316 vs 317L – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Die Grade 316 und 317L sind austenitische Edelstähle, die häufig dort spezifiziert werden, wo die Korrosionsbeständigkeit die Notwendigkeit hoher Festigkeit überwiegt. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen routinemäßig die Kompromisse zwischen Korrosionsleistung, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen chemische Prozessleitungen, marine Komponenten und Ausrüstungen, die chloridhaltigen Umgebungen ausgesetzt sind, wo das Vermeiden von Loch- und Spaltkorrosion entscheidend ist.
Der primäre praktische Unterschied besteht darin, dass 317L für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion formuliert ist, durch höheren Molybdän- und Chromgehalt mit einer niedrigen Kohlenstoffgrenze, um die Sensibilisierung während des Schweißens zu reduzieren. Dies macht 317L zur bevorzugten Wahl, wo der Widerstand gegen Loch- und Spaltkorrosion ein Entwurfsfaktor ist, während 316 oft ausgewählt wird, wo gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit und niedrigere Kosten priorisiert werden.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM/ASME: Beide Grade erscheinen in den ASTM/ASME-Spezifikationen für Edelstahlplatten, -bleche, -rohre und -schmiedeteile (Beispiele: ASTM A240 für Platten/Bleche).
- UNS: 316 wird häufig als UNS S31600 angegeben; 317L wird häufig als UNS S31703 angegeben.
- EN (Europäisch): 316 ist in EN-Listen vertreten (häufig zu X5CrNiMo17-12-2 / 1.4401 für 316 und niedrigkohlenstoffhaltige Varianten zu 1.4404 zugeordnet); 317L wird höheren Legierungs-EN-Bezeichnungen zugeordnet (Bereiche variieren je nach Land und Normenausgabe).
- JIS/GB: Japanische und chinesische nationale Standards enthalten äquivalente Zusammensetzungen und mechanische Anforderungen für diese austenitischen Grade.
- Klassifizierung: Sowohl 316 als auch 317L sind Edelstähle (austenitische Familie), keine Kohlenstoff-, Legierungs-, Werkzeug- oder HSLA-Stähle.
Hinweis: Exakte Normnummern und Äquivalenzen variieren je nach Produktform (Platte, Rohr, Stange) und Ausgabejahr; immer die aktuelle Norm und UNS-Zuordnung bei der Spezifikation überprüfen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische chemische Zusammensetzungsbereiche (Gew.%). Werte sind indikativ; bestätigen Sie gemäß der geltenden Norm oder dem Werksprüfzertifikat.
| Element | 316 (typischer Bereich, Gew.% ) | 317L (typischer Bereich, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16–18 | 18–20 |
| Ni | 10–14 | 11–15 |
| Mo | 2–3 | 3–4 |
| V | ≤ 0.04 (nicht absichtlich hinzugefügt) | ≤ 0.04 |
| Nb (Cb) | Normalerweise nicht hinzugefügt | Normalerweise nicht hinzugefügt |
| Ti | Normalerweise nicht hinzugefügt | Normalerweise nicht hinzugefügt |
| B | Spuren | Spuren |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.11 |
Wie die Legierungsstrategie funktioniert: - Chrom (Cr) bildet den passiven Oxidfilm und die allgemeine Korrosionsbeständigkeit. Höheres Cr verbessert den Widerstand gegen oxidierende und einige reduzierende Umgebungen. - Molybdän (Mo) erhöht erheblich den Widerstand gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Medien; das erhöhte Mo von 317L ist der Schlüssel zu seiner überlegenen Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase und verbessert die Zähigkeit und Formbarkeit. - Kohlenstoff (C) beeinflusst die Sensibilisierung: Höherer C erhöht das Risiko der Ausfällung von Chromkarbid an Korngrenzen während des Schweißens oder langsamen Abkühlens; die „L“-Version (niedriger Kohlenstoff) minimiert dies, indem sie C ≤ 0.03 Gew.% hält. - Stickstoff (N) ist ein starker Austenitstabilisator und erhöht die Festigkeit und den Widerstand gegen Lochkorrosion (in PREN erfasst), aber die Stickstoffgehalte sind im Allgemeinen niedrig und kontrolliert.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Sowohl 316 als auch 317L sind unter typischen industriellen Bedingungen vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter), mit einer Mikrostruktur, die im Allgemeinen einphasiges Austenit plus mögliche Niedrigvolumen-Karbid- oder Nitrideinschlüsse je nach Zusammensetzung und thermischer Geschichte ist.
