310 vs 310S – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Typ 310 und 310S sind austenitische Edelstähle, die häufig für den Hochtemperaturbetrieb spezifiziert werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Kompromisse zwischen Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Schweißbarkeit ab, wenn sie zwischen ihnen wählen – insbesondere wenn Ofenkomponenten, Wärmetauscher oder geschweißte Baugruppen in Umgebungen mit erhöhten Temperaturen betrieben werden.
Der wesentliche technische Unterschied zwischen den beiden Güten ist die Kohlenstoffspezifikation: 310 erlaubt einen höheren maximalen Kohlenstoffgehalt als 310S, während ihre Chrom- und Nickelgehalte im Wesentlichen gleich sind. Dieser Kohlenstoffunterschied beeinflusst Entscheidungen über die Anfälligkeit für Karbidniederschlag (Sensibilisierung), Schweißbarkeit und manchmal marginale Unterschiede in der Festigkeit bei erhöhter Temperatur. Da sie ansonsten die gleiche austenitische Chemie teilen, werden sie bei Design- und Fertigungsentscheidungen eng verglichen.
1. Normen und Bezeichnungen
Übliche Normen und Bezeichnungen für diese Güten umfassen: - ASTM/ASME: Typ 310 (UNS S31000), Typ 310S (UNS S31008); referenziert in ASTM A240 (Platte, Blech und Band), A312 (nahtloses und geschweißtes Rohr) und anderen Produktstandards. - EN: 1.4841 (310), 1.4845 (310S) in einigen europäischen Bezeichnungsschemata. - JIS: SUS310, SUS310S (Japanische Standards entsprechen eng). - GB (China): GB/T Produktstandards für Edelstähle beziehen sich häufig auf äquivalente Chemien.
Klassifikation: sowohl 310 als auch 310S sind austenitische Edelstähle (Edelstahl, hochlegierte Gruppe). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew%) wie häufig in Normen wie ASTM A240 spezifiziert. Die Werte sind repräsentative Bereiche; überprüfen Sie das spezifische Materialzertifikat für Chargenwerte.
| Element | 310 (typischer Bereich) | 310S (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.25 (max 0.25) | 0.03–0.08 (max 0.08) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 24.0–26.0 | 24.0–26.0 |
| Ni | 19.0–22.0 | 19.0–22.0 |
| Mo | — (Spur) | — (Spur) |
| V | — | — |
| Nb (Cb) | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 (Spur) | ≤ 0.10 (Spur) |
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Chrom und Nickel bilden die austenitische Matrix und bieten Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur. Hoher Cr (~25%) bietet hervorragende Skalierungsbeständigkeit. - Nickel stabilisiert die austenitische Phase und erhält die Zähigkeit. - Kohlenstoff erhöht die Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit bis zu einem gewissen Grad, erhöht jedoch auch das Risiko von Karbidniederschlägen im Sensibilisierungs-Temperaturbereich (ungefähr 425–870°C). - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt in 310S verringert das Risiko von interkristallinem Karbidniederschlag nach dem Schweißen oder der Exposition im Sensibilisierungsbereich und verbessert die Korrosionsbeständigkeit in geschweißten oder sensibilisierten Komponenten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Beide Güten sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch. Typische Kornstrukturen sind stabiles Austenit, es sei denn, es tritt während der Schweißwärmebehandlung signifikante Kaltverformung oder Delta-Ferritbildung auf. - Es tritt keine martensitische Umwandlung beim Abschrecken auf (austenitische Edelstähle sind nicht durch Abschrecken und Anlassen härtbar).
Wärmebehandlung und thermische Verarbeitung: - Lösungsglühen (häufig 1050–1120 °C) gefolgt von schnellem Abkühlen stellt eine austenitische, korrosionsbeständige Mikrostruktur wieder her und löst Niederschläge auf. - Da sie nicht durch Abschrecken gehärtet werden können, beruhen Festigkeitsanpassungen auf Kaltverformung oder Legierungswahl. - Der höhere Kohlenstoffgehalt in 310 erhöht die treibende Kraft für die Bildung von Chromkarbid während der Exposition im Sensibilisierungsbereich, was zu einer Chromverarmung an den Korngrenzen und interkristalliner Korrosion führen kann. Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von 310S minimiert dieses Risiko. - Schweißwärmebehandlungen: Beide Güten sind schweißbar, aber 310S ist weniger anfällig für Nachschweißsensibilisierung und erfordert weniger Aufmerksamkeit bei Nachschweißwärmebehandlungen, die darauf abzielen, interkristalline Korrosion zu vermeiden.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Repräsentative mechanische Eigenschaften für geglühtes Material (flachgewalzt/typische Bedingungen). Diese sind indikativ; Produktform, Dicke und Spezifikation können die Werte ändern.
