310S vs 321 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen den Edelstahltypen 310S und 321, wenn sie Teile spezifizieren, die eine Balance zwischen Hochtemperaturleistung, Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Kosten erfordern. Typische Entscheidungskontexte umfassen Hochtemperaturofenkomponenten, Wärmetauscher, Abgassysteme und geschweißte Baugruppen, die möglicherweise sensiblen Bedingungen ausgesetzt sind.
Der zentrale praktische Unterschied zwischen den beiden Legierungen ist ihre Legierungsstrategie für Hochtemperatur- und Nachschweißstabilität: 310S ist eine hochchromhaltige, hochnickelhaltige austenitische Legierung, die für Oxidations- und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen optimiert ist, während 321 eine titan-stabilisierte austenitische Legierung ist, die entwickelt wurde, um interkristalline Korrosion nach dem Schweißen zu widerstehen, indem sie die Ausfällung von Chromkarbid verhindert. Aufgrund dieses Unterschieds vergleichen Designer sie, wenn die Anwendung gleichzeitig Anforderungen an die Temperaturfähigkeit, Schweißleistung und langfristige Korrosionsbeständigkeit stellt.
1. Normen und Bezeichnungen
Wichtige Normen und Bezeichnungen, die häufig für diese Legierungen verwendet werden, umfassen: - ASTM/ASME: 310S — ASTM A240/A240M (hitzebeständiger, rostfreier Stahl), 321 — ASTM A240/A240M (stabilisierte austenitische Edelstahl). - EN (Europa): 310S ungefähr EN 1.4845 / X10CrNi25-21; 321 ungefähr EN 1.4541 / X6CrNiTi18-10. - JIS (Japan): Entsprechungen existieren (z.B. SUS310S, SUS321). - GB (China): Entsprechende GB/T-Bezeichnungen werden häufig für Blech und Platten verwendet.
Klassifikation: sowohl 310S als auch 321 sind austenitische Edelstähle (Edelstahllegierungsklasse), keine Kohlenstähle, Werkzeugstähle oder HSLA.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element (Gewichts%) | 310S (typischer Bereich) | 321 (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.5 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 24 – 26 | 17 – 19 |
| Ni | 19 – 22 | 9 – 12 |
| Mo | — (Spuren, falls vorhanden) | — (Spuren, falls vorhanden) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | ~0.4 – 0.7 (Stabilisator; typischerweise ≥ 5×C) |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Hinweise zur Legierungsstrategie - 310S basiert auf hohen Chrom- und Nickelgehalten, um eine austenitische Matrix bei erhöhten Temperaturen zu stabilisieren, was die Oxidationsbeständigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit verbessert. - 321 enthält Titan in Mengen, die ausreichen, um Kohlenstoff als stabile Karbide (TiC) zu binden und so die Ausfällung von Chromkarbid (Sensibilisierung) im Temperaturbereich von 425–870°C zu verhindern. Titan erhöht nicht wesentlich die Grundkorrosionsbeständigkeit, bewahrt sie jedoch nach dem Schweißen oder thermischer Exposition.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt - Chrom erhöht die Oxidationsbeständigkeit und die Stabilität der Passivschicht. - Nickel stabilisiert die austenitische Matrix, verbessert die Zähigkeit und Duktilität und erhöht die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen. - Titan in 321 verbessert die interkristalline Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen, indem es stabile Karbide anstelle von Chromkarbiden bildet. - Erhöhtes Kohlenstoff (hier nicht typisch) erhöht die Festigkeit, erhöht jedoch die Anfälligkeit für Sensibilisierung; beide Legierungen sind niedriglegierte Varianten, um diesen Effekt zu begrenzen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen - Sowohl 310S als auch 321 sind bei Raumtemperatur in standardmäßig geglühten Bedingungen vollständig austenitisch. Die Kornstruktur ist nach dem Glühen äquiaxialer Austenit. - 321 in geschweißten oder exponierten Bedingungen enthält TiC/Ti(C,N)-Ausfällungen, die Kohlenstoff binden; diese Ausfällungen sind typischerweise fein und an Korngrenzen sowie innerhalb der Körner verteilt. - 310S enthält kein Titan: Bei thermischen Ausflügen innerhalb des Sensibilisierungsbereichs können Chromkarbide (Cr23C6) in der Nähe von Korngrenzen ausfallen, es sei denn, es wird auf die Wärmezufuhr und Kühlung geachtet.
Reaktion auf Wärmebehandlung und Verarbeitung - Glühen: Beide werden geglüht, um die Duktilität nach Kaltverformung wiederherzustellen (typisches Glühen gefolgt von kontrollierter Kühlung). Lösungen für rostfreie Austeniten liegen normalerweise im von den Normen empfohlenen Bereich (den Datenblättern des Lieferanten folgen). - Normalisieren und Abschrecken/Anlassen: nicht im gleichen Sinne wie für martensitische Stähle anwendbar – diese austenitischen Legierungen werden nicht durch Abschrecken gehärtet. Ihre Reaktion auf konventionelles Abschrecken und Anlassen ist minimal, da sie nicht umwandelbare austenitische Legierungen sind. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Kaltverformung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung in beiden Legierungen; jedoch führt Kaltverformung plus anschließendes Erhitzen in 321 nicht in dem Maße zu Sensibilisierung wie in 310S, da Titan den Kohlenstoff stabilisiert.