Reaktion auf die Verarbeitung: - Glühen (Lösungsglühen bei etwa 1.040–1.120 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen) stellt eine austenitische Matrix wieder her und löst Karbide auf, wodurch die Korrosionsbeständigkeit und Duktilität maximiert werden. - Normalisieren ist keine Standardbehandlung für austenitische Edelstähle, da der Hochtemperatur-Austenitbereich und die Stabilität konventionelle ferritische/perlitische Umwandlungen unbrauchbar machen. - Abschrecken und Anlassen sind für austenitische Grade nicht relevant, da sie beim Abkühlen nicht in Martensit umgewandelt werden; Kaltverformung und Alterung können das Ausfällungsverhalten beeinflussen. - Schweißen und langsames Abkühlen: 316 mit höherem Kohlenstoff ist anfälliger für Sensibilisierung – Ausfällung von Chromkarbid an Korngrenzen – wenn es ohne Kontrollen geschweißt wird. 317L, mit seinem niedrigen Kohlenstoffgehalt, minimiert die Karbidausfällung und ist daher weniger anfällig für interkristalline Korrosion nach dem Schweißen. - Thermomechanische Verarbeitung (Kaltverformung, Glühzyklen) beeinflusst die Versetzungsdichte, den Fließ-/Festigkeitswert und kann die Anfälligkeit für spannungsinduzierten Martensit in bestimmten austenitischen Formulierungen beeinflussen (weniger besorgniserregend bei stabilisierten oder stickstofflegierten Varianten).
4. Mechanische Eigenschaften
Typische Werte im mechanisch geglühten Zustand; exakte Werte hängen von der Produktform, der Dicke und der spezifischen Norm ab.
| Eigenschaft (geglüht) | 316 (typischer Bereich) | 317L (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~480–620 | ~480–620 |
| Streckgrenze 0.2% (MPa) | ~170–310 | ~170–300 |
| Dehnung (%) | ~40–60 | ~40–60 |
| Schlagzähigkeit (Charpy, J) | Hoch, behält Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen | Hoch, behält Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen |
| Härte (HB oder HRC) | Niedrig bis moderat (geglüht) | Niedrig bis moderat (geglüht) |
Interpretation: - In der Praxis haben 316 und 317L im geglühten Zustand weitgehend ähnliche mechanische Eigenschaften, da beide austenitische Edelstähle sind. Unterschiede von der niedrigeren Kohlenstoffgrenze in 317L sind geringfügig für die Zugfestigkeit; 316 kann eine geringfügig höhere Festigkeit aufweisen, wenn sein Kohlenstoff am oberen Limit liegt, aber dies geht mit einem höheren Risiko der Sensibilisierung einher. - Beide Grade sind duktil und zäh bei Raum- und subzero Temperaturen (austenitische Edelstähle sind bekannt für ihre hervorragende Schlagzähigkeit).
5. Schweißbarkeit
Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen ausgezeichnet bis sehr gut in der Schweißbarkeit aufgrund einer stabilen austenitischen Struktur und des Fehlens spröder Phasen, wenn das richtige Verfahren verwendet wird. Wichtige Punkte: - Kohlenstoffgehalt: Die niedrigere Kohlenstoffgrenze in 317L reduziert das Risiko der Ausfällung von Chromkarbid und interkristalliner Korrosion nach dem Schweißen. 316 ist schweißbar, kann jedoch niedrigkohlenstoffhaltige Varianten (316L) oder eine Nachglühbehandlung nach dem Schweißen in kritischen Anwendungen erfordern. - Härtbarkeit: Austenitische Grade haben eine niedrige Härtbarkeit im Sinne der Bildung von Martensit; wasserstoffinduzierte Rissbildung ist nicht der typische Schweißfehler, aber Vorsicht bei der Wärmeaufnahme und den Interpass-Temperaturen kann das Kornwachstum kontrollieren. - Mikrolegierung: Elemente wie Nb oder Ti, wenn vorhanden (stabilisierte Grade), reduzieren ebenfalls die Sensibilisierung, indem sie Kohlenstoff als stabile Karbide binden; diese sind in 316/317L nicht typisch.
