310S vs 309 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Kompromiss, wenn sie hochtemperaturbeständige Edelstähle spezifizieren: Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit, Schweißbarkeit und Materialkosten. Die Sorten 310S und 309 (und ihre „S“-Varianten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt) sind beide austenitische Edelstähle, die für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen, Ofenteile und das Fügen unterschiedlicher Metalle ausgewählt wurden – sie sind jedoch leicht unterschiedlich optimiert.

Der wesentliche technische Unterschied zwischen den beiden ist ihr Legierungsverhältnis: 310S enthält deutlich mehr Chrom und Nickel als 309, was seine Leistung in Richtung höhere Temperaturbeständigkeit gegen Oxidation und Kriechfestigkeit verschiebt, während 309 oft gewählt wird, wenn ein Gleichgewicht aus guter Hochtemperaturfestigkeit, Widerstand gegen Skalierung und Wirtschaftlichkeit (oder Kompatibilität für unterschiedliche Schweißverbindungen) erforderlich ist. Da beide austenitische Edelstähle mit ähnlichen Eigenschaften bei Raumtemperatur sind, wird die Auswahl meist durch die erwartete Betriebstemperatur, die Oxidationsumgebung und das Budget bestimmt.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen:
• ASTM / ASME: A240 (Platte/Blech), A182 (für Schmiedeteile/Rohrverbindungen in einigen Varianten), andere produktspezifische Normen.
• EN: EN 10088 Reihe (Bezeichnung variiert je nach nationaler Nummerierung).
• JIS und GB: nationale Äquivalente mit ähnlichen Zusammensetzungen und Suffixen (z. B. JIS SUS, GB/T).
• UNS: 309/309S (z. B. UNS S30900 / S30908), 310S (z. B. UNS S31008).
• Klassifizierung: Sowohl 309 als auch 310S sind austenitische Edelstähle (Edelstahlklasse) – keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA. Das „S“-Suffix bezeichnet die Variante mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die dazu gedacht ist, die Sensibilisierung während des Schweißens zu reduzieren.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche für kommerzielles 309 (und 309S) und 310S (niedriglegiertes 310S). Die Werte sind repräsentative Bereiche, die von den meisten Werkspezifikationen und Normen verwendet werden; Produktzertifikate sollten immer für die Projektbeschaffung konsultiert werden.

Element	309 / 309S (typisch, Gew.% )	310S (typisch, Gew.% )
C	≤ 0.08 (309S) / bis ~0.20 (309)	≤ 0.08 (niedriglegiertes 310S)
Mn	1.0 – 2.0	1.0 – 2.0
Si	0.5 – 1.0	0.5 – 1.5
P	≤ 0.04 – 0.045	≤ 0.04 – 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~22 – 24	~24 – 26
Ni	~12 – 15	~19 – 22
Mo	≤ 0.6 (normalerweise null)	≤ 0.6 (normalerweise null)
Nb / Ti / V	normalerweise nicht hinzugefügt	normalerweise nicht hinzugefügt
B	nur Spuren	nur Spuren
N	Spuren – 0.12	Spuren – 0.12

