Acciaio inossidabile 321H (UNS S32109): grado stabilizzato al titanio ad alto tenore di carbonio per servizio a temperature elevate

321H appartiene alla famiglia degli austenitici stabilizzati al titanio. Il suffisso H denota un intervallo di carbonio controllato pari a 0,04-0,10%, che è superiore al massimo dello 0,08% dello standard 321. Il carbonio extra si combina con il titanio per formare più carburi di titanio e tali carburi limitano lo scorrimento lungo i bordi dei grani a temperature elevate, aumentando la resistenza allo scorrimento e la durata alla rottura per sollecitazione.. 321H è quindi specificato laddove le parti saldate o formate a freddo devono sostenere il carico a 800-900 gradi. Designazioni: UNS S32109, ASTM A240 Tipo 321H, ASTM A213 TP321H, JIS SUS321H, precedente DIN X10CrNiTi18-10. All'interno della EN 10088 il grado standard più vicino è 1.4541 (X6CrNiTi18-10), che copre la composizione base 321.

Composizione chimica secondo ASTM A240

I limiti riportati di seguito si applicano a piastre, fogli e nastri secondo ASTM A240 Tipo 321H; la forma tubolare TP321H secondo ASTM A213 presenta gli stessi requisiti.

Proprietà meccaniche

Allo stato ricotto, il 321H soddisfa le stesse proprietà di temperatura ambiente minima del 321.

Il vantaggio del 321H si manifesta alla temperatura: i carburi di titanio più fini e numerosi aumentano il carico di snervamento a 850 gradi di circa il 15-20% rispetto al 321 e migliorano la durata alla rottura da stress a 800-900 gradi, che è la base per il suo utilizzo nei tubi del surriscaldatore e del postriscaldatore delle caldaie.

Prestazioni ad alta temperatura

321H viene applicato per un servizio continuo fino a circa 900 gradi in atmosfere ossidanti e leggermente corrosive, tra 321 a circa 870 gradi e 309S a circa 980 gradi. I codici di progettazione trattano la designazione H in modo diverso dal grado base: le regole sui recipienti a pressione consentono il 321H a temperature più elevate del 321 perché i suoi dati di scorrimento sono documentati e i suoi carburi rimangono stabili. A 850 gradi, il 321H mostra una deformazione da scorrimento sostanzialmente inferiore rispetto al 321 a parità di sollecitazione e tempo, motivo per cui i tubi del surriscaldatore in questo intervallo vengono normalmente specificati come TP321H. La stabilizzazione del titanio preserva inoltre la resistenza alla corrosione intergranulare dopo la saldatura, poiché il contenuto di titanio viene ridotto in carbonio a una temperatura minima di 5×C, quindi non si formano zone impoverite di cromo ai bordi dei grani.

Fabbricazione e saldatura

Il 321H salda con gli stessi processi del 321, ma il contenuto di carbonio più elevato richiede disciplina. Utilizzare un riempitivo stabilizzato corrispondente, come un riempitivo contenente titanio per 321H, perché un riempitivo non stabilizzato reintroduce il rischio di sensibilizzazione; mantenere l'apporto di calore basso e la temperatura di interpass inferiore a circa 150 gradi; e pulire accuratamente le superfici dei giunti perché il titanio si ossida facilmente e si perde dal bagno di saldatura. La flessione richiede una forza maggiore di 321 a causa del maggiore carico di snervamento e le parti fortemente formate a freddo devono essere ricotte in soluzione prima del servizio ad alta temperatura. La lavorazione procede circa il 10-15% più lentamente rispetto al 321 a causa della maggiore durezza e si consiglia l'utilizzo di utensili in metallo duro. La ricottura post-fabbricazione a circa 950-1120 gradi seguita da un rapido raffreddamento ripristina la piena duttilità e le prestazioni di scorrimento viscoso.

Candidature e selezione

I componenti tipici del 321H sono i tubi del surriscaldatore e del riscaldatore della caldaia, le tubazioni del vapore, gli interni della turbina, gli elementi del forno per carichi pesanti, i soffietti di espansione e qualsiasi parte saldata che sopporta sollecitazioni a 800-900 gradi. Guida alla selezione: utilizzare lo standard 321 al di sotto di circa 870 gradi dove le sollecitazioni sono basse e i costi sono importanti; utilizzare 321H dove la parte deve sostenere il carico a 800-900 gradi; e considerare 347H dove sono richieste resistenza allo scorrimento viscoso e stabilità al carburo di niobio ancora più elevate, o 309S/310S dove domina la resistenza allo scaling superiore a 900-1000 gradi. Nelle atmosfere di combustione ricche di zolfo, i gradi stabilizzati al titanio sono generalmente preferiti rispetto ai gradi stabilizzati al niobio perché il niobio può formare solfuri fragili.

Domande frequenti

D1: Perché un contenuto di carbonio più elevato migliora il 321H ad alta temperatura?A1: Lo 0,04-0,10% di carbonio reagisce con il titanio per formare più carburi di titanio rispetto al 321. Questi carburi fini fissano i confini dei grani e rallentano la diffusione atomica che determina lo scorrimento, aumentando la resistenza allo snervamento a 850 gradi di circa il 15-20% ed estendendo la durata della rottura da stress.

Q2: 321H mantiene la resistenza alla corrosione di 321?R2: Sì. Il titanio è specificato a un minimo di 5 × C, quindi per lo 0,10% di carbonio il titanio minimo è 0,50%, che lega essenzialmente tutto il carbonio e previene le zone impoverite di cromo. La resistenza alla corrosione intergranulare dopo la saldatura corrisponde a 321.

Q3: Qual è la temperatura massima di servizio di 321H?R3: Il servizio continuo è generalmente limitato a circa 900 gradi in atmosfere ossidanti. Tra 870 gradi e 900 gradi, 321H è preferito rispetto a 321 per le parti portanti; sopra i 900 gradi considerare 309S, 310S o 347H a seconda dello stress e dell'atmosfera.

Q4: Come viene saldato il 321H?A4: Con GTAW, GMAW o SMAW con riempitivo stabilizzato con cuscinetto in titanio, basso apporto di calore, temperatura di interpass inferiore a circa 150 gradi e facce del giunto pulite. Il trattamento termico post-saldatura non è richiesto per la resistenza alla corrosione.

Q5: Qual è l'equivalente EN di 321H?A5: La EN 10088 non definisce un grado H; il grado EN 10088 più vicino è 1.4541 (X6CrNiTi18-10), che corrisponde allo standard 321. La designazione H esiste in ASTM A240, ASTM A213, ASME SA-240 e SA-213 e in JIS come SUS321H.

Q6: Quando dovrei scegliere 321H invece di 347H?A6: Scegli 321H per un servizio di carico da 800-900 gradi dove i costi contano e la saldatura è semplice; 321H è in genere più economico di 347H. Scegliere il 347H laddove la massima resistenza allo scorrimento viscoso e la stabilità del carburo di niobio giustificano il prezzo più elevato e notare che il 321H è solitamente preferito in atmosfere ricche di zolfo.