Nützliche empirische Schweißbarkeitsindizes (für qualitative Interpretationen): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Beide Formeln zeigen, dass Kohlenstoff und Legierung die Härtbarkeit und das Schweißrisiko erhöhen. Da 317L niedrigkohlenstoffhaltig ist, werden seine berechneten Indizes im Allgemeinen eine einfachere Schweißbarkeit mit einem geringeren Risiko für interkristalline Korrosion im Vergleich zu höherkohlenstoffhaltigem 316 vorhersagen. - Praktisch gesehen, verwenden Sie eine niedrige Wärmeaufnahme, empfohlene Füllmetalle (passende oder überpassende Ni-Cr-Mo-Legierungen) und ziehen Sie eine Nachglühbehandlung nach dem Schweißen für kritische Anwendungen in Betracht, wenn Sie höherkohlenstoffhaltige Varianten verwenden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Edelstahlverhalten: - Für Edelstahlsorten wird der Widerstand gegen lokale Korrosion mit Indizes wie PREN quantifiziert: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Bei Verwendung typischer Zusammensetzungsbereiche hat 317L normalerweise einen höheren PREN als 316 aufgrund des höheren Mo (und oft vergleichbaren N), was auf eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen hinweist. - 316 bietet eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit (oxidierende und viele reduzierende Umgebungen) und widersteht Spannungsrisskorrosion und Spaltkorrosion recht gut, ist jedoch im Allgemeinen weniger widerstandsfähig gegen Lochkorrosion in aggressiven Chloridumgebungen als 317L.
Nicht-Edelstähle: - Hier nicht anwendbar; Verzinkung und Lackierung sind Standardmaßnahmen zum Schutz von Kohlenstoff- und Legierungsstählen, werden jedoch nicht für Edelstahl verwendet, wo der passive Film der Schutzmechanismus ist.
Wenn PREN nicht anwendbar ist: - PREN gilt für austenitische und duplex Edelstahl, wo Mo und N die lokale Korrosion erheblich beeinflussen. Es ist nicht sinnvoll für einfache Kohlenstoffstähle oder für Umgebungen, die von gleichmäßigen Korrosionsmechanismen dominiert werden, die nicht von lokalem Angriff betroffen sind.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Beide Grade sind im geglühten Zustand hoch formbar (Tiefziehen, Biegen) aufgrund der austenitischen Duktilität. Der Rückfederungsgrad ist höher als bei ferritischen Stählen und sollte bei der Werkzeuggestaltung berücksichtigt werden.
- Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind verfestigend und haben eine schlechtere Zerspanbarkeit als Kohlenstoffstähle. Höheres Molybdän (wie in 317L) kann die Zerspanbarkeit geringfügig reduzieren und den Werkzeugverschleiß beschleunigen. Verwenden Sie positive Spanwinkelwerkzeuge, starre Aufbauten und geeignete Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe.
- Oberflächenveredelung: Beide nehmen Standardpolier-, Passivierungs- und Elektrolysebehandlungen an. 317L kann eine sorgfältigere Passivierungssteuerung erfordern, wo der höchste Widerstand gegen Lochkorrosion erforderlich ist.
- Verbindung und Formgebung: Der niedrige Kohlenstoffgehalt von 317L verbessert die Ergebnisse der Schweißverarbeitung; für schwere Kaltverformungsoperationen glühen Sie nach Bedarf, um die Duktilität wiederherzustellen.