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Chrom ist der Hauptbeitrag zur Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und passiven Korrosionsbeständigkeit. Höheres Cr verbessert die Skalierungsbildung bei erhöhten Temperaturen. - Nickel stabilisiert die austenitische Matrix, erhöht die Duktilität und verbessert die Kriech- und Hochtemperaturfestigkeit. Höheres Ni in 310S ist ein Hauptgrund für seine überlegene Leistung bei sehr hohen Temperaturen. - Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst die Sensibilisierung (Chromkarbidniederschlag) während des Schweißens oder langsamen Abkühlens. Niedriglegierte „S“-Sorten reduzieren das Risiko der interkristallinen Korrosion nach dem Schweißen. - Mangan und Silizium unterstützen die Warmverformbarkeit und Entgasung; keine der Sorten ist für Widerstand gegen Loch- oder Spaltkorrosion vorgesehen, da beide wenig oder kein Molybdän enthalten.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostruktur: Sowohl 309 als auch 310S sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch. Korngröße und Ausscheidungen hängen von der thermomechanischen Geschichte und der Abkühlrate ab.
• Wärmebehandlung:
• Austenitische Edelstähle werden nicht durch konventionelle Abschreck- und Anlaszyklen gehärtet – die mechanischen Eigenschaften werden durch Kaltverformung und Kornstruktur bestimmt. Lösungsglühen (z. B. 1.040–1.100 °C gefolgt von schneller Abkühlung) löst Karbide auf und stellt die Duktilität wieder her.
• Für „S“-Sorten minimiert das Lösungsglühen und die schnelle Abkühlung die Karbidniederschläge und bewahrt die Korrosionsbeständigkeit.
• Auswirkungen der thermo-mechanischen Bearbeitung:
• Kaltverarbeitung erhöht die Festigkeit (Verfestigung) und kann die Duktilität verringern; beide Sorten reagieren ähnlich auf Kaltverformung.
• Bei erhöhten Betriebstemperaturen können lange Expositionen zu Kornwachstum und, bei höheren Kohlenstoffsorten, zu Karbidniederschlägen an Korngrenzen führen. Der höhere Ni- und Cr-Gehalt von 310S neigt dazu, nachteilige mikrostrukturelle Veränderungen bei sehr hohen Temperaturen im Vergleich zu 309 zu verlangsamen.
• Normalisieren/Abschrecken: Nicht anwendbar auf die gleiche Weise wie bei ferritischen oder martensitischen Stählen; die Kontrolle der thermischen Zyklen und Überlegungen zur Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) unterscheiden sich, da diese austenitischen Sorten Zähigkeit behalten und gegen Härtung resistent sind.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von geglühten austenitischen Edelstählen werden durch die Produktform (Blech, Platte, Rohr), Kaltverformung und genaue Chemie beeinflusst. Die folgende Tabelle fasst repräsentative, typische Bereiche für geglühtes Material zusammen (Werte sind indikativ; konsultieren Sie die vom Lieferanten zertifizierten Daten für Konstruktionsberechnungen).

Eigenschaft (geglüht, typisch)	309 / 309S	310S
Zugfestigkeit (MPa)	~510 – 750	~520 – 750
Streckgrenze, 0.2% (MPa)	~200 – 320	~200 – 320
Dehnung (%, in 50 mm)	~35 – 55	~35 – 55
Schlagzähigkeit (Charpy V‑Kerbe, J)	Duktil bei RT; behält Zähigkeit	Duktil bei RT; behält Zähigkeit
Härte (HRB)	~80 – 95	~80 – 95

Interpretation: - Bei Raumtemperatur zeigen beide Sorten ähnliche Festigkeits- und Duktilitätsbereiche; die Unterschiede sind gering, da beide austenitisch sind. - Bei erhöhten Temperaturen behält 310S im Allgemeinen die Skalierungsbeständigkeit und Kriechfestigkeit besser als 309, was auf seinen höheren kombinierten Cr- und Ni-Gehalt zurückzuführen ist. - Die Schlagzähigkeit bei Raumtemperatur ist für beide normalerweise gut; keine der Sorten wird für Anwendungen mit hoher Härte gewählt.

