AISI 321

Стали и сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности, отличаясь технологическими и эксплуатационными характеристиками. Эти уникальные свойства металлов достигаются за счет добавления легирующих элементов, таких как хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан и другие, особенно в случае нержавеющих сталей. Процесс добавления этих элементов для улучшения механических, физических и химических характеристик называется легированием.

Легированные нержавеющие стали характеризуются минимальным содержанием хрома 10,5% и максимальным содержанием углерода 1,2%. В отдельных случаях допускается минимальная массовая доля хрома 7,5%. Каждый элемент придает стали особые свойства, зависящие от его концентрации.

Основная цель легирования нержавеющих сталей - повышение их устойчивости к коррозии, прочности, твердости, жаропрочности и жаростойкости, необходимых для работы в агрессивных средах и при высоких температурах.

В зависимости от стойкости в различных условиях сплавы классифицируются на группы:

1. Нержавеющие (коррозионно-стойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др..  

2. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

3. Жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. 

Нержавеющие стали и сплавы представляют собой обширную группу коррозионностойких материалов, способных противостоять разрушению под воздействием химических или электрохимических факторов. Коррозия может проявляться как общая, точечная или межкристаллитная, причем последняя является наиболее опасной из-за скрытого характера и высокой скорости распространения. Нержавеющие стали подразделяются на склонные к межкристаллитной коррозии и стабилизированные (легированные титаном и ниобием).

Классификация нержавеющих сталей и сплавов основана на химическом составе и структуре. По химическому составу выделяют хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, хромомарганцевые и хромомарганцевоникелевые стали. Названия отражают наличие основных легирующих элементов, определяющих коррозионные свойства.

В зависимости от структуры, нержавеющие стали также подразделяются на классы: аустенитный, мартенситный, ферритный, аустенитно-ферритный, аустенитно-мартенситный, ферритомартенситный.

Аустенит, феррит, мартенсит – это всё фазы, представляющие собой разной степени насыщенности твёрдый раствор углерода в железе. Аустенит образуется при нагреве стали, мартенсит – при охлаждении, феррит – при переохлаждении. Мартенсит – придаёт стали высокую твёрдость и прочность. Аустенит – пластичность и стойкость. Феррит – мягкость, вязкость и магнитные свойства.

Основные свойства аустенитных нержавеющих сталей

Аустенитная нержавеющая сталь наиболее распространенный тип нержавеющей стали, в структуре которой в качестве основной фазы является аустенит. Благодаря содержанию никеля и хрома, сталь обладает высокой пластичностью, прочностью в различных температурных условиях, устойчивостью к коррозии в большинстве рабочих сред, хорошей технологичностью и свариваемостью, не имеет магнитных свойств. Эти свойства делают аустенитные нержавеющие стали востребованными в качестве конструкционных материалов в различных отраслях машиностроения.

К сталям и сплавам, работающим в агрессивных условиях, относятся жаропрочные и жаростойкие стали. К жаропрочным относятся стали аустенитного класса на хромоникелевой и хромоникельмарганцевой основах с различным дополнительным легированием (разделены по металлу основы на сплавы на основе никеля и кобальта). Жаростойкие стали и сплавы разделены на группы: хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса, хромокремнистые стали мартенситного класса, а также хромоникелевые аустенитные стали и сплавы.

Основное влияние легирующих элементов на свойства сталей:

• хром – повышает коррозионную стойкость;
• никель – повышает прочность и пластичность;
• титан – повышает твёрдость, сопротивление межкристаллитной коррозии и кислотоустойчивость стали;
• вольфрам – увеличивает твёрдость;
• кобальт – повышает жаропрочность;
• молибден, ниобий – увеличивают сопротивление окислительным процессам при высоких температурах;
• сера – обеспечивает вязкость металлу;
• фосфор – увеличивает жидкотекучесть (улучшает литейные свойства металла);
• марганец – повышает прокаливаемость и прочность;
• кремний – повышает предел текучести и прочность;
• азот – увеличивает прочность, предел текучести и механические свойства. 

Система маркировки сталей в России и странах СНГ

В разных странах приняты различные подходы к маркировке сталей. В России и странах СНГ, в соответствии с межгосударственными стандартами (ГОСТ), применяется буквенно-цифровая система, где буквы указывают на легирующие элементы, а цифры – на их процентное содержание.

