316L vs 316Ti – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
316L und 316Ti sind zwei weit verbreitete austenitische Edelstähle aus der 316-Familie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen geschweißte Drucksysteme (wo niedriger Kohlenstoff oder Stabilisierung wichtig sind), Hochtemperaturrohre und Wärmetauscher (wo Karbidniederschlag ein Anliegen ist) sowie allgemeine korrosive Komponenten, bei denen Mo-haltige Edelstähle der 300-Serie bevorzugt werden.
Der wesentliche metallurgische Unterschied zwischen den beiden besteht darin, wie jede Legierung die Bildung von Chromkarbid bei erhöhten Temperaturen verhindert: die eine minimiert den Kohlenstoffgehalt, die andere bindet Kohlenstoff mit einem stabilisierenden Element. Dieser Unterschied führt zu unterschiedlichen Entscheidungen in der Fertigung, der thermischen Belastbarkeit und einigen mechanischen Eigenschaften, weshalb 316L und 316Ti häufig in Konstruktions- oder Fertigungsspezifikationen verglichen werden.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche Spezifikationen und Bezeichnungen:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (Platte/Blech für Edelstahl); andere ASTM-Produktstandards für Stangen, Rohre, Fittings.
- EN: 1.4404 (häufig für 316L referenziert), 1.4571 (häufig für 316Ti referenziert).
- JIS, GB und andere nationale Standards haben oft äquivalente Grade (z.B. SUS316L-Äquivalente).
- Klassifizierung: beide sind Edelstähle (austenitisch, Mo-haltig, Cr–Ni-Serie). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Grade.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche für 316L und 316Ti, wie sie in gängigen Standards zu finden sind (Werte werden als Gewichtsprozent angegeben und sind indikativ; konsultieren Sie den spezifischen Standard für verbindliche Grenzen).
| Element | 316L (typischer Bereich, Gew.% ) | 316Ti (typischer Bereich, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75–1.0 | ≤ 0.8 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | 10.0 – 14.0 | 10.0 – 14.0 |
| Mo | 2.0 – 3.0 | 2.0 – 3.0 |
| V | Spuren | Spuren |
| Nb | Spuren / keine | Spuren / keine |
| Ti | Spuren / keine | ~0.4 – 0.7 |
| B | Spuren | Spuren |
| N | ≤ ~0.10 | ≤ ~0.11 |
Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Chrom und Molybdän bieten den Kern der Korrosions- und Lochkorrosionsbeständigkeit. Ni stabilisiert die austenitische Matrix und verbessert die Zähigkeit. - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, fördert jedoch die Bildung von Chromkarbid ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) bei 425–850 °C, was Cr an den Korngrenzen erschöpft und zu interkristalliner Korrosion (Sensibilisierung) führt. - 316L reduziert dieses Risiko, indem der Kohlenstoffgehalt begrenzt wird. 316Ti verwendet Titan, um stabile Ti-Kohlenstoff-Verbindungen (z.B. TiC) zu bilden, die Kohlenstoff bevorzugt binden und die Bildung von Chromkarbid während der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen verhindern.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Beide Grade sind im geglühten Zustand überwiegend austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter), mit einer typischen Mikrostruktur aus gleichachsigen Austenitkörnern und möglicherweise kleinen Mengen von Sigma-Phase oder Karbiden nach längerer Hochtemperaturbelastung. - 316L: niedriger Kohlenstoff bedeutet weniger Karbide nach thermischen Zyklen; die Mikrostruktur bleibt reiner Austenit, es sei denn, sie wird stark kaltverformt oder aggressiven thermischen Zyklen ausgesetzt. - 316Ti: Titan fällt als feine TiC/TiN-Partikel aus, häufig an Korngrenzen und innerhalb der Körner; diese wirken als Stabilisatoren.
Reaktion auf Wärmebehandlung und Verarbeitung: - Lösungsglühen (typischerweise 1000–1100 °C, gefolgt von schneller Abkühlung) stellt eine einheitliche austenitische Struktur wieder her und löst schädliche Phasen auf. Beide Grade werden routinemäßig für kritische Anwendungen lösungsgeglüht. - Normalisieren/Abschrecken/Anlassen ist für austenitische Edelstähle nicht typisch; thermomechanische Bearbeitung (Kaltverformung, Spannungsabbau) beeinflusst die Versetzungsdichte und mechanischen Eigenschaften, anstatt Phasen zu transformieren. - 316Ti ist besonders tolerant gegenüber thermischen Ausreißern im Sensibilisierungsbereich, da Ti Kohlenstoff sequestriert; jedoch können bei unzureichendem Ti im Verhältnis zu Kohlenstoff oder bei langanhaltender Hochtemperaturalterung sekundäre Niederschläge (z.B. Sigma-Phase) dennoch entstehen und den Stahl spröde machen.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von austenitischen Edelstählen hängen stark von der Produktform (Blech, Platte, Stange), der Kaltverformung und der thermischen Geschichte ab. Die folgende Tabelle gibt indikative, für diese Grade häufig berichtete Bereiche im geglühten Zustand an. Verwenden Sie Lieferanten-/Prüfzertifikate für designrelevante Werte.
