304與321、316L不銹鋼區別及焊接特點(diǎn)

304不銹鋼性能

304H，304L和304不銹鋼是18％Cr、8％Ni奧氏體不銹鋼的幾種變形品種，是304不銹鋼家族中*常用與常見(jiàn)的不銹鋼產(chǎn)品。

以上這些不銹鋼品種具有下面一種或多種屬性，用途廣泛。屬性包括：耐腐蝕性、防止污染、抗氧化性、易加工性、較佳成形性、外觀(guān)精美、易清潔、強度高、重量低、低溫環(huán)境下良好的強度和韌性。其中幾乎都具有耐腐蝕性和較佳加工性。

304，304L，304H 的又被稱(chēng)為18Cr-8Ni不銹鋼，存在形式多樣，有板、卷、片、條。通常用于制造設備，應用領(lǐng)域包括但不限于：食物、醫療、衛生、冷凍、壓力容器等。

正是通過(guò)氬氧脫碳技術(shù)使不銹鋼以低成本實(shí)現低碳，為304成為了*常用的標準不銹鋼提供有利條件。

304L主要用于焊接，因為它們作業(yè)時(shí)經(jīng)常處于各種腐蝕環(huán)境中。

304H不銹鋼是304不銹鋼的改進(jìn)品，它的碳含量在0.04-0.10之間，對于要暴露在溫度800°F以上的零件，選用304H有助于改善高溫下不銹鋼強度。

奧氏體304不銹鋼，在合適的氧化和還原環(huán)境中，耐腐蝕性較好。它們常被用于加工、處理食物飲料、熱交換器、管道、油罐、奶制品設備和器具等。

這些不銹鋼中鉻含量占18-19％，有較強抗氧化性。下表是304不銹鋼在稀硝酸環(huán)境下的氧化率：不銹鋼在稀硝酸環(huán)境下的氧化率

304、304L、304H對中度有機酸（如醋酸）和還原酸（如磷酸）也有抵抗性。18-8不銹鋼鎳含量9-11％，能抵抗中度還原環(huán)境。但在更強還原性的還原環(huán)境（如沸騰的稀鹽酸和硫酸），腐蝕性太強。

有些時(shí)候低碳含量的304L不銹鋼比高碳含量的304不銹鋼的腐蝕率低。從甲酸，氨基磺酸，氫氧化鈉得到的數據證明了這一點(diǎn)。其他時(shí)候304、304L、304H在大多數腐蝕環(huán)境下的性能都是相同的。需要注意的是在足以引起焊接和熱影響區粒間腐蝕的環(huán)境中，更傾向使用304L不銹鋼，因其低碳含量有助于抵抗粒間腐蝕。

粒間腐蝕

18-8奧氏體不銹鋼處于800°F—1500°F (427°C至 816°C) 溫度下，也許會(huì )導致碳化鉻在晶界沉淀。其在苛刻環(huán)境下容易粒間腐蝕。304不銹鋼中的碳成分導致其在氣焊和熱影響區焊接過(guò)程中的熱狀態(tài)下，會(huì )產(chǎn)生敏化。

不銹鋼粒間腐蝕應力腐蝕龜裂

304、304L、304H不銹鋼是奧氏體不銹鋼中*容易發(fā)生應力腐蝕龜裂的，因為他們的鎳含量比較低。引起應力腐蝕龜裂的條件有：

（1）鹵化物離子的存在（通常是氯化物）

（2）殘余的張力

（3）溫度超過(guò)120°F (49°C)

在不銹鋼成形過(guò)程中的冷變形、拉幅成管板、焊接操作等都可以產(chǎn)生應力。退火、冷變形后的消除應力熱處理都可減少應力，從而降低鹵化物應力腐蝕龜裂可能性。在可能引起粒間腐蝕的環(huán)境中，低溫退火狀態(tài)下作業(yè)，*好選擇低碳的304L不銹鋼材料。