5. Schweißbarkeit

Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen schweißbar, und die niedriglegierten „S“-Varianten verbessern den Widerstand gegen Sensibilisierung. Die Bewertung der Schweißbarkeit verwendet häufig empirische Indizes wie das Kohlenstoffäquivalent:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

und die detailliertere Pcm-Formel:

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Der niedrige Kohlenstoffgehalt in 309S und 310S reduziert das Risiko der Chromkarbidniederschläge und interkristallinen Angriffe nach dem Schweißen; dies macht sie einfacher zu schweißen als entsprechende hochlegierte Sorten. - Beide Sorten haben eine niedrige Härtbarkeit (austenitische Edelstähle bilden beim Abkühlen kein Martensit), was das Risiko von Kaltreißern minimiert. Die Risiken von Schweißrissen werden mehr von Erstarrungsrissen, Warmreißern und Kontamination als von martensitischer Umwandlung dominiert. - 309 wird häufig als Füllmetall verwendet, um Edelstähle mit Kohlenstoffstählen zu verbinden (da seine Zusammensetzung die beiden überbrückt), während 310S ausgewählt wird, wenn das Schweißgut eine überlegene Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit behalten muss. - Vorwärmen und Nachschweißwärmebehandlung sind im Allgemeinen nicht erforderlich, um martensitische Umwandlungen zu vermeiden, aber die Aufmerksamkeit auf Verdünnung, Interpass-Temperaturen und die Auswahl des Füllmaterials ist entscheidend für den Einsatz bei hohen Temperaturen und in karbonisierenden/oxidierenden Atmosphären.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Als austenitische Edelstähle bilden sowohl 309 als auch 310S einen passiven Chromoxidfilm, der allgemeinen Korrosionsschutz in nicht-aggressiven Umgebungen bietet.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) wird häufig zur Bewertung des Widerstands gegen lokale Lochkorrosion verwendet, wenn Molybdän und Stickstoff vorhanden sind:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Anwendbarkeit:
• Für 309 und 310S ist PREN von begrenztem Nutzen, da beide typischerweise wenig oder kein Molybdän und nur niedrige Stickstoffgehalte enthalten; ihr Widerstand gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen ist daher im Vergleich zu Molybdän-haltigen Edelstahllegierungen (z. B. 316, Duplexsorten) begrenzt.
• Hochtemperatur-Oxidation:
• 310S hat mit seinem höheren Cr- und Ni-Gehalt eine überlegene Skalierungsbeständigkeit und behält die Festigkeit bei kontinuierlichen Betriebstemperaturen besser als 309.
• 309 bietet bis zu mäßig hohen Temperaturen einen guten Oxidationsschutz und kann in vielen Ofen- und Wärmebehandlungsanwendungen wirtschaftlicher sein.
• Oberflächenschutz für nicht-rostfreie Teile: Nicht anwendbar für diese Edelstahlsorten; wenn sie in aggressiven Chlorid- oder sauren Umgebungen verwendet werden, sollten Beschichtungen, Verkleidungen oder andere Legierungen in Betracht gezogen werden.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit und Biegen: Beide Sorten sind hochduktil und zeigen im geglühten Zustand eine ausgezeichnete Formbarkeit. Typische Blechumformungsoperationen sind unkompliziert, aber die Rückfederung sollte aufgrund der hohen Verfestigung berücksichtigt werden.
• Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. 309 und 310S verfestigen sich schnell und haben eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit – dies erfordert starre Aufbauten, scharfe Werkzeuge und kontrollierte Vorschubgeschwindigkeiten. 310S kann in einigen Bedingungen geringfügig duktiler und etwas einfacher zu bearbeiten sein, aber keine der Sorten wird als leicht zu bearbeiten eingestuft.
• Oberflächenveredelung: Beide nehmen Standardoberflächenveredelungen und Polierungen gut an. Es muss darauf geachtet werden, Kontamination (Eisenaufnahme) während der Verarbeitung zu vermeiden, da dies die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen kann.
• Schweißverarbeitung: Verwenden Sie geeignete Füllmetallmetallurgie für die Betriebsbedingungen; wählen Sie 309-Füllmaterial für unterschiedliche Verbindungen und 310/310S-Füllmaterial, wenn eine hohe Oxidationsbeständigkeit erforderlich ist.

