309/309S奧氏體不銹鋼經(jīng)常被應用于高溫環(huán)境下的作業(yè)。其較高的鉻含量和鎳含量確保了良好的耐腐蝕性和抗氧化性，與奧氏體304 合金相比，它在室溫下強度要高一點
應用
高合金不銹鋼通常表現(xiàn)出良好高溫強度，抗蠕變性和抗環(huán)境腐蝕性。因此，它們被廣泛應用于熱處理行業(yè)的熔爐零部件，如：送帶，滾筒，爐頭，耐火墊板，吊管架等。這些等級也應用到化學加工行業(yè)，用于承載熱濃酸，氨水和二硫化物。在食物加工行業(yè)，這些等級用于與熱乙酸和檸檬酸接觸。
化學成分
除特別說明外，以下的化學成分是根據(jù)ASTM A167和ASTM A240標準。
309合金 309S合金
(UNS S30900) (UNS S30908)
C 0.2 0.08
Mn 2 2
P 0.045 0.045
S 0.03 0.03
Si 0.75 0.75
Cr 22.00 zui小值/24.00 zui大值 22.00 zui小值/24.00 zui大值
Ni 12.00 zui小值/15.00 zui大值 12.00 zui小值/15.00 zui大值
Fe 剩余部分 剩余部分
物理性能
密度 lbm/in3 g/cm3
68°F (20°C) 0.29 8.03
熱膨脹系數(shù) (min/in)•°F (mm/m)•°K
68 - 212°F
(20 - 100°C) 8.7 15.6
68 - 932°F
(20 - 500°C) 9.8 17.6
68 - 1832°F
(20 - 1000°C) 10.8 19.4
阻率 mW•in mW•cm
68°F (20°C) 30.7 78
1200°F (648°C) 45.1 114.8
導熱性 Btu/hr•ft•°F W/m•K
68 - 212°F
(20 - 100°C) 9 15.6
68 - 932°F
(20 - 500°C) 10.8 18.7
比熱 Btu/lbm•°F J/kg•K
32 - 212°F
(0 - 100°C) 0.12 502
導磁率(退火)1
200H 1.02
彈性系數(shù)(退火)2 psi GPa
受拉(E) 29 x 106 200
扭曲 (G) 11.2 x 106 77
短期機械性能
所有的抗拉試驗都是根據(jù)ASTM E8來完成的。表中的數(shù)據(jù)是若干個測試樣品（zui少2個樣品，zui多10個樣品）得出來測試結(jié)果的平均值。屈服強度是通過0.2%抵消方法得到的。塑性延伸通過一個2英寸的樣品來測量。
抗水溶液腐蝕
主要用于高溫環(huán)境下，可以有效利用它們的抗氧化性。但是，這些合金因為含鉻量和含鎳量高，對水溶液也具有一定的耐腐蝕性。
含鎳量高使這些合金對氯化物應力龜裂腐蝕的抵抗力比18-8不銹鋼稍好，盡管如此，但是309/309S奧氏體不銹鋼仍然容易受這種腐蝕的影響。
需要提高耐水溶液腐蝕的應用中，往往會用到309/309S，如：濃硝酸溶液中的作業(yè)，這種溶液中可能發(fā)生晶界擇優(yōu)腐蝕。
高溫抗氧化性