| Eigenschaft (geglüht, indikativ) | 316L | 316Ti |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS), MPa | 480 – 620 | 490 – 630 |
| Streckgrenze (0.2% Offset), MPa | 170 – 300 | 180 – 310 |
| Dehnung (A, % in 50 mm oder spezifiziertem Maß) | 40 – 60 | 35 – 55 |
| Schlagzähigkeit (Charpy V-Notch, Raumtemperatur, J) | Allgemein hoch; gute Zähigkeit | Allgemein hoch; vergleichbar, manchmal etwas niedriger, wenn Niederschlag aufgetreten ist |
| Härte (HRB oder HB) | HRB ≈ 90 – 100 (weich geglüht) | HRB ≈ 95 – 110 (kann etwas höher sein) |
Interpretation: - 316Ti kann im geglühten Zustand eine marginal höhere Festigkeit aufweisen, bedingt durch höheren Kohlenstoff und Stabilisationsniederschläge, aber die Unterschiede sind für die meisten Druckbehälter- und Rohranwendungen gering. - Duktilität und Zähigkeit sind im Großen und Ganzen ähnlich; 316L kann eine etwas bessere Duktilität und garantierte niedrig-kohlenstoffhaltige Eigenschaften nach dem Schweißen bieten, während 316Ti Stabilität gegen Sensibilisierung bei erhöhten Betriebstemperaturen bietet.
5. Schweißbarkeit
Beide, 316L und 316Ti, gelten im Vergleich zu ferritischen oder martensitischen Stählen als hoch schweißbar, haben jedoch unterschiedliche praktische Überlegungen.
Relevante Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent für Austeniten (Beispiel): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Empirischer Parameter für Lochkorrosion/Schweißrissbildung (Beispiel): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 316L: sehr gute Schweißbarkeit aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts; minimales Risiko der Sensibilisierung und interkristallinen Korrosion nach typischen Schweißzyklen. Eine Nachschweißlösungsglühen ist in vielen Anwendungen normalerweise nicht erforderlich, um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. - 316Ti: ebenfalls schweißbar und oft speziell für geschweißte Komponenten gewählt, die Temperaturen im Sensibilisierungsbereich ausgesetzt sind, da Ti Kohlenstoff stabilisiert und die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion verringert. Es ist darauf zu achten, dass das Ti:C-Verhältnis angemessen ist und übermäßige Füllmaterialabweichungen vermieden werden; Füllmetalle sind typischerweise 316L/316-Typ-Verbrauchsmaterialien, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. - Beide Grade erfordern im Allgemeinen keine Vorwärmung; vermeiden Sie langsames Abkühlen durch 500–800 °C in sensiblen Anwendungen; ein Nachschweißlösungsglühen kann für kritische Anwendungen vorgeschrieben sein.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Beide sind korrosionsbeständige Edelstähle (standardmäßig nicht verzinkt oder lackiert).
- Für die Bewertung von Loch- und Spaltkorrosion verwenden Sie PREN (Pitting Resistance Equivalent Number): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index betont Cr, Mo und N. Typische PREN-Werte für Stähle der 316-Familie liegen in einem moderaten Bereich; 316L und 316Ti haben sehr ähnliche PREN, da ihre Cr- und Mo-Gehalte vergleichbar und N niedrig sind.
- Wenn die Auswahl von Edelstahl nicht angemessen ist (z.B. in stark reduzierenden oder alkalischen Umgebungen), benötigen nicht-edelstahlhaltige Stähle Oberflächenschutz wie Verzinkung, Beschichtung oder Verkleidung; dies ist für Teile der 316-Familie nicht die Norm.
- Praktischer Hinweis: 316Ti ist vorzuziehen für Anwendungen, bei denen thermische Exposition die Bildung von Chromkarbid verursachen könnte (z.B. Wärmetauscher, Dampfrohre), da Ti die Sensibilisierung verringert. 316L erreicht dasselbe praktische Ergebnis durch einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Zerspanbarkeit: austenitische Edelstähle verfestigen sich schnell und sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. 316Ti kann etwas herausfordernder sein als 316L, da Stabilisierung und höherer Kohlenstoffgehalt die Verfestigung und den Werkzeugverschleiß erhöhen können. Verwenden Sie robustes Werkzeug, geeignete Vorschübe, Schnittgeschwindigkeiten und Kühlmittel.
