304与321、316L不锈钢区别及焊接特点

304与321、316L不锈钢区别及焊接特点

304不锈钢性能

304H，304L和304不锈钢是18％Cr、8％Ni奥氏体不锈钢的几种变形品种，是304不锈钢家族中*常用与常见的不锈钢产品。

以上这些不锈钢品种具有下面一种或多种属性，用途广泛。属性包括：耐腐蚀性、防止污染、抗氧化性、易加工性、较佳成形性、外观精美、易清洁、强度高、重量低、低温环境下良好的强度和韧性。其中几乎都具有耐腐蚀性和较佳加工性。

304，304L，304H 的又被称为18Cr-8Ni不锈钢，存在形式多样，有板、卷、片、条。通常用于制造设备，应用领域包括但不限于：食物、医疗、卫生、冷冻、压力容器等。

正是通过氩氧脱碳技术使不锈钢以低成本实现低碳，为304成为了*常用的标准不锈钢提供有利条件。

304L主要用于焊接，因为它们作业时经常处于各种腐蚀环境中。

304H不锈钢是304不锈钢的改进品，它的碳含量在0.04-0.10之间，对于要暴露在温度800°F以上的零件，选用304H有助于改善高温下不锈钢强度。

奥氏体304不锈钢，在合适的氧化和还原环境中，耐腐蚀性较好。它们常被用于加工、处理食物饮料、热交换器、管道、油罐、奶制品设备和器具等。

这些不锈钢中铬含量占18-19％，有较强抗氧化性。下表是304不锈钢在稀硝酸环境下的氧化率：不锈钢在稀硝酸环境下的氧化率

304、304L、304H对中度有机酸（如醋酸）和还原酸（如磷酸）也有抵抗性。18-8不锈钢镍含量9-11％，能抵抗中度还原环境。但在更强还原性的还原环境（如沸腾的稀盐酸和硫酸），腐蚀性太强。

有些时候低碳含量的304L不锈钢比高碳含量的304不锈钢的腐蚀率低。从甲酸，氨基磺酸，氢氧化钠得到的数据证明了这一点。其他时候304、304L、304H在大多数腐蚀环境下的性能都是相同的。需要注意的是在足以引起焊接和热影响区粒间腐蚀的环境中，更倾向使用304L不锈钢，因其低碳含量有助于抵抗粒间腐蚀。

粒间腐蚀

18-8奥氏体不锈钢处于800°F—1500°F (427°C至 816°C) 温度下，也许会导致碳化铬在晶界沉淀。其在苛刻环境下容易粒间腐蚀。304不锈钢中的碳成分导致其在气焊和热影响区焊接过程中的热状态下，会产生敏化。

不锈钢粒间腐蚀应力腐蚀龟裂

304、304L、304H不锈钢是奥氏体不锈钢中*容易发生应力腐蚀龟裂的，因为他们的镍含量比较低。引起应力腐蚀龟裂的条件有：

（1）卤化物离子的存在（通常是氯化物）

（2）残余的张力

（3）温度超过120°F (49°C)

在不锈钢成形过程中的冷变形、拉幅成管板、焊接操作等都可以产生应力。退火、冷变形后的消除应力热处理都可减少应力，从而降低卤化物应力腐蚀龟裂可能性。在可能引起粒间腐蚀的环境中，低温退火状态下作业，*好选择低碳的304L不锈钢材料。

不锈钢应力腐蚀测试18-8不锈钢可很好应用在氯离子含量低的淡水中。在有缝隙的情况下，18-8不锈钢抗腐蚀极限是100ppm 的氯化物。高含量的氯化物可能引起隙腐蚀和点腐蚀。在低PH值，或者高温环境，应使用钼含量较高的不锈钢，如316。18-8不锈钢也不能被用在海洋环境。

不锈钢物理性能

密度：0.285 lb/in3 (7.90 g/cm3)

