321 vs 347 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Typ 321 und Typ 347 sind zwei häufig spezifizierte stabilisierte austenitische Edelstahllegierungen, die dort eingesetzt werden, wo eine Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Stabilität bei erhöhten Temperaturen erforderlich ist. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner entscheiden häufig zwischen ihnen, wenn sie die Korrosionsleistung, das Fertigungsverhalten und die Lebenszykluskosten abwägen – zum Beispiel, wenn sie zwischen besserer Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach dem Schweißen und marginal niedrigeren Materialkosten oder Verfügbarkeit wählen.
Der grundlegende metallurgische Unterschied besteht darin, dass 321 hauptsächlich durch Titanzusätze stabilisiert wird, während 347 durch Niob (Columbium) stabilisiert wird – jede bildet stabile Karbidausscheidungen, die die Bildung von Chromkarbid während der thermischen Beanspruchung reduzieren. Da beide 18–8-Stil austenitische Edelstähle sind, werden sie häufig für Anwendungen wie Abgaskomponenten, Ofenzubehör und chemische Prozessanlagen verglichen, bei denen Sensibilisierung und der Betrieb bei erhöhten Temperaturen von Bedeutung sind.
1. Normen und Bezeichnungen
Gemeinsame Normen und Bezeichnungen, in denen 321 und 347 erscheinen:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (Edelstahlplatte, -blech und -band)
- EN: EN 10088-Serie (europäische Edelstahlstandards)
- JIS: JIS G4303 / G4311 (japanische Edelstähle) – Äquivalente existieren, aber spezifische Gradzuordnungen überprüfen
- GB: Chinesische GB/T-Standards (vergleichbare Grade existieren; Chemie und Bezeichnung überprüfen)
- UNS: UNS S32100 (Typ 321), UNS S34700 (Typ 347)
Klassifizierung: sowohl 321 als auch 347 sind austenitische Edelstähle (Edelstahl), keine Kohlenstähle, Werkzeugstähle oder HSLA. Sie sind stabilisierte austenitische Edelstahlgrade, die dazu bestimmt sind, Sensibilisierung und interkristalline Korrosion zu begrenzen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische chemische Elemente und gängige Kontrollbereiche für die Typen 321 und 347 in ihren standardmäßigen kommerziellen Varianten. Die angegebenen Werte sind repräsentative Bereiche, die in gängigen Normen (z. B. ASTM A240, EN-Spezifikationen) zu finden sind; genaue chemische Grenzen sollten im Werkszertifikat für einen bestimmten Wärme überprüft werden.
| Element | Typ 321 (typische Bereiche) | Typ 347 (typische Bereiche) |
|---|---|---|
| C (Gew.-%) | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn (Gew.-%) | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si (Gew.-%) | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P (Gew.-%) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S (Gew.-%) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (Gew.-%) | 17–19 | 17–19 |
| Ni (Gew.-%) | 9–13 | 9–13 |
| Mo (Gew.-%) | — / Spuren | — / Spuren |
| V (Gew.-%) | — / Spuren | — / Spuren |
| Nb (Gew.-%) | typischerweise ≤ 0.10 (kann Spuren enthalten) | typischerweise 0.8–1.25 |
| Ti (Gew.-%) | typischerweise 0.5–1.0 (mindestens ~5×C) | typischerweise ≤ 0.10 (kann Spuren enthalten) |
| B (Gew.-%) | Spuren, falls vorhanden | Spuren, falls vorhanden |
| N (Gew.-%) | geringe Mengen (≤ 0.1) | geringe Mengen (≤ 0.1) |
Wie die Legierungsstrategie funktioniert: - Cr und Ni bilden die Basis austenitische Edelstahlmatrix, die Korrosionsbeständigkeit und Duktilität verleiht. - Titan oder Niob kombiniert bevorzugt mit Kohlenstoff und Stickstoff, um stabile Karbid/Nitrid-Partikel (TiC/TiN oder NbC/Nb(C,N)) zu bilden, die die Ausfällung von Chromkarbid an den Korngrenzen während thermischer Zyklen (Sensibilisierung) verhindern. - Niedrige Kohlenstoffgrenzen reduzieren auch die Menge an Chromkarbid, die sich bilden könnte; die Stabilisatoren wirken als Sicherheitsmarge, die besonders wichtig während des Schweißens oder bei längerer Exposition im Sensibilisierungsbereich (~450–850°C) ist.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Beide Legierungen sind im lösungsgeglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). - Stabilisierende Elemente bilden fein verteilte Titan- oder Niobkarbonitride. Ihre Verteilung und Größe hängen von der Schmelzpraxis, der Warmbearbeitung und der thermischen Geschichte ab. - Wenn der Gehalt an Stabilisatoren im Verhältnis zu Kohlenstoff unzureichend ist, können Chromkarbide an den Korngrenzen während der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen ausfallen, was die interkristalline Korrosionsbeständigkeit verringert.
