304 vs 316Ti – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Austenitische Edelstahllegierungen 304 und 316Ti sind zwei der am häufigsten spezifizierten Legierungen in Prozessanlagen, Rohrleitungen, Architektur und gefertigten Komponenten. Ingenieure und Beschaffungsfachleute wägen häufig die Kompromisse zwischen Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitungsverhalten, Materialkosten und langfristiger Leistung ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl einer Sorte für leicht korrosive Umgebungen, in denen Kosten und Formbarkeit wichtig sind (bevorzugt 304), im Gegensatz zu korrosiven oder hochtemperaturbeständigen Anwendungen, bei denen Sensibilisierung oder Lochkorrosionsbeständigkeit entscheidend sind (bevorzugt stabilisierte 316-Varianten).

Der primäre metallurgische Unterschied besteht darin, dass 316Ti eine titan-stabilisierte Version der 316-Familie ist: Titan wird absichtlich hinzugefügt, um Kohlenstoff als Titanide (TiC/TiN) zu binden und die Ausfällung von Chromkarbiden (Sensibilisierung) an den Korngrenzen zu hemmen. Diese Stabilisierung verbessert die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion nach der Exposition gegenüber sensibilisierenden Wärmebehandlungen und kann die Hochtemperaturstabilität verbessern, während die allgemeinen Eigenschaften von 316 Edelstahl beibehalten werden.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen:
• ASTM / ASME: Typ 304 (UNS S30400), Typ 316Ti (UNS S31635)
• EN: 304 (1.4301), 316Ti (1.4571)
• JIS: SUS304, SUS316Ti
• GB (China): 0Cr18Ni9 (304), 0Cr17Ni12Mo2Ti (316Ti)
• Materialklasse: Beide sind austenitische Edelstähle (rostfrei, nicht magnetisch im geglühten Zustand). Sie sind weder Kohlenstoffstähle noch HSLA; sie gehören zur Familie der rostfreien Legierungen, die für Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit gedacht sind, anstatt durch Abschrecken/Anlassen durchgehärtet zu werden.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Hinweise: - Die oben genannten Bereiche spiegeln gängige industrielle Spezifikationen (EN/ASTM/JIS) und typische kommerzielle Praktiken wider. Exakte zulässige Bereiche hängen von der Norm und der Produktform ab. - 316Ti unterscheidet sich von Standard 316 hauptsächlich durch die absichtliche Zugabe von Titan in einer Menge, die typischerweise mit dem Kohlenstoffgehalt in Beziehung steht (genug Ti, um mit freiem Kohlenstoff zu reagieren).

Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Chrom (Cr) sorgt für den passiven Oxidfilm zur Korrosionsbeständigkeit. Höherer Cr verbessert die allgemeine Korrosionsbeständigkeit und die Ablagerungsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase, verbessert die Zähigkeit und Duktilität und reduziert die magnetische Reaktion. - Molybdän (Mo) in 316Ti verbessert die Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen Umgebungen. - Titan (Ti) in 316Ti bindet Kohlenstoff, um Titankarbide/Nitride zu bilden, wodurch die Bildung von Chromkarbiden an den Korngrenzen verhindert wird und somit die Sensibilisierung und interkristalline Korrosion nach thermischer Exposition verringert wird. - Kohlenstoff (C) erhöht die Festigkeit (wenn nicht stabilisiert), verschärft jedoch die Sensibilisierung im Temperaturbereich von 450–850 °C, es sei denn, es wird stabilisiert oder niedrig gehalten (wie bei 316L).

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Sowohl 304 als auch 316Ti sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch. Mikrostrukturelle Überlegungen:

• 304: Die geglühten Mikrostruktur ist Austenit mit gleichmäßig verteilten Korngrenzenchemie. Bei Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen (~450–850 °C) oder langsamer Abkühlung können Chromkarbide (Cr23C6) an den Korngrenzen ausfallen, wenn Kohlenstoff verfügbar ist, was zu lokalem Chrommangel führt und den Stahl anfällig für interkristalline Korrosion macht. Kaltverformung kann in 304 spannungsinduzierten Martensit einführen, was die magnetische Reaktion und die lokale Härte beeinflusst.

