316Ti vs 321H – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Einführung
316Ti und 321H sind beide austenitische Edelstähle, die dort eingesetzt werden, wo eine Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung erforderlich ist. Die Wahl zwischen ihnen ist ein wiederkehrendes Dilemma für Ingenieure und Beschaffungsteams, die Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, Schweißbarkeit und Lebenszykluskosten abwägen: 316Ti ist eine Molybdän-haltige Sorte, die mit Titan stabilisiert ist, um die Empfindlichkeit zu verbessern, während 321H eine titan-stabilisierte Chrom-Nickel-Sorte ist, die mit höherem Kohlenstoff angeboten wird, um die Kriechfestigkeit und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Diese Unterschiede machen die beiden Sorten attraktiv für sich überschneidende, aber unterschiedliche Einsatzbereiche—316Ti, wo die Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß und allgemeine Korrosionsbeständigkeit priorisiert werden, und 321H, wo langfristige Stabilität in hochtemperaturoxidierenden Umgebungen und Kriechbeständigkeit wichtig sind.
1. Normen und Bezeichnungen
Gemeinsame internationale Normen und Bezeichnungen, in denen diese Sorten zu finden sind:
- ASTM/ASME: A240 (Platte, Blech und Band), A312 (Rohr), A403 (Fittings) — 316Ti und 321/321H Varianten sind spezifiziert.
- EN: EN 1.4571 (316Ti), EN 1.4878 (321H) Äquivalente werden in europäischen Normen verwendet.
- JIS: Die Familie JIS G4303/G4313 umfasst stabilisierte Austeniten mit lokalen Bezeichnungen.
- GB (China): GB/T Normen listen Edelstahlsorten auf, die mit 316Ti und 321H vergleichbar sind.
Klassifizierung: - Sowohl 316Ti als auch 321H sind Edelstähle (austenitisch). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, legierten Stähle, Werkzeugstähle oder HSLA.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: typische Zusammensetzungsbereiche (ausgedrückt in Gewicht Prozent). Die Werte variieren je nach Spezifikation und Produktform; die Tabelle zeigt repräsentative Bereiche, die häufig in Normen zitiert werden. Konsultieren Sie immer die relevante Norm oder das Werkzertifikat für die genaue Zusammensetzung.
| Element | 316Ti (typischer Bereich) | 321H (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (Kontrolle auf niedrigem Kohlenstoff) | ~0.04–0.10 (höher-C Variante von 321) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~16–18 | ~17–19 |
| Ni | ~10–14 | ~9–12 |
| Mo | ~2.0–3.0 | ≤ 0.5 (typischerweise keiner) |
| V | Spuren oder nicht spezifiziert | Spuren oder nicht spezifiziert |
| Nb | — (kein primärer Stabilisator) | — (Ti ist der Stabilisator; Nb wird manchmal in verwandten Sorten verwendet) |
| Ti | kontrollierte Zugabe (≥ 5 × C, bis ~0.7) | kontrollierte Zugabe (≥ 5 × C, bis ~0.7) |
| B | Spuren | Spuren |
| N | Spuren bis kleine Zugaben möglich | Spuren |
Hinweise zur Legierungsstrategie: - 316Ti: basiert auf der 316-Familie—Chrom, Nickel und Molybdän bieten überlegene allgemeine und Lochfraßkorrosionsbeständigkeit. Titan wird hinzugefügt, um Kohlenstoff zu stabilisieren, wodurch Kohlenstoff-Titan-Niederschläge entstehen, um die Bildung von Chromkarbid während der Exposition im Sensibilisierungsbereich (ungefähr 450–850 °C) zu vermeiden. - 321H: abgeleitet von 321 (Cr–Ni mit Ti-Stabilisierung), aber mit höherem Kohlenstoff ausgestattet, um die Kriechfestigkeit und die dauerhaften Hochtemperatureigenschaften zu verbessern. Titan in 321H bindet Kohlenstoff und reduziert die Sensibilisierung, während es höheren C für die Kriechfestigkeit behält.