抗拉弹性模数：29 x 106 psi (200 GPa)线性热膨胀系数：不锈钢线性热膨胀热传导：

不锈钢热传导金属的总传导系数除了受金属的热传导性影响之外，还由其他因素决定。18-8不锈钢具有保持表面清洁的性能，和其他热传导系数高的金属相比，18-8不锈钢的热传导性能更好。

不锈钢比热磁导率：18-8不锈钢在退火状态下是无磁性的，磁导率在200H的情况下一般低于1.02。磁导率会因金属的成分不用而有所不同。通过冷作，可以提高磁导率。

不锈钢磁导率不锈钢机械性能室温下的机械性能

已退火的304和304L奥氏体不锈钢板，ASTM标准A240、ASME标准SA-240，要求的*低机械性能如下表所示：

不锈钢机械性能低温和升温情况下的性能

低温和升温情况下的短期抗拉性能如下表所示。温度达到1000°F (538°C)或以上，要考虑应力龟裂，应力龟裂数据也在下表显示。

不锈钢低温性能

已退火的奥氏体不锈钢即使在低温条件下，仍然能保持较高的冲击阻力，再加上低温硬度和加工性等性能，因此被用于处理液化天然气和其他低温环境下的作业。夏氏V形冲击实验的数据如下表所示：

不锈钢冲击阻力
金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的*大应力称为疲劳强度或疲劳极限。奥氏体不锈钢的疲劳强度一般来说是抗拉强度的35％，在实际作业中，疲劳强度也会受其他因素影响，如：增加表面的平滑程度，可以增加疲劳强度，作业环境腐蚀性增加，则降低疲劳强度。

奥氏体不锈钢被认为是*容易焊接的不锈钢钢，可以用所有的融合物焊接，也可以进行电阻焊接。304、304L是典型的奥氏体不锈钢。

生产奥氏体不锈钢的焊接接点时要考虑两个因素：1）保持其耐腐蚀性，2）避免开裂。

材料被焊接过程中会形成温度阶梯，从熔池的熔化温度到离焊接点稍远的周围温度。被焊接材料的碳含量越高，焊接热循环就更容易导致碳化铬沉淀，对材料的耐腐蚀性有影响。为了保持材料的耐腐蚀性处于*好的水平，因此在已焊接状态下作业，应该选择低碳材料（304L）。另一种做法是，采用完全退火溶解碳化铬，使标准碳含量的材料恢复高水平的耐腐蚀性。

焊接完全奥氏体结构的金属，在焊接操作中更容易形成裂纹。因此，304和304L不锈钢中添加了少量的铁素体，降低材料的裂纹敏感性，达到重新固化的作用。

把18-8奥氏体不锈钢焊接到碳钢时，通常用309不锈钢（23％铬－13.5％镍）或镍基焊料。

不锈钢热处理

奥氏体不锈钢通过热处理可以**冷成形产生的副作用和溶解沉淀的碳化铬。达到这两个要求的*好热处理方法是在1850°F 至 2050°F (1010°C 至 1121°C)的温度范围内进行固熔退火。从退火温度冷却下来1500-800°F (816°C - 427°C)，应该足以避免碳化铬再沉淀。

这些材料不能通过热处理达到硬化。

不锈钢清洁

不管腐蚀性怎么样，不锈钢在加工和使用过程中，都要保持其表面清洁。

在焊接时采用惰性气体加工，焊接过程中形成的锈皮和熔渣通过不锈钢刷**。普通碳钢刷会在不锈钢的表面留下碳钢粒子，这些粒子*终会导致表面生锈。在要求严格的情况下，焊接区域要经过除锈溶液处理（如硝酸和氢氟酸混合溶液），可以洗掉焊接过程中形成的锈皮和熔渣。