| Eigenschaft | 310 (geglüht, typisch) | 310S (geglüht, typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~500–600 (typisch) | ~500–600 (typisch) |
| Streckgrenze (0.2% Offset, MPa) | ~200–260 | ~200–240 |
| Dehnung (%) | ≥ 40 (gute Duktilität) | ≥ 40 (leicht bessere Duktilitätstendenz) |
| Schlagzähigkeit | Hoch, behält Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen | Hoch, ähnlich oder marginal besser aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts |
| Härte (HB / HRC) | Moderat; die geglühten Härtewerte liegen typischerweise im austenitischen Edelstahlbereich | Ähnlich oder leicht niedriger im geglühten Zustand |
Interpretation: - Die mechanischen Eigenschaften im geglühten Zustand sind sehr ähnlich, da die austenitische Matrix die gleiche ist. Der leicht höhere Kohlenstoffgehalt in 310 kann unter bestimmten Bedingungen, insbesondere nach Kaltverformung oder langfristiger Hochtemperaturexposition, marginal höhere Festigkeit bieten, jedoch auf Kosten eines erhöhten Sensibilisierungsrisikos. - Beide Güten haben im Vergleich zu ferritischen/martensitischen Stählen hervorragende Zähigkeit und Duktilität, insbesondere bei niedrigen Temperaturen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt stark vom Kohlenstoffäquivalent und der Tendenz ab, harte oder spröde Mikrostrukturen im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) zu bilden. Nützliche empirische Indikatoren sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und die Pcm-Formel:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation für 310 vs 310S: - Die primäre Variable in diesen Formeln für 310/310S ist $C$. Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von 310S ergibt ein niedrigeres $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$, was auf ein verringertes Risiko von HAZ-Problemen und eine bessere Schweißbarkeit hinweist, um Sensibilisierung zu vermeiden und die Duktilität nach dem Schweißen aufrechtzuerhalten. - Austenitische Edelstähle bilden im HAZ normalerweise kein hartes Martensit, aber Karbidniederschlag und interkristalliner Angriff sind Bedenken. Für geschweißte Konstruktionen, die im Sensibilisierungsbereich exponiert sind, wird normalerweise 310S bevorzugt. Wo der Nachschweißbetrieb nur sehr hohe Temperaturen (oberhalb des Karbidauflösungsbereichs) umfasst oder wo Kriechfestigkeit kritisch ist und Sensibilisierung kein Problem darstellt, kann 310 akzeptabel sein. - Vorwärmen und PWHT werden selten verwendet, um Martensit zu vermeiden (nicht anwendbar), aber das Lösungsglühen kann nach dem Schweißen spezifiziert werden, wenn die Korrosionsleistung kritisch ist.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 310 als auch 310S sind korrosionsbeständig aufgrund von hohem Cr und Ni. Sie bieten hervorragende Oxidationsbeständigkeit in oxidierenden Hochtemperaturatmosphären (Skalierungsbeständigkeit).
- Für die Beständigkeit gegen Chlorid-Spannungsrisskorrosion sind austenitische Stähle ohne Molybdän in aggressiven Chloridumgebungen im Allgemeinen anfällig; keine der Güten ist speziell für Chloridbeständigkeit ausgelegt.
- PREN (Pitting-Beständigkeitsäquivalentzahl) wird normalerweise auf Edelstähle angewendet, die Mo und N enthalten. Zur Referenz:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Da 310/310S typischerweise vernachlässigbares Mo und niedriges N enthalten, ist PREN kein bedeutender Unterscheidungsfaktor für die Pitting-Beständigkeit in diesen Güten; ihre Beständigkeit hängt mehr vom Oberflächenzustand, der Umgebung und der Temperatur ab.
- Oberflächenschutz: Für nicht-rostfreie Stähle würde man Verzinkung oder Beschichtungen in Betracht ziehen; für 310/310S sind Oberflächenfinish, Beizen, Passivierung oder Aluminierung (für extreme Oxidationsbeständigkeit) relevant, abhängig vom Einsatz. Der niedrigere C-Gehalt von 310S verbessert die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, wo sonst Karbide entstehen könnten.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Beide Güten lassen sich im geglühten Zustand gut formen und biegen, härten jedoch schnell (typisches austenitisches Verhalten). Verwenden Sie das richtige Werkzeug und berücksichtigen Sie die Rückfederung.
- Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind im Vergleich zu unlegierten Stählen schwer zu bearbeiten: Sie härten sich, haben eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und erfordern starre Aufbauten, scharfe Werkzeuge und geeignete Vorschübe. 310/310S sind in der Zerspanbarkeit ähnlich; 310S kann aufgrund der leicht niedrigeren Härte unter bestimmten Bedingungen marginal einfacher sein.
