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

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen 316 und 310S Edelstahl, wenn sie Teile für korrosive oder hochtemperaturbeständige Umgebungen spezifizieren. Die Entscheidung balanciert typischerweise Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit gegen Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit sowie Erstkosten und Lieferüberlegungen. Während beide austenitische Edelstähle sind und viele Fertigungseigenschaften teilen, wird 316 im Allgemeinen für chloridehaltige Umgebungen und schweißsensiblen Anwendungen ausgewählt, während 310S gewählt wird, wenn eine anhaltende Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit erforderlich sind.

Der primäre praktische Unterschied besteht darin, dass 316 eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit (insbesondere gegen Lochfraß) durch Molybdänlegierung betont, während 310S Hochtemperaturstabilität und Oxidationsbeständigkeit durch erhöhten Chrom- und Nickelgehalt betont. Diese unterschiedlichen Legierungsstrategien führen zu Unterschieden im mechanischen Verhalten, der Reaktion auf die Fertigung und der Anwendungsgeeignetheit.

1. Standards und Bezeichnungen

• Gemeinsame Standards und Spezifikationen:
• ASTM/ASME: 316 (A240/A312/A403 Familie, UNS S31600 / S31603 für niedriglegierten 316L) und 310S (A240, UNS S31008).
• EN: 1.4401 / 1.4404 Äquivalente für 316 / 316L; 1.4845 für 310S.
• JIS: SUS316 / SUS316L und SUS310S.
• GB: 06Cr19Ni10 (ca. 316), 0Cr25Ni20 (ca. 310S) Nomenklatur kann vorkommen.
• Klassifikation: beide sind Edelstähle (austenitisch). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Qualitäten.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche für kommerzielle geglühte Qualitäten. Die Bereiche variieren je nach Standard und Hersteller; die Werte unten sind repräsentativ.

Legierungsstrategie und -effekte: - Chrom (Cr) bildet den passiven Oxidfilm und die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit. 310S hat erheblich mehr Cr für bessere Skalierungsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase und verbessert die Zähigkeit und Duktilität; 310S hat mehr Ni, um die Duktilität bei hohen Temperaturen zu erhalten und Kriechen zu widerstehen. - Molybdän (Mo) in 316 verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion in chloridehaltigen Umgebungen und erhöht die lokale Korrosionsbeständigkeit (nicht vorhanden in 310S). - Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst die Karbidabscheidung und Sensibilisierung; niedriglegierte Varianten (316L / 310S) reduzieren interkristalline Angriffe nach dem Schweißen. - Geringe Zusätze (Nb, Ti) werden in stabilisierten Qualitäten verwendet, um Kohlenstoff zu binden und Sensibilisierung zu verhindern.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Mikrostruktur: Sowohl 316 als auch 310S sind in typischer geglühter Bedingung bei Raumtemperatur vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisch). Sie transformieren beim Abkühlen nicht martensitisch.
• Reaktion auf Wärmebehandlung:
• Die Lösungsglühen (z.B. 1.040–1.100°C) gefolgt von schnellem Abkühlen ist die Standardbehandlung, um Ausscheidungen aufzulösen und die Korrosionsbeständigkeit für beide Legierungen wiederherzustellen.
• Keine der Qualitäten kann durch konventionelle Abschreck- und Anlasstechniken signifikant gehärtet werden; die Verstärkung erfolgt durch Kaltverformung oder durch Hochtemperatur-Festkörperlösungsverstärkung (z.B. für 310S).
• Bei mittleren Temperaturen (ungefähr 450–900°C) sind beide Legierungen anfällig für die Ausscheidung von Sigma-Phase oder Karbiden, wenn sie lange genug gehalten werden; der höhere Ni-Gehalt von 310S verbessert die Phasenstabilität bei einigen Temperaturen, während das Mo von 316 die Sigma-Bildung unter bestimmten Bedingungen fördern kann. Eine ordnungsgemäße Wärmebehandlung und die Auswahl von niedriglegierten oder stabilisierten Varianten mindern die Sensibilisierung.
• Thermomechanische Verarbeitung (Walzen, Schmieden) gefolgt von ordnungsgemäßem Glühen erzeugt feinkörniges Austenit in beiden Legierungen; Kaltverformung erhöht die Festigkeit, aber auch die Kaltverfestigung und verringert die Duktilität.