Praktische Implikation - Für Komponenten, die wiederholten thermischen Zyklen oder Schweißungen ausgesetzt sind, bietet 321 eine vorhersehbarere Mikrostruktur nach dem Schweißen und Widerstand gegen interkristallinen Angriff. Für kontinuierlichen Hochtemperatur-Oxidationsschutzdienst bietet 310S mit seinem höheren Cr/Ni-Gehalt einen Vorteil.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft (typisch, geglüht, Raumtemperatur) | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Vergleichbar; beide sind moderat (austenitisch) | Vergleichbar; ähnlicher Bereich |
| Streckgrenze (0.2% Offset) | Vergleichbar; moderat | Vergleichbar; moderat |
| Dehnung (Duktilität) | Hoch (gute Formbarkeit) | Hoch (gute Formbarkeit) |
| Schlagzähigkeit | Gut, kerbzäh bei RT; behält Zähigkeit bei erhöhten T | Gut; behält Zähigkeit nach Schweißexpositionen aufgrund der Stabilisierung |
| Härte (geglüht) | Niedrig bis moderat (leicht kaltverformbar) | Niedrig bis moderat (leicht kaltverformbar) |
Interpretation - Beide Legierungen zeigen ein ähnliches mechanisches Verhalten bei Raumtemperatur, da beide austenitische Edelstähle im geglühten Zustand sind. Die Unterschiede sind subtil: 310S’ höherer Ni- und Cr-Gehalt bietet etwas bessere Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit; 321’s Titan-Gehalt hilft, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen und thermischer Exposition aufrechtzuerhalten. Für designkritische tragende Teile sollten Designer zertifizierte mechanische Prüfdaten für die spezifizierte Produktform und Wärmebehandlung verwenden.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit konzentrieren sich auf den Kohlenstoffgehalt, stabilisierende Elemente und Härtbarkeit. Für Edelstähle können Kohlenstoffäquivalente und Pcm nützliche qualitative Indikatoren sein.
Häufig verwendete Gleichungen zur Schätzung der Schweißriss-/Härtbarkeitstendenzen: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation - Sowohl 310S als auch 321 sind im Vergleich zu ferritischen oder martensitischen Stählen relativ einfach zu schweißen, da die austenitische Mikrostruktur keine martensitische Umwandlung durchläuft und eine niedrige Härtbarkeit aufweist. - 321 hat einen Vorteil für geschweißte Komponenten, die postschweißlichen thermischen Zyklen ausgesetzt sind, da Titan die Bildung von Chromkarbid verhindert und somit das Risiko interkristalliner Korrosion in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) verringert. - 310S, obwohl schweißbar, erfordert eine sorgfältige Kontrolle der Schweißparameter und Nachschweißverfahren, wenn die Baugruppe Temperaturen erreicht, die zur Sensibilisierung führen können, oder korrosiven Umgebungen ausgesetzt ist; die Auswahl des Zusatzwerkstoffs und die richtige Nachschweißkühlung sind wichtig. - Vorwärmen und Nachschweißwärmebehandlung sind für diese austenitischen Legierungen im Allgemeinen nicht erforderlich, aber gute Schweißpraktiken (geeignete Verbrauchsmaterialien, Kontrolle der Wärmezufuhr und Reinigung) sind wichtig, um Kontamination und Stickstoffverlust zu vermeiden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Edelstahlverhalten - Sowohl 310S als auch 321 bilden in oxidierenden Umgebungen schützende, chromreiche Passivschichten; ihre Widerstandsfähigkeit gegen allgemeine Korrosion ist in vielen wässrigen Umgebungen ähnlich. - 310S hat einen höheren Cr- und Ni-Gehalt, sodass es eine überlegene Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und eine bessere Leistung in oxidierenden Atmosphären bei erhöhten Temperaturen bietet. - Die Titanstabilisierung von 321 zielt speziell darauf ab, interkristalline Korrosion nach der Exposition gegenüber dem Sensibilisierungs-Temperaturbereich zu verhindern.
PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) wird häufig verwendet, um die Pittingbeständigkeit in chloridhaltigen Umgebungen zu vergleichen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - PREN ist am nützlichsten für Duplex- und austenitische Edelstähle, die Molybdän und Stickstoff enthalten. Für 310S und 321, die typischerweise wenig oder kein Mo enthalten, ist PREN kein primäres Auswahlkriterium: Beide haben eine bescheidene Pittingbeständigkeit im Vergleich zu Mo-haltigen Legierungen.