Reaktion auf Wärmebehandlung und Verarbeitung: - Lösungsglühen: Typische Lösungsglüh-Temperaturen für austenitische Edelstähle liegen zwischen etwa 1010°C und 1120°C, gefolgt von schneller Abkühlung (Wasser oder Luft), um eine homogene austenitische Struktur zu erhalten. Sowohl 321 als auch 347 werden normalerweise im geglühten Zustand geliefert. - Anlassen/Abschrecken: Im Gegensatz zu ferritischen oder martensitischen Stählen sind traditionelle Abschreck- und Anlaszyklen für diese austenitischen Grade nicht anwendbar; sie transformieren sich nicht martensitisch auf eine Weise, die vom Anlassen profitiert. - Normalisieren: wird für austenitische Edelstähle nicht häufig verwendet. - Thermo-mechanische Bearbeitung: Kaltverformung (Walzen, Ziehen) erhöht die Festigkeit durch Verfestigung und beeinflusst die Kornverformung; anschließendes Glühen wird verwendet, um die Duktilität wiederherzustellen. - Stabilisierungseffektivität: Niobkarbonitride bilden im Allgemeinen sehr stabile Ausscheidungen über einen breiten Temperaturbereich und können eine hervorragende Stabilisierung für höhere Temperaturen oder längere Expositionen bieten. Die Titanstabilisierung ist für viele gängige Fertigungs-/Schweißzyklen effektiv, erfordert jedoch die Kontrolle des Ti/C-Verhältnisses, um die Bildung grober Ausscheidungen zu vermeiden.
4. Mechanische Eigenschaften
Beide Legierungen zeigen mechanische Eigenschaften, die typisch für 18–8 austenitische Edelstähle im geglühten Zustand sind. Da sie eng verwandte Legierungen sind, überschneiden sich ihre Bereiche mechanischer Eigenschaften erheblich.
| Eigenschaft (geglüht, typische Bereiche) | Typ 321 | Typ 347 |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 500–700 (typisch) | 500–700 (typisch) |
| Streckgrenze, 0.2% (MPa) | 190–310 (typisch) | 190–310 (typisch) |
| Dehnung (%) | 40–60% | 40–60% |
| Schlagzähigkeit | Hohe Zähigkeit bei Raumtemperatur; keine spezifischen universellen Charpy-Anforderungen | Hohe Zähigkeit bei Raumtemperatur; ähnlich wie 321 |
| Härte (geglüht) | ~70–95 HRB (ca.) | ~70–95 HRB (ca.) |
Interpretation: - Die mechanischen Festigkeiten sind im geglühten Zustand im Wesentlichen ähnlich, da die Basis-Ni–Cr-Gehalte vergleichbar sind. - Die Verfestigung während der Formgebung erhöht die Festigkeit und verringert die Duktilität für beide Legierungen; die Neigung zur schnellen Verfestigung ist ähnlich. - Etwaige kleine Unterschiede in der Hochtemperaturkrieche oder Langzeitfestigkeit können aus unterschiedlichen Stabilitäten und Verteilungen von Karbid/Nitrid-Ausscheidungen resultieren (niobstabilisiertes Material kann in einigen langfristigen Hochtemperaturanwendungen eine bessere Kriechbeständigkeit zeigen).
