Porównanie stali nierdzewnej EN 1.4307 (AISI 304L) i EN 1.4541 (AISI 321)

Stale nierdzewne typu EN 1.4307 (AISI 304L) oraz EN 1.4541 (AISI 321) są popularnymi gatunkami z grupy austenitycznych stali nierdzewnych o szerokim zastosowaniu w przemyśle spożywczym, chemicznym i energetycznym. Cechą charakterystyczną gatunku EN 1.4307 (AISI 304L) jest obniżony udział węgla, natomiast EN 1.4541 (AISI 321) dodatek stabilizującego tytanu. W obu przypadkach, choć różnymi metodami (obniżeniem zawartości węgla w 1.4307 lub stabilizacja tytanem w 1.4541) uzyskano ograniczoną skłonność do wydzielania się węglików chromu na granicach ziaren w trakcie wygrzewania w wysokiej temperaturze, np. w trakcie spawania. Dzięki czemu wykazują one lepszą odporność na korozję międzykrystaliczną niż standardowy gatunek typu EN 1.4301 (AIS 304)

 

Charakterystyka gatunków

Gatunek EN 1.4307, X2CrNi18-9(AISI 304L) posiada niższą zawartość węgla (max. 0,03%) w porównaniu do tradycyjnej stali 1.4301 (AISI 304 (max. 0,08%)). Zapewnia to lepszą odporność na korozję międzykrystaliczną po spawaniu, choć nadal w nieco mniejszym stopniu niż gatunki stabilizowane tytanem. Gatunek jest bardzo popularny w aplikacjach, w których należy zminimalizować ryzyko wytrącania węglików chromu (np. strefy wpływu ciepła – HAZ) w trakcie spawania.

Gatunek EN 1.454, X6CrNiTi18-10 (AISI 321) zawiera dodatek tytanu (Ti), co stabilizuje węgiel w postaci węglików tytanu (TiC). W tym przypadku w trakcie wygrzewania w wysokiej temperaturze szybciej będą powstawać węgliki tytanu, niż węgliki chromu, co eliminuje ryzyko korozji międzykrystalicznej w obszarze wydzielających się węglików chromu. Gatunek wykazuje wyższą odporność na korozję międzykrystaliczną w porównaniu z EN 1.4307 (AISI 304L) przy długotrwałej eksploatacji na temperaturę w zakresie 450–850°C. gatunek jest powszechnie stosowany w aplikacjach, gdzie potrzebna jest stabilność strukturalna w wysokiej temperaturze.

 

Porównanie składu chemicznego

Udział pierwiastków (%) w gatunkach EN 1.4307 (AISI 304L) i EN 1.4541 (AISI 321) wg normy europejskiej EN 10088

Gatunek / oznaczenie EN	C (max)	Si (max)	Mn (max)	P (max)	S (max)	N (max)	Cr (zakres)	Ni (zakres)	Ti (zakres)
1.4307 (X2CrNi18-9)	0,030	1,00	2,00	0,045	0,015	0,10	17,5–19,5	8,0–10,5	–
1.4541 (X6CrNiTi18-10)	0,08	1,00	2,00	0,045	0,015	0,10	17,0–19,0	9,0–12,0	5×%C min, ≤0,70%

 

Powyższy skład chemiczny jest ujęty w normie europejskiej serii EN 10088 natomiast w równoważnej normie amerykańskiej ASTM A240 występują niewielkie różnice. Dotyczy to zwłaszcza stężenia chromu, który dla wersji amerykańskiej gatunku AISI 304L podaje przedział 18–20% Cr, podczas gdy w normie europejskiej EN 10088 określa się zakres 17,5–19,5% Cr. Dla gatunków produkowanych zgodnie z oba normami minimalny udział chromu będzie więc wynosić 18%.

 

Własności w wysokiej temperaturze

EN 1.4307 (AISI 304L) - niższa zawartość węgla ogranicza powstawanie węglików chromu podczas krótkotrwałego wygrzewania (np. w czasie spawania), natomiast przy dłuższej ekspozycji w zakresie 450–850°C istnieje pewne ryzyko wydzielania się węglików, choć jest ono mniejsze niż w przypadku standardowego z wyższym udziałem węgla- gatunek 1.4301 (AISI 304).

EN 1.4541 (AISI 321) - dodatek tytanu zdecydowanie redukuje tendencję do korozji międzykrystalicznej nawet przy długotrwałej pracy w wysokich temperaturach. Gatunek ten jest znacznie lepszym wyborem przy wielokrotnym obciążeniu cieplnym i temperaturach rzędu 450–850°C.