8. Typische Anwendungen
| 316 – Typische Anwendungen | 317L – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Chemische Prozessanlagen (weniger aggressive Chemien) | Chemische Prozessanlagen in chloridreichen oder aggressiveren Umgebungen |
| Marine Armaturen und meerwasserbezogene Komponenten (viele allgemeine Anwendungen) | Wärmetauscher, Rohrleitungen und Ausrüstungen, die chloridhaltige Sole und Säuren handhaben, wo ein verbesserter Widerstand gegen Lochkorrosion erforderlich ist |
| Lebensmittelverarbeitungsanlagen und Lagertanks | Pharmazeutische und hochreine Umgebungen mit Schweißempfindlichkeit gegenüber Karbidausfällungen |
| Architektonische Elemente, Befestigungen | Entsalzungs- und Offshore-Prozesssysteme, wo lokale Korrosion ein großes Anliegen ist |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 316, wenn gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Verfügbarkeit und niedrigere Materialkosten im Vordergrund stehen; es eignet sich für viele marine und chemische Umgebungen, die nicht stark aggressiv sind. - Wählen Sie 317L, wenn der Dienst aggressive Chloridumgebungen, höhere Konzentrationen oxidierender Anionen oder wo geschweißte Baugruppen den Widerstand gegen Loch-/Spaltkorrosion ohne Nachbehandlung nach dem Schweißen behalten müssen, umfasst.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 317L ist typischerweise teurer als 316 aufgrund des höheren Molybdän- und leicht höheren Nickelgehalts. Der Aufpreis steigt mit den Marktschwankungen von Mo.
- Verfügbarkeit: 316 ist in einer breiten Palette von Produktformen (Blech, Platte, Rohr, Stange, Armaturen, Befestigungen) weit verbreitet. 317L ist weit verbreitet, aber weniger allgegenwärtig; lange Lieferzeiten oder Mindestbestellmengen sind wahrscheinlicher für spezielle Produktformen oder Oberflächen.
- Einkauf: Bei Großprojekten können die Kostenunterschiede erheblich sein; wägen Sie den Materialaufschlag gegen die Lebenszykluskosten und mögliche Ersatz- oder Wartungskosten in korrosiven Anwendungen ab.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ)
| Attribut | 316 | 317L |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (erfordert Vorsicht, um Sensibilisierung in dickeren Abschnitten zu vermeiden) | Ausgezeichnet (niedriger C reduziert das Sensibilisierungsrisiko) |
| Festigkeit–Zähigkeit | Gute Duktilität und Zähigkeit; ähnlich im geglühten Zustand | Ähnliche Duktilität und Zähigkeit; mechanische Eigenschaften vergleichbar |
| Korrosionsbeständigkeit (Loch-/Spaltkorrosion) | Gute allgemeine Beständigkeit; moderate bis gute lokale Beständigkeit | Bessere lokale (Loch-/Spalt-)Beständigkeit aufgrund von höherem Mo und Cr |
| Kosten | Niedriger (mehr Ware) | Höher (Premium-Legierung) |
Empfehlungen: - Wählen Sie 316, wenn Sie einen kosteneffektiven, breit verfügbaren austenitischen Edelstahl für allgemeine Korrosionsanwendungen benötigen, wo die Chloridbelastung moderat ist und die Verarbeitung/Schweißen kontrolliert werden kann oder eine Nachbehandlung nach dem Schweißen möglich ist. - Wählen Sie 317L, wenn die Anwendung einen überlegenen Widerstand gegen Loch- und Spaltkorrosion in aggressiven Chloridumgebungen erfordert oder wo geschweißte Strukturen Sensibilisierung ohne umfangreiche Nachbehandlung nach dem Schweißen vermeiden müssen – und akzeptieren Sie höhere Materialkosten für eine verbesserte Lebensdauer.
Abschließende Anmerkung: Geben Sie immer die genaue Legierung, Produktform, Oberflächenfinish und geltende Norm in den Beschaffungsunterlagen an; fordern Sie Werksprüfzertifikate an und ziehen Sie Korrosionstests oder technische Bewertungen für kritische Anwendungen in Betracht, da die Betriebsumgebung und die Verarbeitungspraxis die langfristige Leistung stark beeinflussen.