Stal 304 czy 316 (1.4301 czy 1.4401) – jak wybrać właściwy gatunek. Porównanie podstawowych własności.
Dla prawidłowego wyboru gatunku stali nierdzewnej należy poznać główne różnice między tymi dwoma najpopularniejszymi stalami nierdzewnymi. Poniżej przedstawiono kilka zasadniczych różnic, które należy brać pod uwagę w trakcie doboru materiału dla swojej aplikacji.
Skład chemiczny
Główna różnica między gatunkami stali nierdzewnej 1.4301 i 1.4401 (304 i 316) wynika z ich składu chemicznego.
Stal nierdzewna 1.4301 (304) – dla niej udział chromu może mieścić się w zakresie 18-19,5% a niklu 8-10,5%. Zwykle zawiera: 18% chromu i 8% niklu.
Stal nierdzewna 1.4401 (316) – dla niej udział chromu może mieścić się w zakresie 16,5-18,5%, niklu 10-13% a molibdenu od 2 do 3%. Zwykle zawiera 16,5% chromu, 10% niklu i 2% molibdenu.
Z porównania składu chemicznego widać, że gatunek 1.4401 ma mniej chromu, więcej niklu oraz dodatek molibdenu. Z tej różnicy wynikają różne właściwości eksploatacyjne (odporność na korozję), własności mechaniczne, a także możliwe zastosowania obu gatunków [1,2].
Własności mechaniczne
Główne własności mechaniczne, jakie należy brać pod uwagę w trakcie doboru stali nierdzewnych to: wytrzymałość na rozciąganie (Rm w MPa - N/mm2), umowna granica plastyczności (Rp0.2 w MPa), moduł sprężystości podłużnej – moduł Younga (GPa), wydłużenie do zerwania (A w %), twardość. Wszystkie z powyższych danych, z wyjątkiem modułu Younga znajdują się standardowo na certyfikatach materiałowych (certyfikat 3.1) dostarczanych wraz ze stalą nierdzewną [1,2].
Wytrzymałość na rozciąganie – Rm
Wytrzymałość na rozciąganie określa maksymalną siłę rozciągającą uzyskaną podczas statycznej próby rozciągania metali. To maksymalne naprężenie jakie może być zmagazynowane w próbce przed jej zerwaniem [1,2].
|
Typ wyrobu |
1.4301 |
1.4401 |
|
Taśma walcowana na zimno do 8 mm |
540-750 MPa |
530-680 MPa |
|
Taśma walcowana na gorąco do 13,5 mm |
520-720 MPa |
530-680 MPa |
|
Blacha walcowana na gorąco do 75 mm |
520-720 MPa |
520-670 MPa |
|
Pręt do 160 mm |
500-700 MPa |
500-700 MPa |
|
Podane wartości to wartości minimalne |
||
Umowna granica plastyczności – Rp0,2
Umowna granica plastyczności (granica plastyczności) określa maksymalną siłę, jaką można przyłożyć do metalu, zanim trwale zmieni on kształt. Naprężenia niższe od granicy plastyczności nie powodują trwałego odkształcenia materiału. Zakładane naprężenia robocze nie mogą przekroczyć umownej granicy plastyczność aby element nie uległ odkształceniu [1,2].
|
Typ wyrobu |
1.4301 |
1.4401 |
|
Taśma walcowana na zimno do 8 mm |
230 MPa |
240 MPa |
|
Taśma walcowana na gorąco do 13,5 mm |
210 MPa |
220 MPa |
|
Blacha walcowana na gorąco do 75 mm |
210 MPa |
220 MPa |
|
Pręt do 160 mm |
190 MPa |
200 MPa |
|
Podane wartości to wartości minimalne |
||
Z porównania wynika, że do wytwarzania elementów narażonych na większe obciążenia mechaniczne lepiej nadaje się gatunek 1.4401.
Znając granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie można wyznaczyć ich stosunek Rp0,2/Rm, który wskazuje zapas odkształcenia plastycznego przed zerwaniem materiału. Wyższy stosunek Rp0,2/Rm oznacza większą zdolność do odkształcenia plastycznego w trakcie formowania.
