Porównanie stali nierdzewnej 304 a 316
Stale nierdzewne są nieodłącznym elementem współczesnego przemysłu, budownictwa, branży spożywczej oraz wielu innych dziedzin, w których istotne jest połączenie wysokiej odporności na korozję i wytrzymałości mechanicznej. Wśród wielu rodzajów stali nierdzewnej szczególnie popularne są gatunki 304 oraz 316. Choć na pierwszy rzut oka mogą wydawać się podobne, różnią się kilkoma kluczowymi cechami, wpływającymi na zakres i charakter ich zastosowań.
Poniższy artykuł prezentuje techniczne porównanie stali nierdzewnej 304 (znana jest również jako stal nierdzewna A2 lub 1.4301) oraz 316 (znana jest również jako stal kwasoodporna A4 lub 1.4401), uwzględniając skład chemiczny, własności mechaniczne, odporność na korozję, a także przykłady zastosowań w różnych gałęziach przemysłu.
1. Klasyfikacja i ogólna charakterystyka
1.1. Seria stali nierdzewnych 300
Stale nierdzewne z serii 300 (zwane również stalami austenitycznymi) są najpowszechniejszymi materiałami nierdzewnymi w przemyśle. Charakteryzują się wysoką zawartością chromu (Cr) i niklu (Ni), a czasem dodatkowymi pierwiastkami, które mają na celu poprawę odporności na korozję oraz nadanie stali odpowiednich własności mechanicznych.
Stal 304 (określana niekiedy jako 18/8 – od zawartości 18% Cr i 8% Ni) to najbardziej rozpowszechniony typ stali nierdzewnej austenitycznej.
Stal 316 (zawierająca dodatkowo molibden, około 2–3%) jest rozwinięciem gatunku 304, oferując wyższą odporność na korozję w środowiskach agresywnych (szczególnie w obecności chlorków).
Podstawowe różnice w składzie chemicznym
| Składnik | Stal 304 (przykładowo) | Stal 316 (przykładowo) |
| Chrom (Cr) | ~18–20% | ~16–18% |
| Nikiel (Ni) | ~8–10.5% | ~10–14% |
| Molibden (Mo) | – (brak lub śladowe) | ~2–3% |
| Mangan (Mn) | Maks. 2% | Maks. 2% |
| Węgiel (C) | Maks. 0,08% | Maks. 0,08% |
| Krzem (Si) | Maks. 1% | Maks. 1% |
Najistotniejszą różnicą jest dodatek molibdenu w stali 316, który znacząco poprawia odporność na korozję, zwłaszcza korozję wżerową w środowiskach zawierających jony chlorkowe (np. słona woda, mgła solna, chlorki w procesach przemysłowych).
2. Właściwości mechaniczne i fizyczne
2.1. Właściwości mechaniczne
Wytrzymałość na rozciąganie (R_m) - oba gatunki zwykle osiągają wartości w zakresie 500–700 MPa (w zależności od stanu obróbki).
Granica plastyczności (R_p0,2) - dla stali 304 i 316 wynosi zazwyczaj ok. 200–300 MPa (także zależnie od wykończenia i sposobu walcowania).
Wydłużenie przy zerwaniu - zazwyczaj 40–50% (typowe dla stali austenitycznych), co świadczy o dobrej plastyczności materiału.
W praktyce różnice mechaniczne między 304 a 316 są stosunkowo niewielkie, a obie odmiany cechuje dobra ciągliwość oraz podatność na obróbkę plastyczną.
2.2. Właściwości fizyczne
Gęstość - około 7,9 g/cm³ dla obu gatunków.
Przewodność cieplna - stale austenityczne mają niższą przewodność cieplną w porównaniu z typowymi stalami węglowymi. Dla 304 i 316 wartości są zbliżone (ok. 16–17 W/m·K przy 100°C).
Współczynnik rozszerzalności cieplnej - podobny (ok. 16–17×10^-6 K^-1).
