1Cr18Ni9Ti vs 0Cr18Ni9 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Ingenieure und Beschaffungsteams stehen oft vor der Wahl zwischen zwei nahen Edelstahlgüten: 1Cr18Ni9Ti und 0Cr18Ni9. Die Entscheidung balanciert typischerweise die Korrosionsleistung nach dem Schweißen oder der Hochtemperatureinwirkung, die Einschränkungen bei der Verarbeitung und Schweißbarkeit sowie die Lebenszykluskosten. In vielen Anwendungen besteht der Kompromiss zwischen verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion und metallurgischer Stabilität (bei leicht höheren Materialkosten) im Vergleich zu breiter Verfügbarkeit und niedrigeren Kosten für allgemeine austenitische Edelstähle.
Der wesentliche metallurgische Unterschied liegt in der Kohlenstoffkontrolle und der Stabilisierungstrategie: Eine Güte ist absichtlich mit Titan stabilisiert, um die Karbidniederschläge an Korngrenzen zu mindern, während die andere die gängige austenitische Chrom-Nickel-Güte mit standardmäßigen Kohlenstoffgrenzen ist. Dieser Unterschied beeinflusst ihr Verhalten während des Schweißens, im Hochtemperaturbetrieb und in korrosionsanfälligen Umgebungen.
1. Standards und Bezeichnungen
- Gemeinsame internationale Äquivalente:
- 1Cr18Ni9Ti ≈ AISI/UNS 321 (titan-stabilisierten austenitischen Edelstahl)
- 0Cr18Ni9 ≈ AISI/UNS 304 (standard 18/8 austenitischer Edelstahl)
- Standards, in denen diese Güten erscheinen: GB (chinesisch), ASTM/ASME (AISI/UNS-Äquivalente), EN (EN 1.4541 für 321, EN 1.4301 für 304), JIS und ISO.
- Klassifikation: beide sind austenitische Edelstähle (keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA). Sie sind legierte Edelstähle mit Chrom und Nickel als Hauptlegierungselementen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Im Folgenden sind typische Zusammensetzungsbereiche in Gewichtsprozent für die häufig referenzierten Äquivalente (AISI 321 für 1Cr18Ni9Ti und AISI 304 für 0Cr18Ni9) aufgeführt. Exakte Grenzen hängen vom Standard und Hersteller ab; konsultieren Sie immer das Materialzertifikat.
| Element | 1Cr18Ni9Ti (typische Bereiche, Gew.% ) | 0Cr18Ni9 (typische Bereiche, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (stabilisiert durch Ti) | ≤ 0.08 (Standardgüte) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17.0–19.5 | ~17.0–19.5 |
| Ni | ~8.0–10.5 | ~8.0–10.5 |
| Mo | — (in der Regel keiner) | — (in der Regel keiner) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | ~0.5–0.7 (Stabilisator) | — |
| B | Spuren | Spuren |
| N | Spuren bis ~0.1 | Spuren bis ~0.1 |
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt - Chrom (Cr): Hauptbeitrag zur Bildung der passiven Schicht und allgemeinen Korrosionsbeständigkeit. - Nickel (Ni): stabilisiert die austenitische Phase, verbessert Zähigkeit und Duktilität. - Kohlenstoff (C): erhöht die Festigkeit, kann jedoch mit Chrom reagieren, um Chromkarbide an Korngrenzen zu bilden, wenn es Temperaturen von 450–850°C ausgesetzt ist; diese Sensibilisierung verringert die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion. - Titan (Ti): bindet Kohlenstoff (und Stickstoff), indem es stabile Titankarbide/Nitriden bildet, verhindert die Niederschläge von Chromkarbiden und verbessert die Korrosionsleistung nach dem Schweißen sowie die Hochtemperaturstabilität. - Nebenelemente (Mn, Si, N) stimmen die mechanischen und korrosiven Eigenschaften ab; Mo und Nb sind in diesen beiden Güten nicht vorhanden, es sei denn, sie sind spezifiziert.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Basis-Mikrostruktur: Beide Güten sind im standardmäßig geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter).