Первое число в обозначении марки стали показывает среднее содержание углерода, умноженное на 100 (например, цифра «8» перед «Х» в стали 08Х18Н10Т означает, что в ней содержится 0,08% углерода (С)).
Стали нержавеющие стандартные, согласно ГОСТ 5632 - 2014, маркируют только буквами и цифрами, например, 08Х18Н10Т.

Система маркировки сталей в США

В США, из-за наличия нескольких организаций по стандартизации, существует несколько систем, наиболее распространенные из которых – AISI (Американский Институт Чугуна и Стали) и ASTM (Американское Общество Испытания Материалов). Система обозначения AISI для нержавеющих сталей использует трехзначные числа, иногда с добавлением букв, например, 304L и 316Ti, где первая цифра указывает на класс стали (например, 2XX и 3XX для аустенитных, 4XX для ферритных и мартенситных), а последующие – на порядковый номер стали в группе.

Дополнительные буквы и цифры, следующие за цифрами, используемые для обозначения нержавеющих сталей по AISI означают:
XXXL - низкое содержание углерода < 0.03%;
XXXS - нормальное содержание углерода < 0.08%;
XXXN - добавлен азот;
XXXLN - низкое содержание углерода < 0.03% + добавлен азот;
XXXF - повышенное содержание серы и фосфора;
XXXSe - добавлен селен;
XXXB - добавлен кремний;
XXXH - расширенный интервал содержания углерода;
XXXCu - добавлена медь.

Система маркировки сталей Европейских стран

Национальные стандарты стран Европы (например, Германия (DIN), Франция (NF) и др.) ориентированы на Европейскую систему стандартизации EN (Евронорма), но при этом могут иметь отличия в обозначении.

Европейская система обозначений стали регламентирована стандартом EN 10027. Первая часть этого стандарта определяет порядок наименования сталей, а вторая часть регламентирует присвоение сталям порядковых номеров. Порядковый номер стали представляется в виде 1.ХХХХ, где: 
- «1.» определяет, что данный материал относится к сталям;
- следующие две цифры после 1. «ХХхх» определяют номер группы сталей, а две последние 1.ххХХ – порядковый номер стали в группе. 
По номеру группы можно однозначно определить к какому типу относится та или иная сталь. 

Например, в марке стали по EN 1.4301 – цифра «1.» означает, что данный материал сталь;
«43» – сталь относится к классу коррозионностойких (от 40 до 45);
«01» - порядковый номер стали в группе коррозионостойких сталей (аналог стали AISI 304, ГОСТ 08Х18Н10, 12Х18Н9).

Механические и физические свойства нержавеющих сталей

Механическими свойствами материалов называют свойства, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. Механические свойства стали зависят от легирования, термической обработки и структурного состояния.

Например, аустенитные стали, после закалки, отличаются высокой пластичностью, умеренной прочностью и хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах. Благодаря технологичности (штампуются, хорошо свариваются, подвергаются холодной прокатке и т.д.) и устойчивости к хрупкому разрушению при низких температурах, хромоникелевые стали (особенно с низким содержанием углерода 08Х18Н10Т) широко применяются в криогенной технике для хранения сжиженных газов, изготовления оболочек топливных баков и ракет и т.д.

Аустенитно-мартенситные стали, напротив, характеризуются высокой прочностью, хорошей свариваемостью и устойчивостью к атмосферной коррозии. После закалки стали обладают высокой пластичностью и хорошо поддаются обработке, что делает их подходящими для изготовления обшивки, сопловых конструкций и силовых элементов узлов летательных аппаратов.

Аустенитно-ферритные стали после закалки приобретают особую микроструктуру. Она характеризуется равномерным распределением зерен двух фаз: аустенита и феррита, причем содержание ферритной фазы составляет значительную долю – от 40 до 60%. Такая структура обуславливает их привлекательные механические характеристики. Предел прочности (σв) обычно находится в диапазоне от 510 до 700 МПа, а предел текучести (σ0,2) – от 300 до 500 МПа. Относительное удлинение (δ) составляет 18-25%, а относительное сужение (Ψ) – 45-55%.

По сравнению с чисто аустенитными сталями, аустенитно-ферритные демонстрируют ряд важных преимуществ. Они обладают более сбалансированным сочетанием прочности и пластичности, в частности, более высоким пределом текучести. Кроме того, они менее подвержены межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. Важным фактором является и то, что в их составе содержится меньше никеля, который является дефицитным элементом.

