的強抗敏化性和抗粒間腐蝕性通過下表數據體現。（銅-硫酸銅-16% 硫酸測試(ASTM A262, Practice E)）。在測試開始前，對鋼廠經退火處理的樣品進行1050°F (566°C) 、48小時的均熱光敏熱處理。
應力腐蝕龜裂
合金321和347奧氏體不鏽鋼對鹵化物中的應力腐蝕龜裂敏感，類似於合金304不鏽鋼。會出現這一結果是由於它們的鎳含量相近。導致應力腐蝕龜裂的條件有：(1)暴露於鹵化物離子中（一般是氯化物），(2)殘餘張應力，(3)環境溫度超過120°F (49°C)。成形操作中的冷變形或焊接操作中遇到的熱循環都可能會產生應力。退火處理或冷變形之後的消除應力熱處理可能會降低應力水平。穩定的合金321和347適用於消除了應力的、可能會對不穩定的合金產生粒間腐蝕的操作環境。
321和347在對不穩定的奧氏體不鏽鋼（如合金304）產生連多硫酸應力腐蝕的環境中尤其有用。不穩定的奧氏體不鏽鋼若被暴露於會發生敏化作用的溫度，會在晶界產生碳化鉻沉澱。在含硫環境中冷卻至室溫時，硫化物（通常是氫化硫）會與水汽及氧發生反應，形成侵蝕敏化晶界的連多硫酸。在具有應力、粒間腐蝕的條件下，連多硫酸應力腐蝕龜裂發生在硫化物普遍存在的煉油環境中。穩定的合金321和347因在升溫操作環境中具有抗敏化性而解決了連多硫酸應力腐蝕龜裂問題。若操作環境的條件會引起敏化，為使這些合金達到最佳的抗敏化性，應在熱穩條件下使用。
點腐蝕/隙腐蝕
穩定的合金321和347在含有氯離子的環境中的耐點蝕性和耐隙蝕性與合金304或304L不鏽鋼差不多，因為它們的鉻含量相近。一般而言，對於不穩定的及穩定的合金，水環境中的氯化物含量上限為百萬分之一百，尤其是存在隙腐蝕時。較高的氯離子含量會導致隙腐蝕和點腐蝕。若在氯化物含量更高、PH值較低而且/或溫度較高的惡劣條件下，需考慮使用含鉬的合金,如合金316。穩定的合金321和347通過了100小時的5%鹽霧測試（ASTM B117），被測樣本沒有產生鐵鏽，沒有退色。但是，若把這些合金暴露於來自海洋的鹽霧中，可能會出現點腐蝕、隙腐蝕和嚴重變色。不推薦把合金321和347暴露于海洋環境中。
高溫抗氧化性
sus321不鏽鋼的抗氧化性可與其它18-8奧氏體不鏽鋼媲美。把樣本暴露於高溫的實驗室大氣中。定期把樣本從高溫環境中拿出稱重，可推算出銹皮形成的程度。測試結果通過重量變化(毫克/平方厘米)來表示，取兩個不同被測樣本的最小值的平均值。
重量變化(毫克/平方厘米) | ||||||
暴露時間 | ||||||
1300°F |
1350°F |
1400°F |
1450°F |
1500°F | |
168 小時 |
0.032 |
0.046 |
0.054 |
0.067 |
0.118 | |
500 小時 |
0.045 |
0.065 |
0.108 |
0.108 |
0.221 | |
1,000 小時 |
0.067 |
-- |
0.166 |
-- |
0.338 | |
5,000 小時 |
-- |
-- |
0.443 |
-- |
-- |
321和347的主要區別在於細微的合金添加劑，但不影響抗氧化性。因此，這些測試結果對兩個等級來說都具有代表性。但是，氧化率會受暴露環境以及產品形態等固有因素的影響，因此，這些結果應僅被視為這些等級抗氧化性的通常數值。
物理性能
合金321和347的物理性能頗相似，實際上，可以視為相同。表格中所列數值對這兩種合金都適用。
若經適當的退火處理，合金321和347不鏽鋼主要含有奧氏體和鈦碳化物或鈮碳化物。少量的鐵素體可能會或可能不會出現在微觀結構中。若長時間暴露於溫度介於1000°F -- 1500°F (593°C -- 816°C)的環境中，可能會形成少量的西格瑪相。
熱處理不能使穩定的合金321和347不鏽鋼硬化。
金屬的總傳熱係數除了取決於金屬的導熱係數外，還取決於其它因素。在大多數情況下，膜層散熱係數、銹皮和金屬的表面狀況。不鏽鋼能保持表面整潔，因此它的傳熱性比其它導熱係數更高的金屬更好。
導磁性
穩定的合金321和347一般不帶磁性。在退火狀態下，它的導磁係數低於1.02。導磁率會因成分而改變，因冷作而增加。含鐵素體的焊縫的導磁率會高一點。
物理性能 | |||
密度 | |||
Grade | |||
g/cm3 |
lb/in3 | |
321 |
7.92 |
0.286 | |
347 |
7.96 |
0.288 |
抗拉彈性係數 | ||||
28 x 10 psi | ||||
193 GPa | ||||
線性熱膨脹平均係數 | ||||
溫度範圍 | ||||
°C | |
°F |
cm/cm °C |
in/in °F | |
20-100 |
68 - 212 |
16.6 x 10 |
9.2 x 10 | |
20 - 600 |
68 - 1112 |
18.9 x 10 |