4. Mechanische Eigenschaften

Typische Bereiche der Eigenschaften bei Raumtemperatur und geglüht (Hinweis: tatsächliche Werte hängen von der Produktform, Dicke und dem Lieferanten ab):

Interpretation: - 310S zeigt typischerweise höhere Zug- und Streckgrenzen in geglühtem Zustand aufgrund schwererer Legierung und größerer Lösungsverstärkung (höherer Cr und Ni). - 316 zeigt im Allgemeinen höhere Duktilität und neigt dazu, bei Raum- und Untertemperaturen zäher zu sein, unterstützt durch seinen Ni-Gehalt und den geringeren Beitrag zur Festkörperlösungsverstärkung von Cr. - Keine der Qualitäten ist für hohe Härte im geglühten Zustand ausgelegt; Kaltverformung erhöht die Festigkeit auf Kosten der Duktilität.

5. Schweißbarkeit

Austenitische Edelstähle gehören zu den am besten schweißbaren Edelstahlfamilien, aber Unterschiede sind in der Praxis wichtig.

• Faktoren:
• Kohlenstoffgehalt, Restbestandteile und Legierungsgehalt beeinflussen die Anfälligkeit für Heißrissbildung, Erstarrungsmodus und Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen.
• Da beide austenitisch sind, ist das Risiko der martensitischen Transformation und der härtungsbedingten Rissbildung gering.
• Nützliche Indizes:
• Kohlenstoffäquivalent für allgemeine Schweißbarkeit:
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Höhere Werte deuten auf eine größere Härtbarkeit und das Potenzial für Rissbildung in ferritischen Stählen hin; für Austeniten wird diese Formel qualitativ verwendet, um die Legierungseffekte zu vergleichen.
• Schweißparameter für Edelstähle:
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Größere $P_{cm}$ deuten auf eine erhöhte Neigung zu interkristallinen Rissphänomenen während des Schweißens hin.
• Qualitative Interpretation:
• 316 profitiert von Mo für Korrosionsbeständigkeit, hat aber insgesamt ein moderates CE/Pcm; es lässt sich leicht mit Standardfüllerstoffen (z.B. 316/316L oder 309 für unterschiedliche Verbindungen) schweißen und zeigt gute Duktilität in den Schweiß-HAZs. Die Verwendung von niedriglegierten oder stabilisierten Qualitäten reduziert die Sensibilisierung.
• 310S schweißt unter vielen Bedingungen gut, aber sein höherer Legierungsgehalt kann die Anfälligkeit für Erstarrungsrisse erhöhen und macht die Auswahl des Füllmaterials sowie die Vor- und Nachbehandlung kritischer, insbesondere für dicke Abschnitte und Mehrfachschweißungen. 310/310L Füllstoffe oder 309 für überbrückte unterschiedliche Verbindungen sind üblich.
• Vorwärmen ist für keine der Qualitäten aus metallurgischen Gründen erforderlich, aber die Aufmerksamkeit auf die Wärmeaufnahme, die Interpass-Temperatur und die Chemie des Füllmaterials ist wichtig, um Verformungen zu kontrollieren und die Ausscheidung von Sigma-Phase zu vermeiden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Edelstahlverhalten:
• Die Verwendung von PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) hilft, die lokale Korrosionsbeständigkeit zu vergleichen:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
  • Der Mo-Gehalt von 316 erhöht das PREN im Vergleich zu 310S, was 316 eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion in chloridehaltigen Umgebungen verleiht.
  • 310S, das kein Mo enthält, hat ein PREN, das hauptsächlich durch höheren Cr bestimmt wird – gute allgemeine Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, aber weniger Widerstand gegen Lochfraß als Mo-haltige Qualitäten.
• Hochtemperatur-Oxidation:
• 310S übertrifft in der Oxidationsbeständigkeit und Skalierungsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen (z.B. Ofenarbeiten, Abgasbauteile) aufgrund von höherem Cr und Ni.
• Wenn kein Edelstahl-Schutz verwendet wird:
• Für nicht-einheitliche Stähle erfolgt der Schutz durch Verzinkung, Lackierung oder Beschichtungen. Nicht anwendbar beim Vergleich dieser beiden Edelstahllegierungen, es sei denn, es werden Oberflächenbehandlungen (Passivierung, Beizen) verwendet, um den passiven Film nach der Verarbeitung wiederherzustellen.
