316Ti vs 904L – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig Edelstahloptionen gegen eine Vielzahl konkurrierender Prioritäten ab: Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien, Schweißbarkeit und Fertigungskosten, mechanische Leistung bei Betriebstemperatur und Verfügbarkeit in der Lieferkette. Zwei austenitische Edelstähle, die häufig in diesen Abwägungen auftauchen, sind 316Ti (eine titan-stabilisierte Variante von 316) und 904L (eine hochlegierte, niedrigkohlenstoffhaltige austenitische Sorte mit erhöhtem Nickel-, Molybdän- und Kupfergehalt).

Der wesentliche metallurgische Unterschied zwischen diesen Sorten ist ihre Legierungsstrategie: Die eine verwendet Titan zur Stabilisierung von Kohlenstoff und zur Vermeidung von interkristalliner Karbidniederschlag, während die andere auf höherem Nickel- und Molybdängehalt (und zusätzlichem Kupfer) beruht, um eine verbesserte allgemeine und lokale Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. Aufgrund dessen nehmen 316Ti und 904L überlappende, aber unterschiedliche Anwendungsbereiche ein, in denen Korrosionsregime, Temperaturstabilität, Schweißbarkeit und Kosten die Auswahl bestimmen.

1. Normen und Bezeichnungen

• 316Ti
• Übliche Bezeichnungen: UNS S31635, EN 1.4571, ASTM A240 (als Teil der 316-Familie mit Ti-Stabilisierung in einigen Spezifikationen).
• Klassifikation: Austenitischer Edelstahl / Edelstahllegierung.
• 904L
• Übliche Bezeichnungen: UNS N08904, EN 1.4539.
• Klassifikation: Hochlegierter austenitischer Edelstahl (häufig verwendet für stark korrosive Umgebungen).

Andere regionale Normen (JIS, GB) können sich unter verschiedenen Bezeichnungen auf gleichwertige oder ähnliche Chemie beziehen; geben Sie beim Bestellen die genaue Norm und das erforderliche Materialzertifikat an.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle listet Elemente auf, die häufig für diese Sorten spezifiziert werden. Die angegebenen Werte sind typische Zusammensetzungsbereiche, die in Industriespezifikationen verwendet werden; tatsächliche Werte müssen gemäß dem Materialzertifikat von den Lieferanten bestätigt werden.

Element	316Ti (typischer Bereich, Gew.% )	904L (typischer Bereich, Gew.% )
C	≤ 0.08 (stabilisiert durch Ti)	≤ 0.02 (niedriger C)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~16–18	~19–23
Ni	~10–14	~23–28
Mo	~2–3	~4–5.5
V	Spuren/keine	Spuren/keine
Nb	keine	keine (normalerweise nicht hinzugefügt)
Ti	~0.5–0.7 (oder eine stöchiometrische Menge, um C zu binden)	keine
B	Spuren/keine	Spuren/keine
N	niedrig (Spuren)	≤ 0.1 (oft geringe Mengen)
Cu	keine	~1–2

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Titan in 316Ti bildet bevorzugt stabile Carbonitrid (TiC/TiN), die die Bildung von Chromkarbid an den Korngrenzen während der Exposition gegenüber mittleren Temperaturen (Sensibilisierung) verhindern, wodurch die interkristalline Korrosionsbeständigkeit nach thermischen Zyklen oder Schweißen erhalten bleibt. - 904L erreicht die Korrosionsbeständigkeit hauptsächlich durch einen höheren Nickelgehalt (stabilisiert Austenit und erhöht die Beständigkeit gegen Chlorstresskorrosionsrissbildung) und erhöhtes Molybdän für verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion. Die Zugabe von Kupfer verbessert die Beständigkeit gegen reduzierende Säuren (insbesondere Schwefelsäure).

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Beide Sorten sind im normalisierten/lösungsgeglühten Zustand im Wesentlichen vollständig austenitisch.

• 316Ti
• Mikrostruktur: Austenitische Matrix mit Ti-stabilisierten Karbiden/Nitriden, die in Hochtemperaturverarbeitungsphasen verteilt sind. In richtig lösungsgeglühtem Material wird die Karbidniederschlag unterdrückt und die Sensibilisierung an den Korngrenzen minimiert.
• Reaktion auf Wärmebehandlung: Typische Praxis ist das Lösungsglühen (z.B. 1040–1150 °C-Bereich für austenitische Edelstähle), gefolgt von schnellem Abschrecken, um ein einphasiges Austenit zu erhalten. 316Ti ist nicht durch Abschrecken und Anlassen härtbar, wie es bei ferritischen/martensitischen Stählen der Fall ist; die Festigkeit wird hauptsächlich durch Kaltverformung verändert.