不銹鋼應力腐蝕測試18-8不銹鋼可很好應用在氯離子含量低的淡水中。在有縫隙的情況下，18-8不銹鋼抗腐蝕極限是100ppm 的氯化物。高含量的氯化物可能引起隙腐蝕和點(diǎn)腐蝕。在低PH值，或者高溫環(huán)境，應使用鉬含量較高的不銹鋼，如316。18-8不銹鋼也不能被用在海洋環(huán)境。

不銹鋼物理性能

密度：0.285 lb/in3 (7.90 g/cm3)

抗拉彈性模數：29 x 106 psi (200 GPa)線(xiàn)性熱膨脹系數：不銹鋼線(xiàn)性熱膨脹熱傳導：

不銹鋼熱傳導金屬的總傳導系數除了受金屬的熱傳導性影響之外，還由其他因素決定。18-8不銹鋼具有保持表面清潔的性能，和其他熱傳導系數高的金屬相比，18-8不銹鋼的熱傳導性能更好。

不銹鋼比熱磁導率：18-8不銹鋼在退火狀態(tài)下是無(wú)磁性的，磁導率在200H的情況下一般低于1.02。磁導率會(huì )因金屬的成分不用而有所不同。通過(guò)冷作，可以提高磁導率。

不銹鋼磁導率不銹鋼機械性能室溫下的機械性能

已退火的304和304L奧氏體不銹鋼板，ASTM標準A240、ASME標準SA-240，要求的*低機械性能如下表所示：

不銹鋼機械性能低溫和升溫情況下的性能

低溫和升溫情況下的短期抗拉性能如下表所示。溫度達到1000°F (538°C)或以上，要考慮應力龜裂，應力龜裂數據也在下表顯示。

不銹鋼低溫性能

已退火的奧氏體不銹鋼即使在低溫條件下，仍然能保持較高的沖擊阻力，再加上低溫硬度和加工性等性能，因此被用于處理液化天然氣和其他低溫環(huán)境下的作業(yè)。夏氏V形沖擊實(shí)驗的數據如下表所示：

不銹鋼沖擊阻力
金屬材料在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的*大應力稱(chēng)為疲勞強度或疲勞極限。奧氏體不銹鋼的疲勞強度一般來(lái)說(shuō)是抗拉強度的35％，在實(shí)際作業(yè)中，疲勞強度也會(huì )受其他因素影響，如：增加表面的平滑程度，可以增加疲勞強度，作業(yè)環(huán)境腐蝕性增加，則降低疲勞強度。

奧氏體不銹鋼被認為是*容易焊接的不銹鋼鋼，可以用所有的融合物焊接，也可以進(jìn)行電阻焊接。304、304L是典型的奧氏體不銹鋼。

生產(chǎn)奧氏體不銹鋼的焊接接點(diǎn)時(shí)要考慮兩個(gè)因素：1）保持其耐腐蝕性，2）避免開(kāi)裂。

材料被焊接過(guò)程中會(huì )形成溫度階梯，從熔池的熔化溫度到離焊接點(diǎn)稍遠的周?chē)鷾囟取１缓附硬牧系奶己吭礁撸附訜嵫h(huán)就更容易導致碳化鉻沉淀，對材料的耐腐蝕性有影響。為了保持材料的耐腐蝕性處于*好的水平，因此在已焊接狀態(tài)下作業(yè)，應該選擇低碳材料（304L）。另一種做法是，采用完全退火溶解碳化鉻，使標準碳含量的材料恢復高水平的耐腐蝕性。