Wydłużenie
Wydłużenie do zerwania (A w %) określa stosunek zmiany długości próbki w momencie zerwania do długości początkowej próbki, wyrażony w procentach. Wartość wyznaczana razem z wytrzymałością na rozciąganie, umowną granicą plastyczności w statycznej próbie rozciągania metali. Ogólnie można ją odnieść do plastyczności materiału. Większa wartość oznacza, że materiał będzie bardziej skłonny do plastycznego odkształcenia podczas formowania. W tym kontekście lepsze własności plastyczne będzie mieć gatunek 1.4301 [1,2].
|
Typ wyrobu |
1.4301 |
1.4401 |
|
Taśma walcowana na zimno do 8 mm |
45 % |
40 % |
|
Taśma walcowana na gorąco do 13,5 mm |
45 % |
40 % |
|
Blacha walcowana na gorąco do 75 mm |
45 % |
45 % |
|
Pręt do 160 mm |
45 % |
40% |
|
Podane wartości to wartości minimalne |
||
Twardość
Twardość to własność, którą można bezpośrednio związać z tym jak dobrze materiał będzie odporny na odkształcenia, ścieranie, zarysowania i wgniecenia.
|
Gatunek |
1.4301 |
1.4401 |
|
Twardość Brinella (EN) |
215 HB |
215 HB |
|
Twardość Brinella (ASTM) |
201 HB |
217 HB |
|
Podane wartości to wartości maksymalne |
||
Między oba gatunkami występuje niewielka różnica w twardości dla tego samego typu wyrobów, ale pomimo to gatunek 1.4401 może wykazywać nieznacznie wyższą twardość od 1.4301 i może lepiej nadawać się do aplikacji narażonych na zarysowania w stanie przesyconym. Normy europejskie EN 10088 zakładają maksymalną twardość obu gatunków na tym samym poziomie (215HB) natomiast amerykańskie ASTM A240/A240M przewidują ok. 10% niższą twardość dla stali 1.4301.
Z drugiej strony gatunek 1.4301 wykazuje lepsze umocnienie przez zgniot w wyniku obróbki plastycznej na zimno, czyli jego własności mechaniczne (Rp0,2, Rm) oraz twardość szybciej wzrastają dla danego stopnia umocnienia gniotem, niż dla gatunku 1.4401. Z tego względu gatunek 1.4301 można łatwiej umocnić do wyższych własności mechanicznych niż 1.4401 i wtedy lepszym wyborem w aplikacjach o wymaganej twardości, odporności na ścieranie będzie 1.4301 [1,2].
Moduł Younga
Moduł sprężystości określa zależność między naprężeniem i odkształceniem a odpowiedzią metalu na odkształcenie. Określa sprężystość materiału przy rozciąganiu i ściskaniu. Większy moduł Younga oznacza, że materiał mniej się odkształca pod wpływem naprężenia a element ma większą sztywność.
Zalecenia do projektowania z użyciem stali nierdzewnych przyjmują dla obu gatunków tą samą wartość modułu Younga = 200 GPa [1,2].
Odporność korozyjna
Rozpatrując jedynie skład chemiczny obu gatunków, stal 1.4401 ma lepszą odporność na korozję niż stal 1.4301. Stal nierdzewna 1.4301, która zawiera chrom i nikiel jest podstawowym gatunkiem stopów nierdzewnych o dobrej odporności korozyjnej w bardzo licznych środowiskach. Natomiast dodatek molibdenu (ok 2%) w gatunku 1.4401 powoduje znaczne zwiększenie odporności korozyjnej na środowiska zawierające wysoki udział chlorków, jednocześnie poprawiając odporność na kwasy i zasady. W konsekwencji gatunek 1.4401 jest bardziej odpowiedni do wytwarzania produktów stosowanych w środowisku morskim wystawionych na działanie chlorków lub innych środków utleniających. Podobnie lepiej sprawuje się w środowiskach przemysłowych miejskich i wymaga mniejszej częstotliwości konserwacji (czyszczenia).
Należy przypomnieć, że odporność korozyjna stali nierdzewnych nie wynika tylko z ich składu chemicznego. Niezwykle istotna w tym aspekcie jest chropowatość powierzchni elementu. Ogólna zasada w tym zakresie mówi, że im niższa chropowatość tym wyższa odporność korozyjna danego gatunku. Fakt ten pozwala polepszyć odporność korozyjną elementów w agresywnych środowiskach przez zastosowanie gładkich szlifowanych i polerowanych wykończeń powierzchni. Natomiast powierzchnie o dużej chropowatości będą zawsze bardziej skłonne do wystąpienia korozji w wyniku łatwiejszej akumulacji zanieczyszczeń, chlorków i trudniejszego czyszczenia [4].
