Staliwa nierdzewne CF8M (1.4401, AISI 316) i CF3M (1.4404, AISI 316L)

30-01-2015

Jakie są różnice w stosowaniu i właściwościach staliwa austenitycznego ASTM A351 CF8M i CF3M w niskich temperaturach (do -196°C). Zasady stosowania w przypadku spawania (elementy ciśnieniowe, np. korpusy zaworów BW ends), udarność w niskich temperaturach, wytrzymałość, zawartości ferrytu - zjawiska niekorzystne?

Staliwa nierdzewne CF8M i CF3M klasyfikowane wg normy ASTM A351 należą do grupy stopów Cr-Ni-Mo. Pod względem składu chemicznego (tab. 1) zawierają ok. 18% Cr, 8% Ni oraz 2-3% dodatek molibdenu i zmienne stężenie węgla. W grupie stali kształtowanych przez obróbkę plastyczną odpowiadają gatunkom typu 1.4401, AISI 316 (CF8M) i 1.4404, 316L (CF3M). Staliwa nierdzewne w odróżnieniu od stali nierdzewnych charakteryzują się podwyższonym stężeniem krzemu, który zwiększa lejność stopu podczas odlewania, ale jako pierwiastek ferrytotwórczy wpływa na zwiększenie udziału tej fazy w strukturze staliw austenitycznych. Generalnie stopy Cr-Ni-Mo przeznaczone do odlewania (staliwa) wykazują wyższy udział ferrytu niż stopy wytwarzane w sposób konwencjonalny przez przeróbkę plastyczną w procesach hutniczych (stale). Wynika to z większego dodatku krzemu oraz samej technologii odlewania – sposobu krzepnięcia materiału. Obecność ferrytu w strukturze staliw nierdzewnych wpływa pozytywnie na ograniczenie skłonności do pękania na zimno złącz spawanych.

Tablica 1. Skład chemiczny staliw nierdzewnych CF8M i CF3M

Oznaczenie		Odpowiednik w grupie stali	Skład chemiczny, %
ASTM	UNS	EN / AISI	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	P	S
CF8M	J92600	1.4401 / 316	<0,08	1,50	2,00	18,0-21,0	8,0-10,0	2,0-3,0	0,04	0,04
CF3M	J92800	1.4404 / 316L	<0,03	1,5	1,50	17,0-21,0	9,0-13,0	2,0-3,0	0,04	0,04

Nierdzewne staliwo typu CF8M w stanie obrobionym cieplnie (po przesycaniu) charakteryzuje się strukturą austenityczną z niewielkim udziałem ferrytu (15-25%) rozmieszczonego w osnowie w formie nieciągłych obszarów. W trakcie wygrzewania w temperaturze 400-900°C – tak jak w przypadku procesu spawania, w obszarach tych preferencyjnie wydzielają się węgliki chromu, które obniżają odporność na korozję międzykrystaliczną staliwa w wyniku zubożenia w chrom obszarów przyległych do wydzieleń węglików na granicach ziarn austenitu. Staliwo typu CF8M może być spawane popularnymi metodami spawania: TIG oraz MIG/MAG i nie wymaga podgrzewania wstępnego, ale po spawaniu zaleca się jego obróbkę cieplną polegającą na przesycaniu w temperaturze 1050-1150°C z szybkim chłodzeniem dla uzyskania jednorodnej struktury bez wydzieleń węglików chromu, co zapewnia maksymalną ochronę przed korozją międzykrystaliczną.

Staliwo CF3M należy do tej samej grupy stopów Cr-Ni-Mo co staliwo CF8M z wyjątkiem obniżonego stężenia węgla do maksymalnie 0,03%. Obniżone stężenie węgla umożliwia stosowanie staliwa na aplikacje wymagające spawania bezpośrednio na placu budowy, gdzie nie jest możliwe wykonanie obróbki cieplnej po spawaniu. Niskie stężenie węgla chroni przed wydzielaniem węglików w trakcie spawania i w efekcie tego przed korozją międzykrystaliczną. Struktura staliwa CF3M jest również austenityczna z pewnym udziałem ferrytu (zwykle 5-20%). Pod względem spawania, w odróżnieniu do staliwa CF8M, stop CF3M nie wymaga obróbki cieplnej po spawaniu, co wynika z niskiego udziału węgla i braku wydzieleń węglików chromu powodujących korozję międzykrystaliczną podczas spawania.

Pod względem własności mechanicznych w niskiej temperaturze ww. stopy tak jak ich odpowiedniki w grupie stali (1.4401/1.4404) wykazują wysoką udarność do temperatur kriogenicznych. Generalnie dla staliw typu CF8M udarność w temperaturze -196°C wynosi powyżej 60 J, podobnie dla CF3M, które wykazuje udarność >60 J w temperaturze -240°C. Pod względem własności mechanicznych w temperaturze pokojowej oba gatunki wykazują wytrzymałość na rozciąganie Rm=485 MPa, umowną granicę plastyczności Rp0,2=205 MPa i minimalne wydłużenie do zerwania 30%. Oba gatunki wykazują równorzędną odporność korozyjną, z wyjątkiem polepszonej odporności na korozję międzykrystaliczną w gatunku CF3M (tak jak w 1.4404) istotną w przypadku elementów spawanych.

Literatura

[1]. Norma ASTM A351/A351M, Standard Speciﬁcation for Castings, Austenitic, Austenitic-Ferritic (Duplex), for Pressure-Containing Parts

[2]. Steel Castings Handbook, Supplement 8 High Alloy Data Sheets Corrosion Series, Steel Founders' Society of America 2004, www.sfsa.org

[3]. Steel Castings Handbook, Supplement 7 Welding of High Alloy Castings, www.sfsa.org