焊接完全奧氏體結構的金屬，在焊接操作中更容易形成裂紋。因此，304和304L不銹鋼中添加了少量的鐵素體，降低材料的裂紋敏感性，達到重新固化的作用。

把18-8奧氏體不銹鋼焊接到碳鋼時(shí)，通常用309不銹鋼（23％鉻－13.5％鎳）或鎳基焊料。

不銹鋼熱處理

奧氏體不銹鋼通過(guò)熱處理可以**冷成形產(chǎn)生的副作用和溶解沉淀的碳化鉻。達到這兩個(gè)要求的*好熱處理方法是在1850°F 至 2050°F (1010°C 至 1121°C)的溫度范圍內進(jìn)行固熔退火。從退火溫度冷卻下來(lái)1500-800°F (816°C - 427°C)，應該足以避免碳化鉻再沉淀。

這些材料不能通過(guò)熱處理達到硬化。

不銹鋼清潔

不管腐蝕性怎么樣，不銹鋼在加工和使用過(guò)程中，都要保持其表面清潔。

在焊接時(shí)采用惰性氣體加工，焊接過(guò)程中形成的銹皮和熔渣通過(guò)不銹鋼刷**。普通碳鋼刷會(huì )在不銹鋼的表面留下碳鋼粒子，這些粒子*終會(huì )導致表面生銹。在要求嚴格的情況下，焊接區域要經(jīng)過(guò)除銹溶液處理（如硝酸和氫氟酸混合溶液），可以洗掉焊接過(guò)程中形成的銹皮和熔渣。

輕工業(yè)用的材料，所需要的維護比較少，只有遮蔽區域有時(shí)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*終有可能引起腐蝕和損壞不銹鋼的表面外觀(guān)。

頑固的污漬和沉淀物可以用擦洗劑和纖維刷，海綿，不銹鋼絨擦洗。不銹鋼絨會(huì )在平滑的不銹鋼表面留下長(cháng)久的擦痕。

很多不銹鋼都要定期清洗和**。設備通常用特制的苛性鈉，有機溶劑，酸性溶液（入磷酸或硫酸）清洗。強還原酸（如氫氟酸或鹽酸）可能對不銹鋼造成損壞。

溶液清洗后，用清水徹底沖洗不銹鋼。

適當的設計有助于清洗。帶圓抹角，內圓角，無(wú)縫隙的設備，有利于清洗和表面拋光。

合金321（UNS S32100）是一種性能穩定的不銹鋼板，其主要優(yōu)點(diǎn)是在暴露于碳化硅沉淀溫度從800至1500°F（427至816°C）的溫度下具有出色的抗晶間腐蝕性。通過(guò)添加鈦，合金321不銹鋼板被穩定以防止碳化鉻形成。

合金321不銹鋼板由于其良好的機械性能而對于高溫服務(wù)也是有利的。合金321不銹鋼板比合金304，特別是合金304L具有更高的蠕變和應力斷裂性能，對于敏感性和晶間腐蝕問(wèn)題，也可以考慮使用。

合金321（UNS S32100）是鈦穩定奧氏體不銹鋼板，具有良好的一般耐腐蝕性。在800 - 1500°F（427 - 816°C）的碳化鉻析出溫度范圍內，它具有優(yōu)異的抗晶間腐蝕性。該合金抗氧化至1500°F（816℃），并具有比合金304和304L更高的蠕變和應力斷裂性能。它還具有良好的低溫韌性。

合金321H（UNS S 32109）不銹鋼板是較高碳（0.04 - 0.10）版本的合金。它被開(kāi)發(fā)用于提高抗蠕變性，并且在高于1000°F（537°C）的溫度下具有更高的強度。在大多數情況下，板的碳含量可以實(shí)現雙重認證。

合金321不銹鋼板經(jīng)熱處理不能硬化，只能冷加工。它可以很容易地焊接和加工標準的車(chē)間制造實(shí)踐。

合金321不銹鋼板具有與304相當的良好的一般耐腐蝕性。它開(kāi)發(fā)用于碳化硅在1800 - 1500°F（427 - 816°C）的沉淀范圍內，其中不穩定的合金如304到粒間進(jìn)攻。