在多數(shù)情況下，金屬合金都會與周圍環(huán)境發(fā)生一定程度的化學反應。zui常見的化學反應就是氧化：金屬元素與氧氣結(jié)合，生成氧化物。不銹鋼通過鉻元素的局部氧化使其具有抗氧化性，在鉻元素局部氧化的過程中，可以形成一種非常穩(wěn)定的氧化物（Cr2O3 氧化鉻）。只要金屬的鉻含量充足，在金屬表面即可形成一層連續(xù)的氧化鉻綠，防止其他氧化物生成，并對金屬起到保護作用。氧化率是由帶點粒子的輸來控制的。當表面的銹皮越厚，氧化率就會大幅度下降，因為帶點粒子輸?shù)穆窂皆竭h。這個過程叫鈍化，也就是鈍化膜形成的過程。
奧氏體不銹鋼的抗氧化性可以通過鉻含量來推算。耐高溫的合金含鉻量至少20%（重量*）。用鎳成分代替鐵成分也通?？梢蕴峁┖辖鹪诟邷叵碌男阅?。309/309S是高合金材料，因此，具有相當好的抗氧化性。
已氧化的金屬樣品，其重量會有所增加，因為一定量的氧氣組合到產(chǎn)品的氧化膜。測量金屬抗氧化性的其中一種方法是：讓金屬在特定時間內(nèi)暴露在高溫環(huán)境下，然后測量其重量的變化。重量增加越多，表面氧化越嚴重。
氧化過程比簡單的銹皮增厚要復雜得多。散裂，或者說表面皮分離，是不銹鋼氧化過程中zui常見的問題。散裂通常表現(xiàn)為急速的重量損失。其他一些因素也會引起散裂，其中主要包括熱循環(huán)，機械損傷和氧化物過厚。
在氧化過程中，鉻以氧化鉻的形式存在于銹皮中。當氧化皮剝落時，未氧化的金屬暴露出來，因為新的氧化鉻的形成，材料的氧化率暫時升高。銹皮散裂到達一定程度，鉻含量的損失可能引起金屬的耐熱性降低，從而導致鐵氧化物和鎳氧化物快速增加，這種情況稱為破裂氧化。
高溫氧化可能導致銹皮揮發(fā)。在耐熱不銹鋼表面形成的氧化鉻，zui開始是Cr2O3 ，當溫度進一步升高時，會進一步氧化成具有高蒸汽壓力的CrO3 。氧化物此時分成兩部分：通過形成Cr2O3 使銹皮增厚，通過CrO3 的蒸發(fā)使銹皮變薄。zui終的趨勢是在增厚和變薄之間達到zui終的平衡，從而使銹皮處于恒定的厚度。銹皮揮發(fā)在溫度達到2000°F (1093°C)以上時，成為一個突出問題，在流動氣體的作用下，會進一步惡化。
其他形式的退化
除了氧氣以外，粒子在高溫環(huán)境下也可以引起不銹鋼的加速退化。硫的存在可以引起硫化腐蝕。不銹鋼的硫化腐蝕是一個復雜的過程，而且很大程度上受硫和氧氣含量以及硫的存在形式影響（比如：氣態(tài)，氧化硫，氫化硫）。鉻可以形成穩(wěn)定的氧化物和硫化物。在氧氣和含硫化合物共同存在的情況下，通常在外部形成氧化鉻層作為一個保護層阻止硫進入。然而，硫化腐蝕仍然可以在銹皮損壞和分離的方發(fā)生，在某些特定情況下，硫可以穿過氧化鉻，在金屬內(nèi)部形成硫化鉻。在含鎳量高（25%或者更高）的合金中，硫化作用增強。鎳和硫化鎳形成低熔點的共晶相，在高溫條件下，可能對材料造成嚴重的損壞。
環(huán)境中如果存在含碳量高的粒子，會導致碳元素進入金屬，隨后形成內(nèi)部碳化物。滲碳作用一般在溫度1470°F (800°C)以上發(fā)生。內(nèi)部滲碳金屬會引起機械性能和物理性能的改變。通常來說，氧氣可以通過在金屬表面形成保護膜來阻止碳進入。較高的鎳含量和硅含量都可以一定程度上減少滲碳作用。金屬粉塵是滲碳作用的一種特殊形式，通常在較低溫度范圍發(fā)生(660-1650°F or 350-900°C)。金屬粉塵可以通過一個復雜的機構把固體金屬轉(zhuǎn)換成石墨和金屬微粒的混合物，進而形成較深的小坑，zui終導致局部腐蝕。
