321 - 300系列耐熱不銹鋼
321 合金
合金321（UNS S32100）是一種穩(wěn)定性非常好的不銹鋼。在溫度達到800-1500°F（427-816°C），碳化鉻沉淀的條件下，仍能保持良好的抗粒間腐蝕的能力。由于成分中添加了鈦，在碳化鉻形成的情況下，321合金仍然可以保持穩(wěn)定性。
321合金不銹鋼由于其優(yōu)良的機械性能，在高溫環(huán)境下工作很有優(yōu)勢。與304 合金 相比，321 合金不銹鋼具有更好的延展性及抗應力斷裂能力。另外，304L 也可用于抗敏 化作用及晶間腐蝕。
321
一般屬性
化學成分
耐腐蝕性
抗高溫氧化性
物理性能
機械性能
加工
熱處理
一般屬性
合金321（UNS S32100）是一種穩(wěn)定性非常好的不銹鋼。在溫度達到800-1500°F（427-816°C），碳化鉻沉淀的條件下，仍能保持良好的抗粒間腐蝕的能力。由于成分中添加了鈦，在碳化鉻形成的情況下，321合金仍然可以保持穩(wěn)定性。
321合金常用于高溫環(huán)境下800-1500°F（427-816°C）的長期作業(yè)。如果應用只涉及焊接或短時間加熱時，用304L代替就可以了。
321合金的高溫作業(yè)優(yōu)勢，也有賴于其良好的機械性能。和304， 304L相比，321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(wěn)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(guī)和壓力容器規(guī)范。因此321合金的最高使用溫度可達1500°F (816°C)，而304，304L只局限于800°F (426°C)
化學成分
ASTM A276 和 ASTM A182
| 成分 |
重量百分比除特別說明外，
表中所列為最大值
|
| |
321 |
|
| 碳* |
0.08 |
|
| 錳 |
2.00 |
|
| 磷 |
0.045 |
|
| 硫 |
0.030 |
|
| 硅 |
1.00 |
|
| 鉻 |
17.00-19.00 |
|
| 鎳 |
9.00-12.00 |
|
| 鈳+鉭** |
-- |
|
| 鉭 |
-- |
-- |
| 鈦** |
5x(C+N)最小 0.70 最大 |
-- |
| 鈷 |
-- |
-- |
| 氮 |
0.10 |
-- |
| 鐵 |
剩余部分 |
|
| |
* H 等級 碳含量為 0.04 ? 0.10%.
|
耐腐蝕性
均勻腐蝕
合金321具有與不穩(wěn)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范圍中的長時間加熱可能會影響合金321在惡劣的腐蝕介質中的耐蝕性。
在大多數(shù)環(huán)境中，兩種合金的耐蝕性差不多；但退火狀態(tài)下的合金321在強氧化性環(huán)境中的耐蝕性稍遜于經(jīng)退火處理的合金347。因此，合金347在水環(huán)境和其他低溫環(huán)境中更優(yōu)越。暴露于800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度范圍時，會使合金321的整體耐蝕性大大差于合金347。合金347主要用于高溫應用，高溫應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(wěn)定的鎳?鋼對粒間腐蝕敏感，而合金321就是開發(fā)來應用在這方面的。
當不穩(wěn)定的鉻鎳鋼被置于溫度為800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)的環(huán)境中或在這一溫度范圍內被慢慢冷卻時，碳化鉻在晶界產(chǎn)生沉淀。置于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(fā)生完全瓦解。
有機介質或若腐蝕性的水劑、牛奶或其他乳制品或大氣條件下，即使存在大量碳化物沉淀，也很少會產(chǎn)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)這一溫度范圍的時間非常短，不容易產(chǎn)生粒間腐蝕，所以不穩(wěn)定的等級都可以勝任了。碳化物沉淀到什么程度是有害的取決于合金暴露于800°F -- 1500°F (427°C -- 816°C)這一溫度范圍的時間長短以及腐蝕介質。焊接較厚的板材是盡管加熱時間較長，但由于不穩(wěn)定的L等級，含碳量在0.03%或更低，碳化物的沉淀也不足以對這個等級產(chǎn)生危害。
穩(wěn)定的321不銹鋼的強抗敏化性和抗粒間腐蝕性通過下表數(shù)據(jù)體現(xiàn)。（銅-硫酸銅-16% 硫酸測試(ASTM A262, Practice E)）。在測試開始前，對鋼廠經(jīng)退火處理的樣品進行1050°F (566°C) 、48小時的均熱光敏熱處理。
|
粒間腐蝕測試長期敏化作用下的結果
ASTM A262 Practice E
|
| 合金 |
Rate (ipm) |
Bend |
Rate (mpy) |
| 304 |
0.81 |
dissolved |
9720.0 |
| 304L |
0.0013 |
IGA |
15.6 |
*1100°F退火處理， 240小時
合金347樣品沒有出現(xiàn)粒間腐蝕，這表明它們暴露于這種熱環(huán)境中時沒有敏化。合金321樣品的低腐蝕率表明：雖然它遭受了一些粒間腐蝕，但在這些環(huán)境下，它的耐蝕性比合金304L好。在這個測試的環(huán)境下，所有的這些合金都比普通的合金304不銹鋼優(yōu)越得多。
