316 vs 316Ti – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Typ 316 und Typ 316Ti sind beide austenitische Edelstähle, die in der chemischen Verarbeitung, im maritimen Bereich, in der Lebensmittelindustrie und in der Wärmeübertragung weit verbreitet sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Auswahldilemma zwischen leicht unterschiedlichen Korrosionsleistungen, Schweißbarkeit, thermischer Stabilität und Kosten — zum Beispiel bei der Wahl zwischen einem Material mit niedrigen Erstkosten und hervorragender allgemeiner Korrosionsbeständigkeit und einer stabilisierten Variante, die für längere Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen vorgesehen ist.

Der wesentliche metallurgische Unterschied besteht darin, dass 316Ti eine gezielte Titanzugabe enthält, um Kohlenstoff zu binden und das Risiko der Ausfällung von Chromkarbiden während der Hochtemperaturexposition zu verringern; 316 ist die unstabilisierte, konventionelle austenitische Sorte mit Molybdän. Aufgrund dieser Stabilisierungstrategie werden die beiden Sorten häufig verglichen, wenn Konstruktionen eine Nachschweißeinwirkung, längeren Hochtemperaturbetrieb oder die Wahl von Schweißzusatzstoffen und Schweißprozessparametern tolerieren müssen.

1. Normen und Bezeichnungen

• ASTM / ASME:
• 316: ASTM A240 / ASME SA240 (UNS S31600)
• 316Ti: ASTM A240 / ASME SA240 (häufig angegeben als 316Ti, UNS S31635 oder EN 1.4571)
• EN (Europäisch):
• 316: EN 1.4401
• 316Ti: EN 1.4571
• JIS (Japan): Entsprechungen existieren (z.B. SUS316)
• GB (China): Entsprechungen existieren (z.B. 0Cr17Ni12Mo2)

Klassifikation: sowohl 316 als auch 316Ti sind Edelstähle (austenitisch). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Stähle.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) gemäß gängigen Normen an (die Bereiche spiegeln Standardvorgaben wider und nicht eine einzelne proprietäre Analyse). Die genaue Zusammensetzung variiert je nach Spezifikation und Hersteller.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Chrom (Cr) sorgt für den passiven Film, der den Edelstählen ihre Korrosionsbeständigkeit verleiht. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase und verbessert Zähigkeit und Duktilität. - Molybdän (Mo) erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen. - Kohlenstoff (C) erhöht die Festigkeit leicht, fördert jedoch die Bildung von Chromkarbiden an den Korngrenzen, wenn es der Sensibilisierungstemperatur (ungefähr 450–850°C) ausgesetzt wird, was die interkristalline Korrosionsbeständigkeit verringert. - Titan (Ti) in 316Ti bildet bevorzugt stabile Titankarbide und -nitrate, wodurch Kohlenstoff daran gehindert wird, Chrom zu binden, und somit das Risiko der Sensibilisierung nach der Exposition gegenüber kritischen Temperaturbereichen verringert wird.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Mikrostruktur: - Sowohl 316 als auch 316Ti sind im lösungsgeglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisch). Die typische Mikrostruktur besteht aus einer austenitischen Matrix; geringfügige Phasen wie Karbide (M23C6), Nitrate oder intermetallische Phasen können je nach thermischer Vorgeschichte auftreten. - In 316 kann Kohlenstoff mit Chrom an den Korngrenzen reagieren, um Chromkarbide (M23C6) zu bilden, wenn das Material langsam durch oder innerhalb des Sensibilisierungsbereichs abgekühlt wird oder gehalten wird, was zu chromarmen Zonen und Anfälligkeit für interkristalline Korrosion führt. - In 316Ti bildet Titan bevorzugt TiC und TiN während der thermischen Exposition, was die Bildung von Chromkarbiden einschränkt und hilft, das Chrom an den Korngrenzen zu erhalten.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Lösungsglühen (typischer Bereich für austenitische Sorten): auf etwa $1040$–$1150^\circ\text{C}$ erhitzen und abschrecken. Dies löst Ausfällungen auf und stellt die Korrosionsbeständigkeit wieder her. - Normalisieren wird für austenitische Edelstähle im Allgemeinen nicht verwendet, da es wenig Wirkung hat und die Struktur nicht härtert. - Weder 316 noch 316Ti sind durch konventionelles Abschrecken und Anlassen härtbar — sie verfestigen sich durch Kaltverformung oder können durch Kaltverarbeitung oder durch Ausscheidungshärtung in verschiedenen Legierungssystemen (nicht typisch für die 316-Familie) verstärkt werden. - Thermo-mechanische Verarbeitung (Kaltverformung, Glühpläne) beeinflusst die Korngröße, Textur und mechanischen Eigenschaften ähnlich für beide Sorten, aber 316Ti behält eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Angriffe nach Hochtemperaturexposition.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgenden Eigenschaften spiegeln typische lösungsgeglühte (geglühte) Bedingungen wider; genaue Werte hängen von der Produktform und der Walzbehandlung ab.