Odporność na wysoką temperaturę
Odporność na temperaturę stali jest ważnym atrybutem, który należy brać pod uwagę, gdy elementy są stosowane w środowiskach o wysokiej temperaturze. Stal gatunku 1.4301 wykazuje dobrą odporność na utlenianie w temperaturze eksploatacji (praca przerywana) do 870°C i podczas ciągłej eksploatacji do temperatury 925°C, lecz wykazuje ograniczoną odporność na korozję w roztworach wodnych po ciągłej eksploatacji w zakresie temperatury 425-860°C. Gatunek 1.4401 ma taką samą maksymalną temperaturę pracy przerywanej do 870°C i eksploatacji w sposób ciągły do temperatury 925°C.
Pod względem odporności na utlenianie w wysokiej temperaturze oba gatunki zachowują się tak samo. Natomiast większa różnica ujawnia się pod względem własności mechanicznych. Jak w każdym przypadku stali własności mechaniczne spadają wraz ze wzrostem temperatury badania. Pod tym względem gatunek 1.4401 wolniej traci własności wytrzymałościowe w wysokiej temperaturze niż gatunek 1.4301 [1,3].
|
|
Rp0,2 w wysokiej temperaturze |
||||
|
Temperatura |
100°C |
200°C |
300°C |
400°C |
500°C |
|
1.4301 |
157 MPa |
127 MPa |
110 MPa |
98 MPa |
92 MPa |
|
1.4401 |
177 MPa |
147 MPa |
127 MPa |
115 MPa |
110 MPa |
|
Podane wartości to wartości minimalne |
|||||
Trwałość
Trwałość jest miarą wytrzymałości materiału i jego odporności na zużycie, korozję, zmęczenie, odkształcenia i wysoką temperaturę. Oba gatunki 1.4301 i 1.4401 są trwałe, co umożliwia ich zastosowanie w rygorystycznych warunkach produkcyjnych. Jednak 1.4401 ma znaczną przewagę ze względu na lepszą odporność na korozję i tym samy można się spodziewać jego dłuższej bezawaryjnej pracy w danym środowisku.
Spawalność
Spawalność zależy od ilości węgla w gatunku, a wzrost zawartości węgla ją pogarsza. Zarówno gatunek 1.4301 jak i 1.4401 mają udział węgla do 0,07% co zapewnia dobrą spawalność obu gatunków stali. Pod względem możliwych problemów związanych ze spawaniem stali 1.4301 i 1.4401 należy zaliczyć możliwość wystąpienia korozji międzykrystalicznej w wyniku nadmiernego przegrzania materiału w trakcie spawania. Z tego względu dla elementów grubych (powyżej 6mm) przeznaczonych do spawania zaleca się stosowanie odmian niskowęglowych tych stali (1.4307, 1.4404) lub stabilizowanych dodatkiem tytanu (1.4541, 1.4571) [6].
Różnica ceny między 1.4301 a 1.4401
Stal nierdzewna 1.4301 ma przewagę pod względem ceny w porównaniu do 1.4401. Gatunek 1.4401 ma wyższą cenę (nawet 40% więcej niż 1.4301) ze względu na wyższy udział pierwiastków stopowych, który z jednej strony powoduje, że proces produkcyjny jest bardziej złożony ale przede wszystkim znacznie poprawia odporność na korozję i ostatecznie wartość materiału.
Znając opisane powyżej różnice między stalą 1.4301 i 1.4401 można podsumować:
- Gatunek 1.4401 oferuje znacznie wyższą odporność korozyjną, która przekłada się na jego cenę. Posiada on również nieco wyższą minimalna umowną granicą plastyczności, czyli można się spodziewać, że będzie bardziej wytrzymały w stanie obrobionym cieplnie. Wykazuje również wyższe własności mechaniczne w wysokiej temperaturze.
- Gatunek 1.4301 jest bardziej miękki i ma lepsze własności plastyczne przez co łatwiej poddaje się procesom formowania. Kolejna zaletą do wykorzystanie jest większa skłonność do umocnienia przez zgniot (wzrost własności mechanicznych) pod wpływem obróbki plastycznej na zimno.
Literatura
[1]. PN EN 10088 Stale odporne na korozję, część od 1 do 5
[3]. Temperatura pracy stali A2
[4]. Zastosowanie stali AISI 304 lub 316 w agresywnym środowisku ściekowym