• Empfindlichkeitsbeständigkeit: Verbesserte gegenüber 316/316L, da Ti Kohlenstoff bindet und die Bildung von Cr-Karbid verhindert.

• 904L

• Mikrostruktur: Vollständig austenitisch, im Allgemeinen frei von absichtlich hinzugefügten Stabilisatoren. Niedriger Kohlenstoff beseitigt das Risiko einer signifikanten Karbidniederschlag; kleine Stickstoffzugaben (falls vorhanden) stärken das Austenit weiter.
• Reaktion auf Wärmebehandlung: Lösungsglühen und schnelles Abschrecken werden verwendet, um unerwünschte Niederschläge aufzulösen. Wie bei anderen austenitischen Edelstählen werden die mechanischen Eigenschaften durch Kaltverformung anstelle von härtenden Wärmebehandlungen angepasst.
• Empfindlichkeitsbeständigkeit: Von Natur aus geringe Bildung von Chromkarbiden aufgrund des niedrigen C-Gehalts; kein Ti oder Nb erforderlich.

Hinweis: Konventionelle Normalisierungs-, Abschreck- und Anlaszyklen, die für Kohlenstoff- oder martensitische Stähle verwendet werden, sind für diese austenitischen Sorten nicht anwendbar.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften hängen von der Produktform (Blech, Platte, Stange), Kaltverformung und Wärmebehandlung ab. Die folgende Tabelle bietet repräsentative Bereiche im geglühten Zustand, die häufig für diese Arten von austenitischen Edelstählen angegeben werden; verwenden Sie die Lieferanten-Mühlenzertifikate für Konstruktionsberechnungen.

Eigenschaft (geglüht)	316Ti (repräsentativ)	904L (repräsentativ)
Zugfestigkeit (UTS)	~480–620 MPa	~500–700 MPa
Streckgrenze (0.2% Nachweis)	~170–300 MPa	~200–350 MPa
Dehnung (A, %)	~40% (gute Duktilität)	~35–45% (gute Duktilität)
Schlagzähigkeit	Gut, behält Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen	Vergleichbar; im Allgemeinen gute Zähigkeit
Härte (HRB/HRC)	Geglüht: niedrig (~70–95 HRB)	Geglüht: ähnlicher Bereich

Interpretation: - Beide sind duktil und zäh austenitische Sorten. Der höhere Nickel- und Molybdängehalt von 904L führt typischerweise zu vergleichbarer oder leicht höherer Festigkeit in einigen Produktformen im Vergleich zu stabilisiertem 316Ti, aber die Unterschiede sind oft bescheiden im Vergleich zu den Auswirkungen der Kaltverformung. - Die Zähigkeit beider Sorten ist im Allgemeinen hoch; keine zeigt einen scharfen Übergang von duktil zu spröde, wie es bei ferritischen/martensitischen Stählen der Fall ist.

5. Schweißbarkeit

Austenitische Edelstähle gehören zu den am besten schweißbaren metallischen Legierungen, aber die Zusammensetzung beeinflusst das Schweißverhalten.

Wichtige Schweißbarkeit-Gleichungen zur qualitativen Bewertung: - Typisches Chromäquivalent zur Bewertung der Härtbarkeit und der Neigung zu Schweißrissbildung: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Kombinierter Parameter zur Schätzung der Neigung zu Kaltverriss: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 316Ti: Die Titanstabilisierung verringert das Risiko der interkristallinen Korrosion nach dem Schweißen erheblich, indem sie die Bildung von Chromkarbid verhindert. Allerdings erhöht Ti die Neigung zu schwer bearbeitbaren Einschlüsse und kann eine geeignete Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs erfordern; häufig verwendete Schweißzusatzmetalle sind 316L/316 Füllvarianten, um eine Depletion des Stabilisators in der Schweißzone zu vermeiden. Vorwärmen/nach dem Schweißen ist typischerweise nicht erforderlich, obwohl die Kontrolle der Wärmezufuhr verwendet wird, um übermäßige Niederschläge von titanreichen Phasen zu vermeiden. - 904L: Ausgezeichnete Schweißbarkeit im Sinne von Duktilität und Fusion; niedriger Kohlenstoff reduziert das Risiko der Karbidniederschlag. Der hohe Nickel- und Molybdängehalt bedeutet, dass die Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs den chemischen und mechanischen Anforderungen entsprechen sollte (passender hochlegierter Zusatz, um die Korrosionsbeständigkeit aufrechtzuerhalten); hochlegierte Schweißzusatzstoffe sind teurer. Das Risiko von Heißrissen ist normalerweise nicht höher als bei anderen Austeniten, aber die Schweißparameter müssen die höheren thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionsneigungen berücksichtigen.