- 0Cr18Ni9 (304): Im geglühten Zustand ist die Mikrostruktur homogene Austenit. Wenn sie über längere Zeiträume Temperaturen ausgesetzt wird, die zur Sensibilisierung führen (ungefähr 450–850°C) – wie bei bestimmten Schweißzyklen – kann Kohlenstoff mit Chrom reagieren, um Chromkarbide an Korngrenzen zu bilden. Dies führt zu einer lokalen Abnahme von Chrom und einer Anfälligkeit für interkristalline Korrosion.
- 1Cr18Ni9Ti (321): Die Anwesenheit von Titan fördert die Bildung von Titankarbiden/Nitriden, die bevorzugt Kohlenstoff und Stickstoff verbrauchen, wodurch die Bildung von Chromkarbiden während der thermischen Einwirkung verringert wird. Die austenitische Matrix bleibt stabilisiert, was die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Angriffe nach dem Erhitzen und Schweißen verbessert.
- Wärmebehandlung: Beide Güten werden in der Regel im geglühten Zustand geliefert. Sie werden nicht durch konventionelle Abschreck- und Anlasverfahren (wie martensitische Stähle) gehärtet. Standardbehandlungen:
- Die Lösungsglühen gefolgt von schnellem Abkühlen stellt die Korrosionsbeständigkeit wieder her (löst Karbide auf).
- Für 0Cr18Ni9 werden niedriglegierte Varianten oder Lösungsglühen + Abschrecken verwendet, um die Sensibilisierung zu mindern.
- Für 1Cr18Ni9Ti reduziert der stabilisierende Ti-Gehalt die Notwendigkeit für eine nach dem Schweißen durchgeführte Lösungsglühen zur Vermeidung von interkristalliner Korrosion, jedoch ist Vorsicht beim Schweißen und der Verarbeitung weiterhin wichtig.
- Thermomechanische Bearbeitung (Kaltverformung, Glühen) beeinflusst Festigkeit und Duktilität ähnlich in beiden Güten; Kaltverformung erhöht die Festigkeit und verringert die Duktilität.
4. Mechanische Eigenschaften
Typische mechanische Eigenschaften (geglühter Zustand) sind für die beiden Güten ähnlich; die titan-stabilisierte Güte wird mehr wegen der metallurgischen Stabilität als wegen großer Unterschiede in den statischen mechanischen Eigenschaften ausgewählt.
| Eigenschaft (typisch, geglüht) | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | ~500–700 MPa | ~500–700 MPa |
| Streckgrenze (0.2% Nachweis) | ~200–300 MPa | ~200–300 MPa |
| Dehnung (A%) | ~40% (gute Duktilität) | ~40% (gute Duktilität) |
| Schlagzähigkeit | Gut bei Umgebungstemperaturen; bleibt bis zu moderaten subzero Temperaturen zäh | Gut bei Umgebungstemperaturen |
| Härte | Relativ niedrig (typische HB/HRB-Werte, die mit geglühtem austenitischen Edelstahl übereinstimmen) | Ähnlich wie 1Cr18Ni9Ti |
Interpretation - Keine der Güten wird primär wegen überlegener statischer Festigkeit ausgewählt; beide bieten ein Gleichgewicht von Festigkeit und Duktilität, das typisch für austenitische Edelstähle ist. - 1Cr18Ni9Ti bietet marginale Vorteile in der Kriechbeständigkeit und Stabilität während längerer Hochtemperatureinwirkung, da Titan Karbide stabilisiert und die Niederschläge an Korngrenzen verringert. - Die Zähigkeit ist im Allgemeinen vergleichbar; Unterschiede sind anwendungsabhängig und nicht groß.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von austenitischen Edelstählen ist im Allgemeinen ausgezeichnet, aber der Kohlenstoffgehalt und die Stabilisierung beeinflussen die Anfälligkeit für Sensibilisierung und Heißrissbildung.