Nicht-rostfreie Alternativen und Oberflächenschutz - Wo rostfreie Legierungen nicht erforderlich sind, umfassen gängige Oberflächenschutzmaßnahmen Verzinkung, Lackierung und Beschichtung. Diese sind keine Ersatzstoffe für die Edelstahlleistung bei hohen Temperaturen oder in aggressiven oxidierenden Umgebungen; die Auswahl hängt von den erwarteten Betriebsbedingungen ab.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Zerspanbarkeit: Als austenitische Edelstähle sind beide schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstähle; sie verfestigen sich leicht und erfordern scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten und geeignete Vorschübe/Geschwindigkeiten. 310S kann aufgrund des höheren Legierungsgehalts etwas schwieriger zu bearbeiten sein, aber die Unterschiede sind gering.
- Formbarkeit: Beide zeigen in geglühtem Zustand eine ausgezeichnete Duktilität und Formbarkeit. Rückfederung und Kaltverfestigung sind häufige Überlegungen; Zwischenanlösungen können für starkes Formen erforderlich sein.
- Oberflächenfinish und Polieren: 310S’ höhere Korrosionsbeständigkeit nimmt in der Regel gut Politur an und widersteht oxidierenden Hochtemperaturexpositionen; 321 lässt sich ebenfalls gut polieren.
- Kaltverarbeitung: Beide können kaltverarbeitet werden, um die Festigkeit zu erhöhen, aber Kaltverarbeitung verringert die Duktilität und kann das Korrosionsverhalten ändern, es sei denn, sie werden erneut geglüht.
8. Typische Anwendungen
| 310S — Typische Anwendungen | 321 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Ofenteile, Muffen und Strahlrohre (Hochtemperatur-Oxidationsdienst) | Flugzeugabgaskomponenten, Dehnungsfugen und geschweißte chemische Verarbeitungsausrüstungen (stabilisiert gegen interkristalline Korrosion) |
| Wärmetauscherkomponenten, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden | Bolzen, Flansche und geschweißte Konstruktionen, bei denen die Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen entscheidend ist |
| Brennerverkleidungen, Glühkörbe | Petrochemische und Lebensmittelverarbeitungsanlagen, die zyklischen thermischen Lasten und Schweißungen ausgesetzt sind |
Auswahlbegründung - Wählen Sie 310S, wenn kontinuierliche oder zyklische Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit primäre Anforderungen sind. - Wählen Sie 321, wenn geschweißte Verbindungen die Korrosionsbeständigkeit im Sensibilisierungsbereich aufrechterhalten müssen oder wenn das Bauteil wiederholten thermischen Zyklen ausgesetzt ist und das Schweißen umfangreich ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 310S ist typischerweise teurer als 321 auf Basis pro Kilogramm aufgrund seines höheren Nickel- und Chromgehalts. Nickel ist der Hauptkostentreiber.
- Verfügbarkeit: Beide sind weltweit in Blech-, Platten-, Rohr- und Stabformen weit verbreitet, aber bestimmte Produktformen (z.B. nahtloses Rohr mit großem Durchmesser in 310S) können seltener sein und längere Lieferzeiten erfordern. Lokale Marktbedingungen und die Volatilität der Nickelpreise beeinflussen die relativen Kosten und Lieferzeiten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut, aber auf HAZ-Sensibilisierung in einigen Bedingungen achten | Sehr gut für geschweißte Strukturen (titan-stabilisiert) |
| Festigkeit–Zähigkeit (Raumtemp) | Vergleichbar mit 321; bessere Hochtemperaturfestigkeit | Vergleichbar mit 310S; bessere erhaltene Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen |
| Kosten | Höher (höherer Ni/Cr) | Niedriger (moderater Ni/Cr) |
Empfehlungen - Wählen Sie 310S, wenn: - Die Anwendung eine überlegene Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit oder Kriechbeständigkeit erfordert. - Kontinuierlicher Betrieb bei erhöhten Temperaturen oder oxidierenden Atmosphären der dominierende Entwurfsfaktor ist. - Die zusätzlichen Materialkosten durch die Leistung bei Temperatur gerechtfertigt sind.
- Wählen Sie 321, wenn:
- Das Teil häufig geschweißt wird oder transienten thermischen Zyklen ausgesetzt ist, die eine Sensibilisierung verursachen könnten.
- Langfristige Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion in geschweißten Strukturen wichtig ist.
- Sie eine kosteneffektive austenitische Legierung mit guter allgemeiner Korrosionsbeständigkeit und stabiler Leistung nach dem Schweißen wünschen.
Letzte Anmerkung Bestätigen Sie immer die Materialauswahl mit den Lieferantenwerkzeugzertifikaten und berücksichtigen Sie die Geometrie des Bauteils, die erwarteten thermischen Zyklen, die Umgebung (oxidierend vs. reduzierend, Chloridvorhandensein) und den Fertigungsprozess. Für kritische Anwendungen fordern Sie vollständige mechanische Prüfdaten für die spezifische Produktform an und führen Sie, wenn Zweifel bestehen, repräsentative Mock-up-Schweiß- und Korrosionstests durch, um die gewählte Legierung unter den beabsichtigten Betriebsbedingungen zu validieren.