In beiden Sorten sind Schweißzusatzstoffe, Fugenentwurf und Kontrolle der Wärmezufuhr wichtig, um die Korrosionsbeständigkeit in der wärmebeeinflussten Zone aufrechtzuerhalten.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für nicht-eisenhaltige Stähle umfassen Schutzsysteme Verzinkung, Lackierung, Epoxidbeschichtungen oder kathodischen Schutz; solche Maßnahmen sind für diese Edelstahllegierungen keine primären Überlegungen.
• Für Edelstahlsorten wird die Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß häufig durch die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) quantifiziert: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Dieser Index gibt einen groben Hinweis auf die Widerstandsfähigkeit gegen lokale (Loch-)Korrosion in chloridhaltigen Umgebungen.

Korrosionsverhalten: - 316Ti: Bietet eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit, die typisch für die 316-Familie ist, aufgrund des Chromgehalts und des Molybdäns für die Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß. Die Titanstabilisierung bewahrt hauptsächlich die Korrosionsbeständigkeit nach der Exposition gegenüber sensibilisierenden thermischen Zyklen oder Schweißen, indem sie die Bildung von Chromkarbid verhindert. - 904L: Entwickelt für überlegene Widerstandsfähigkeit gegen sowohl allgemeine als auch lokale Korrosion. Höheres Ni und Mo erhöhen den PREN im Vergleich zu 316Ti und verbessern die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen. Kupfer verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen reduzierende Säuren (z.B. Schwefelsäure). 904L wird häufig gewählt, wenn Chlorlochfraß oder aggressive saure Umgebungen vorhanden sind und wo die Minimierung von Wartung entscheidend ist.

Hinweis: PREN ist ein Index—kein Ersatz für anwendungsspezifische Korrosionstests—da die tatsächliche Leistung von der Mikrostruktur, der Oberflächenbeschaffenheit, der Temperatur, den Strömungsbedingungen und der chemischen Umgebung abhängt.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit
• 316Ti: Verfestigt sich; die Titanstabilisierung kann die Werkzeugabnutzung etwas höher machen als bei 316L. Standardpraktiken für die Bearbeitung von austenitischen Edelstählen (scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten, hoher Kühlmittelstrom, kontrollierte Geschwindigkeiten) gelten.
• 904L: Im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als 316-Klasse-Legierungen aufgrund des höheren Nickelgehalts und der Zähigkeit; die Lebensdauer der Werkzeuge ist kürzer und die Schneidparameter müssen konservativ sein.
• Formbarkeit
• Beide Sorten lassen sich im geglühten Zustand leicht formen. 316Ti behält eine Formbarkeit ähnlich wie andere 316-Varianten; 904L kann kalt geformt werden, aber Rückfederung und Kaltverfestigung sollten berücksichtigt werden.
• Oberflächenveredelung
• Beide können poliert, passiviert und elektrochemisch poliert werden. 904L kann aufgrund der Legierungsunterschiede schwieriger gleichmäßig elektrochemisch poliert werden.