5. Schweißbarkeit
Allgemeine Schweißbarkeit: - Beide Legierungen lassen sich gut mit standardmäßigen austenitischen Schweißverfahren (TIG, MIG, Widerstandsschweißen) schweißen, da sie einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und eine austenitische Struktur aufweisen, die Rissbildung widersteht. - Die Stabilisierung verringert das Risiko der interkristallinen Korrosion nach dem Schweißen, indem sie Kohlenstoff bindet und in vielen Fällen die Notwendigkeit für einige Nachschweißlösungsglühoperationen beseitigt.
Relevante Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent-Formel, die häufig zur Bewertung der Härtbarkeit und Rissneigung verwendet wird: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Detailliertere Phosphor-Mangan-Chrom-Formel: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Beide Legierungen haben im Allgemeinen niedrige $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte im Vergleich zu martensitischen Stählen, was auf eine gute Schweißbarkeit hinweist. - Das Vorhandensein von Stabilisatoren (Ti oder Nb) verringert das Risiko der Nachschweißsensibilisierung; jedoch können grobe Stabilisator-Ausscheidungen oder unsachgemäße Ti/Nb-Verhältnisse lokale Heterogenitäten erzeugen. Die Schweißverfahren sollten dennoch den besten Praktiken folgen: kontrollierte Wärmezufuhr, geeignete Füllerauswahl und, falls erforderlich, Nachschweißlösungsglühen für kritische Anwendungen. - 347 kann in einigen Langzeit- oder Hochtemperaturschweißanwendungen besser abschneiden als 321, da Niob bei bestimmten Temperaturen stabilere Ausscheidungen bildet; dennoch gelten beide als schweißbar und werden häufig in geschweißten Baugruppen verwendet.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Korrosionsverhalten: - Beide Legierungen sind in einer breiten Palette von Umgebungen, die typisch für 18–8 austenitische Edelstähle sind, korrosionsbeständig. Ihre Stabilisierungstrategie zielt speziell auf die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach thermischer Beanspruchung (Schweißen oder längeres Erhitzen im Sensibilisierungsbereich) ab. - Keine der Legierungen ist signifikant korrosionsbeständiger als die andere in gängigen wässrigen oder atmosphärischen Umgebungen; Unterschiede zeigen sich in spezialisierten Hochtemperatur- oder sensibilitätsempfindlichen Kontexten.
Wann Korrosionsindizes verwenden: - PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist anwendbar, um die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion zu vergleichen (hauptsächlich relevant, wenn Mo und N signifikant sind): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Für 321 und 347 ist Mo typischerweise abwesend oder nur in Spuren vorhanden, und N ist niedrig, sodass PREN kein unterscheidender Index zwischen diesen beiden Legierungen ist.
Oberflächenschutz für nicht-rostfreie Kontexte: - Hier nicht anwendbar – beide sind rostfrei. Für nicht-rostfreie Stähle wären die Optionen Verzinkung, Lackierung oder Beschichtungen.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
Verarbeitungsnotizen: - Zerspanbarkeit: austenitische Edelstähle, einschließlich 321 und 347, sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstähle aufgrund der hohen Verfestigung und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Hartmetallwerkzeuge, starre Aufbauten und kontrollierte Vorschübe/Geschwindigkeiten werden empfohlen. - Formbarkeit: beide Legierungen haben eine gute Duktilität und können geformt, tiefgezogen und gewalzt werden; jedoch verfestigen sie sich schnell – häufiges Glühen kann für schwere Verformungssequenzen erforderlich sein. - Oberflächenfinish: Anfälligkeit für Verkleben und Werkzeugverschleiß erfordert Aufmerksamkeit; Elektropolieren oder Passivieren verbessert die Korrosionsbeständigkeit nach der Verarbeitung. - Schweißzusätze: Fülllegierungen mit übereinstimmendem oder leicht höherem Nickelgehalt werden häufig verwendet; die Wahl des Füllmaterials sollte die Betriebstemperatur und die Korrosionsumgebung berücksichtigen.