Erklärung: - Festigkeit und Duktilität sind im Großen und Ganzen ähnlich; die Titanstabilisierung erhöht die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur im geglühten Zustand nicht wesentlich. - 316Ti kann in einigen Produktionschargen aufgrund der Ausscheidung von TiC/TiN eine leicht höhere Mindeststreckgrenze oder Härte aufweisen, aber die Unterschiede sind in den meisten strukturellen Entwurfskontexten gering. - Die Zähigkeit bleibt für beide hoch; keiner ist ein sprödes Material bei niedrigen Temperaturen.

5. Schweißbarkeit

Beide Sorten gelten als gut schweißbar mit standardmäßigen austenitischen Schweißpraktiken, aber es gibt praktische Unterschiede.

Wichtige Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalente Formen können verwendet werden, um die Härtbarkeit und Rissanfälligkeit zu bewerten. Ein Standardindex ist: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Ein detaillierterer Parameter für Edelstähle: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Qualitative Interpretation: - Sowohl 316 als auch 316Ti haben im Vergleich zu vielen Baustählen einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, sodass sie nicht anfällig für Kaltverriss durch Martensitbildung sind; austenitische Edelstahlschweißzusätze und Schutzgase sind Standard. - 316L (niedrigkohlenstoff Variante) wird oft bevorzugt, wenn umfangreiche Schweißarbeiten zu erwarten sind, da der niedrigere Kohlenstoff die Notwendigkeit einer Stabilisierung beseitigt. Für 316 (Standard) und 316Ti: - 316Ti bietet eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Nachschweißsensibilisierung, wenn die HAZ-Temperaturen durch den Sensibilisierungsbereich gehen, da Titan Kohlenstoff bindet. Dies kann vorteilhaft für die Fertigung sein, wenn das Bauteil wiederholten Hochtemperaturzyklen ausgesetzt ist. - Titan im Grundmaterial kann jedoch die Auswahl des Schweißzusatzes komplizieren und erfordert Aufmerksamkeit bei der Schweißprozedur, um zu vermeiden, dass grobe Titanpräzipitate im Schweißgut entstehen, die die Duktilität oder Korrosionsbeständigkeit lokal beeinträchtigen könnten. In vielen Schweißanwendungen wird 316L-Zusatz verwendet, um das Risiko der Sensibilisierung im Schweißgut zu verringern. - Vor- und Nachschweißlösungsglühen kann die Korrosionsbeständigkeit wiederherstellen, wo erforderlich. Für kritische Anwendungen werden Tests auf interkristalline Korrosion (z.B. ASTM A262-Praktiken) durchgeführt.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für Edelstahlsorten wie 316 und 316Ti stammt die allgemeine Korrosionsbeständigkeit aus dem passiven Chromoxidfilm; Mo verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen.
• Verwenden Sie die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) für vergleichende Lochkorrosionsbeständigkeit, wenn relevant: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Hinweis: Titan tritt nicht in die PREN-Formel ein; die Zugabe von Ti erhöht PREN nicht direkt, hilft jedoch, Chrom in Lösung zu halten, indem die Bildung von Chromkarbiden verhindert wird.
• Sensibilisierung: 316 (unstabilisiert) kann sensibilisiert werden, wenn es für ausreichend lange Zeit dem ungefähren Bereich von 450–850°C ausgesetzt wird, was zu interkristalliner Korrosion aufgrund der Ausfällung von Chromkarbiden führt. 316Ti ist speziell entwickelt, um dieses Risiko durch die Bildung von TiC/TiN zu verringern.
• Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) in chloridhaltigen Umgebungen ist ein Entwurfsfaktor für austenitische Edelstähle; eine Senkung des Kohlenstoffgehalts verhindert SCC nicht; die Auswahl des Materials, die Kontrolle der Restspannungen und die Kontrolle der Umgebung sind erforderlich.
