316 vs 316L – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Die austenitischen Edelstähle Typ 316 und 316L sind zwei der am häufigsten spezifizierten Sorten in der Industrie, von Rohrleitungen und Druckbehältern bis hin zu chemischen Verarbeitungseinrichtungen und Lebensmittelkontaktflächen. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen oft die Kompromisse zwischen leicht höherer Festigkeit, Verarbeitungsverhalten, Korrosionsbeständigkeit und Preis ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen geschweißte Baugruppen, bei denen interkristalline Korrosion oder Sensibilisierung ein Anliegen ist, im Gegensatz zu Anwendungen, bei denen marginal höhere Streckgrenze oder niedrigere Materialkosten bevorzugt werden.
Der grundlegende Unterschied ist der kontrollierte Kohlenstoffgehalt: Die „L“-Variante wird mit einem niedrigeren maximalen Kohlenstoffgehalt hergestellt, um das Risiko der Ausfällung von Chromkarbiden an den Korngrenzen nach dem Schweißen oder der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen zu verringern. Dieser Unterschied beeinflusst direkt die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion und informiert die Materialauswahl in geschweißten oder hochtemperaturbelasteten Komponenten.
1. Normen und Bezeichnungen
Übliche internationale Normen und Bezeichnungen für diese Sorten umfassen:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (Platte, Blech) — UNS S31600 (316), UNS S31603 (316L)
- EN: EN 10088-2 / EN 10088-3 (Edelstähle) — X5CrNiMo17-12-2 (316), X2CrNiMo17-12-2 (316L)
- JIS: SUS316, SUS316L
- GB (China): 0Cr17Ni12Mo2 und 00Cr17Ni12Mo2 (ungefähr entsprechend)
Klassifizierung: Sowohl 316 als auch 316L sind austenitische Edelstähle (Edelstahl). Sie sind keine Kohlenstoff-, Legierungs-, Werkzeug- oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die beiden Sorten teilen sich im Wesentlichen die gleichen Hauptlegierungselemente (Cr, Ni, Mo), wobei die Hauptvariable, die kontrolliert wird, Kohlenstoff ist. Im Folgenden finden Sie eine prägnante Zusammensetzungstabelle, die die üblichen Grenzwerte oder typischen Bereiche zeigt, wie sie von weit verbreiteten Normen festgelegt sind. Die Werte werden als Gewichtsprozent (wt%) angegeben; wo eine Norm ein Maximum festlegt, wird dies angezeigt.
| Element | 316 (typische Grenzen) | 316L (typische Grenzen) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% (max) | ≤ 0.03–0.035 wt% (max) |
| Mn | ≤ 2.0 wt% (max) | ≤ 2.0 wt% (max) |
| Si | ≤ 1.0 wt% (max) | ≤ 1.0 wt% (max) |
| P | ≤ 0.045 wt% (max) | ≤ 0.045 wt% (max) |
| S | ≤ 0.030 wt% (max) | ≤ 0.030 wt% (max) |
| Cr | 16.0–18.0 wt% (typisch) | 16.0–18.0 wt% (typisch) |
| Ni | 10.0–14.0 wt% (typisch) | 10.0–14.0 wt% (typisch) |
| Mo | 2.0–3.0 wt% (typisch) | 2.0–3.0 wt% (typisch) |
| V | Nicht spezifiziert / Spur | Nicht spezifiziert / Spur |
| Nb (Cb) | Normalerweise nicht vorhanden (es sei denn, stabilisiert) | Normalerweise nicht vorhanden (es sei denn, stabilisiert) |
| Ti | Normalerweise nicht vorhanden (es sei denn, stabilisiert als 316Ti) | Normalerweise nicht vorhanden |
| B | Normalerweise nicht vorhanden / Spur | Normalerweise nicht vorhanden / Spur |
| N | Kontrolliert auf niedrige Werte (Spur) | Kontrolliert auf niedrige Werte (Spur) |
Legierungsstrategie und -effekte: - Chrom (Cr) sorgt für einen passiven Oxidfilm, der den Edelstählen ihre Korrosionsbeständigkeit verleiht. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Mikrostruktur und verbessert die Zähigkeit und Formbarkeit. - Molybdän (Mo) erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen. - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit durch Festkörperlösungsstärkung und kann zur Karbidbildung an den Korngrenzen beitragen, wenn er mit Chrom und thermischer Exposition kombiniert wird. Die Senkung des Kohlenstoffgehalts in 316L minimiert die Ausfällung von Chromkarbiden und verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach dem Schweißen oder der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Sowohl 316 als auch 316L sind nach der Lösungsglühen vollständig austenitisch; die Mikrostruktur ist kubisch flächenzentriert (FCC) Austenit mit möglicherweise kleinen Mengen Delta-Ferrit in einigen gegossenen oder geschweißten Mikrostrukturen. - Karbidausfällung: Bei Temperaturen zwischen ungefähr 425–870°C (dem Sensibilisierungsbereich) können Kohlenstoff und Chrom chromreiche Karbide ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) an den Korngrenzen bilden. Dies erschöpft das Chrom in der Nähe der Korngrenzen und erhöht die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion.