該合金可以在中等溫度下用于大多數稀釋的有機酸，在較低溫度下用于純磷酸，在高溫下用于高達10％稀釋的溶液。碳氫化合物服務(wù)中的合金321抗多硫酸應力腐蝕開(kāi)裂。它也可以在溫度適中的氯化物或無(wú)氟堿溶液中使用。

合金321不銹鋼板在氯化物溶液中表現不佳，即使濃度很小，也不能在硫酸中使用。合金321不銹鋼板可以通過(guò)標準的車(chē)間制造實(shí)踐方便地進(jìn)行焊接和加工。

321不銹鋼板的冷加工硬化率比410不銹鋼板的加工硬度要低，但與304相似。下表提供了相關(guān)的加工數據。

不銹鋼加工性能

焊接

在高合金鋼中，奧氏體不銹鋼被認為可焊性*好，并可采取各種熔焊和電阻焊。對奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊合時(shí)，要考慮兩個(gè)重要問(wèn)題：耐腐蝕保護和避免開(kāi)裂。要求保持元素的穩定性。采取惰性氣體要求有一定得清潔度，并避免從油中吸收C或空氣中吸取N。321鋼種比347鋼種更易失去Ti，而348鋼種可能失去Nb。

焊接全奧氏體結構的金屬時(shí)，在焊接過(guò)程中更易開(kāi)裂。因此，347、348和321不銹鋼種要同少量鐵素體一起固化，將裂紋敏感性降到*低程度。Nb穩定不銹鋼比Ti穩定不銹鋼更易產(chǎn)生熱裂。

退火

321和347鋼種的退火溫度范圍是1800—2000°F（928-1093°C）。退火的主要目的是軟化和得到高延性，這些鋼也可能在碳化物析出的溫度范圍800—1500°F（427—816°C）進(jìn)行消除應力退火，而不會(huì )晶間腐蝕的危險。僅在800—1500°F（427—816°C）溫度范圍內進(jìn)行幾小時(shí)的消除應變退火不會(huì )明顯地降低一般的耐蝕性。當然在此溫度范圍內長(cháng)時(shí)間的加熱確實(shí)會(huì )在一定程度上降低一般的耐蝕性。不過(guò)，正如強調的那樣，在800—1500°F（427—816°C）溫度范圍退火不會(huì )產(chǎn)生晶間侵蝕的敏感性。

如要得到*大的延性，建議在1800—2000°F（928—1093°C）的較高溫度范圍內退火。

在用Cr-Ni不銹鋼加工設備時(shí)，要采用穩定的鋼種，*大限度地防止碳化物析出。必須識別Nb和Ti穩定能力的不同，Nb是比Ti更容易生成碳化物的元素。因此使用321鋼種的穩定性及保護作用可能不太明顯。

如果要求321鋼種具有*大的耐蝕性，必須采用稱(chēng)作穩定退火的防腐蝕改善措施。將材料加熱到1550-1650DF（843-899DC），根據厚度不同，時(shí)間可長(cháng)達5小時(shí)。這個(gè)范圍在碳化鉻形成溫度之上，高得足以分解和固溶以前形成的所有碳化物。此外，這個(gè)溫度會(huì )使Ti和C結合，形成無(wú)害的碳化物。其結果是Cr會(huì )還原成固溶體而C不得不與Ti結合成無(wú)害碳化物。

如果在氧化性氣氛中進(jìn)行熱處理，退火后要在硝酸和氫氟酸混合除銹液中除去氧化物，而這些酸必須從材料表面徹底沖洗掉。

清洗

盡管不銹鋼具有耐蝕性，也應小心加工和使用，即使在正常使用條件下也要維護其表面狀況。

焊接時(shí)采用惰性氣體保護工藝，焊接所產(chǎn)生的氧化皮和熔渣用不銹鋼絲刷**。普通的碳鋼刷會(huì )在表面留下碳鋼顆粒，*終使表面生銹。對于更為嚴格的應用要求，焊接區要用如硝酸和氫氟酸混合液那樣的除銹液處理，除去氧化膜色，并且必須隨即用水沖洗。