8. Typische Anwendungen
| Typ 321 (häufige Anwendungen) | Typ 347 (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Flugzeug- und Automobilabgassysteme | Chemische Prozessanlagen, die höheren kontinuierlichen Temperaturen ausgesetzt sind |
| Ofenzubehör, Backöfen und Wärmetauscher, wo Schweißstabilität erforderlich ist | Druckbehälter und Rohrleitungen im Hochtemperaturbetrieb, wo längere Exposition bei erhöhten Temperaturen auftreten kann |
| Petrochemische Komponenten, Befestigungen und Federn, wo Stabilisierung gegen Sensibilisierung gewünscht ist | Kessel- und Überhitzertubing, wo die Niobstabilisierung die langfristige Kriechbeständigkeit unterstützen kann |
| Lebensmittelverarbeitungsanlagen, wo thermische Zyklen und Schweißen häufig sind | Hochtemperaturofenkomponenten und petrochemische Fittings mit langer Verweildauer bei erhöhten Temperaturen |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie basierend auf dem dominierenden Betriebsfaktor: Wenn Schweißen und moderate thermische Zyklen die Hauptsorge sind, schneiden beide gut ab; wenn langfristiges Kriechen oder anhaltende Exposition bei höheren Temperaturen zu erwarten ist, kann niobstabilisiertes 347 einen Vorteil bieten. Verfügbarkeit, Form (Rohr, Platte, Coil) und lokale Lieferantenbestände beeinflussen ebenfalls die Auswahl.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Beide Legierungen sind preislich weitgehend vergleichbar, da ihre Basis-Ni- und Cr-Gehalte ähnlich sind. Typ 347 kann in einigen Regionen aufgrund des Niobgehalts und der Marktvariationen dieses Legierungselements etwas teurer sein.
- Verfügbarkeit: Beide sind in Platten-, Blech-, Rohr- und Stabformen von großen Edelstahlwerken und -händlern weit verbreitet erhältlich. Spezifische Produktformen (z. B. dicke Platten oder spezielle Rohrgrößen) sollten bei den Lieferanten bestätigt werden; die Lieferzeiten können je nach Region und Marktzyklus variieren.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterien | Typ 321 | Typ 347 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet; Ti-Stabilisierung verringert das Sensibilisierungsrisiko | Ausgezeichnet; Nb-Stabilisierung verringert das Sensibilisierungsrisiko (oft bevorzugt für Hochtemperatur-Schweißanwendungen) |
| Festigkeit–Zähigkeit | Typische austenitische Festigkeit und hohe Zähigkeit; ähnlich wie 347 | Vergleichbar mit 321; potenzieller Vorteil in der langfristigen Hochtemperaturstabilität |
| Kosten | In der Regel leicht niedriger oder ähnlich | Vergleichbar; kann aufgrund von Nb geringfügig höher sein |
Empfehlung: - Wählen Sie Typ 321, wenn: Sie einen bewährten stabilisierten austenitischen Edelstahl für geschweißte Baugruppen und thermische Zyklen benötigen, bei denen die Titanstabilisierung effektiv ist; wenn Materialformen und Lieferantenbestände 321 begünstigen; oder wenn Kostenempfindlichkeit und konventioneller Hochtemperaturbetrieb (mäßige Dauer) die Hauptanliegen sind. - Wählen Sie Typ 347, wenn: die Komponente längerer Exposition bei höheren Temperaturen ausgesetzt ist, wo niobstabilisierte Karbide überlegene Stabilität und potenzielle Kriechbeständigkeit bieten; wenn die Schweiß- oder Betriebsanamnese lange Verweildauern im Sensibilisierungsbereich anzeigt; oder wenn die Spezifikationen aus Leistungsgründen Nb-stabilisierte Legierungen verlangen.
Abschließende Anmerkung: Sowohl 321 als auch 347 sind ausgezeichnete Wahlmöglichkeiten, wenn Stabilisierung gegen Sensibilisierung erforderlich ist. Die Entscheidung hängt typischerweise vom spezifischen thermischen Profil (Dauer und Höchsttemperatur), den langfristigen Hochtemperaturkriech-Erwartungen und der Logistik (Verfügbarkeit der Produktform und Kosten) ab. Für mission-critical oder langfristige Hochtemperaturanwendungen konsultieren Sie die Materialprüfdaten und Lieferantenzertifikate für die spezifische Charge und ziehen Sie eine technische Bewertung (Kriechtest, Korrosionsbelastungstests oder Schweißverfahrenqualifikationen) in Betracht, um die gewählte Legierung für den vorgesehenen Einsatz zu validieren.