Verwendete Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Lochkorrosion oder Schweißbarkeitsindex: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation - 0Cr18Ni9: Konventionelle Legierung und Kohlenstoffgehalt machen es schweißbar mit standardmäßigen austenitischen Schweißverfahren. Das Schweißen kann jedoch sensibilisierte Zonen erzeugen, wenn das Material im Bereich von 450–850°C verbleibt; Lösungsglühen oder die Verwendung von niedriglegierten Varianten (z.B. 304L) ist eine Minderung. - 1Cr18Ni9Ti: Titan verringert die Tendenz zur Bildung von Chromkarbiden und verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach dem Schweißen. Die Schweißverfahren sind ansonsten ähnlich; Vorwärm- und Interpass-Temperaturen sollten gemäß den Standardpraktiken kontrolliert werden, um übermäßiges Kornwachstum zu vermeiden. - Beide Güten sind anfällig für Heißrisse, wenn die Schweißmetallzusammensetzung und die Schweißparameter nicht kontrolliert werden; die Auswahl des Zusatzmaterials und gute Schweißpraktiken mindern diese Risiken. - Für kritische korrosive Umgebungen sollten niedriglegierte (L) Güten oder stabilisierte Güten (Ti/Nb) in Betracht gezogen werden, um Sensibilisierungsrisiken zu vermeiden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Beide Güten verlassen sich auf die chromangereicherte passive Schicht für Korrosionsbeständigkeit in oxidierenden Umgebungen.
- Für lokale Korrosionsindizes (PREN) lautet die übliche Formel: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Da keine der Güten typischerweise Molybdän enthält und der Stickstoffgehalt niedrig ist, sind die PREN-Werte bescheiden; diese Güten sind im Vergleich zu Mo-haltigen Duplex- oder superaustenitischen Legierungen nicht für aggressive Chloridpittingbeständigkeit optimiert.
- 0Cr18Ni9 (304): gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen, milden chemischen und Lebensmittelkontaktumgebungen. In Chloridumgebungen ist es anfällig für Pitting- und Spaltkorrosion, abhängig von der Chloridkonzentration und Temperatur.
- 1Cr18Ni9Ti (321): ähnliche allgemeine Korrosionsbeständigkeit wie 304, aber bessere Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen aufgrund der Titanstabilisierung.
- Oberflächenschutz für nicht-eisenhaltige oder wo verbesserte Leistung erforderlich ist:
- Nicht-eisenhaltige Stähle erfordern Verzinkung, Lackierung oder Beschichtung.
- Für 304 oder 321 verbessern Oberflächenbehandlungen (Elektropolieren) und Passivierungsbehandlungen die Korrosionsbeständigkeit; für aggressive Chloridumgebungen sollten Mo-haltige Güten (z.B. 316) gewählt oder Beschichtungen aufgetragen werden.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen weniger bearbeitbar als Kohlenstoffstähle aufgrund der hohen Kaltverfestigung. Zwischen 1Cr18Ni9Ti und 0Cr18Ni9 ist die Bearbeitbarkeit vergleichbar; leichte Variationen können durch die Korngröße und geringfügige Legierungen entstehen.
- Formbarkeit: Beide Güten haben eine ausgezeichnete Formbarkeit und können im geglühten Zustand tiefgezogen, gebogen oder kaltgeformt werden.
- Schweißen und Nachbearbeitung: 1Cr18Ni9Ti reduziert in einigen Fällen die Notwendigkeit für kostspieliges nach dem Schweißen durchgeführtes Lösungsglühen aufgrund der Stabilisierung, was den Durchsatz für geschweißte Baugruppen verbessert, die empfindlich gegenüber interkristalliner Korrosion wären.
- Oberflächenfinish: Beide reagieren gut auf Polieren und Passivierung; titan-stabilisierte Legierungen erfordern möglicherweise besondere Aufmerksamkeit, um sicherzustellen, dass Ti-reiche Niederschläge nicht auf Oberflächen zurückbleiben, wo sie das Finish beeinträchtigen könnten.