- Planung der Schweiß- und Formsequenz: Bevorzugen Sie das Formen vor dem Schweißen, wo immer möglich, um lokale Härtung zu vermeiden und Verzug zu kontrollieren.
- Oberflächenbearbeitung: Schleifen, Polieren und Passivierung folgen den Standardpraktiken für austenitische Edelstähle.
8. Typische Anwendungen
| 310 (häufige Anwendungen) | 310S (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Ofenteile, Muffen, Wärmebehandlungsbehälter, industrielle Öfen, wo Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit im Vordergrund steht und das Schweißen kontrolliert wird | Geschweißte Wärmetauscherkomponenten, chemische Prozessanlagen, wo die Schweißsensibilisierung minimiert werden muss |
| Brenner- und Verbrennungstechnik, Strahlungsrohre, Ofenteile, wo Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit und Skalierungsbeständigkeit erforderlich sind | Rohrleitungen, Fittings und geschweißte Behälter in Hochtemperatur-, aber korrosiven Umgebungen, wo nach dem Schweißen Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist |
| Hochtemperatur-Abgasanwendungen, wo gelegentliche Fertigung ohne umfangreiches Schweißen durchgeführt werden kann | Wo häufiges Schweißen, Nachbearbeitung oder Betrieb im Sensibilisierungsbereich eine kohlenstoffarme Alternative erfordert |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 310, wenn maximale Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit Priorität haben und die Fertigung kontrolliert werden kann, um Sensibilisierungsprobleme zu vermeiden. - Wählen Sie 310S, wenn geschweißte Baugruppen im Sensibilisierungs-Temperaturfenster platziert werden oder wenn nach dem Schweißen Korrosionsbeständigkeit und verbesserte Schweißbarkeit erforderlich sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 310S wird oft etwas höher als 310 bepreist, da Produktionskontrollen erforderlich sind, um die niedrigere Kohlenstoffspezifikation zu erreichen, und weil es häufig für kritischere geschweißte Anwendungen spezifiziert wird. Tatsächliche Preisunterschiede sind moderat und variieren mit den Marktpreisen für Nickel und Chrom.
- Verfügbarkeit: Beide Güten sind in Form von Blech, Platte, Coil, Rohr und Tube weit verbreitet. 310 wird manchmal häufiger für Standard-Hochtemperaturkomponenten gelagert, während 310S häufig für Druckteile und geschweißte Konstruktionen gelagert wird.
- Lieferzeiten: hängen von Produktform und Größe ab; die Beschaffung von Produkten mit großem Durchmesser oder schweren Querschnitten in Spezialgüten kann die Lieferzeit verlängern.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Schnelle Zusammenfassung
| Attribut | 310 | 310S |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut, aber höheres Sensibilisierungsrisiko nach dem Schweißen | Besser – niedrigerer Kohlenstoff reduziert Sensibilisierung und verbessert die Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen |
| Festigkeit – Zähigkeit | Hochtemperaturfestigkeit vergleichbar; 310 kann unter einigen Hochtemperaturexpositionen marginal höhere Festigkeit zeigen | Ähnliche Zähigkeit; leicht bessere Duktilität und geringeres Risiko von Karbidproblemen an den Korngrenzen |
| Kosten | Leicht niedriger oder vergleichbar | Leicht höherer Preis typisch |
Abschließende Empfehlungen: - Wählen Sie 310, wenn Ihre Priorität maximale Hochtemperatur-Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit ist, wo die Komponente nicht anfällig für Sensibilisierungsprobleme ist (zum Beispiel als austauschbare Ofeninnenteile oder nicht geschweißte Hochtemperaturkomponenten) oder wenn marginal höhere Hochtemperatur-Kriechfestigkeit erforderlich ist und die Schweißeinwirkung/-bedingungen kontrolliert werden. - Wählen Sie 310S, wenn Ihr Design umfangreiches Schweißen umfasst, ein minimiertes Risiko von interkristalliner Korrosion nach dem Schweißen erfordert oder signifikante Zeit im Sensibilisierungs-Temperaturbereich verbringen wird. 310S ist die sicherere Spezifikation für geschweißte Druckteile und gefertigte Behälter, wo die Korrosionsbeständigkeit nach der Fertigung kritisch ist.
Abschließende Anmerkung: Beide Güten sind ausgezeichnete Wahl für den Hochtemperaturbetrieb. Die Kohlenstoffspezifikation ist der entscheidende Unterscheidungsfaktor: Bewerten Sie Schweißverfahren, beabsichtigte Betriebstemperaturen (insbesondere ob Komponenten den Sensibilisierungsbereich von 425–870°C durchqueren oder darin verbleiben) und Kosten/Verfügbarkeit, um die endgültige Auswahl zu treffen.