10.5 x 10 | |
20 - 1000 |
68 - 1832 |
20.5 x 10 |
11.4 x 10 | ||||
導熱性 | ||||
溫度範圍 | ||||
°C | |
°F |
W/m?K |
Btu?in/hr?ft?°F | |
20-100 |
68 - 212 |
16.3 |
112.5 | |
20 - 500 |
68 - 932 |
21.4 |
14.7 | ||||
比熱 | ||||
溫度範圍 | ||||
°C | |
°F |
J/kg K |
Btu/lb?°F | |
0-100 |
32 - 212 |
500 |
0.12 |
電阻率 | |||
溫度範圍 | |||
°C |
°F |
microhm?cm | |
20 |
68 |
72 | |
100 |
213 |
78 | |
200 |
392 |
86 | |
400 |
752 |
100 | |
600 |
1112 |
111 | |
800 |
1472 |
121 | |
900 |
1652 |
126 |
熔化範圍 | ||
°C | ||
°F | |
1398 - 1446 |
2550 - 2635 |
機械性能
室溫下的延展性
穩定的合金321和347鉻鎳等級在退火狀態下（2000°F [1093°C], 空氣冷卻）的機械性能最小值如下表所示。
高溫下的延展性
合金321和347在高溫下的典型機械性能如下表所示。在1000°F (538°C)及更高的溫度環境中，這些穩定合金的強度明顯高於不穩定的304合金。
含碳量高的合金321H和347H（UNS32109和S34700）在1000°F (537°C)以上的環境中具有更高的強度。合金347H的ASME最大許用設計應力數據顯示這個等級的強度比含碳量較低的合金347高。合金321H不允許用於Section VIII的套用，而且對於Section III的套用，只限於800°F (427°C)或以下的溫度。
蠕變及應力破裂性能
合金321和347不鏽鋼的典型蠕變及應力破裂數據如下表所示。穩定合金在高溫中的蠕變及應力破裂強度高於不穩定合金304和304L。合金321和347這些優越的性能使其適用於高溫作業的承壓零件，例如我們常見的鍋爐及壓力容器。
321和347的衝擊強度 | ||||
測試溫度 | ||||
夏比衝擊能量吸收 | |
°F | |
°C |
Ft-lb |
Joules | |
75 |
24 |
90 |
122 | |
-25 |
-32 |
66 |
89 | |
-80 |
-62 |
57 |
78 |
ASTM A 240和ASME SA-240 要求的室溫下機械性能的最小值 | ||||
類型 | ||||
屈服強度 .2% Offset psi (MPa) |
極限抗拉強度 psi (MPa) |
延伸率 (%) | |
321 |
30,000 (205) |
75,000 (515) |
40.0 | |
347 |
30,000 (205) |
75,000 (515) |
40.0 |
ASTM A 240和ASME SA-240 要求的室溫下機械性能的最小值 | ||||
類型 | ||||
硬度，最大值 | ||
板 | ||
片 |
條 | |
321 |
217 Brinell |
95Rb |
95Rb | |
347 |
201 Brinell |
92Rb |
92Rb |
高溫條件下的抗拉性能 合金321 (0.036 英寸厚/ 0.9 mm 厚) | |||||
測試問題 | |||||
屈服強度 .2% Offset psi (MPa) |
極限抗拉強度 psi (MPa) |
%延伸率 | ||
°F |
°C | |
68 |
20 |
31,400 (215) |
85,000 (590) |
55.0 | |
400 |
204 |
23,500 (160) |
66,600 (455) |
38.0 | |
800 |
427 |
19,380 (130) |
66,300 (455) |
32.0 | |
1000 |
538 |
19,010 (130) |
64,400 (440) |
32.0 | |
1200 |
649 |
19,000 (130) |
55,800 (380) |
28.0 | |
1350 |
732 |
18,890 (130) |
41,500 (285) |
26.0 | |
1500 |
816 |
17,200 (115) |
26,000 (180) |
45.0 |
高溫條件下的拉伸性能 合金347 (0.060 英寸厚/ 1.54 mm 厚) | |||||
測試溫度 | |||||
屈服強度 .2% Offset psi (MPa) |
極限抗拉強度 psi (MPa) |
%延伸率 | ||