當材料在內陸、輕工業(yè)或較為溫和的條件下使用，極少需要維護。只有遮蔽區偶爾要用加壓水流沖洗。在海洋或重工業(yè)區，可經(jīng)常用水除去有損于不銹鋼表觀(guān)的鹽分和污垢沉積。

頑固的斑點(diǎn)和沉積物像焚燒后的食品，可用無(wú)磨損的清潔劑和纖維刷、海綿或不銹鋼棉洗滌。但不銹鋼棉會(huì )在光滑的不銹鋼表面留下長(cháng)久的痕跡。

不銹鋼在許多使用場(chǎng)合需要定期清洗和**。設備要用特制的氫氧化鈉、有機溶劑或酸溶液如磷酸或氨基磺酸清洗（強還原性酸，如氫氟酸或氫氯酸可能對這些不銹鋼有害）。必須排出清洗液并用淡水徹底漂清不銹鋼表面，如果殘留的溶液長(cháng)期與不銹鋼表面接觸，會(huì )使其變壞。

提高設計性能有助于不銹鋼的可清潔性，帶圓角、倒角和裂縫很少的設備更易于做如焊縫打磨和表面拋光那樣的清潔工作。

316L不銹鋼焊接性能

316L不銹鋼屬于超低碳純奧氏體不銹鋼，可焊接性能比較優(yōu)良，晶間腐蝕形成可能性低，不過(guò)因為其導熱系數小，線(xiàn)膨脹系數大，所以該鋼種焊接接頭在冷卻過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生較大的拉應力，焊接熱輸入較大，冷卻速度較慢時(shí)又容易形成熱裂紋、腐蝕開(kāi)裂和變形。

316L不銹鋼能以所有標準的焊接方法來(lái)焊接，在焊接時(shí)依據用途不同，可分別采用316Cb、316L或309Cb不銹鋼填料棒或焊條來(lái)焊接；在常用的焊接方法中，MIG和TIG焊的熱輸入較小，且氬氣流除了保護高溫金屬外，也擁有一定程度的冷卻作用，增加焊縫的抗裂能力，從而降低焊接變形。

采用316L不銹鋼，一般無(wú)需做焊后退火處理，奧氏體不銹鋼焊后一般不作消除應力退火熱處理。其中的原因是奧氏體不銹鋼塑性、韌性非常不錯，不用通過(guò)焊后消除應力退火熱處理恢復其性能；其次450~850℃溫度區間是奧氏體不銹鋼的敏化溫度，奧氏體不銹鋼長(cháng)時(shí)間在此區間加熱，會(huì )使其耐腐蝕性能下降。如果焊縫中有鐵素體成分，還可能會(huì )產(chǎn)生475℃脆性。而焊后消除應力退火熱處理剛好處于該溫度區內（固溶處理和穩定化處理除外）。

不過(guò)有時(shí)情況特殊時(shí)，也要對316L不銹鋼進(jìn)行焊后消除應力退火熱處理，一種是為了穩定設備零部件的幾何形狀，需要消除焊接殘余應力；另一種是設備工作在有產(chǎn)生應力腐蝕傾向的環(huán)境，同樣需消除拉伸殘余應力。

316L不銹鋼

304焊接性能

奧氏體型不銹鋼以18%Cr-8%Ni不銹鋼為代表，即是人們常說(shuō)的304不銹鋼，焊接加工時(shí)原則上無(wú)需進(jìn)行焊前預熱和焊后熱處理。通常都具有良好的焊接性能。但其中鎳、鉬的含量高，所以在進(jìn)行焊接時(shí)容易產(chǎn)生高溫裂紋。另外還會(huì )產(chǎn)生互相脆化（Fe‐Cr金屬間化合物），在鐵素體生成元素的作用下生成的鐵素體引起低溫脆化，以及耐蝕性下降和應力腐蝕裂紋等缺陷。

