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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)力和抗應(yīng)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(xué)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(xué)成分
ASTM A276 和 ASTM A182

 

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(zhì)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(yīng)用，高溫應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)。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。

*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(shè)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(shè)備。在各種操作條件中獲得的經(jīng)驗為我們預(yù)測粒間腐蝕在大多數(shù)應(yīng)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(yīng)力腐蝕龜裂
合金321奧氏體不銹鋼對鹵化物中的應(yīng)力腐蝕龜裂敏感，類似于合金304不銹鋼。會出現(xiàn)這一結(jié)果是由于它們的鎳含量相近。導(dǎo)致應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。退火處理或冷變形之后的消除應(yīng)力熱處理可能會降低應(yīng)力水平。穩(wěn)定的合金321適用于消除了應(yīng)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(yīng)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(yīng)，形成侵蝕敏化晶界的連多硫酸。在具有應(yīng)力、粒間腐蝕的條件下，連多硫酸應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(jié)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。

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(jié)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(jié)果應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)更高的金屬更好。

導(dǎo)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(dǎo)磁系數(shù)低于1.02。導(dǎo)磁率會因成分而改變，因冷作而增加。含鐵素體的焊縫的導(dǎo)磁率會高一點。

 

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(yīng)用，而且對于Section III的應(yīng)用，只限于800°F (427°C)或以下的溫度。

蠕變及應(yīng)力破裂性能
合金321不銹鋼的典型蠕變及應(yīng)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(yīng)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。

沖擊強度
321不管是在室內(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)還可以消除應(yīng)力，而不會產(chǎn)生粒間腐蝕。雖然在這個溫度內(nèi)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(nèi)退火幾個小時后卻可以消除應(yīng)力，而其的一般防腐蝕能力也不會顯著降低。就象強調(diào)的一樣，在800 ---- 1500°F (427 to 816°C)的范圍內(nèi)低溫退火并不會導(dǎo)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(shè)備，而這些設(shè)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(yīng)用合金321時，穩(wěn)定的程度及保護導(dǎo)致的結(jié)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(nèi)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(jié)合形成無害的鈦化碳。結(jié)果是?被還原成固溶體，而碳就被迫跟鈦結(jié)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)徹底沖洗不銹鋼表面，沖洗掉殘留的酸性溶液。

內(nèi)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(shè)計有助于清洗。帶圓抹角，內(nèi)圓角，無縫隙的設(shè)備，有利于清洗和表面拋光。

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