一般而言，合金321用于制作不可進行退火處理的重型焊接設備以及在800°F to 1500°F (427°C to 816°C)這一范圍運作或從這一范圍慢慢冷卻的設備。在各種操作條件中獲得的經(jīng)驗為我們預測粒間腐蝕在大多數(shù)應用中發(fā)生的可能性提供了充足的資料。
同時請回顧我們在熱處理部分發(fā)表的一些觀點。
應力腐蝕龜裂
合金321奧氏體不銹鋼對鹵化物中的應力腐蝕龜裂敏感，類似于合金304不銹鋼。會出現(xiàn)這一結果是由于它們的鎳含量相近。導致應力腐蝕龜裂的條件有：(1)暴露于鹵化物離子中（一般是氯化物），(2)殘余張應力，(3)環(huán)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(huán)都可能會產(chǎn)生應力。退火處理或冷變形之后的消除應力熱處理可能會降低應力水平。穩(wěn)定的合金321適用于消除了應力的、可能會對不穩(wěn)定的合金產(chǎn)生粒間腐蝕的操作環(huán)境。
321在對不穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼（如合金304）產(chǎn)生連多硫酸應力腐蝕的環(huán)境中尤其有用。不穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼若被暴露于會發(fā)生敏化作用的溫度，會在晶界產(chǎn)生碳化鉻沉淀。在含硫環(huán)境中冷卻至室溫時，硫化物（通常是氫化硫）會與水汽及氧發(fā)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(fā)生在硫化物普遍存在的煉油環(huán)境中。穩(wěn)定的合金321和347因在升溫操作環(huán)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(huán)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(wěn)條件下使用。
點腐蝕/隙腐蝕
穩(wěn)定的合金321在含有氯離子的環(huán)境中的耐點蝕性和耐隙蝕性與合金304或304L不銹鋼差不多，因為它們的鉻含量相近。一般而言，對于不穩(wěn)定的及穩(wěn)定的合金，水環(huán)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(wěn)定的合金321通過了100小時的5%鹽霧測試（ASTM B117），被測樣本沒有產(chǎn)生鐵銹，沒有退色。但是，若把這些合金暴露于來自海洋的鹽霧中，可能會出現(xiàn)點腐蝕、隙腐蝕和嚴重變色。不推薦把合金321暴露于海洋環(huán)境中。
高溫抗氧化性
321的抗氧化性可與其它18-8奧氏體不銹鋼媲美。把樣本暴露于高溫的實驗室大氣中。定期把樣本從高溫環(huán)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(qū)別在于細微的合金添加劑，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(huán)境以及產(chǎn)品形態(tài)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(shù)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(shù)值對這兩種合金都適用。
若經(jīng)適當?shù)耐嘶鹛幚�，合�?21不銹鋼主要含有奧氏體和鈦碳化物。少量的鐵素體可能會或可能不會出現(xiàn)在微觀結構中。若長時間暴露于溫度介于1000°F -- 1500°F (593°C -- 816°C)的環(huán)境中，可能會形成少量的西格瑪相。
熱處理不能使穩(wěn)定的合金321不銹鋼硬化。
金屬的總傳熱系數(shù)除了取決于金屬的導熱系數(shù)外，還取決于其它因素。在大多數(shù)情況下，膜層散熱系數(shù)、銹皮和金屬的表面狀況。不銹鋼能保持表面整潔，因此它的傳熱性比其它導熱系數(shù)更高的金屬更好。
導磁性
穩(wěn)定的合金321一般不帶磁性。在退火狀態(tài)下，它的導磁系數(shù)低于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 |
| |
|
|
| 抗拉彈性系數(shù) |
| 28 x 106 psi |
| 193 GPa |
| 線性熱膨脹平均系數(shù) |
| 溫度范圍 |
|
| °C |
°F |
cm/cm °C |
in/in °F |
| 20-100 |
68 - 212 |
16.6 x 10-6 |
9.2 x 10-6 |
| 20 - 600 |
68 - 1112 |
18.9 x 10-6 |
10.5 x 10-6 |
| 20 - 1000 |
68 - 1832 |
20.5 x 10-6 |
11.4 x 10-6 |
| 導熱性 |
| 溫度范圍 |
|
| °C |
°F |
W/m•K |
Btu•in/hr•ft2•°F |
| 20-100 |
68 - 212 |
16.3 |
112.5 |
| 20 - 500 |
68 - 932 |
21.4 |
14.7 |
| 比熱 |
| 溫度范圍 |
|
| °C |
°F |
J/kg K |
Btu/lb•°F |
| 0-100 |
32 - 212 |
500 |
0.12 |
| 電阻率 |
| 溫度范圍 |
|
| °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 |
| 熔化范圍 |
| °C |
°F |
| 1398 - 1446 |
2550 - 2635 |
機械性能
室溫下的延展性
