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300系列耐熱不銹鋼板材

日期：2024-12-27 03:23

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摘要： 300系列耐熱不銹鋼板材 310/310S 合金( UNS S31000/S31008 ) 合金奧氏體不銹鋼主要用于高溫環(huán)境。其較高的鉻含量及鎳含量保證了良好的抗腐蝕能力及抗氧化能力。與奧氏體304 合金相比，它在室溫下強(qiáng)度要高一點(diǎn)。一般屬性 309/309S和310/310S奧氏體不銹鋼經(jīng)常被應(yīng)用于高溫環(huán)境下的作業(yè)。其較高的鉻含量和鎳含量確保了良好的耐腐蝕性和抗氧化性，與奧氏體304 合金相比，它在室溫下強(qiáng)度要高一點(diǎn)。應(yīng)用高合金不銹鋼通常表現(xiàn)出良好高溫強(qiáng)度，抗蠕變性和抗環(huán)境腐蝕性。因此，它們被廣泛應(yīng)用于熱處理行業(yè)的熔爐零...

300系列耐熱不銹鋼板材

310/310S 合金( UNS S31000/S31008 ) 合金奧氏體不銹鋼主要用于高溫環(huán)境。其較高的鉻含量及鎳含量保證了良好的抗腐蝕能力及抗氧化能力。與奧氏體304 合金相比，它在室溫下強(qiáng)度要高一點(diǎn)。

一般屬性
309/309S和310/310S奧氏體不銹鋼經(jīng)常被應(yīng)用于高溫環(huán)境下的作業(yè)。其較高的鉻含量和鎳含量確保了良好的耐腐蝕性和抗氧化性，與奧氏體304 合金相比，它在室溫下強(qiáng)度要高一點(diǎn)。

應(yīng)用
高合金不銹鋼通常表現(xiàn)出良好高溫強(qiáng)度，抗蠕變性和抗環(huán)境腐蝕性。因此，它們被廣泛應(yīng)用于熱處理行業(yè)的熔爐零部件，如：傳送帶，滾筒，爐頭，耐火墊板，吊管架等。這些等級(jí)也應(yīng)用到化學(xué)加工行業(yè)，用于承載熱濃酸，氨水和二硫化物。在食物加工行業(yè)，這些等級(jí)用于與熱乙酸和檸檬酸接觸。

化學(xué)成分
除特別說(shuō)明外，以下的化學(xué)成分是根據(jù)ASTM A167和ASTM A240標(biāo)準(zhǔn)。

	309合金	309S合金
	(UNS S30900)	(UNS S30908)
C	0.20	0.08
Mn	2.00	2.00
P	0.045	0.045
S	0.030	0.030
Si	0.75	0.75
Cr	22.00 小值/24.00 大值	22.00 小值/24.00 大值
Ni	12.00 小值/15.00 大值	12.00 小值/15.00 大值
Fe	剩余部分	剩余部分

	310合金	310S合金
	(UNS S31000)	(UNS S31008)
C	0.25	0.08
Mn	2.00	2.00
P	0.045	0.045
S	0.030	0.030
Si	1.75	1.50
Cr	24.00 小值/26.00 大值	24.00 小值/26.00 大值
Ni	19.00 小值/22.00 大值	19.00 小值/22.00 大值
Fe	剩余部分	剩余部分

表中的數(shù)值表示重量***，除特別說(shuō)明范圍外，表中都是*大值

物理性能

	309合金
密度	lb_m/in³	g/cm³
68°F (20°C)	0.29	8.03
熱膨脹系數(shù)	(min/in)?°F	(mm/m)?°K
68 - 212°F (20 - 100°C)	8.7	15.6
68 - 932°F (20 - 500°C)	9.8	17.6
68 - 1832°F (20 - 1000°C)	10.8	19.4
電阻率	mW?in	mW?cm
68°F (20°C)	30.7	78.0
1200°F (648°C)	45.1	114.8
導(dǎo)熱性	Btu/hr?ft?°F	W/m?K
68 - 212°F (20 - 100°C)	9.0	15.6
68 - 932°F (20 - 500°C)	10.8	18.7
比熱	Btu/lb_m?°F	J/kg?K
32 - 212°F (0 - 100°C)	0.12	502
導(dǎo)磁率(退火)1
200H	1.02
彈性系數(shù)(退火)2	psi	GPa
受拉(E)	29 x 10⁶	200
扭曲 (G)	11.2 x 10⁶	77