• Oberflächenschutz: Für nicht-Edelstähle umfassen gängige Maßnahmen Verzinken oder Lackieren; für 316/316Ti sind diese in der Regel nicht erforderlich, es sei denn, ästhetischer oder abrasiver Verschleißschutz ist erforderlich.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle aufgrund von Verfestigung und niedriger Wärmeleitfähigkeit. 316 und 316Ti sind ähnlich; die Titanstabilisierung kann die Zerspanbarkeit in einigen Chargen geringfügig verringern, da harte TiC/TiN-Partikel vorhanden sind.
• Formbarkeit: Beide Sorten haben eine ausgezeichnete Duktilität und können mit Standardtechniken tiefgezogen, gebogen und geformt werden. Geglühtes Material wird bevorzugt, um übermäßiges Rückfederung oder Verfestigung zu vermeiden.
• Oberflächenveredelung: Beide können geschliffen, poliert und elektrolytisch poliert werden. Titanhaltige Ausfällungen in 316Ti sind im Allgemeinen mikroskalig und schließen hochwertige Oberflächenveredelungen nicht aus.
• Schweißen und Nachschweißbehandlungen: 316L-Schweißzusätze werden oft verwendet; wo Hochtemperaturkriechen oder längere Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen zu erwarten ist, kann ein spezialisierter Zusatz ausgewählt werden, der der Strategie des Grundmaterials entspricht.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 316 für allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Kosteneffizienz und breite Verfügbarkeit. - Wählen Sie 316Ti, wenn der Einsatz wiederholte oder längere Exposition gegenüber Temperaturen umfasst, bei denen Sensibilisierung ein Anliegen ist, oder wenn eine langfristige thermische Stabilität der Korngrenzen erforderlich ist.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: 316 ist im Allgemeinen häufiger und etwas kostengünstiger als 316Ti, da letzterer eine gezielte Titanzugabe enthält und oft eine engere Prozesskontrolle erfordert. Preisunterschiede sind im Vergleich zu den Gesamtkosten des Projekts in der Regel moderat, können jedoch von den Marktpreisen für Titan und der Legierungsverarbeitung abhängen.
• Verfügbarkeit: 316 ist weit verbreitet in Platten, Blechen, Rohren, Stangen und Schmiedeteilen. 316Ti ist ebenfalls weit verbreitet, kann jedoch längere Lieferzeiten für einige Produktformen, Dicken oder Spezialoberflächen haben. Für große Mengen Standardlager wird 316 oft einfacher zu beschaffen sein.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlungen: - Wählen Sie 316, wenn: Sie einen vielseitigen, kosteneffizienten austenitischen Edelstahl für allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Pumpen- und Ventilkomponenten, Lebensmittelverarbeitungsanlagen benötigen oder wenn umfangreiche Werkstatt- oder Feldschweißarbeiten durchgeführt werden und die niedrigsten Gesamtkosten der Legierung Priorität haben (denken Sie an 316L für schweres Schweißen). - Wählen Sie 316Ti, wenn: das Bauteil längerer oder wiederholter Exposition im Sensibilisierungsbereich ausgesetzt ist (z.B. Wärmeübertrager, Ofenteile, einige petrochemische Dienste) oder wenn die Erhaltung des Chroms an den Korngrenzen nach thermischen Zyklen entscheidend ist. 316Ti ist eine bevorzugte Option, wenn Designer einen stabilisierten austenitischen Edelstahl wünschen, ohne auf eine niedrigkohlenstoffhaltige Sorte umzusteigen.

Abschließende Anmerkung: Für jede kritische Anwendung geben Sie die genaue ASTM/EN-Gradbezeichnung, die erforderliche Produktform und alle Anforderungen an die Wärmebehandlung oder Lösungsglühen nach dem Schweißen an. Korrosionstests, Qualifizierung der Schweißverfahren und Zertifizierung des Lieferanten werden empfohlen, um sicherzustellen, dass die ausgewählte Sorte den Serviceerwartungen entspricht.