Эти стали отличаются устойчивостью к росту зерна и демонстрируют хорошую стойкость в различных агрессивных средах, как окислительных, так и окислительно-восстановительных. Они хорошо свариваются и могут проявлять свойства сверхпластичности при определенных условиях деформации. Благодаря своим уникальным свойствам, аустенитно-ферритные стали находят широкое применение в различных отраслях промышленности, включая химическое и пищевое машиностроение, судостроение, авиацию и даже медицину.

Популярные и часто используемые аустенитные марки стали:   

• AISI 201 – ЕN 1.4372 – ГОСТ 12Х15Г9НД
• AISI 304 – ЕN 1.4301 – ГОСТ 08Х18Н10, 12Х18Н9
• AISI 304L – ЕN 1.4307 – ГОСТ 03Х18Н9
• AISI 316 – ЕN 1.4401 – ГОСТ 07Х17Н13M2
• AISI 316L – ЕN 1.4404 – ГОСТ 03Х17Н13M2
• AISI 316Ti – ЕN 1.4571 – ГОСТ 08Х17Н13M4
• AISI 321 – ЕN 1.4541 – ГОСТ 08Х18Н10T, 12Х18Н10T
• AISI 904L - ЕN 1.4539 – ГОСТ 06ХН28MДТ

Нержавеющие стали серии AISI 300

Стали группы 300 являются наиболее часто применяемыми сталями. Применяются в машиностроении, химической промышленности, пищевой промышленности, ракетостроении, судостроении, медицине и авиации. Легированные титаном и ниобием стали прекрасно справляются с межкристаллитной коррозией (МКК).

При введении в стали группы 300 сильных карбидообразователей – титана или ниобия (в количестве, равном пятикратному содержанию углерода), вступают во взаимодействие с углеродом и связывают его в прочные карбиды, а хром остается в твердом растворе, таким образом резко повышается стойкость стали МКК. Другим способом борьбы с МКК является производство нержавеющих сталей с минимальным (менее 0,04%) содержанием углерода. В таких сталях (например, AISI 304L, 316L) образование карбидов хрома резко ограничено из-за малого количества углерода.

Стали группы 300 могут иметь магнитные свойства, особенно после механической обработки и деформации, а также при медленном охлаждении после высокотемпературного нагрева или выдержке в области температур от 400 до 900°С.

Характеристика AISI 321

AISI 321 – сталь хромоникелевая с добавкой титана, аустенитная незакаливаемая, немагнитная, особенно рекомендуется для изготовления сварных конструкций и для использования при температурах между 400° С и 800° С, устойчива к коррозии и МКК. Возможно длительное использование при температуре 700-800° С. Данная сталь активно применяется в машиностроении и нефтехимии.

Химический состав

Обозначения химических элементов в таблице: 

C – Углерод Si – Кремний Mn – Марганец P – Фосфор S – Сера

Cr – Хром               Mo – Молибден               Ni – Никель               N – Азот               Ti – Титан

b - Для прутков, катанки, проволоки, сортового проката, изделий с улучшенной поверхностью и соответствующих полуфабрикатов применяется максимальное содержание серы (S) 0,030 %. Определенные диапазоны содержания серы (S) могут способствовать улучшению определенных свойств. Для обеспечения обрабатываемости рекомендуется и допускается контролируемое содержание серы от 0,015 % до 0,030 %. Для обеспечения свариваемости рекомендуется и допускается контролируемое содержание серы от 0,008 % до 0,030 %. Для обеспечения полируемости рекомендуется контролировать содержание серы максимум 0,015 %.

d - В тех случаях, когда по особым причинам, например, для обеспечения возможности горячей обработки при изготовлении бесшовных труб, необходимо свести к минимуму содержание дельтаферрита, или с целью снижения магнитной проницаемости, максимальное содержание Ni может быть увеличено на 1,00 % (м/м).

AISI 321 широко применяется в различных отраслях, включая авиацию, нефтехимию и энергетику, благодаря своей устойчивости к высоким температурам. В авиации AISI 321 используется в коллекторах сброса авиационных моторов. В энергетике материал востребован для изготовления корпусов котлов и кольцевых коллекторов. В нефтехимической промышленности AISI 321 используется в оборудовании, требующем устойчивости к агрессивным химическим средам и высоким температурам. Кроме того, AISI 321 находит применение в компенсационных соединениях и химическом оборудовании, где необходима надежность в условиях высоких температур.