• 316Ti: ebenfalls austenitisch, aber Titan bindet Kohlenstoff als TiC/TiN oder Ti(C,N)-Ausfällungen, die stabiler sind und bei höheren Temperaturen als Chromkarbide ausfallen. Dies hilft, Chrommangel während thermischer Ausdehnungen und Schweißzyklen zu verhindern. Wenn Ti jedoch nicht richtig mit C (unzureichendes Ti) ausbalanciert ist, können dennoch Karbide entstehen. Übermäßige Exposition bei sehr hohen Temperaturen kann andere Ausfällungen (Sigma-Phase) erzeugen, die die Legierung spröde machen können, wenn sie längere Zeit im Temperaturbereich von 600–900 °C gehalten wird; thermische Stabilisierung allein beseitigt nicht alle Mechanismen der Hochtemperatur-Sprödigkeit.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Lösungsglühen (Standardpraxis) stellt die Duktilität wieder her und löst unerwünschte Ausfällungen auf: Typische Lösungsglüh-Temperaturen für austenitische Edelstähle liegen normalerweise im Bereich von $1010–1150^\circ\text{C}$ (konsultieren Sie die geltende Norm). Schnelles Abkühlen (Wasser oder Luft) wird verwendet, um den gelösten Zustand zu erhalten. - Weder 304 noch 316Ti reagieren auf Abschrecken und Anlassen zur Verstärkung, wie es ferritische oder martensitische Stähle tun. Kaltverformung erhöht die Festigkeit (Verfestigung), verringert jedoch die Duktilität. - Thermo-mechanische Verarbeitung (Kaltwalzen, Glühzyklen) steuert die Korngröße und die mechanischen Eigenschaften für Blech- und Bandprodukte.

4. Mechanische Eigenschaften

*Werte variieren mit der Produktform (Blech, Platte, Stange, kaltverarbeitet) und dem genauen Zustand. Konsultieren Sie die spezifische Norm oder die Prüfzeugnisse der Mühle für garantierte mechanische Werte.

Interpretation: - Im geglühten Zustand haben beide Sorten vergleichbare Festigkeit und Zähigkeit. Kaltverformung erhöht die Festigkeit für beide; 316Ti kann unter bestimmten Bedingungen aufgrund seiner Legierung geringfügig höhere Festigkeit zeigen, aber die Unterschiede sind bescheiden. Die Zähigkeit ist aufgrund der austenitischen Mikrostruktur im Allgemeinen ausgezeichnet für beide.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit: - Sowohl 304 als auch 316Ti sind leicht schweißbar mit gängigen Schmelz- und Widerstandsmethoden. Der relativ niedrige Kohlenstoffgehalt begrenzt die Härtung während des Schweißens, aber Sensibilisierung kann in 304 und unstabilisiertem 316 auftreten, wenn die thermischen Zyklen beim Schweißen zur Ausfällung von Karbiden führen. - Die Titanstabilisierung von 316Ti macht es toleranter gegenüber Schweißwärmeeinträgen und Nachschweißabkühlung, die ansonsten unstabilisierte Sorten sensibilisieren würden; es wird oft für geschweißte Komponenten spezifiziert, die für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen oder wo eine Nachschweißstressentlastung unpraktisch ist, vorgesehen sind.

Nützliche Schweißbarkeitsindizes (nur qualitative Verwendung): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Kriech- oder Kaltverformungsempfindlichkeit): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: Beide Indizes steigen mit Legierungselementen, die die Härtbarkeit oder Segregation fördern. 316Ti wird aufgrund von Ti und Mo einen leicht anderen Pcm aufweisen; jedoch bleiben für typische austenitische Edelstahlzusammensetzungen das CE und Pcm im Vergleich zu hochkohlenstoffhaltigen Stählen niedrig und sind in gewöhnlichen Anwendungen nicht limitierend für die Schweißbarkeit. Vor- und Nachschweißpraktiken (Reinigung, Kontrolle der Wärmeaufnahme, Auswahl des Zusatzwerkstoffs) sind wichtig, um lokale Korrosion zu vermeiden und die mechanischen Eigenschaften abzustimmen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Edelstahlverhalten: Beide basieren auf passiven Chromoxidfilmen. 316Ti bietet im Vergleich zu 304 eine verbesserte Beständigkeit gegen Chlorid-Lochkorrosion und Spaltkorrosion aufgrund des Mo-Gehalts.