穩(wěn)定的合金321鉻鎳等級在退火狀態(tài)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(huán)境中，這些穩(wěn)定合金的強度明顯高于不穩(wěn)定的304合金。
含碳量高的合金321H在1000°F (537°C)以上的環(huán)境中具有更高的強度。合金321H不允許用于Section VIII的應用，而且對于Section III的應用，只限于800°F (427°C)或以下的溫度。
蠕變及應力破裂性能
合金321不銹鋼的典型蠕變及應力破裂數(shù)據(jù)如下表所示。穩(wěn)定合金在高溫中的蠕變及應力破裂強度高于不穩(wěn)定合金304和304L。合金321這些優(yōu)越的性能使其適用于高溫作業(yè)的承壓零件，例如我們常見的鍋爐及壓力容器。
| 321沖擊強度 |
| 測試溫度 |
夏比沖擊能量吸收 |
| °F |
°C |
Ft-lb |
Joules |
| 75 |
24 |
90 |
122 |
| -25 |
-32 |
66 |
89 |
| -80 |
-62 |
57 |
78 |
ASTM A276和ASTM A182
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) |
30.0 |
| |
|
|
|
|
ASTM A276和ASTM A182
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 |
| |
|
|
|
|
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 |
沖擊強度
321不管是在室內還是在零度以下的環(huán)境，其抗沖擊的韌性都非常好。
疲勞強度
實際上，每種金屬的疲勞強度都要受到腐蝕環(huán)境，表面光潔度，產(chǎn)品形態(tài)以及平均應力這些因素的影響。由于這個原因，沒辦法用一個確切的數(shù)字來代表在所有操作條件下的疲勞強度值。合金321的耐疲勞度極限大概是其抗張強度的35%左右
加工
焊接
奧氏體不銹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(chǎn)奧氏體不銹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里的穩(wěn)定化元素。合金321里面的鈦容易流失。需要避免石油和其他污染源里面的碳元素以及空氣里面的氮元素。因此，不管是焊接穩(wěn)定性良好的合金還是不穩(wěn)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。由于這個原因，合金321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。含鈳的不銹鋼比含鈦的不銹鋼更容易熱裂。
匹配的填充金屬可用于合金321等穩(wěn)定鋼的焊接。合金347的匹配填充金屬有時也可用于合金321的焊接。
這些穩(wěn)定的合金可以加入到其他的不銹鋼或者碳鋼中。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的退火溫度范圍是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)碳化物沉淀的范圍內還可以消除應力，而不會產(chǎn)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)的溫度范圍內退火幾個小時后卻可以消除應力，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)的范圍內低溫退火并不會導致粒間腐蝕。
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?不銹鋼加工成設備，而這些設備需要最大程度防止碳化鉻沉淀時，必須要認識到鈳的穩(wěn)定性跟鈦是不一樣的。由于這些原因，應用合金321時，穩(wěn)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合金必須采取穩(wěn)定退火處理。在1550 to 1650°F (843 to 899°C)溫度范圍內加熱最高至5小時，加熱時間根據(jù)厚度而定。這個溫度范圍超過了碳化鉻形成的溫度范圍，這個溫度也足以分解和溶解之前已經(jīng)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。
在氧化環(huán)境中完成熱處理后，退火后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。除銹后，應徹底沖洗不銹鋼表面，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，不銹鋼在使用和制造的過程中都要保持其表面清潔，即使是在正常的工作環(huán)境下。
在焊接時采用惰性氣體加工，焊接過程中形成的銹皮和熔渣通過不銹鋼刷清除。普通碳鋼刷會在不銹鋼的表面留下碳鋼粒子，這些粒子最終會導致表面生銹。在要求嚴格的情況下，焊接區(qū)域要經(jīng)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，除銹后，應徹底沖洗不銹鋼表面，沖洗掉殘留的酸性溶液。
內陸，輕工業(yè)用的材料，所需要的維護比較少，只有遮蔽區(qū)域有時需要用加壓水清洗。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。
適當?shù)脑O計有助于清洗。帶圓抹角，內圓角，無縫隙的設備，有利于清洗和表面拋光。
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