Stal nierdzewna 304 czy 316L: jaki gatunek wybrać do swoich detali?

Austenityczne stale nierdzewne 304 i 316L są najbardziej rozpowszechnione w detalach obrabianych, blachach i zespołach spawanych. Ich nazwa zmienia się w zależności od normy: amerykańskie oznaczenie AISI (304, 316L) oraz europejskie oznaczenie z EN 10088, numeryczne (1.4301…) lub według składu chemicznego. W produkcji w Europie na atestach materiałowych zwykle figuruje oznaczenie EN: proszę umieścić je na rysunku lub podać „dopuszczalny odpowiednik”.

Litera „L” oznacza low carbon. Gęstość wynosi około 7,9 g/cm³ dla 304 i 8,0 g/cm³ dla 316L: przy tej samej objętości masa jest niemal identyczna, a narzędzie do obliczania masy podaje ciężar materiału wyjściowego. Oba gatunki są niemagnetyczne w stanie wyżarzonym, ale mogą stać się lekko magnetyczne po obróbce plastycznej na zimno: magnes nie pozwala więc ich rozróżnić.

W stanie wyżarzonym oba gatunki mają zbliżone właściwości mechaniczne (minimalna granica plastyczności rzędu 200 MPa, przy dużym wydłużeniu): rozstrzyga więc rzadko wytrzymałość, a odporność na korozję. Żaden z nich nie hartuje się przez zahartowanie; twardość zwiększa tylko umocnienie odkształceniowe. Do wysokiej twardości trzeba sięgnąć po inne rodziny stali nierdzewnych, w szczególności martenzytyczne.

Stal nierdzewna odpiera korozję dzięki niezwykle cienkiej warstwie tlenku chromu, która odtwarza się na powietrzu. Jony chlorkowe (sól morska, sól do odśnieżania, podchloryn sodu, liczne środki czyszczące i dezynfekujące) atakują tę warstwę miejscowo i wywołują korozję wżerową lub szczelinową w szczelinach i pod osadami. Molibden w 316L wzmacnia warstwę wobec takich ataków.

Wskaźnik pozwala porównywać gatunki: PREN (pitting resistance equivalent number), obliczany na podstawie chromu, molibdenu i azotu. Jego typowe wartości wynoszą około 18 do 20 dla 1.4301 i 23 do 26 dla 1.4404. Im jest wyższy, tym lepiej gatunek opiera się wżerom, w tych samych warunkach.

Co to zmienia w zależności od zastosowania

• 304 wystarcza wewnątrz, w atmosferze bez chloru: kuchnia profesjonalna, meble, osłony, liczne części mechaniczne.
• 316L jest preferowany nad morzem, w środowisku morskim, w procesach chemicznych i farmaceutycznych oraz wszędzie tam, gdzie regularnie stosuje się czyszczenie lub dezynfekcję środkami chlorowymi.
• Powyżej 316L: i on ma swoje granice (długotrwałe zanurzenie w wodzie morskiej, chlorki w wysokiej temperaturze, wąskie szczeliny). Należy wtedy rozważyć stale dupleks, takie jak 1.4462, lub gatunki super-austenityczne.

Stan powierzchni liczy się tak samo jak gatunek: powierzchnia gładka i czysta jest odporniejsza niż chropowata lub zanieczyszczona.

Austenityczne stale nierdzewne obrabia się trudniej niż stal czy aluminium. Umacniają się odkształceniowo: materiał twardnieje pod narzędziem, jeśli to się ociera zamiast skrawać. Niska przewodność cieplna koncentruje ciepło na krawędzi skrawającej, a długie, wstęgowe wióry trudno się łamią. 316L jest zwykle nieco bardziej wymagający niż 304: bardziej ciągliwy, szybciej zużywa narzędzia.

Zakłady zajmujące się obróbką CNC kompensują to ostrymi, odpowiednio dobranymi narzędziami, niższymi prędkościami skrawania niż dla stali, dostatecznym posuwem pozwalającym skrawać pod strefą umocnioną, obfitym chłodzeniem i strategiami łamania wióra. Skutek: dłuższe czasy cyklu i wcześniejsza wymiana narzędzi, a więc wyższy koszt obróbki. Narzędzie do prędkości skrawania podaje punkt odniesienia do obliczania obrotów.

303 (1.4305), gdy korozja nie jest krytyczna

Do toczenia i obróbki automatowej w serii gatunek z siarką, 303 (1.4305), łatwiej łamie wióry i obrabia się wyraźnie szybciej. W zamian jego odporność na korozję jest mniejsza (siarczki sprzyjają wżerom), a spawanie nie jest zalecane. Nie zastępuje on 304 ani 316L w detalu spawanym lub narażonym na korozję, ale jeśli zastosowanie na to pozwala, może obniżyć cenę: warto zapytać zakład.