	310合金
密度	lb_m/in³	g/cm³
68°F (20°C)	0.29	8.03
熱膨脹系數(shù)	(min/in)?°F	(mm/m)?°K
68 - 212°F (20 - 100°C)	8.8	15.9
68 - 932°F (20 - 500°C)	9.5	17.1
68 - 1832°F (20 - 1000°C)	10.5	18.9
電阻率	mW?in	mW?cm
68°F (20°C)	30.7	78.0
1200°F (648°C)	--	--
導(dǎo)熱性	Btu/hr?ft?°F	W/m?K
68 - 212°F (20 - 100°C)	8.0	13.8
68 - 932°F (20 - 500°C)	10.8	18.7
比熱	Btu/lb_m?°F	J/kg?K
32 - 212°F (0 - 100°C)	0.12	502
導(dǎo)磁率(退火)1
200H	1.02
彈性系數(shù)(退火)2	psi	GPa
受拉 (E)	29 x 10⁶	200
扭曲 (G)	11.2 x 10⁶	77

短期機(jī)械性能
所有的抗拉試驗(yàn)都是根據(jù)ASTM E8來(lái)完成的。表中的數(shù)據(jù)是若干個(gè)測(cè)試樣品（*少2個(gè)樣品，*多10個(gè)樣品）得出來(lái)測(cè)試結(jié)果的平均值。屈服強(qiáng)度是通過(guò)0.2%抵消方法得到的。塑性延伸通過(guò)一個(gè)2英寸的樣品來(lái)測(cè)量。

309合金

測(cè)試溫度		抗屈強(qiáng)度
(°F)	(°C)	ksi	MPa
77	25	42.0	290
400	204	35.0	241
800	427	30.0	207
1000	538	24.0	166
1200	649	22.0	152
1400	760	20.0	138
1600	871	18.5	128
1800	982	--	--

測(cè)試溫度		抗拉強(qiáng)度		延伸率
(°F)	(°C)	ksi	MPa	%
77	25	90.0	621	49
400	204	80.0	552	46
800	427	72.0	497	40
1000	538	66.0	455	36
1200	649	55.0	379	35
1400	760	36.0	248	40
1600	871	21.0	145	50
1800	982	10.1	69	65

309S合金

測(cè)試溫度		抗屈強(qiáng)度
(°F)	(°C)	ksi	MPa
77	25	50.9	351
200	93	44.7	308
400	204	37.4	258
600	316	33.4	230
800	427	29.6	204
900	482	30.4	210
1000	538	26.7	184
1100	593	26.5	182
1200	649	24.7	170
1300	704	23.7	163
1400	760	22.2	153
1500	816	20.1	138
1600	871	16.6	114
1700	927	13.1	90
1800	982	8.2	56
1900	1038	4.6	32

測(cè)試溫度		抗拉強(qiáng)度		延伸率
(°F)	(°C)	ksi	MPa	%
77	25	97.1	670	44.6
200	93	88.8	612	29.0
400	204	81.7	563	34.5
600	316	80.2	553	31.6
800	427	77.1	531	32.1
900	482	74.7	515	32.0
1000	538	71.2	491	26.6
1100	593	65.6	452	25.5
1200	649	55.9	386	28.8
1300	704	55.7	384	--
1400	760	36.0	248	22.5
1500	816	24.7	170	64.8
1600	871	20.7	142	73.3
1700	927	15.4	106	78.7
1800	982	10.8	74	--
1900	1038	6.6	46	--

310合金

測(cè)試溫度		抗屈強(qiáng)度
(°F)	(°C)	ksi	MPa
77	25	42.4	292
400	204	31.5	217
800	427	27.2	188
1000	538	24.2	167
1200	649	22.6	156
1500	816	19.7	136
1800	982	--	--
2000	1093	--	--