Legierungseffekte: - Chrom sorgt für Passivität und allgemeine Korrosionsbeständigkeit. - Nickel stabilisiert die austenitische Struktur und verbessert die Zähigkeit. - Molybdän in 316Ti erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion (Lochfraß/Ritzen). - Titan bindet freien Kohlenstoff, um interkristalline Korrosion nach dem Schweißen oder der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen zu verhindern; in 321H erhöht der höhere Kohlenstoff die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, erfordert jedoch den richtigen Titan-Gehalt, um Sensibilisierung zu verhindern.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Typische Mikrostrukturen: - Beide Sorten sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch mit dispergierten Karbiden oder intermetallischen Phasen, abhängig von der thermischen Geschichte. - Titan bildet bevorzugt TiC oder Ti(C,N)-Niederschläge vor der Bildung von Chromkarbid und hält Chrom an den Korngrenzen in Lösung.
Wärmebehandlungs- und Verarbeitungseffekte: - Das Glühen (Lösungsbehandlung) bei typischen Austenitisierungstemperaturen, gefolgt von schneller Abkühlung, bringt beide Materialien in eine duktilen, einphasigen austenitischen Mikrostruktur zurück. - Für 316Ti beseitigt die Standardlösungsglühung die vorherige Karbidniederschlag; die Ti–C-Niederschläge bleiben stabil, wenn Ti im Verhältnis zu Kohlenstoff ausreichend ist. - 321H wird normalerweise im lösungsgeglühten Zustand geliefert; der höhere Kohlenstoff sorgt für eine größere Niederschlagsverstärkung bei längeren Expositionen bei erhöhten Temperaturen und verbessert die Kriechfestigkeit. - Normalisieren, Abschrecken und Anlassen sind im gleichen Sinne nicht auf austenitische Edelstähle anwendbar wie auf ferritische/perlitische Stähle; mechanische Eigenschaften werden hauptsächlich durch Kaltverformung, Lösungsglühen und Alterungs-/Niederschlagseffekte bei Betriebstemperatur erreicht. - Thermo-mechanische Verarbeitung (Kaltverformung + Glühen) kann die Festigkeit durch Verfestigung erhöhen; lange Betriebsbelastungen zwischen etwa 500–800 °C können komplexe Karbid- und intermetallische Niederschläge verursachen, die die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen, wenn Titan unzureichend ist.
4. Mechanische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften hängen von der Produktform (Blech, Platte, Rohr), der Wärmebehandlung und dem Prüfstandard ab. Die folgende Tabelle bietet qualitative vergleichende Beschreibungen anstelle absoluter numerischer Werte—konsultieren Sie die Werkzertifikate für präzise Zahlen.
| Eigenschaft | 316Ti (geglüht, typisches Verhalten) | 321H (geglüht oder stabilisiert) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Mäßig — konsistent mit der austenitischen 316-Familie | Ähnlich oder leicht höher bei erhöhten Temperaturen aufgrund der C-Verstärkung |
| Streckgrenze | Mäßig — gute Duktilität | Leicht höhere Streckgrenze bei hohen Temperaturen; Streckgrenze bei Raumtemperatur ähnlich wie 316Ti |
| Dehnung | Hoch (gute Duktilität und Formbarkeit) | Gut, kann jedoch moderat reduziert sein, wenn höherer C oder kaltverformt |
| Schlagzähigkeit | Hoch bei Raumtemperatur; gute Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen | Gut bei Raumtemperatur; behält Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen, aber lange Expositionen können die Zähigkeit beeinträchtigen, wenn Niederschläge auftreten |
| Härte | Niedrig bis mäßig (weich, duktil, leicht kaltverformbar) | Vergleichbar; höherer C kann die Härte geringfügig erhöhen |
Interpretation: - Bei Raumtemperatur zeigen beide Sorten die charakteristische Duktilität und Zähigkeit von austenitischen Edelstählen. - 321Hs höherer Kohlenstoff und Stabilisierungstrategie geben ihm einen Vorteil für Hochtemperaturkriech- und Festigkeitsbeibehaltung über längere Einsätze, während 316Ti aufgrund des Molybdäns eine leicht bessere Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion bietet.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von austenitischen Edelstählen ist im Allgemeinen gut; zwei Aspekte sind hier wichtig: Anfälligkeit für Sensibilisierung/interkristalline Korrosion und Kaltverformungs-/Verfestigungseffekte in der Nähe von Schweißnähten.
