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