測(cè)試溫度		抗拉強(qiáng)度		延伸率
(°F)	(°C)	ksi	MPa	%
77	25	89.5	617	45
400	204	76.6	528	37.5
800	427	74.8	516	37
1000	538	70.1	483	36
1200	649	57.2	394	41.5
1500	816	30.3	209	66
1800	982	11.0	76	65
2000	1093	7.0	48	77

310S合金

測(cè)試溫度		抗屈強(qiáng)度
(°F)	(°C)	ksi	MPa
77	25	45.6	314
200	93	41.4	286
400	204	36.9	254
600	316	34.6	239
800	427	30.3	209
1000	538	29.4	203
1200	649	25.8	178
1400	760	21.4	147
1600	871	16.1	111
1800	982	8.2	56
2000	1093	4.0	27

測(cè)試溫度		抗拉強(qiáng)度		延伸率
(°F)	(°C)	ksi	MPa	%
77	25	90.5	624	42.6
200	93	83.4	575	41.3
400	204	77.3	533	35.8
600	316	75.2	519	35.0
800	427	73.6	508	33.5
1000	538	70.2	484	37.0
1200	649	57.0	393	32.0
1400	760	37.7	260	54.0
1600	871	22.5	155	56.5
1800	982	11.8	81	93.3
2000	1093	6.5	44	121.0

抗水溶液腐蝕
309/309S和310/310S主要用于高溫環(huán)境下，可以有效利用它們的抗氧化性。但是，這些合金因?yàn)楹t量和含鎳量高，對(duì)水溶液也具有一定的耐腐蝕性。

含鎳量高使這些合金對(duì)氯化物應(yīng)力龜裂腐蝕的抵抗力比18-8不銹鋼稍好，盡管如此，但是309/309S和310/310S奧氏體不銹鋼仍然容易受這種腐蝕的影響。

需要提高耐水溶液腐蝕的應(yīng)用中，往往會(huì)用到310/310S，如：濃硝酸溶液中的作業(yè)，這種溶液中可能發(fā)生晶界擇優(yōu)腐蝕。

高溫抗氧化性
在多數(shù)情況下，金屬合金都會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)。*常見的化學(xué)反應(yīng)就是氧化：金屬元素與氧氣結(jié)合，生成氧化物。不銹鋼通過(guò)鉻元素的局部氧化使其具有抗氧化性，在鉻元素局部氧化的過(guò)程中，可以形成一種非常穩(wěn)定的氧化物（Cr2O3 氧化鉻）。只要金屬的鉻含量充足，在金屬表面即可形成一層連續(xù)的氧化鉻綠，防止其他氧化物生成，并對(duì)金屬起到保護(hù)作用。氧化率是由帶點(diǎn)粒子的傳輸來(lái)控制的。當(dāng)表面的銹皮越厚，氧化率就會(huì)大幅度下降，因?yàn)閹c(diǎn)粒子傳輸?shù)穆窂皆竭h(yuǎn)。這個(gè)過(guò)程叫鈍化，也就是鈍化膜形成的過(guò)程。

奧氏體不銹鋼的抗氧化性可以通過(guò)鉻含量來(lái)推算。耐高溫的合金含鉻量至少20%（重量***）。用鎳成分代替鐵成分也通?？梢蕴峁┖辖鹪诟邷叵碌男阅?。309/309S，310/310S是高合金材料，因此，具有相當(dāng)好的抗氧化性。

已氧化的金屬樣品，其重量會(huì)有所增加，因?yàn)橐欢康难鯕饨M合到產(chǎn)品的氧化膜。測(cè)量金屬抗氧化性的其中一種方法是：讓金屬在特定時(shí)間內(nèi)暴露在高溫環(huán)境下，然后測(cè)量其重量的變化。重量增加越多，表面氧化越嚴(yán)重。

氧化過(guò)程比簡(jiǎn)單的銹皮增厚要復(fù)雜得多。散裂，或者說(shuō)表面皮分離，是不銹鋼氧化過(guò)程中*常見的問(wèn)題。散裂通常表現(xiàn)為急速的重量損失。其他一些因素也會(huì)引起散裂，其中主要包括熱循環(huán)，機(jī)械損傷和氧化物過(guò)厚。