Wichtige Schweißbarkeitsindizes: - Der Kohlenstoffäquivalent (IIW-Formel) ist nützlich zur Bewertung der Verfestigungstendenz beim Schweißen: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Die Chromäquivalent- oder Pcm-Formel wird ebenfalls verwendet, um die Anfälligkeit für Schweißrissbildung zu bewerten: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 316Ti: Allgemein ausgezeichnete Schweißbarkeit. Niedriger Kohlenstoff und Titanstabilisierung reduzieren das Risiko interkristalliner Korrosion nach dem Schweißen. Molybdän beeinträchtigt die Schweißbarkeit nicht ernsthaft, erhöht jedoch die Tendenz der Legierung, in seltenen Fällen niederschmelzende Phasen zu bilden; Standardfüller-Metallurgie und Kontrolle der Wärmezufuhr vermeiden Probleme. - 321H: Ebenfalls schweißbar, aber höherer Kohlenstoff erhöht die theoretischen Kohlenstoffäquivalentwerte, was die Notwendigkeit einer kontrollierten Wärmezufuhr und potenzieller Nachbehandlungen nach dem Schweißen in dicken Abschnitten erhöht. Titanstabilisierung mildert die Bildung von Chromkarbid, aber wenn der Kohlenstoffgehalt absichtlich höher ist (wie bei 321H), ist die Kontrolle des Ti:C-Verhältnisses entscheidend. Vorwärmen ist für dünne Abschnitte typischerweise nicht erforderlich; für dicke Abschnitte und zyklischen Hochtemperaturbetrieb wird eine Schweißverfahrensqualifikation empfohlen.
Insgesamt: Beide Sorten gelten als schweißbar mit Standardverfahren; 316Ti wird oft als einfacher angesehen, mit weniger Anforderungen an zusätzliche Kontrollen, wenn Korrosionsbeständigkeit die Hauptsorge ist, während 321H Aufmerksamkeit erfordert, wenn sie in dicken Abschnitten oder in Anwendungen verwendet wird, in denen Nachbehandlung und Kriechleistung wichtig sind.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Für Edelstahlsorten wird die Korrosionsleistung hauptsächlich durch den Chromgehalt und das Vorhandensein von Molybdän und Stickstoff bestimmt.
- PREN (Lochfraßwiderstand-Äquivalenznummer) ist hilfreich zum Vergleich der Lochfraßbeständigkeit: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Anwendung von PREN: 316Ti profitiert von seinem Molybdängehalt, was zu einem höheren PREN als 321H in typischen Zusammensetzungen führt; 321Hs Mangel an Mo bedeutet eine geringere Lochfraßbeständigkeit in Chloridumgebungen.
Nicht-Edelstähle: - Hier nicht anwendbar, da beide Sorten Edelstähle sind. Wenn alternative Kohlenstoffstähle verwendet werden, wären Beschichtungen (Verzinkung, Lackierung, Auskleidungen) erforderlich.
Praktische Hinweise: - 316Ti: bevorzugt für chloridhaltige Umgebungen (Meerwasser, chemische Prozessströme) aufgrund der durch Mo verbesserten Lochfraßbeständigkeit und Ti-Stabilisierung zur Vermeidung von Sensibilisierung. - 321H: besser geeignet für hochtemperaturoxidierende Umgebungen (Abgassysteme, Heizgeräte, Kessel), wo Kriechbeständigkeit und Widerstand gegen Hochtemperaturkorrosion/-oxidation Priorität haben; nicht optimal für aggressive Chloridumgebungen, es sei denn, sie sind geschützt.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen klebriger und verfestigen sich mehr als ferritische Stähle. 316Ti und 321H lassen sich ähnlich bearbeiten, obwohl der erhöhte Kohlenstoff in 321H die Werkzeuginteraktion leicht verbessern kann, aber auch die lokale Verfestigung erhöhen kann.
- Formbarkeit: Beide Sorten lassen sich gut im geglühten Zustand formen; 316Ti hat typischerweise eine etwas bessere Formbarkeit aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts, und das Vorhandensein von Molybdän behindert das Formen nicht. 321H ist formbar, aber die Prozesse sollten potenzielle Rückfederung und Verfestigungsverhalten berücksichtigen.
- Oberflächenveredelung: Beide akzeptieren Standard-Schleif-, Polier- und Passivierungsbehandlungen. Passivierungschemikalien und -parameter sind die gleichen wie für andere austenitische Sorten, aber die Überprüfung der Korrosionsbeständigkeit nach der Verarbeitung wird empfohlen, insbesondere nach dem Schweißen.
- Kaltverformung: Kaltverformung erhöht die Festigkeit, reduziert jedoch die Duktilität; das abschließende Glühen kann verwendet werden, um die Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen.