在焊接后，304不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能都是不錯的，但當在熱影響區中的晶界上有鉻的碳化物時(shí)會(huì )非常容易形成貧鉻層，而貧鉻層會(huì )導致產(chǎn)品使用過(guò)程中容易產(chǎn)生晶間腐蝕。為避免問(wèn)題的發(fā)生，*好采用低碳（C≤0.03%）的牌號或添加鈦、鈮的牌號。為防止焊接金屬的高溫裂紋，通常認為控制奧氏體中的δ鐵素體肯定是有效的。一般*好在室溫下含5%以上的鐵素體成分。主要用途是耐腐蝕的不銹鋼，應選用低碳和穩定的鋼種，還要進(jìn)行適當的焊后熱處理；而以結構強度為主要用途的鋼，不應進(jìn)行焊后熱處理，以防止變形和由于析出碳化物和發(fā)生互相脆化。

316L與304不銹鋼的耐腐蝕性比較

316L耐腐蝕性能

316L不銹鋼作為含鉬不銹鋼種，其耐腐蝕性能要比304不銹鋼更好，制造成漿和造紙的生產(chǎn)設備擁有優(yōu)良的耐腐蝕的性能。并且316不銹鋼還耐海洋和侵蝕性工業(yè)大氣的侵蝕。耐熱性很高，在1600度以下的間斷使用和在1700度以下的連續使用中，316L不銹鋼具有好的耐氧化性能。 在800-1575度的范圍內，*好不要連續作業(yè)316L不銹鋼制品，但在該溫度范圍以外持續使用316不銹鋼時(shí)，其都有著(zhù)良好的耐熱性。

316L不銹鋼的耐碳化物析出的性能比316不銹鋼更好，可用上述溫度范圍。 316L作為316鋼種的低C系列，除與316鋼有相同的特性外，其抗晶界腐蝕性?xún)?yōu)。是316鋼的用途中，對抗晶界腐蝕性有特別要求的產(chǎn)品。

304耐腐性能

304不銹鋼是能在空氣中或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，304不銹鋼的不銹耐腐蝕性能和抗晶間腐蝕性能都很優(yōu)良。對氧化性酸，實(shí)驗結果是：對濃度≤65%的沸騰溫度以下的硝酸中，304不銹鋼具有很強的抗腐蝕性。對堿溶液及大部分有機酸和無(wú)機酸也具有良好的耐腐蝕能力。

304不銹鋼生銹的原因主要幾點(diǎn)，一是在使用環(huán)境中存在氯離子；二是不銹鋼沒(méi)有經(jīng)過(guò)固溶處理。，合金元素沒(méi)有溶入基體，致使基本組織合金含量低，抗蝕性能差；其三是這種不含鈦和鈮的材料有天生的晶間腐蝕的傾向。 加入鈦和鈮，再配以穩定處理，可以減少晶間腐蝕。

另外316L與304不銹鋼在化學(xué)成分上的*主要區別就是316L不銹鋼含鉬。在奧氏體不銹鋼中加入合金元素鉬，可以增強不銹鋼的熱強性和蠕變強度．提高其抗點(diǎn)蝕及晶間腐蝕的能力。

鉬在還原性及強氧化性鹽溶液中都能使不銹鋼表面鈍化，能提高抗腐蝕性能防止鋼在氯化物溶液中的點(diǎn)蝕。加入Mo可以提高抗還原性酸及抗點(diǎn)蝕的能力，降低碳的含量可以提高抗晶間腐蝕的能力及改善焊接性能。

加入鉬元素可以更好的預防點(diǎn)蝕，304屬于低碳不銹鋼而316L屬于超低碳不銹鋼．而較低的碳含量能夠減小晶間腐蝕的發(fā)生，但不管304 還是316L對Cl粒子都比較敏感，304的抗cl-的能力比306L弱，所以在CL-含量比較高的環(huán)境中，通常是采用316L。