在氧化過(guò)程中，鉻以氧化鉻的形式存在于銹皮中。當(dāng)氧化皮剝落時(shí)，未氧化的金屬暴露出來(lái)，因?yàn)樾碌难趸t的形成，材料的氧化率暫時(shí)升高。銹皮散裂到達(dá)一定程度，鉻含量的損失可能引起金屬的耐熱性降低，從而導(dǎo)致鐵氧化物和鎳氧化物快速增加，這種情況稱為破裂氧化。

高溫氧化可能導(dǎo)致銹皮揮發(fā)。在耐熱不銹鋼表面形成的氧化鉻，*開始是Cr2O3 ，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，會(huì)進(jìn)一步氧化成具有高蒸汽壓力的CrO3 。氧化物此時(shí)分成兩部分：通過(guò)形成Cr2O3 使銹皮增厚，通過(guò)CrO3 的蒸發(fā)使銹皮變薄。*終的趨勢(shì)是在增厚和變薄之間達(dá)到*終的平衡，從而使銹皮處于恒定的厚度。銹皮揮發(fā)在溫度達(dá)到2000°F (1093°C)以上時(shí)，成為一個(gè)突出問(wèn)題，在流動(dòng)氣體的作用下，會(huì)進(jìn)一步惡化。

其他形式的退化
除了氧氣以外，粒子在高溫環(huán)境下也可以引起不銹鋼的加速退化。硫的存在可以引起硫化腐蝕。不銹鋼的硫化腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而且很大程度上受硫和氧氣含量以及硫的存在形式影響（比如：氣態(tài)，氧化硫，氫化硫）。鉻可以形成穩(wěn)定的氧化物和硫化物。在氧氣和含硫化合物共同存在的情況下，通常在外部形成氧化鉻層作為一個(gè)保護(hù)層阻止硫進(jìn)入。然而，硫化腐蝕仍然可以在銹皮損壞和分離的地方發(fā)生，在某些特定情況下，硫可以穿過(guò)氧化鉻，在金屬內(nèi)部形成硫化鉻。在含鎳量高（25%或者更高）的合金中，硫化作用增強(qiáng)。鎳和硫化鎳形成低熔點(diǎn)的共晶相，在高溫條件下，可能對(duì)材料造成嚴(yán)重的損壞。

環(huán)境中如果存在含碳量高的粒子，會(huì)導(dǎo)致碳元素進(jìn)入金屬，隨后形成內(nèi)部碳化物。滲碳作用一般在溫度1470°F (800°C)以上發(fā)生。內(nèi)部滲碳金屬會(huì)引起機(jī)械性能和物理性能的改變。通常來(lái)說(shuō)，氧氣可以通過(guò)在金屬表面形成保護(hù)膜來(lái)阻止碳進(jìn)入。較高的鎳含量和硅含量都可以一定程度上減少滲碳作用。金屬粉塵是滲碳作用的一種特殊形式，通常在較低溫度范圍發(fā)生(660-1650°F or 350-900°C)。金屬粉塵可以通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)把固體金屬轉(zhuǎn)換成石墨和金屬微粒的混合物，進(jìn)而形成較深的小坑，*終導(dǎo)致局部腐蝕。

在氮?dú)獯嬖诘那闆r下，可能發(fā)生滲氮作用。氧化物通常比氮化物穩(wěn)定，因此在含氧的大氣環(huán)境中，通常形成氧化皮。這層保護(hù)膜可以很好地阻擋氮進(jìn)入，因此在大氣環(huán)境和氣態(tài)的燃燒產(chǎn)物環(huán)境下，幾乎不用考慮滲氮作用的影響。在純氮環(huán)境下，尤其是在干燥，裂化氨氣環(huán)境下，氧含量非常低，就可能發(fā)生滲氮作用。在相對(duì)低溫的情況下，在金屬表面可以形成氮化膜。在1832°F或1000°C)以上高溫情況下，氮的擴(kuò)散性可以迅速滲透金屬，在晶界生成內(nèi)部氮化物，影響金屬的機(jī)械性能。