8. Typische Anwendungen
| 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|
| Auspuffkrümmer, Ofenteile und Flugzeugrohre, wo eine Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen und zyklischer Erwärmung auftritt | Küchengeräte, Lebensmittelverarbeitung, architektonische Anwendungen, Tanks und Rohrleitungen für milde Chemikalien |
| Komponenten von Chemieanlagen, die thermischen Zyklen ausgesetzt sind oder geschweißte Strukturen, bei denen nach dem Schweißen Sensibilisierung ein Anliegen ist | Verbrauchsgüter, Befestigungselemente und allgemeine Strukturkomponenten in nicht-chloridhaltigen Umgebungen |
| Automobil- und Luftfahrtkomponenten, die hochtemperaturoxidation ausgesetzt sind | Wärmetauscher, Lagertanks und Fertigung, wo Kosten und Verfügbarkeit 304 begünstigen |
Auswahlbegründung - Wählen Sie die Ti-stabilisierte Güte, wenn der Dienst wiederholte thermische Ausflüge durch den Sensibilisierungsbereich umfasst oder wenn nach dem Schweißen Korrosionsbeständigkeit ohne kostspieliges Lösungsglühen erforderlich ist. - Wählen Sie die unstabilisierte, gängige Güte, wenn allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Kosten und Beschaffungsfreundlichkeit die Hauptanliegen sind und die Betriebsbedingungen voraussichtlich keine Sensibilisierung verursachen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- 0Cr18Ni9 (304) ist einer der häufigsten Edelstähle weltweit – weit verbreitet in Blech, Platten, Rohren, Stangen und geschweißten Komponenten, in der Regel kostengünstiger als stabilisierte Varianten.
- 1Cr18Ni9Ti (321) ist weit verbreitet, wird jedoch typischerweise etwas teurer als 304 angeboten, aufgrund des hinzugefügten Titans und seiner ausgeprägten Nische in Hochtemperatur-/geschweißten Anwendungen.
- Lieferüberlegungen: Beide werden in standardmäßigen Walzformen produziert; für kritische Lieferzeiten oder für ungewöhnliche Produktformen (dicke Platten, große Schmiedeteile) wird eine Beschaffungsplanung empfohlen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle
| Attribut | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Sehr gut; bessere Korrosionsstabilität nach dem Schweißen aufgrund von Ti | Sehr gut; Risiko der Sensibilisierung, es sei denn, kontrolliert |
| Festigkeit–Zähigkeit | Vergleichbar; beide zeigen gute Duktilität und Zähigkeit | Vergleichbar |
| Kosten | Moderater Aufpreis gegenüber 304 | Wirtschaftlicher und hoch verfügbar |
Abschließende Empfehlungen - Wählen Sie 1Cr18Ni9Ti, wenn: - Das Bauteil zyklischen thermischen Einwirkungen im Sensibilisierungsbereich ausgesetzt ist, oder - Nach dem Schweißen interkristalline Korrosion ein Anliegen ist und Lösungsglühen unpraktisch ist, oder - Verbesserte Hochtemperaturstabilität/Kriechbeständigkeit erforderlich ist. - Wählen Sie 0Cr18Ni9, wenn: - Die Anwendung breite Verfügbarkeit und niedrigere Materialkosten erfordert und - Betriebsbedingungen nicht erwartet werden, die Karbidniederschläge an Korngrenzen verursachen (oder Minderungstrategien – 304L, Lösungsglühen – verwendet werden, wenn nötig).
Letzte Anmerkung Bestätigen Sie die genauen chemischen und mechanischen Grenzen mit dem geltenden Standard und dem Walzzertifikat für das gekaufte Material. Für kritische Designs spezifizieren Sie entweder eine stabilisierte Güte (Ti oder Nb) oder eine niedriglegierte (L) Variante und dokumentieren Sie erforderliche Nachbehandlungen oder Fertigungssteuerungen in den Beschaffungs- und Fertigungsspezifikationen.