8. Typische Anwendungen
| 316Ti — Typische Anwendungen | 321H — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Chemische Prozessanlagen, die Chloriden ausgesetzt sind, Wärmetauscher, Tanks und Rohrleitungen in korrosiven Umgebungen, marine Fittings, pharmazeutische Geräte, wo Lochfraßbeständigkeit wichtig ist | Abgasrohre, Komponenten von Öfen und Kesseln, Hochtemperaturprozessrohre, hitzebeständige Fittings, Flugzeug- und Motorabgase, wo eine dauerhafte Hochtemperaturbelastung und Kriechbeständigkeit erforderlich sind |
| Lebensmittel- und Getränkeanlagen, wo Korrosionsbeständigkeit und Reinigungsfähigkeit erforderlich sind | Hochtemperaturstrukturkomponenten und Dehnungsfugen in petrochemischen/industriellen Heizgeräten |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 316Ti für Umgebungen, in denen Lochfraß und Ritzenkorrosion durch Chloride oder aggressive Prozessflüssigkeiten die Hauptsorge sind und wo geschweißte Baugruppen interkristalline Korrosion vermeiden müssen. - Wählen Sie 321H für dauerhafte Hochtemperaturdienste, wo Kriechfestigkeit, Widerstand gegen Oxidation und Stabilität nach längerer Exposition wichtiger sind als die maximale Lochfraßbeständigkeit.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 316Ti hat typischerweise einen Aufpreis im Vergleich zu unstabilisiertem 316 und einigen 321-Varianten aufgrund des Molybdängehalts und der Titanzugabe. Die Kosten von 321H werden durch die Wärmebehandlung, den höheren Kohlenstoffgehalt und die Marktverfügbarkeit beeinflusst; da es kein Mo enthält, kann es in Bezug auf den Rohlegierungsgehalt günstiger sein als 316Ti, aber Speziallieferungen und Produktformen können den Preis beeinflussen.
- Verfügbarkeit: Beide sind in gängigen Produktformen (Blech, Platte, Rohr, Rohr, Stange und Fittings) von großen Edelstahlherstellern weit verbreitet. 316Ti ist in Prozessindustrien allgegenwärtig; 321H ist dort häufig verfügbar, wo Hochtemperaturlegierungen vorrätig sind. Lange Lieferzeiten sind für große Durchmesser, schwere Abschnitte oder spezielle Finish-/Rückverfolgbarkeitsanforderungen möglich.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 316Ti | 321H |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Sehr gut — Titanstabilisierung reduziert das Risiko der Sensibilisierung | Gut — höherer C erfordert Aufmerksamkeit auf Wärmezufuhr und Ti:C-Kontrolle |
| Festigkeit–Zähigkeit | Gute Kombination bei Raumtemperatur; mäßige Hochtemperaturfestigkeit | Bessere dauerhafte Hochtemperaturfestigkeit/Kriechfestigkeit bei langen Expositionen |
| Kosten | Höhere Legierungskosten (Mo), aber weit verbreitet | Vergleichbare oder niedrigere Legierungskosten; Spezialbedarf für Hochtemperaturformen kann die Verfügbarkeit variieren |
Empfehlung: - Wählen Sie 316Ti, wenn Ihr Hauptbedarf an Korrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen oder aggressiven chemischen Umgebungen besteht, kombiniert mit der Notwendigkeit, die Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen aufrechtzuerhalten und gute allgemeine mechanische Eigenschaften zu gewährleisten. - Wählen Sie 321H, wenn Ihre Anwendung Komponenten längeren erhöhten Temperaturen aussetzt, wo Kriechbeständigkeit, Widerstand gegen Oxidation und langfristige dimensionsstabilität Priorität haben und wo Lochfraß in Chloridumgebungen nicht der dominante Versagensmodus ist.
Letzte Anmerkung: Beide Materialien bedienen wichtige, aber unterschiedliche Nischen. Geben Sie die genaue Legierung, Produktform, Wärmebehandlung und Abnahmetests in den Beschaffungsunterlagen an und fordern Sie Werkzertifikate an. Für kritische geschweißte Baugruppen oder langfristige Hochtemperaturdienste sollten anwendungsspezifische Bewertungen (Schweißverfahrensqualifikation, Korrosionstests und Schätzung der Kriechlebensdauer) durchgeführt werden, anstatt sich auf die allgemeine Auswahl der Sorte zu verlassen.