• Die Verwendung von PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) hilft, die Empfindlichkeit gegenüber lokalem Angriff zu vergleichen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Interpretation: Ein höherer PREN zeigt eine bessere Lochkorrosionsbeständigkeit an. 316Ti, das Mo enthält, wird einen höheren PREN als 304 haben; der Stickstoffgehalt trägt ebenfalls bei, wenn er vorhanden ist.

• Sensibilisierung: 304 kann anfällig für interkristalline Korrosion nach der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen sein. 316Ti widersteht der Sensibilisierung, da Ti bevorzugt stabile Karbide und Nitrate bildet und Chrom in fester Lösung an den Korngrenzen erhält.

• Nicht-rostfreie Alternativen: hier nicht anwendbar; Schutzmethoden wie Verzinkung oder Lackierung werden für Kohlenstoffstähle verwendet, nicht für rostfreie Sorten.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Umformen und Tiefziehen: 304 wird oft wegen der leichteren Formbarkeit und des Tiefziehens aufgrund der etwas niedrigeren Verfestigungsrate und der guten Duktilität bevorzugt.
• Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. 316Ti (wie 316) lässt sich typischerweise schlechter bearbeiten als 304 aufgrund des höheren Legierungsgehalts (Mo, Ni) und der Tendenz zur Verfestigung; Werkzeuge, Geschwindigkeit und Vorschub müssen angepasst werden.
• Oberflächenveredelung: Beide lassen sich gut polieren und passivieren; Strahlbehandlung und Elektrolyse sind gängig. Für geschweißte Baugruppen reduziert 316Ti die Notwendigkeit einer Nachschweißlösungsglühung zur Minderung der Sensibilisierung im Vergleich zu unstabilisiertem 316 oder 304, obwohl lokale Reinigung und Passivierung weiterhin erforderlich sind, um eine optimale Korrosionsleistung zu gewährleisten.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304 für allgemeine Anwendungen, bei denen Kosten, Formbarkeit und akzeptable Korrosionsbeständigkeit in nicht-chloridhaltigen Umgebungen die Hauptfaktoren sind. - Wählen Sie 316Ti, wenn der Einsatz Chloridexposition, erhöhten Temperaturen oder Schweiß-/Wärmezyklen umfasst, die unstabilisierte Legierungen sensibilisieren könnten; die zusätzlichen Kosten sind durch die verbesserte lokale Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität gerechtfertigt.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: 316Ti ist im Allgemeinen teurer als 304 aufgrund des höheren Nickel-, Molybdän- und Titananteils. Die Preise variieren mit den Rohstoffmärkten (Ni, Mo) und der Form (Stange, Platte, Rohr).
• Verfügbarkeit: 304 ist in vielen Produktformen weit verbreitet und oft der am meisten verfügbare Edelstahl. 316Ti ist allgemein verfügbar, aber weniger verbreitet als Standard 316/304; die Lieferzeiten für spezialisierte, werkzertifizierte 316Ti-Produkte können für bestimmte Formen (z. B. große geschmiedete Teile oder Spezialbefestigungen) länger sein.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Wählen Sie 304, wenn: - Ihre Anwendung allgemein ist, ohne signifikante Chloridexposition oder längere thermische Zyklen, die Sensibilisierung induzieren. - Formbarkeit, Verfügbarkeit und niedrigere Materialkosten die Hauptanliegen sind. - Eine nicht stabilisierte austenitische Sorte akzeptabel ist und Standard-Schweiß-/Nachschweißverfahren verwendet werden können.

Wählen Sie 316Ti, wenn: - Der Einsatz Chloridumgebungen, aggressiven Medien oder erhöhten Temperaturen umfasst, bei denen lokale Korrosion oder Sensibilisierung ein Anliegen ist. - Die Komponente geschweißt oder thermischen Zyklen unterzogen wird und Sie eine verbesserte Beständigkeit gegen interkristallinen Angriff ohne umfangreiche Nachschweißwärmebehandlung wünschen. - Langlebigkeit und Korrosionsleistung höhere Materialkosten und etwas schwierigere Bearbeitung rechtfertigen.

Letzte Anmerkung: Die genaue Leistung und Eignung hängen von den spezifischen Einsatzbedingungen, der Geometrie der Komponente, der Produktform und den geltenden Branchenvorschriften ab. Überprüfen Sie immer die Zusammensetzung und mechanischen Garantien mit dem Prüfzeugnis der Mühle und konsultieren Sie Korrosionsspezialisten für aggressive oder atypische Umgebungen.