轻工业用的材料，所需要的维护比较少，只有遮蔽区域有时需要用加压水清洗。重工业则建议经常清洗，去除积聚的灰尘，这些灰尘*终有可能引起腐蚀和损坏不锈钢的表面外观。

顽固的污渍和沉淀物可以用擦洗剂和纤维刷，海绵，不锈钢绒擦洗。不锈钢绒会在平滑的不锈钢表面留下长久的擦痕。

很多不锈钢都要定期清洗和**。设备通常用特制的苛性钠，有机溶剂，酸性溶液（入磷酸或硫酸）清洗。强还原酸（如氢氟酸或盐酸）可能对不锈钢造成损坏。

溶液清洗后，用清水彻底冲洗不锈钢。

适当的设计有助于清洗。带圆抹角，内圆角，无缝隙的设备，有利于清洗和表面抛光。

合金321（UNS S32100）是一种性能稳定的不锈钢板，其主要优点是在暴露于碳化硅沉淀温度从800至1500°F（427至816°C）的温度下具有出色的抗晶间腐蚀性。通过添加钛，合金321不锈钢板被稳定以防止碳化铬形成。

合金321不锈钢板由于其良好的机械性能而对于高温服务也是有利的。合金321不锈钢板比合金304，特别是合金304L具有更高的蠕变和应力断裂性能，对于敏感性和晶间腐蚀问题，也可以考虑使用。

合金321（UNS S32100）是钛稳定奥氏体不锈钢板，具有良好的一般耐腐蚀性。在800 - 1500°F（427 - 816°C）的碳化铬析出温度范围内，它具有优异的抗晶间腐蚀性。该合金抗氧化至1500°F（816℃），并具有比合金304和304L更高的蠕变和应力断裂性能。它还具有良好的低温韧性。

合金321H（UNS S 32109）不锈钢板是较高碳（0.04 - 0.10）版本的合金。它被开发用于提高抗蠕变性，并且在高于1000°F（537°C）的温度下具有更高的强度。在大多数情况下，板的碳含量可以实现双重认证。

合金321不锈钢板经热处理不能硬化，只能冷加工。它可以很容易地焊接和加工标准的车间制造实践。

合金321不锈钢板具有与304相当的良好的一般耐腐蚀性。它开发用于碳化硅在1800 - 1500°F（427 - 816°C）的沉淀范围内，其中不稳定的合金如304到粒间进攻。

该合金可以在中等温度下用于大多数稀释的有机酸，在较低温度下用于纯磷酸，在高温下用于高达10％稀释的溶液。碳氢化合物服务中的合金321抗多硫酸应力腐蚀开裂。它也可以在温度适中的氯化物或无氟碱溶液中使用。

合金321不锈钢板在氯化物溶液中表现不佳，即使浓度很小，也不能在硫酸中使用。合金321不锈钢板可以通过标准的车间制造实践方便地进行焊接和加工。

321不锈钢板的冷加工硬化率比410不锈钢板的加工硬度要低，但与304相似。下表提供了相关的加工数据。

不锈钢加工性能

焊接

在高合金钢中，奥氏体不锈钢被认为可焊性*好，并可采取各种熔焊和电阻焊。对奥氏体不锈钢进行焊合时，要考虑两个重要问题：耐腐蚀保护和避免开裂。要求保持元素的稳定性。采取惰性气体要求有一定得清洁度，并避免从油中吸收C或空气中吸取N。321钢种比347钢种更易失去Ti，而348钢种可能失去Nb。

焊接全奥氏体结构的金属时，在焊接过程中更易开裂。因此，347、348和321不锈钢种要同少量铁素体一起固化，将裂纹敏感性降到*低程度。Nb稳定不锈钢比Ti稳定不锈钢更易产生热裂。

退火

321和347钢种的退火温度范围是1800—2000°F（928-1093°C）。退火的主要目的是软化和得到高延性，这些钢也可能在碳化物析出的温度范围800—1500°F（427—816°C）进行消除应力退火，而不会晶间腐蚀的危险。仅在800—1500°F（427—816°C）温度范围内进行几小时的消除应变退火不会明显地降低一般的耐蚀性。当然在此温度范围内长时间的加热确实会在一定程度上降低一般的耐蚀性。不过，正如强调的那样，在800—1500°F（427—816°C）温度范围退火不会产生晶间侵蚀的敏感性。