在氮氣存在的情況下，可能發(fā)生滲氮作用。氧化物通常比氮化物穩(wěn)定，因此在含氧的大氣環(huán)境中，通常形成氧化皮。這層保護膜可以很好阻擋氮進入，因此在大氣環(huán)境和氣態(tài)的燃燒產(chǎn)物環(huán)境下，幾乎不用考慮滲氮作用的影響。在純氮環(huán)境下，尤其是在干燥，裂化氨氣環(huán)境下，氧含量非常低，就可能發(fā)生滲氮作用。在相對低溫的情況下，在金屬表面可以形成氮化膜。在1832°F或1000°C)以上高溫情況下，氮的擴散性可以迅速滲透金屬，在晶界生成內(nèi)部氮化物，影響金屬的機械性能。
金相的不穩(wěn)定性，高溫暴露時形成新的金相，都可以反過來影響機械性能和降低耐腐蝕性。當奧氏體不銹鋼在溫度范圍800-1650°F (427-899°C)緩慢冷卻時，碳化物粒子常常在晶界沉淀（敏化作用）。鉻和鎳的含量越高，碳的可溶性就越低，也就是說更容易受敏化作用影響。在這個溫度范圍，*用強制淬火冷卻，尤其是對于較厚的材料。隨著碳含量的降低，形成碳化鉻的時間和溫度就增加。因此，這些合金的低碳等級對敏化具有較好的抵抗力，但是并不是可以*避免敏化作用的影響。當加熱溫度*達到1200-1850°F (649-1010°C)，309/309S在室溫下的延展性會降低，這是因為西格瑪相和碳化物的影響。西格瑪相通常在晶界形成并影響金屬的延展性。這種副作用可以通過在溫度重退火來消除。
高溫退化很多程度受大氣和其他作業(yè)環(huán)境影響。一般的氧化數(shù)據(jù)通常只能用于對不同合金相對抗氧化性的估計。如果有需要，森邁爾鋼鐵公司，可以為您提供具體應用的抗氧化性數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。
加工特性
309/309S不銹鋼因其耐高溫和抗氧化性能，被廣泛應用于熱處理/加工行業(yè)。也因為這樣，這些合金常被加工成復雜結(jié)構。碳鋼的加工性通常被認為是金屬成型操作中的標準。奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出來的性能和碳鋼大不相同：奧氏體不銹鋼更難加工，變硬的速度非?？?。盡管這并不會改變我們一般用的加工方法，如：切割，機械加工，成型等，但是這些特性卻影響這些加工方法的具體細節(jié)。
切割和機械加工普通軟鋼的標準技術，稍作調(diào)整后也可用于加工奧氏體不銹鋼。但是奧氏體不銹鋼更難加工，變硬的速度非常快。加工過程中產(chǎn)生的碎片細且硬，并保留著相當好的延展性。加工用的道具應保持鋒利和堅硬。對于硬化區(qū)域，一般采用深度和慢速切割。由于奧氏體不銹鋼的導熱性低和熱膨脹系數(shù)高，在切割和機械加工的過程中，必須考慮排熱和尺寸公差。
奧氏體不銹鋼可通過彎曲，拉伸成形，滾扎成形，錘打成形，擴口加工/凸緣加工，旋轉(zhuǎn)，精抽，液壓成形等方法達到冷作成形。在加工過程中，奧氏體不銹鋼容易硬化，表現(xiàn)為加工過程中要不斷增大加工的力量。這就意味著需要用更強大的成形設備并且zui終限制了成型度。