Reaktion auf Wärmebehandlung und Verarbeitung: - Lösungsglühen (typisch für die Endbearbeitung): Erwärmen auf eine Lösungsglühtemperatur (z. B. 1.000–1.100°C) gefolgt von schnellem Abkühlen stellt eine einphasige austenitische Struktur wieder her und löst Ausfällungen für beide Sorten auf. - Normalisieren und Abschrecken werden für austenitische Edelstähle nicht häufig verwendet, da sie sich nicht in Martensit umwandeln; thermomechanische Verarbeitung (Kaltverformung gefolgt von Lösungsglühen) ist typischer. - 316L ist während des langsamen Abkühlens oder nach dem Schweißen weniger anfällig für Karbidausfällungen aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts; dies verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion, ohne dass in vielen Fällen eine Nachschweißlösungsglühung erforderlich ist. - Stabilisierte Varianten (z. B. 316Ti oder 316Cb/Nb) fügen absichtlich Ti oder Nb hinzu, um Kohlenstoff als stabile Karbide zu binden und somit die Bildung von Chromkarbiden zu verhindern – nützlich, wenn der Hochtemperaturbetrieb eine Lösungsglühung ausschließt.
4. Mechanische Eigenschaften
Quantitative mechanische Eigenschaften hängen von der Produktform (Platte, Stange, Rohr), Kaltverformung und Wärmebehandlung ab. Anstelle fester Zahlen ist der praktische Vergleich:
| Eigenschaft | 316 | 316L |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Ähnlich (vergleichbare Zugfestigkeit) | Ähnlich |
| Streckgrenze | Leicht höher (aufgrund höherem C) | Leicht niedriger (reduzierte Streckgrenze) |
| Dehnung / Duktilität | Vergleichbar, gute Duktilität | Vergleichbar, oft leicht höhere Duktilität |
| Schlagzähigkeit | Vergleichbar und allgemein gut bei Umgebungstemperaturen | Vergleichbar und allgemein gut |
| Härte | Ähnlich / abhängig von Kaltverformung | Ähnlich; leicht niedriger im geglühten Zustand |
Warum diese Unterschiede: - Kohlenstoff trägt zur Streckgrenze durch Festkörperlösungen und potenzielle Karbidpräsenz bei; 316 zeigt typischerweise eine marginal höhere Streckgrenze als 316L in geglühten Zuständen. - Niedrigerer Kohlenstoff in 316L kann die Duktilität und Zähigkeit marginal verbessern und wird bevorzugt, wenn die Duktilität nach dem Schweißen entscheidend ist.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit beider Sorten ist im Vergleich zu vielen Stählen ausgezeichnet; austenitische Edelstähle werden häufig in geschweißten Konstruktionen verwendet. Wichtige Überlegungen zur Schweißbarkeit:
- Kohlenstoffeindruck: Niedrigerer Kohlenstoff verringert die treibende Kraft für die Ausfällung von Chromkarbiden während des Nachschweißkühlens; 316L hat daher eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegen Schweißsensibilisierung im Vergleich zu 316.