3. Odporność na korozję
3.1. Mechanizmy korozji
W stalach nierdzewnych główną barierę chroniącą przed korozją stanowi warstwa pasywna złożona głównie z tlenku chromu (Cr2O3) na powierzchni metalu. Dodatek niklu stabilizuje strukturę austenityczną, a w stali 316 – molibden dodatkowo wzmaga tę ochronę, zwłaszcza w przypadku oddziaływania agresywnych czynników korozyjnych.
3.2. Korozja wżerowa i szczelinowa
Stal 304 dobrze sprawdza się w środowisku nieagresywnym (np. warunki atmosferyczne, część zastosowań spożywczych). Wysoka odporność na ogólną korozję, lecz przy obecności chlorków (np. woda morska, sól drogowa, rozpylone mgły solne) może wystąpić korozja wżerowa.
Stal 316 dzięki dodatkowi molibdenu jest bardziej odporna na wżery korozyjne. Sprawdza się w środowisku nadmorskim, na platformach morskich, w instalacjach chemicznych, farbiarskich czy tam, gdzie występują chlorki.
3.3. Korozja międzykrystaliczna
Stale 304 i 316 zawierające węgiel poniżej 0,08% są z definicji odporne na korozję międzykrystaliczną w większości typowych warunków przemysłowych. W przypadku długotrwałego wygrzewania w temperaturze 450–850°C mogą jednak ulegać tzw. sensybilizacji (wytrącanie węglików w granicach ziaren). Dlatego, jeśli aplikacja wymaga długiego przebywania w tym zakresie temperatur, rozważa się wersje „L” (niskowęglowe): 304L lub 316L (zawartość węgla maks. 0,03%).
4. Obróbka i spawalność
4.1. Obróbka plastyczna
Oba gatunki (304 i 316) doskonale nadają się do:
głębokiego tłoczenia
gięcia
walcowania na zimno i gorąco
Dobra ciągliwość i plastyczność to główne cechy stali austenitycznych. W trakcie intensywnej obróbki na zimno może występować częściowa deformacja martenzytyczna, co wpływa na wzrost twardości i wytrzymałości.
4.2. Spawalność
Obie odmiany mają bardzo dobrą spawalność, jednak:
Zaleca się używanie dodatków spawalniczych o składzie zbliżonym do materiału bazowego (np. drutu austenitycznego z dodatkiem molibdenu przy spawaniu stali 316).
W niektórych przypadkach, aby uniknąć korozji międzykrystalicznej, stosuje się warianty L (304L, 316L) lub wykonuje się obróbkę cieplną (jeśli to możliwe), zwłaszcza w konstrukcjach narażonych na wysokie temperatury.
5. Zastosowania przemysłowe
5.1. Stal nierdzewna 304
Przemysł spożywczy - urządzenia kuchenne (zbiorniki, stoły, naczynia), browary, linie przetwórcze.
Elementy architektoniczne - balustrady, wykończenia wnętrz, fasady.
Przemysł chemiczny (umiarkowany) - zbiorniki, rurociągi w środowiskach niezawierających dużego stężenia chlorków.
Przemysł motoryzacyjny - części układów wydechowych, dekoracyjne wykończenia.
5.2. Stal nierdzewna 316
Przemysł morski i okrętowy - armatura pokładowa, zawory, elementy podwodne, konstrukcje narażone na kontakt z wodą morską.
Przemysł chemiczny - instalacje do transportu chemikaliów (zwłaszcza zawierających chlorki), aparatura laboratoryjna.
Farmacja i biotechnologia - reaktory, rurociągi, urządzenia w warunkach sterylnych, gdzie wymagana jest dodatkowa odporność.
Systemy sprężonego powietrza i gazu w środowiskach agresywnych, wymagających niezawodności w kontakcie z substancjami korozyjnymi.
6. Cena i dostępność
W większości przypadków stal 316 jest droższa od 304 – głównie z uwagi na dodatek molibdenu oraz wyższą zawartość niklu. Różnica cen może wynosić kilkanaście do kilkudziesięciu procent, zależnie od aktualnej sytuacji na rynku surowców.