Oba gatunki należą do stali nierdzewnych austenitycznych, jednak stal 1.4541 (AISI 321) dzięki stabilizacji tytanem lepiej utrzymuje odporność korozyjną po długim wygrzewaniu w wysokiej temperaturze. Ogólnie oferuje lepsze parametry przy dłuższej ekspozycji w wysokiej temperaturze i w zmiennych cyklach termicznych.

Oba gatunki charakteryzują się tym samym poziomem własności mechanicznych w temperaturze pokojowej. Natomiast wraz ze wzrostem temperatury pracy gatunek 1.4307 (AISI 304L) szybciej traci własności mechaniczne w porównaniu do 1.4541 (AISI 321) podczas długotrwałej pracy w podwyższonej temperaturze, głównie z powodu braku stabilizacji tytanem. Dla przykładu w 400°C umowna granica plastyczności Rp0,2 dla stali 1.4301 wnosi 180MP, a dla 1.4541 200MPa.

 

Aspekt wizualny

Oba gatunki uzyskują zbliżony, srebrzysty, połyskliwy wygląd powierzchni. Przy mechanicznej obróbce (szlifowanie, polerowanie) gatunek 1.43017 (304L) bywa minimalnie “jaśniejsza”, co wynika z mniejszej tendencji do miejscowych różnic w strukturze. Dzięki niskiej zawartości węgla i dość jednorodnej strukturze austenitycznej ułatwia uzyskanie lustrzanego połysku.

Gatunek EN 1.4541 (AISI 321), ze względu na dodatek Ti stabilizujący węgiel w postaci węglików tytanu (TiC) przy mechanicznej obróbce (szlifowanie, polerowanie) może wykazywać większa niejednorodność powierzchni spowodowana obecnością węglików tytanu w mikrostrukturze. Dużo trudniej jest uzyskać jednorodne wykończenie lustrzane.

 

Zastosowania

EN 1.4307 (AISI 304L)

Przemysł spożywczy i farmaceutyczny (zbiorniki, rurociągi). Aplikacje, w których spawanie jest istotne, a temperatura pracy nie przekracza na ogół 450–500°C. Wymienniki ciepła, elementy konstrukcyjne przy umiarkowanych temperaturach.

Wyposażenie kuchni przemysłowych, zakładów przetwórstwa spożywczego - stoły, zbiorniki, misy i urządzenia, gdzie wymagana jest łatwość czyszczenia i dobra odporność na korozję w temperaturach do ok. 200–300°C.

Architektura i elementy dekoracyjne - balustrady, poręcze, okucia drzwiowe, a także fasady budynków w standardowych warunkach atmosferycznych (poza środowiskami silnie zanieczyszczonymi chlorkami).

Instalacje wodne i basenowe (niezawierające dużej ilości chlorków).

Zbiorniki i linie technologiczne w browarnictwie i mleczarstwie.

Wiele innych, gdzie kryterium doboru jest łatwość łączenia, estetyczny wygląd i możliwość wykończenia na połysk lustrzany a także uniwersalność zastosowania.

 

EN 1.4541 (AISI 321)

Przemysł transportowy i energetyczny (np. elementy silników, kolektory spalin, wymienniki ciepła przy wyższych temperaturach). Układy wydechowe i systemy spalinowe, w których dochodzi do długotrwałej ekspozycji w przedziale 450–850°C. Rurociągi pary przegrzanej, instalacje chemiczne i petrochemiczne wymagające stabilnej odporności na korozję międzykrystaliczną.

Przemysł naftowy i gazowy - rurociągi przesyłające gazy i pary w podwyższonych temperaturach, np. instalacje odsiarczania i katalizy, gdzie stabilność i odporność na korozję międzykrystaliczną są kluczowe.

Kotły i wymienniki ciepła pracujące w wysokiej temperaturze.

Instalacje rafineryjne, systemy reakcji chemicznych, w których wymagane jest zachowanie właściwości mechanicznych przez wiele godzin w temperaturze podwyższonej.

Elementy turbin i sprężarek gazowych - fragmenty kanałów rozgrzanych spalin, sekcje średniotemperaturowe.

Urządzenia do obróbki cieplnej - kosze, prowadnice, wózki używane w piecach, w których detale są wygrzewane w temperaturach powyżej 600°C.

Aplikacje, dla których przewidywane są wyższe temperatury pracy i konieczność zachowania własności mechanicznych lub warunki mogące wywołać korozję międzykrystaliczną.

 

 

Literatura

Z. Brytan, Vademecum stali nierdzewnej, Wydanie drugie. – Warszawa, SSN, 2018

Handbook of Stainless Stee, Outokumpu, 2017