°F |
°C | |
68 |
20 |
36,500 (250) |
93,250 (640) |
45.0 | |
400 |
204 |
36,600 (250) |
73,570 (505) |
36.0 | |
800 |
427 |
29,680 (205) |
69,500 (475) |
30.0 | |
1000 |
538 |
27,400 (190) |
63,510 (435) |
27.0 | |
1200 |
649 |
24,475 (165) |
52,300 (360) |
26.0 | |
1350 |
732 |
22,800 (155) |
39,280 (270) |
40.0 | |
1500 |
816 |
18,600 (125) |
26,400 (180) |
50.0 |
衝擊強度
321和347不管是在室內還是在零度以下的環境，其抗衝擊的韌性都非常好。退火後的合金347在指定測試溫度中靜置一小時後的夏比V衝擊試驗如下圖所示。合金321的情況與347相類似。
疲勞強度
實際上，每種金屬的疲勞強度都要受到腐蝕環境，表面光潔度，產品形態以及平均應力這些因素的影響。由於這個原因，沒辦法用一個確切的數字來代表在所有操作條件下的疲勞強度值。合金321和347的耐疲勞度極限大概是其抗張強度的35%左右
加工
焊接
奧氏體不鏽鋼被認為是最容易焊接的合金鋼，可以用所有的融合物焊接，也進行電阻焊接。
生產奧氏體不鏽鋼的焊接接點時要考慮兩個因素：1）保持其耐腐蝕性，2）避免開裂。
焊接時必須要注意保持合金321和347里的穩定化元素。合金321裡面的鈦更容易流失，而合金347就經常性容易流失鈳。需要避免石油和其他污染源裡面的碳元素以及空氣裡面的氮元素。因此，不管是焊接穩定性良好的合金還是不穩定的合金時，都要注意保持清潔以及保護好惰性氣體。
焊接奧氏體組織結構的金屬時，在操作過程中很容易分裂。由於這個原因，合金321和合金347在重新凝固時需要加少量鐵酸鹽使其裂紋敏感性降到最低。含鈳的不鏽鋼比含鈦的不鏽鋼更容易熱裂。
匹配的填充金屬可用於合金321跟347等穩定鋼的焊接。合金347的匹配填充金屬有時也可用於合金321的焊接。
這些穩定的合金可以加入到其他的不鏽鋼或者碳鋼中。合金309（23% Cr-13.5%Ni）或者是鎳基填充金屬都可以具有這種用途。
熱處理
合金321和347的退火溫度範圍是1800 -- 2000°F (928 to 1093°C).。雖然退火的主要目的是增強合金的柔軟度及延展性，但是在800 -- 1500°F (427 to 816°C)碳化物沉澱的範圍內還可以消除應力，而不會產生粒間腐蝕。雖然在這個溫度內的長期加熱在某種程度上會降低合金的一般防腐蝕能力，但是合金321和347在800 -- 1500°F (427 to 816°C)的溫度範圍內退火幾個小時後卻可以消除應力，而其的一般防腐蝕能力也不會顯著降低。就象強調的一樣，在800 ---- 1500°F (427 to 816°C)的範圍內低溫退火併不會導致粒間腐蝕。
如果想要達到最佳的延展性的話，建議使用較高的退火溫度1800 to 2000°F (928 to 1093°C)。
當把這些鎳?不鏽鋼加工成設備，而這些設備需要最大程度防止碳化鉻沉澱時，必須要認識到鈳的穩定性跟鈦是不一樣的。由於這些原因，套用合金321時，穩定的程度及保護導致的結果就沒有那么明顯了。
耐腐蝕性需要達到最大化的時候，321合金必須採取穩定退火處理。在1550to 1650°F (843 to 899°C)溫度範圍內加熱最高至5小時，加熱時間根據厚度而定。這個溫度範圍超過了碳化鉻形成的溫度範圍，這個溫度也足以分解和溶解之前已經形成的碳化鉻。另外，在這個溫度，鈦可以跟碳結合形成無害的鈦化碳。結果是?被還原成固溶體，而碳就被迫跟鈦結合形成無害的碳化物。
含鈳的穩定合金347就不需要經常用到這種額外的處理。
在氧化環境中完成熱處理後，退火後的氧化物到除銹溶液中去除，例如硝酸和氫氟酸的混合溶液。除銹後，應徹底沖洗不鏽鋼表面，沖洗掉殘留的酸性溶液。
這些合金不能通過熱處理來達到硬化。
清潔
不管腐蝕性怎么樣，不鏽鋼在使用和製造的過程中都要保持其表面清潔，即使是在正常的工作環境下。
在焊接時採用惰性氣體加工，焊接過程中形成的銹皮和熔渣通過不鏽鋼刷清除。普通碳鋼刷會在不鏽鋼的表面留下碳鋼粒子，這些粒子最終會導致表面生鏽。在要求嚴格的情況下，焊接區域要經過除銹溶液處理（如硝酸和氫氟酸混合溶液）來去除銹皮和熔渣，除銹後，應徹底沖洗不鏽鋼表面，沖洗掉殘留的酸性溶液。
內陸，輕工業用的材料，所需要的維護比較少，只有遮蔽區域有時需要用加壓水清洗。重工業則建議經常清洗，去除積聚的灰塵，這些灰塵最終有可能引起腐蝕和損壞不鏽鋼的表面外觀。
適當的設計有助於清洗。帶圓抹角，內圓角，無縫隙的設備，有利於清洗和表面拋光。