金相的不穩(wěn)定性，高溫暴露時(shí)形成新的金相，都可以反過(guò)來(lái)影響機(jī)械性能和降低耐腐蝕性。當(dāng)奧氏體不銹鋼在溫度范圍800-1650°F (427-899°C)緩慢冷卻時(shí)，碳化物粒子常常在晶界沉淀（敏化作用）。鉻和鎳的含量越高，碳的可溶性就越低，也就是說(shuō)更容易受敏化作用影響。在這個(gè)溫度范圍，推薦用強(qiáng)制淬火冷卻，尤其是對(duì)于較厚的材料。隨著碳含量的降低，形成碳化鉻的時(shí)間和溫度就增加。因此，這些合金的低碳等級(jí)對(duì)敏化具有較好的抵抗力，但是并不是可以完全避免敏化作用的影響。當(dāng)加熱溫度長(zhǎng)期達(dá)到1200-1850°F (649-1010°C)，309/309S，310/310S在室溫下的延展性會(huì)降低，這是因?yàn)槲鞲瘳斚嗪吞蓟锏挠绊?。西格瑪相通常在晶界形成并影響金屬的延展性。這種副作用可以通過(guò)在指定溫度重退火來(lái)消除。

高溫退化很多程度受大氣和其他作業(yè)環(huán)境影響。一般的氧化數(shù)據(jù)通常只能用于對(duì)不同合金相對(duì)抗氧化性的估計(jì)。如果有需要，森邁爾鋼鐵公司，可以為您提供具體應(yīng)用的抗氧化性數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

加工特性
309/309S，310/310S不銹鋼因其耐高溫和抗氧化性能，被廣泛應(yīng)用于熱處理/加工行業(yè)。也因?yàn)檫@樣，這些合金常被加工成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。碳鋼的加工性通常被認(rèn)為是金屬成型操作中的標(biāo)準(zhǔn)。奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出來(lái)的性能和碳鋼大不相同：奧氏體不銹鋼更難加工，變硬的速度非常快。盡管這并不會(huì)改變我們一般用的加工方法，如：切割，機(jī)械加工，成型等，但是這些特性卻影響這些加工方法的具體細(xì)節(jié)。

切割和機(jī)械加工普通軟鋼的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，稍作調(diào)整后也可用于加工奧氏體不銹鋼。但是奧氏體不銹鋼更難加工，變硬的速度非?？?。加工過(guò)程中產(chǎn)生的碎片細(xì)且硬，并保留著相當(dāng)好的延展性。加工用的道具應(yīng)保持鋒利和堅(jiān)硬。對(duì)于硬化區(qū)域，一般采用深度和慢速切割。由于奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱性低和熱膨脹系數(shù)高，在切割和機(jī)械加工的過(guò)程中，必須考慮排熱和尺寸公差。

奧氏體不銹鋼可通過(guò)彎曲，拉伸成形，滾扎成形，錘打成形，擴(kuò)口加工/凸緣加工，旋轉(zhuǎn)，精抽，液壓成形等方法達(dá)到冷作成形。在加工過(guò)程中，奧氏體不銹鋼容易硬化，表現(xiàn)為加工過(guò)程中要不斷增大加工的力量。這就意味著需要用更強(qiáng)大的成形設(shè)備并且*終限制了成型度。

因?yàn)楦鞣N環(huán)境和金相的因數(shù)，用于309和310熱作的溫度范圍相對(duì)較窄。鍛造的初始溫度范圍是1800-2145°F (980-1120°C)，結(jié)束溫度不能低于1800°F (980°C)。在過(guò)高的溫度下加工，因?yàn)榄h(huán)境和金相的因素，尤其是鐵素體的生成，會(huì)導(dǎo)致合金的熱塑性下降。在過(guò)低的溫度下加工，形成脆片**相，如：西格瑪相。鍛造后，鍛件需迅速冷卻到暗熱。