• Klärung: PREN ist sinnvoll, um die Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß unter Edelstählen zu vergleichen; es ist nicht anwendbar auf allgemeine Korrosionsmechanismen wie gleichmäßigen Säureangriff oder Hochtemperatur-Oxidation.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Formen und Biegen:
• 316 ist im Allgemeinen einfacher zu formen und zu biegen aufgrund von etwas besserer Duktilität und niedrigerer Kaltverfestigungsrate.
• 310S ist widerstandsfähiger gegen Formen und Rückfederung aufgrund höherer Festigkeit und stärkerer Kaltverfestigungstendenz.
• Zerspanbarkeit:
• Beide Qualitäten lassen sich schlechter bearbeiten als Kohlenstoffstähle. 316 ist typischerweise etwas einfacher zu bearbeiten als 310S; beide erfordern starre Aufbauten, scharfe Werkzeuge und häufige Werkzeugwechsel. Der Einsatz von Hochvorschub, positivem Spanwinkel Hartmetallwerkzeugen und Flutkühlung ist üblich.
• Oberflächenveredelung:
• Beide lassen sich gut polieren und veredeln; die geringere Skalierung von 316 bei moderaten Temperaturen erleichtert es, eine gleichmäßige Oberfläche nach dem Schweißen zu erzielen.
• Verarbeitungsnotiz:
• Für Hochtemperaturkomponenten (310S) sollten Bearbeitungszulagen und Wärmebehandlungspläne Verzerrungen und Skalierungen berücksichtigen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 316 für Umgebungen, in denen durch Chlorid induzierter Lochfraß, Spaltkorrosion und Schweißbarkeit mit erhaltenem Korrosionsschutz die Hauptanliegen sind. - Wählen Sie 310S, wenn Betriebstemperatur, Oxidationsskalierung oder Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen die Konstruktionsanforderungen dominieren.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• 310S ist im Allgemeinen teurer als 316 auf Basis pro Kilogramm aufgrund des erheblich höheren Nickelgehalts und des höheren Chromgehalts.
• 316 ist typischerweise kostengünstiger und oft in einer breiteren Palette von Handelsproduktformen erhältlich.
• Verfügbarkeit nach Produktform:
• 316: breite Verfügbarkeit in Platten, Blechen, Rohren, Rohren, Stangen, Befestigungen und einer breiten Auswahl an kaltverarbeiteten und niedriglegierten Varianten (316L).
• 310S: erhältlich in Blechen, Platten und Hochtemperatur-Spezialformen, aber weniger verbreitet in Handelsbefestigungen oder kostengünstigen Formen.
• Beschaffungsrichtlinien: Für Großprojekte, bei denen Hochtemperaturbeständigkeit nicht erforderlich ist, kann 316 bessere Gesamtkosten und Versorgungssicherheit bieten. Für Hochtemperatur-Spezialkomponenten ist die Verfügbarkeit von 310S in der Regel ausreichend, aber Lieferzeiten und Kostenaufschläge sollten erwartet werden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie 316 (oder 316L), wenn Ihre Hauptbedürfnisse Widerstand gegen durch Chlorid induzierten Lochfraß, hervorragende Schweißbarkeit mit erhaltenem Korrosionsschutz, gute Duktilität und Zähigkeit sowie niedrigere Materialkosten oder breite Versorgung sind. Typische Anwendungsfälle: Marine, chemische Verarbeitung, Lebensmittel-/Pharma-Tanks und Rohrleitungen. - Wählen Sie 310S, wenn Ihre Hauptbedürfnisse langfristige Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit, Skalierungsbeständigkeit oder Betrieb bei erhöhten Temperaturen sind, wo Kriechen und thermische Stabilität kritisch sind. Typische Anwendungsfälle: Ofenkomponenten, Strahlrohre, Brennofenhardware und Hochtemperaturkanäle.

Letzte Anmerkung: Beide Legierungen sollten am besten mit expliziter Produktform, Oberflächenbehandlung und allen Anforderungen an die Wärmebehandlung oder Stabilisierung nach dem Schweißen spezifiziert werden. Konsultieren Sie Materiallieferanten und Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) für die Auswahl des Füllmaterials, Vor- und Nachbehandlungspraktiken sowie anwendungsspezifische Temperaturgrenzen, um die Bildung von Sigma-Phase, Sensibilisierung und vorzeitige Ausfälle zu vermeiden.