8. Typische Anwendungen

316Ti — Typische Anwendungen	904L — Typische Anwendungen
Hochtemperaturkomponenten, bei denen Sensibilisierung ein Problem darstellt (z.B. Ofenteile, Wärmetauscher, Kessel- und Überhitzertuben)	Chemische Prozessanlagen in stark korrosiven Umgebungen (z.B. Schwefelsäureproduktion, Beizlinien)
Prozessleitungen und Behälter, die thermischen Zyklen oder Schweißen ausgesetzt sind, wo Stabilisierung erforderlich ist	Seewasserhandhabung und Offshore-Ausrüstung, wo das Risiko von Loch- und Spaltkorrosion hoch ist
Auspuffsysteme, Turboladerkomponenten und Ofenbefestigungen	Entschwefelungssysteme für Abgase, Säurehandhabung und Umgebungen mit reduzierenden Säuren aufgrund der Cu-Zugabe
Allzweck-Korrosionsbeständige Komponenten, bei denen die Eigenschaften der 316-Familie ausreichend sind, aber Stabilität gegen Sensibilisierung erforderlich ist	Hochintegritätsanwendungen, bei denen eine verlängerte Lebensdauer in aggressiven chemischen Medien die Materialkosten überwiegt

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 316Ti, wenn thermische Zyklen oder die Verarbeitung Sensibilisierung verursachen könnten und wenn die Standard-316-Korrosionsbeständigkeit ausreichend ist. - Wählen Sie 904L, wenn eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion und Widerstand gegen spezifische Säuren (insbesondere Schwefelsäure) erforderlich ist und wenn die Lebenszykluskosten die höheren Materialkosten rechtfertigen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: 904L ist pro Kilogramm erheblich teurer als 316Ti aufgrund des viel höheren Nickel- und Molybdängehalts und der Zugabe von Kupfer. Die Materialkosten können die Projektbudgets für große Anlagen erheblich beeinflussen.
• Verfügbarkeit: 316Ti ist in Platten, Blechen, Rohren und Stangen von vielen Mühlen und Händlern weit verbreitet erhältlich. 904L ist verfügbar, aber weniger allgegenwärtig; längere Lieferzeiten oder Sonderanfertigungen können für große Abschnitte oder maßgeschneiderte Formen erforderlich sein. Schweißzusatzstoffe für das Schweißen von 904L sind ebenfalls teurer und können in einigen Regionen eine begrenzte Verfügbarkeit haben.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Attribut	316Ti	904L
Schweißbarkeit	Sehr gut; Ti reduziert das Sensibilisierungsrisiko in der HAZ	Sehr gut; niedriger C hilft, aber die Auswahl des Zusatzwerkstoffs ist wichtig
Festigkeit–Zähigkeit	Gute Duktilität und Zähigkeit; typisches austenitisches Verhalten	Vergleichbare oder leicht höhere Festigkeit in einigen Formen; zäh und duktil
Korrosionsleistung	Gute allgemeine und lokale Korrosionsbeständigkeit; stabilisiert für thermische Exposition	Überlegene lokale Korrosionsbeständigkeit (Loch-/Spaltkorrosion) und Widerstand gegen reduzierende Säuren
Relativer Preis	Niedriger	Höher

Fazit und Auswahlrichtlinien: - Wählen Sie 316Ti, wenn: - Die dominierende Sorge darin besteht, Sensibilisierung nach dem Schweißen oder der Exposition gegenüber mittleren Temperaturen zu verhindern (z.B. geschweißte Druckteile, wärmebeeinflusste Komponenten). - Die Standard-316-Korrosionsbeständigkeit (mit Mo für Lochfraß) für die Betriebsumgebung ausreichend ist. - Sie eine wirtschaftlichere Option mit breiter Verfügbarkeit und vorhersehbarem Verarbeitungsverhalten benötigen.

• Wählen Sie 904L, wenn:
• Der Dienst stark aggressive Chloridumgebungen, Spalt- oder Lochanfällige Bedingungen oder reduzierende Säuren (z.B. Schwefelsäure) umfasst und überlegene Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.
• Eine lange Lebensdauer und reduzierte Wartung in aggressiven chemischen Umgebungen höhere Material- und Fertigungskosten rechtfertigen.
• Die Beschaffung höhere Kosten für hochlegierte Verbrauchsmaterialien und mögliche Lieferzeiten berücksichtigen kann.

Überprüfen Sie immer die Materialauswahl mit umgebungsspezifischen Korrosionsdaten, mechanischen Anforderungen, Qualifikation des Schweißverfahrens und Lebenszykluskostenanalysen. Für kritische Systeme führen Sie anwendungsspezifische Korrosionstests durch oder konsultieren Sie Metallurgie-Spezialisten und Mühlenzertifikate, bevor Sie die endgültige Spezifikation festlegen.