- Härtbarkeit: Austenitische Edelstähle verwandeln sich beim Abkühlen nicht in Martensit, sodass Wasserstoffrissbildung weniger besorgniserregend ist als bei ferritischen oder martensitischen Stählen. Allerdings können Heißrissbildung und Sigma-Phasenbildung in bestimmten thermischen Zyklen relevant sein.
- Verwendung von Füllmetallen: Übereinstimmende oder übertreffende Fülllegierungen (z. B. ER316L) sind üblich, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten.
Relevante Gleichungen, die von Schweißingenieuren verwendet werden (qualitative Interpretation nur): - Chromäquivalent / Kohlenstoffäquivalent zur Bewertung der Härtbarkeit oder Schweißbarkeit: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Ein komplexerer prädiktiver Index: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Niedrigeres $C$ reduziert sowohl die Beiträge von $CE_{IIW}$ als auch von $P_{cm}$ und zeigt daher eine geringere Tendenz zur Bildung schädlicher Phasen bei langsamerem Abkühlen oder längeren Expositionen an. Daher schneidet 316L in diesen Indizes besser ab, um das Risiko der Sensibilisierung zu minimieren. - Praktische Implikation: Für geschweißte Strukturen mit langen isothermen Haltezeiten oder langsamen Abkühlungen im Sensibilisierungsbereich werden 316L oder stabilisierte Sorten empfohlen; für kurze Schweißzyklen und wenn die Festigkeit priorisiert wird, kann 316 mit geeigneten Verfahren akzeptabel sein.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Edelstahlkontext: - Für Edelstähle wird die Äquivalenzzahl für Lochkorrosionsbeständigkeit (PREN) häufig verwendet, um die lokale Korrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen Umgebungen zu vergleichen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Da 316 und 316L ähnliche Cr- und Mo-Gehalte aufweisen, ist ihre intrinsische Lochkorrosionsbeständigkeit im Wesentlichen gleichwertig (vorausgesetzt, die Stickstoffgehalte sind ähnlich). Der entscheidende Unterschied liegt in den Bedingungen nach dem Schweißen oder der Wärmeexposition: Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von 316L verringert die Chromerschöpfung an den Korngrenzen und verringert somit die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion.
Nicht-Edelstahlkontext: - (Hier nicht anwendbar; für nicht-Edelstähle werden Schutzsysteme wie Verzinkung oder Beschichtungen diskutiert.)
Wenn Indizes nicht anwendbar sind: - PREN ist nützlich, um Legierungen speziell für Lochkorrosion in chloridhaltigen Medien zu bewerten. Es erfasst nicht die allgemeine Korrosionsbeständigkeit, das mechanische Verhalten oder die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion aufgrund von Karbidausfällungen.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Sowohl 316 als auch 316L zeigen eine ausgezeichnete Formbarkeit (Tiefziehen, Biegen) dank der austenitischen Duktilität. 316L kann im geglühten Zustand marginal einfacher zu formen sein aufgrund der leicht niedrigeren Streckgrenze.
- Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind verfestigend; die Zerspanbarkeit ist im Vergleich zu Kohlenstoffstählen im Allgemeinen moderat bis schlecht. 316 und 316L lassen sich ähnlich zerspanen, obwohl Prozessparameter und Werkzeuge die praktische Späneführung und Oberflächenfinish bestimmen.
- Oberflächenveredelung: Beide nehmen übliche Edelstahloberflächenbehandlungen an (Polieren, Strahlen, Passivierung). Eine Passivierung nach der Verarbeitung wird empfohlen, um den chromreichen passiven Film wiederherzustellen, insbesondere nach dem Schweißen oder Beizen.
- Schweißen und Nachschweißbehandlung: 316L reduziert in vielen Situationen die Notwendigkeit einer Nachschweißlösungsglühung; jedoch kann in hochkorrosiven Anwendungen oder wenn maximale Widerstandsfähigkeit erforderlich ist, eine Lösungsglühung dennoch spezifiziert werden.