Mimo wyższych kosztów, wybór stali 316 często jest ekonomicznie uzasadniony w aplikacjach wymagających większej odporności korozyjnej (szczególnie w agresywnym środowisku). W przeciwnym razie poniesione koszty napraw lub wymiany elementów mogą być znacznie wyższe niż różnica w cenie materiału.
Podsumowanie – jak wybrać odpowiedni gatunek?
Wybór między stalą 304 a 316 sprowadza się głównie do oceny środowiska korozyjnego i wymaganych parametrów wytrzymałościowych:
Jeśli środowisko nie jest bardzo agresywne (niskie stężenie chlorków, zwykłe warunki atmosferyczne, branża spożywcza bez kontaktu z silnymi kwasami):
o Stal 304 będzie wystarczająca i bardziej ekonomiczna.
Jeśli występują czynniki agresywne (wysokie stężenia chlorków, słona woda, intensywne związki chemiczne, środowisko morskie):
o Stal 316 zapewni wyraźnie lepszą ochronę przed korozją.
Dla konstrukcji spawanych narażonych na wysokie temperatury i ryzyko korozji międzykrystalicznej rozważyć trzeba warianty niskowęglowe (L): 304L lub 316L.
Opłacalność: czasem droższa stal 316 okazuje się tańsza w dłuższej perspektywie, eliminując koszty potencjalnych napraw i przestojów.
Wnioski
Stal 304 – najbardziej rozpowszechniona i uniwersalna stal nierdzewna austenityczna, doskonała do zastosowań w warunkach umiarkowanej korozyjności i tam, gdzie priorytetem jest korzystny stosunek jakości do ceny.
Stal 316 – gatunek posiadający wyższą odporność na wżery i korozję w środowiskach chlorkowych; lepszy wybór w krytycznych i wysoce korozyjnych warunkach, np. w przemyśle morskim, chemicznym czy farmaceutycznym.
Dobór konkretnego typu stali nierdzewnej powinien zawsze uwzględniać analizę docelowego środowiska pracy, czynniki eksploatacyjne oraz ocenę całkowitych kosztów (w tym potencjalne straty w przypadku awarii). Zarówno stal 304, jak i 316 cieszą się ogromną popularnością na rynku, a ich dostępność i szeroki wachlarz postaci (blachy, rury, pręty, kształtowniki) sprawiają, że każdy projektant, inżynier czy producent może w optymalny sposób dopasować materiał do wymagań danej aplikacji.
Bibliografia
1. PN-EN 10088-1:2014-12 Stale odporne na korozję – Część 1: Wykaz gatunków stali odpornych na korozję. Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa
2. PN-EN 10088-2:2014-12 Stale odporne na korozję – Część 2: Warunki techniczne dostawy blach i taśm ze stali odpornych na korozję przeznaczonych na ogólne zastosowania. Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa
3. ASTM A240 Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications. American Society for Testing and Materials (ASTM)
Atlas Steels Technical Handbook of Stainless Steels Comprehensive reference covering the properties, applications, and fabrication of stainless steels.
Outokumpu Stainless Steel Grades Katalog gatunków stali nierdzewnych, opisujący skład chemiczny, właściwości i typowe zastosowania.
ASM Specialty Handbook: Stainless Steels, ed. J. R. Davis Kompendium wiedzy na temat stali nierdzewnych, obejmujące analizę składu, właściwości mechanicznych i korozyjnych, a także metody obróbki i zastosowania.
Z. Kolenda, E. Łyczkowska, M. Babiński: Podstawy korozji i ochrony przed korozją Wprowadzenie do zjawisk korozyjnych w różnych rodzajach materiałów, ze szczególnym uwzględnieniem stali nierdzewnych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice
Materiałowe dane techniczne od producentów lub dystrybutorów stali nierdzewnych (np. Aperam, ThyssenKrupp, Sandvik, Acerinox) Katalogi produktowe, karty techniczne i zalecenia dotyczące obróbki, spawania oraz warunków eksploatacji stali 304 i 316.
Autor:
Anna Szubko
Projektant Instalacji
Pneumat.
Autor:
Anna Szubko
Projektant Instalacji
Pneumat.