焊接
奧氏體等級(jí)被認(rèn)為是不銹鋼中*容易焊接的等級(jí)。它們可以通過(guò)所有常見的方法進(jìn)行焊接。309/309S，310/310S也是如此。如果需要填充焊料，一般要選成分匹配的。因?yàn)檫@個(gè)等級(jí)的合金含量提高，可以降低熔池的流動(dòng)性。如果熔池的流動(dòng)性仍然需要降低，可以采用含硅的焊料(如 ER309Si, ER309LSi)。

309/309S，310/310S的熱膨脹系數(shù)較高，導(dǎo)熱性較低，在固化的焊接金屬中會(huì)形成少量的鐵素體，可能導(dǎo)致熱裂紋。這個(gè)問(wèn)題在防脫焊口，寬焊口可能更嚴(yán)重。低合金含量的焊料(如ER308)可以增加堆焊中的鐵素體從而降低熱裂紋的趨勢(shì)。基焊金屬的成分被稀釋后，可能降低該金屬焊口處的耐腐蝕性和耐熱性。

S等級(jí)的含碳量相對(duì)較低。焊接得當(dāng)?shù)脑?，不太可能發(fā)生熱影響區(qū)的粒間腐蝕。去除回火色和銹皮可恢復(fù)焊口附近的耐腐蝕性。采用不銹鋼刷研磨和刷洗，可以去除回火色和銹皮。酸洗也可去除銹皮。小件的材料可以放入槽中酸洗，大件的材料，可以采用特制的硝酸，氟化氫酸，鹽酸的混合物來(lái)局部清洗。酸洗以后，要用清水徹底洗掉酸洗的殘留物。

熱處理/退火
對(duì)這些合金進(jìn)行退火的主要原因是產(chǎn)生一個(gè)再結(jié)晶的微細(xì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到均勻晶粒度，分解有害的碳化鉻沉淀物。要確保完全退火，必須把材料置于2050-2150°F (1120-1175°C)溫度范圍內(nèi)每英寸厚度所需時(shí)間約30分鐘。這僅僅是一般的做法。特殊的情況可能需要特殊的處理方法。適當(dāng)退火后，這些等級(jí)在室溫下主要是奧氏體，少量的鐵素體也可能存在。

309/309S，310/310S在空氣退火過(guò)程中產(chǎn)生氧化皮是不可避免的。銹皮中含有豐富的鉻并且具有一定的附著性。通常來(lái)說(shuō)，在進(jìn)一步加工之前都要把退火銹皮去除。去除銹皮有兩種方法：機(jī)械方法和化學(xué)方法。表面噴砂和化學(xué)除銹二者相結(jié)合通常是去除所有頑固銹皮*有效的方法。硅砂，玻璃微珠是很好的噴砂材料。也可以采用鐵粒，鋼粒，但是這可能引起游離鐵進(jìn)入金屬的表面，進(jìn)而引起表面生銹或變色。

化學(xué)除銹通常采用硝酸和氫氟酸的混合物。化學(xué)槽液和加工溫度通常視實(shí)際情況而定。常用的槽液包括5-15%HNO3 (65%初始強(qiáng)度) 和 _-3% HF (60% 初始強(qiáng)度)的水溶液。濃度過(guò)高的氫氟酸會(huì)導(dǎo)致除銹過(guò)猛。槽液溫度通常從室溫到140°F (50°C)。溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致除銹過(guò)快，槽液侵蝕晶界，進(jìn)而造成金屬表面出現(xiàn)凹槽。酸洗以后，要用清水徹底洗掉酸洗的殘留物，然后干燥，避免金屬表面出現(xiàn)斑漬。

由于309/309S，310/310S在室溫下呈現(xiàn)奧氏體結(jié)構(gòu)，因此不能通過(guò)熱處理達(dá)到硬化。通過(guò)熱作或冷作，可以達(dá)到更高的機(jī)械強(qiáng)度，但是這些等級(jí)通常達(dá)不到這種狀態(tài)。通過(guò)冷作，也可以獲得更好的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，冷作后如果不退火，這些性能在高溫下就不穩(wěn)定，而這些合金往往是用于高溫作業(yè)。如果在高溫環(huán)境下使用冷作后的材料，卻剛好相反，會(huì)影響材料的蠕變性能。

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