8. Typische Anwendungen
| 316 | 316L |
|---|---|
| Wärmetauscher, Pumpen und Ventile im maritimen und chemischen Einsatz (wo leicht höhere Festigkeit oder Standardmaterial 316 verfügbar ist) | Chemische Prozessrohre, pharmazeutische Geräte und medizinische Geräte, bei denen die Schweißintegrität und die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach dem Schweißen entscheidend sind |
| Befestigungen, Fittings und Hardware für maritime und architektonische Anwendungen | Große geschweißte Tanks, Reaktorgefäße und Rohrleitungen, bei denen langsames Abkühlen oder nach dem Schweißen thermische Exposition zu erwarten ist |
| Allzweck-Lebensmittelverarbeitungsgeräte | Kryogene Tanks und Rohrleitungen, bei denen der niedrige Kohlenstoffgehalt das Risiko der Karbidausfällung minimiert und wo Formen/Schweißen nach der Verarbeitung üblich ist |
| Komponenten, bei denen Standardmaterial 316 wirtschaftlicher ist und die Fertigungsmethoden keine Sensibilisierung hervorrufen | Jede Anwendung, die eine Minimierung des Sensibilisierungsrisikos ohne Stabilisierung oder Lösungsglühung erfordert |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 316, wenn eine leicht höhere Streckgrenze ohne besondere Schweißempfindlichkeit akzeptabel ist und Kosten/Verfügbarkeit dafür sprechen. - Wählen Sie 316L, wenn die Verarbeitung umfangreiches Schweißen, nach dem Schweißen Wärmeexposition oder wenn Normen/Branchenspezifikationen niedrige Kohlenstoffsorten erfordern, um interkristalline Korrosion zu vermeiden.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 316L ist typischerweise etwas teurer als 316 aufgrund einer strengeren Kontrolle des Kohlenstoffgehalts und manchmal zusätzlicher Verarbeitung; jedoch sind die Marktaufschläge gering und variieren je nach Region und Lieferbedingungen.
- Verfügbarkeit: Beide Sorten sind weit verbreitet in Blech, Platte, Stange, Rohr und Rohrleitung. 316 ist oft häufiger in Handelsbeständen; 316L ist aufgrund der breiten Nachfrage in der Pharma-, Petrochemie- und Lebensmittelindustrie leicht in geschweißten und nahtlosen Rohren, Blechen und Fittings erhältlich.
- Langfristige oder Spezialproduktformen (große Schmiedeteile, schwere Platten) können Vorlaufzeiten haben; spezifizieren Sie die Sorte frühzeitig im Beschaffungsprozess, um die Versorgung zu sichern und Substitutionen zu vermeiden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterien | 316 | 316L |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut; erhöhtes Sensibilisierungsrisiko im Vergleich zu 316L | Besser für geschweißte Baugruppen; geringeres Sensibilisierungsrisiko |
| Festigkeit–Zähigkeit | Leicht höhere Streckgrenze; ähnliche UTS und Zähigkeit | Leicht niedrigere Streckgrenze; vergleichbare Zähigkeit und Duktilität |
| Kosten | Leicht niedriger (oft) | Leicht höher (oft) |
Empfehlung: - Wählen Sie 316, wenn Ihr Design eine marginal höhere Streckgrenze begünstigt, der Fertigungsprozess die Zeit im Sensibilisierungsbereich minimiert (schnelles Abkühlen oder Nachschweißlösungsglühen durchgeführt wird) oder wenn Kosten/Verfügbarkeit für 316 sprechen. - Wählen Sie 316L, wenn Ihre Baugruppe umfangreiches Schweißen, langsames Abkühlen oder Dienstexpositionen umfasst, die eine Sensibilisierung verursachen könnten; wenn Normen oder Qualifikationsstandards niedriglegierte Materialien erfordern; oder wenn maximale Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach dem Schweißen wichtig ist.
Letzte praktische Anmerkung: Für kritische Hochtemperatur- oder hochkorrosive Anwendungen sollten alternative Ansätze in Betracht gezogen werden – stabilisierte Sorten (316Ti/316Cb), höherlegierte Edelstahlfamilien (z. B. Duplex, superaustenitisch), Nachschweißlösungsglühen oder die angemessene Spezifizierung von Füllmetallen. Überprüfen Sie immer die geltenden Normen und Umweltexpositionen mit Korrosions- und Schweißingenieuren, bevor Sie die Materialauswahl abschließen.