如要得到*大的延性，建议在1800—2000°F（928—1093°C）的较高温度范围内退火。

在用Cr-Ni不锈钢加工设备时，要采用稳定的钢种，*大限度地防止碳化物析出。必须识别Nb和Ti稳定能力的不同，Nb是比Ti更容易生成碳化物的元素。因此使用321钢种的稳定性及保护作用可能不太明显。

如果要求321钢种具有*大的耐蚀性，必须采用称作稳定退火的防腐蚀改善措施。将材料加热到1550-1650DF（843-899DC），根据厚度不同，时间可长达5小时。这个范围在碳化铬形成温度之上，高得足以分解和固溶以前形成的所有碳化物。此外，这个温度会使Ti和C结合，形成无害的碳化物。其结果是Cr会还原成固溶体而C不得不与Ti结合成无害碳化物。

如果在氧化性气氛中进行热处理，退火后要在硝酸和氢氟酸混合除锈液中除去氧化物，而这些酸必须从材料表面彻底冲洗掉。

清洗

尽管不锈钢具有耐蚀性，也应小心加工和使用，即使在正常使用条件下也要维护其表面状况。

焊接时采用惰性气体保护工艺，焊接所产生的氧化皮和熔渣用不锈钢丝刷**。普通的碳钢刷会在表面留下碳钢颗粒，*终使表面生锈。对于更为严格的应用要求，焊接区要用如硝酸和氢氟酸混合液那样的除锈液处理，除去氧化膜色，并且必须随即用水冲洗。

当材料在内陆、轻工业或较为温和的条件下使用，极少需要维护。只有遮蔽区偶尔要用加压水流冲洗。在海洋或重工业区，可经常用水除去有损于不锈钢表观的盐分和污垢沉积。

顽固的斑点和沉积物像焚烧后的食品，可用无磨损的清洁剂和纤维刷、海绵或不锈钢棉洗涤。但不锈钢棉会在光滑的不锈钢表面留下长久的痕迹。

不锈钢在许多使用场合需要定期清洗和**。设备要用特制的氢氧化钠、有机溶剂或酸溶液如磷酸或氨基磺酸清洗（强还原性酸，如氢氟酸或氢氯酸可能对这些不锈钢有害）。必须排出清洗液并用淡水彻底漂清不锈钢表面，如果残留的溶液长期与不锈钢表面接触，会使其变坏。

提高设计性能有助于不锈钢的可清洁性，带圆角、倒角和裂缝很少的设备更易于做如焊缝打磨和表面抛光那样的清洁工作。

316L不锈钢焊接性能

316L不锈钢属于超低碳纯奥氏体不锈钢，可焊接性能比较优良，晶间腐蚀形成可能性低，不过因为其导热系数小，线膨胀系数大，所以该钢种焊接接头在冷却过程中会产生较大的拉应力，焊接热输入较大，冷却速度较慢时又容易形成热裂纹、腐蚀开裂和变形。

316L不锈钢能以所有标准的焊接方法来焊接，在焊接时依据用途不同，可分别采用316Cb、316L或309Cb不锈钢填料棒或焊条来焊接；在常用的焊接方法中，MIG和TIG焊的热输入较小，且氩气流除了保护高温金属外，也拥有一定程度的冷却作用，增加焊缝的抗裂能力，从而降低焊接变形。

采用316L不锈钢，一般无需做焊后退火处理，奥氏体不锈钢焊后一般不作消除应力退火热处理。其中的原因是奥氏体不锈钢塑性、韧性非常不错，不用通过焊后消除应力退火热处理恢复其性能；其次450~850℃温度区间是奥氏体不锈钢的敏化温度，奥氏体不锈钢长时间在此区间加热，会使其耐腐蚀性能下降。如果焊缝中有铁素体成分，还可能会产生475℃脆性。而焊后消除应力退火热处理刚好处于该温度区内（固溶处理和稳定化处理除外）。