304 i 316L spawają się bardzo dobrze, zarówno metodą TIG, jak i MAG (patrz poradnik TIG, MIG, MAG czy elektroda otulona). Dwie kwestie wymagają uwagi.

• Uczulenie. W zakresie około 450 °C do 850 °C węgiel może łączyć się z chromem i tworzyć węgliki na granicach ziaren; metal ubożeje w chrom wokół spoiny i staje się podatny na korozję międzykrystaliczną. Wersje „L” (węgiel nie więcej niż 0,03 %) ograniczają to ryzyko: są naturalnym wyborem dla detali spawanych, zwłaszcza grubych. Gatunki stabilizowane tytanem, jak 316Ti (1.4571), są inną odpowiedzią.
• Odkształcenia. Austenityczne stale rozszerzają się o około 16 µm na metr i na kelwin, wobec 12 dla stali konstrukcyjnej, i trzykrotnie gorzej przewodzą ciepło: odkształcenia spawalnicze są większe, co wymaga mocowania, odpowiedniej kolejności spawania, a czasem szerszych tolerancji.

Po spawaniu nagrzana strefa ma barwne tlenki, mniej odporne na korozję niż zdrowy metal. Trawienie, a następnie pasywacja, przywracają warstwę ochronną. Narzędzia używane wcześniej do stali węglowej (szczotki, tarcze) zostawiają wolne żelazo i powodują rdzewienie: proszę wymagać narzędzi zarezerwowanych do stali nierdzewnej.

316L kosztuje więcej niż 304 przy zakupie materiału: molibden i nikiel są drogimi pierwiastkami stopowymi. Huty naliczają dopłaty stopowe, które zmieniają się co miesiąc: różnica między oboma gatunkami nie jest więc stała i nie podajemy jej. Proszę zapytać o cenę obu gatunków, zamiast ją zakładać.

Cena gotowego detalu zależy od wielu innych rzeczy niż kilogram materiału: dłuższy niż w stali czas obróbki, narzędzia, odkształcenia spawalnicze, wykończenia, kontrola. Przy małym detalu dodatkowy koszt materiału 316L może pozostać niewielki wobec kosztu obróbki; przy dużej blasze lub dużym materiale wyjściowym waży więcej. Pod względem dostępności 304 (lub 304L) i 316L są oferowane w blachach, prętach, rurach i kształtownikach u większości dystrybutorów; nietypowe formaty i gatunki specjalne wydłużają termin. Znaczenie ma też wykończenie blachy: szczotkowanie, polerowanie lub folia ochronna dodają koszt, którego cena za kilogram nie pokazuje.

Tabela podsumowuje różnice. Decyzję podejmuje się na podstawie środowiska pracy detalu, a nie przyzwyczajenia.

Prosta zasada: zacząć od 304 (lub 304L, jeśli detal jest spawany), a następnie przejść na 316L, jeśli ma kontakt z chlorkami, czyszczeniem chlorowym, środowiskiem morskim lub ostrzejszymi wymaganiami korozyjnymi. Zdarza się to często w przemyśle okrętowym i żeglarstwie, a także w przemyśle spożywczym, gdzie środki dezynfekcyjne często zawierają chlor.

Dwa przypadki wymagają ostrożności. W kontakcie z żywnością proszę to zaznaczyć: gatunek, stan powierzchni i wykończenie muszą spełniać obowiązujące wymagania (rozporządzenie (WE) nr 1935/2004 dotyczące materiałów przeznaczonych do kontaktu z żywnością). W zastosowaniach medycznych gatunek jest najczęściej określony w precyzyjnej specyfikacji: nie należy go zastępować „odpowiednikiem” bez zatwierdzenia.

• dokładne oznaczenie, najlepiej według EN (1.4301, 1.4307, 1.4404…), lub „304L albo 316L, dopuszczalny odpowiednik”;
• postać materiału wyjściowego: pręt okrągły, płaskownik, blacha (grubość, wykończenie powierzchni, np. 2B lub szczotkowana), rura;
• pożądany atest materiałowy (np. 3.1 według EN 10204), jedyny wiarygodny sposób sprawdzenia gatunku i wytopu: ani magnes, ani wygląd nie odróżniają 304 od 316L;
• środowisko pracy detalu: na zewnątrz, nad morzem, środki czyszczące, kontakt z żywnością;
• ewentualne spawanie, aby zakład wybrał wersję niskowęglową;
• wykończenia: trawienie, pasywacja, elektropolerowanie, stan powierzchni (Ra);
• tolerancje, ilości i termin.

Jeśli zastosowanie nie uzasadnia 316L, proszę o tym napisać: zakład będzie mógł zaproponować 304. Aby porównać stal nierdzewną z innymi materiałami, patrz poradnik materiały na detale obrabiane. W Meaflow dodanie zapytania jest bezpłatne i bez prowizji: porównują Państwo oferty kilku zakładów i rozmawiają przez komunikator przed dokonaniem wyboru.