因為各種環(huán)境和金相的因數(shù)，用于309/309S熱作的溫度范圍相對較窄。鍛造的初始溫度范圍是1800-2145°F (980-1120°C)，結(jié)束溫度不能低于1800°F (980°C)。在過高的溫度下加工，因為環(huán)境和金相的因素，尤其是鐵素體的生成，會導致合金的熱塑性下降。在過低的溫度下加工，形成脆片第二相，如：西格瑪相。鍛造后，鍛件需迅速冷卻到暗熱。
焊接
奧氏體等級被認為是不銹鋼中zui容易焊接的等級。它們可以通過所有常見的方法進行焊接。309/309S也是如此。如果需要填充焊料，一般要選成分匹配的。因為這個等級的合金含量提高，可以降低熔池的流動性。如果熔池的流動性仍然需要降低，可以采用含硅的焊料(如 ER309Si, ER309LSi)。
309/309S的熱膨脹系數(shù)較高，導熱性較低，在固化的焊接金屬中會形成少量的鐵素體，可能導致熱裂紋。這個問題在防脫焊口，寬焊口可能更嚴重。低合金含量的焊料(如ER308)可以增加堆焊中的鐵素體從而降低熱裂紋的趨勢?；附饘俚某煞直幌♂尯?，可能降低該金屬焊口處的耐腐蝕性和耐熱性。
S等級的含碳量相對較低。焊接得當?shù)脑挘惶赡馨l(fā)生熱影響區(qū)的粒間腐蝕。去除回火色和銹皮可恢復焊口附近的耐腐蝕性。采用不銹鋼刷研磨和刷洗，可以去除回火色和銹皮。酸洗也可去除銹皮。小件的材料可以放入槽中酸洗，大件的材料，可以采用特制的硝酸，氟化氫酸，鹽酸的混合物來局部清洗。酸洗以后，要用清水*洗掉酸洗的殘留物。
熱處理/退火
對這些合金進行退火的主要原因是產(chǎn)生一個再結(jié)晶的微細結(jié)構，達到均勻晶粒度，分解有害的碳化鉻沉淀物。要確保*退火，必須把材料置于2050-2150°F (1120-1175°C)溫度范圍內(nèi)每英寸厚度所需時間約30分鐘。這僅僅是一般的做法。特殊的情況可能需要特殊的處理方法。適當退火后，這些等級在室溫下主要是奧氏體，少量的鐵素體也可能存在。
309/309S在空氣退火過程中產(chǎn)生氧化皮是不可避免的。銹皮中含有豐富的鉻并且具有一定的附著性。通常來說，在進一步加工之前都要把退火銹皮去除。去除銹皮有兩種方法：機械方法和化學方法。表面噴砂和化學除銹二者相結(jié)合通常是去除所有頑固銹皮zui有效的方法。硅砂，玻璃微珠是很好的噴砂材料。也可以采用鐵粒，鋼粒，但是這可能引起游離鐵進入金屬的表面，進而引起表面生銹或變色。
化學除銹通常采用硝酸和氫氟酸的混合物?；瘜W槽液和加工溫度通常視實際情況而定。常用的槽液包括5-15%HNO3 (65%初始強度) 和 _-3% HF (60% 初始強度)的水溶液。濃度過高的氫氟酸會導致除銹過猛。槽液溫度通常從室溫到140°F (50°C)。 溫度過高會導致除銹過快，槽液侵蝕晶界，進而造成金屬表面出現(xiàn)凹槽。酸洗以后，要用清水*洗掉酸洗的殘留物，然后干燥，避免金屬表面出現(xiàn)斑漬。
309/309S在室溫下呈現(xiàn)奧氏體結(jié)構，因此不能通過熱處理達到硬化。通過熱作或冷作，可以達到更高的機械強度，但是這些等級通常達不到這種狀態(tài)。通過冷作，也可以獲得更好的抗拉強度和屈服強度，冷作后如果不退火，這些性能在高溫下就不穩(wěn)定，而這些合金往往是用于高溫作業(yè)。如果在高溫環(huán)境下使用冷作后的材料，卻剛好相反，會影響材料的蠕變性能。