不过有时情况特殊时，也要对316L不锈钢进行焊后消除应力退火热处理，一种是为了稳定设备零部件的几何形状，需要消除焊接残余应力；另一种是设备工作在有产生应力腐蚀倾向的环境，同样需消除拉伸残余应力。

316L不锈钢

304焊接性能

奥氏体型不锈钢以18%Cr-8%Ni不锈钢为代表，即是人们常说的304不锈钢，焊接加工时原则上无需进行焊前预热和焊后热处理。通常都具有良好的焊接性能。但其中镍、钼的含量高，所以在进行焊接时容易产生高温裂纹。另外还会产生互相脆化（Fe‐Cr金属间化合物），在铁素体生成元素的作用下生成的铁素体引起低温脆化，以及耐蚀性下降和应力腐蚀裂纹等缺陷。

在焊接后，304不锈钢焊接接头的力学性能都是不错的，但当在热影响区中的晶界上有铬的碳化物时会非常容易形成贫铬层，而贫铬层会导致产品使用过程中容易产生晶间腐蚀。为避免问题的发生，*好采用低碳（C≤0.03%）的牌号或添加钛、铌的牌号。为防止焊接金属的高温裂纹，通常认为控制奥氏体中的δ铁素体肯定是有效的。一般*好在室温下含5%以上的铁素体成分。主要用途是耐腐蚀的不锈钢，应选用低碳和稳定的钢种，还要进行适当的焊后热处理；而以结构强度为主要用途的钢，不应进行焊后热处理，以防止变形和由于析出碳化物和发生互相脆化。

316L与304不锈钢的耐腐蚀性比较

316L耐腐蚀性能

316L不锈钢作为含钼不锈钢种，其耐腐蚀性能要比304不锈钢更好，制造成浆和造纸的生产设备拥有优良的耐腐蚀的性能。并且316不锈钢还耐海洋和侵蚀性工业大气的侵蚀。耐热性很高，在1600度以下的间断使用和在1700度以下的连续使用中，316L不锈钢具有好的耐氧化性能。 在800-1575度的范围内，*好不要连续作业316L不锈钢制品，但在该温度范围以外持续使用316不锈钢时，其都有着良好的耐热性。

316L不锈钢的耐碳化物析出的性能比316不锈钢更好，可用上述温度范围。 316L作为316钢种的低C系列，除与316钢有相同的特性外，其抗晶界腐蚀性优。是316钢的用途中，对抗晶界腐蚀性有特别要求的产品。

304耐腐性能

304不锈钢是能在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，304不锈钢的不锈耐腐蚀性能和抗晶间腐蚀性能都很优良。对氧化性酸，实验结果是：对浓度≤65%的沸腾温度以下的硝酸中，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。对碱溶液及大部分有机酸和无机酸也具有良好的耐腐蚀能力。

304不锈钢生锈的原因主要几点，一是在使用环境中存在氯离子；二是不锈钢没有经过固溶处理。，合金元素没有溶入基体，致使基本组织合金含量低，抗蚀性能差；其三是这种不含钛和铌的材料有天生的晶间腐蚀的倾向。 加入钛和铌，再配以稳定处理，可以减少晶间腐蚀。

另外316L与304不锈钢在化学成分上的*主要区别就是316L不锈钢含钼。在奥氏体不锈钢中加入合金元素钼，可以增强不锈钢的热强性和蠕变强度．提高其抗点蚀及晶间腐蚀的能力。

钼在还原性及强氧化性盐溶液中都能使不锈钢表面钝化，能提高抗腐蚀性能防止钢在氯化物溶液中的点蚀。加入Mo可以提高抗还原性酸及抗点蚀的能力，降低碳的含量可以提高抗晶间腐蚀的能力及改善焊接性能。

加入钼元素可以更好的预防点蚀，304属于低碳不锈钢而316L属于超低碳不锈钢．而较低的碳含量能够减小晶间腐蚀的发生，但不管304 还是316L对Cl粒子都比较敏感，304的抗cl-的能力比306L弱，所以在CL-含量比较高的环境中，通常是采用316L。