- Formbarkeit: 316L bietet im Allgemeinen eine bessere Formbarkeit und Tiefziehleistung aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und höheren Duktilität im geglühten Zustand. 316Ti formt ähnlich, kann jedoch etwas höhere Kräfte und eine genauere Kontrolle der Biegeradien erfordern.
- Oberflächenbehandlung: beide nehmen Standardoberflächenbehandlungen und Passivierungen an; Beizen/Neutralisation nach dem Schweißen kann verwendet werden, um die passive Schicht wiederherzustellen und Wärmeverfärbungen zu entfernen.
8. Typische Anwendungen
| 316L — Typische Anwendungen | 316Ti — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Chemische Verarbeitungsanlagen und Tanks (geschweißt) | Wärmetauscher und Ofenkomponenten, die mittleren Temperaturen ausgesetzt sind |
| Lebensmittel-, Getränke- und Pharmaanlagen (hygienisch) | Dampf- und Hochtemperaturrohre, bei denen Sensibilisierung ein Anliegen ist |
| Marine Komponenten und Küstenbauwerke | Automobil- und petrochemische Hochtemperaturrohre |
| Medizinische Gerätekomponenten, bei denen niedriger Kohlenstoff gefordert ist | Komponenten, die Stabilität während intermittierender thermischer Zyklen erfordern |
| Kryogene Behälter und Druckgeräte (aufgrund guter Zähigkeit) | Industrielle Kessel, Überhitzerrohre (spezifische Designs) |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 316L, wenn die Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen, das Tiefziehen und die Verfügbarkeit/Kosten die Hauptfaktoren sind. - Wählen Sie 316Ti, wenn der Einsatz längeren oder zyklischen Temperaturen ausgesetzt ist, die andernfalls Sensibilisierung verursachen würden, und wenn die Komponente nach der Fertigung nicht lösungsgeglüht wird.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- 316L ist häufiger und typischerweise in einer breiteren Palette von Produktformen und Walzoberflächen erhältlich; es ist im Allgemeinen die kostengünstigere Option zwischen den beiden.
- 316Ti hat einen moderaten Aufpreis aufgrund der Titanzugabe und des insgesamt niedrigeren Marktvolumens; die Verfügbarkeit ist für gängige Formen (Rohr, Platte, Rohr) jedoch weiterhin gut, aber die Lieferzeiten für spezielle Größen oder Oberflächen können länger sein.
- Für den Einkauf: Geben Sie den genauen Standard an (z.B. ASTM A240 316L oder EN 1.4571) und die erforderliche Oberflächenbehandlung/Wärmebehandlung, um Probleme in der Lieferkette zu vermeiden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 316L | 316Ti |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet (niedriger Kohlenstoff) | Ausgezeichnet, entwickelt, um Sensibilisierung zu widerstehen; erfordert Aufmerksamkeit für Ti:C |
| Festigkeit–Zähigkeit | Gute Zähigkeit, etwas niedrigere Streckgrenze | Vergleichbare Zähigkeit, etwas höheres UTS/Streckgrenzenpotenzial |
| Kosten | Niedriger / weit verbreitet | Etwas höhere Kosten / gute Verfügbarkeit |
Empfehlungen: - Wählen Sie 316L, wenn Sie die beste allgemeine Korrosionsbeständigkeit mit maximaler Schweißbarkeit und Formbarkeit benötigen und wenn Kosten und breite Verfügbarkeit Priorität haben. - Wählen Sie 316Ti, wenn die Anwendung thermischen Zyklen oder längeren Expositionen im Sensibilisierungsbereich (ungefähr 425–850 °C) ausgesetzt ist und Sie nach der Fertigung keine Lösungsglühen durchführen können oder wollen; 316Ti bietet Stabilität gegen interkristalline Angriffe unter diesen Bedingungen.
Letzter praktischer Hinweis: Für kritische Designs geben Sie immer den genauen Standard, die Produktform und die erforderliche Wärmebehandlung oder Nachschweißbehandlungen an und fordern Sie Walz-/Prüfzertifikate an. Bei Zweifeln über langfristige thermische Exposition oder spezifische Korrosionsmechanismen konsultieren Sie Korrosionstestdaten oder führen Sie Materialqualifikationstests für die beabsichtigte Betriebsumgebung durch.