8. Typische Anwendungen

309 / 309S (Häufige Anwendungen)	310S (Häufige Anwendungen)
Ofenteile und Auskleidungen, die zyklischer Erwärmung ausgesetzt sind	Ofenelemente und kontinuierlicher Hochtemperaturbetrieb (Heizer, Muffeln)
Wärmebehandlungs Vorrichtungen und Retorten	Hochtemperaturprozessbehälter und Kanäle (oxidierende Atmosphären)
Schweißfüller zum Verbinden von Edelstahl mit Kohlenstoffstahl	Hochtemperaturkorrosions-/oxidationsbeständige Komponenten bis zu den höchsten praktischen Temperaturen
Auspuffsysteme und industrielle Ofenhardware	Wärmetauscher und Verbrennungsgeräte, wo hoher Ni/Cr benötigt wird
Dehnungsfugen und Rauchkanäle	Glas- und petrochemische Prozessanlagen bei erhöhten Temperaturen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 309, wenn Kosten und gute Hochtemperaturleistung erforderlich sind, aber die maximale Betriebstemperatur moderat ist und häufig mit Kohlenstoffstählen verbunden wird. - Wählen Sie 310S, wenn die Anwendung eine überlegene langfristige Skalierungsbeständigkeit und Kriechleistung bei höheren, konstanten Temperaturen erfordert und das Budget die höheren Legierungskosten zulässt.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: 310S ist aufgrund höherer Nickel- und Chromgehalte im Allgemeinen teurer als 309. Die Preisschwankungen bei Nickel können die Preisgestaltung von 310S erheblich beeinflussen.
• Verfügbarkeit: Beide Sorten werden weit verbreitet produziert und sind in Blech, Platte, Rohr, Rohr und Stange erhältlich. Bestimmte spezialisierte Produktformen oder sehr große Größen von 310S können längere Lieferzeiten als 309 haben, abhängig von den Beständen der Mühle und den Marktbedingungen.
• Beschaffungstipp: Für Projekte, die empfindlich auf Materialkosten reagieren, bewerten Sie, ob die höhere Leistung von 310S bei Betriebstemperatur Lebenszykluskosteneinsparungen (längere Lebensdauer, weniger Ersatz) bringt, die die höheren anfänglichen Materialkosten ausgleichen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Eigenschaft	309 / 309S	310S
Schweißbarkeit	Ausgezeichnet für Edelstahl-Schweißen; bevorzugtes Füllmaterial für unterschiedliche Verbindungen	Ausgezeichnet; niedriglegierte S-Sorte reduziert Sensibilisierung
Festigkeit–Zähigkeit (RT)	Gut, ähnlich wie andere Austeniten	Gut, ähnlich bei RT; überlegene Hochtemperatur-Kriech-/Skalierungsbeständigkeit
Kosten	Niedriger	Höher

Abschließende Empfehlungen: - Wählen Sie 310S, wenn Ihr Design die beste verfügbare austenitische Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Kriechleistung für kontinuierlichen oder langfristigen Betrieb bei erhöhten Temperaturen erfordert oder wenn die Widerstandsfähigkeit gegen Oxidationsskalierung am oberen Ende der austenitischen Temperaturbereiche kritisch ist. - Wählen Sie 309 (oder 309S), wenn Sie einen kosteneffektiven austenitischen Edelstahl benötigen, der gute Hochtemperaturfestigkeit, häufige Kompatibilität für unterschiedliche Metallverbindungen (z. B. Verbindung mit Kohlenstoff- oder niedriglegierten Stählen) und angemessene Skalierungsbeständigkeit für moderate Hochtemperaturbetriebe bietet.

Bestätigen Sie immer die genaue Legierungsspezifikation und die Prüfzeugnisse der Mühle für kritische Komponenten und ziehen Sie Labor- oder Lieferantendaten zu Kriechbruchgrenzen, Oxidationstestresultaten und Schweißfüllerkompatibilität für die beabsichtigte Umgebung und Betriebstemperatur in Betracht.