321 vs 347 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Typ 321 und Typ 347 sind beide austenitische, chrom-nickelhaltige Edelstähle, die in technischen Systemen weit verbreitet sind, in denen Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit und Stabilität bei erhöhten Temperaturen erforderlich sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner entscheiden häufig zwischen ihnen, wenn sie die Korrosionsleistung, das Fertigungsverhalten, die langfristige Stabilität bei Temperatur und die Kosten abwägen.
Der primäre technische Unterschied zwischen den beiden Werkstoffen ist die Wahl des karbidstabilisierenden Elements: Typ 321 ist mit Titan (Ti) stabilisiert, während Typ 347 mit Niobium (Columbium, Nb) stabilisiert ist. Dieser Unterschied bestimmt, wie jeder Werkstoff der Ausfällung von Chromkarbid (Sensibilisierung) während des Schweißens oder im Betrieb bei 450–850 °C widersteht, und beeinflusst die langfristige Stabilität, insbesondere bei Hochtemperatur- oder zyklischen Anwendungen.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM/ASME: A240 / SA-240 (üblich für Platten und Bleche).
- UNS: 321 = UNS S32100; 347 = UNS S34700.
- EN: 321 / 347 Äquivalente existieren, aber konsultieren Sie die EN-Nummern (z. B. EN 1.4541 für 321 manchmal, aktuelle Querverweise überprüfen).
- JIS / GB: Japanische und chinesische Standards haben ähnliche stabilisierte Austenite; überprüfen Sie lokale Querverweistabellen für die genaue Bezeichnung.
Klassifizierung: Sowohl 321 als auch 347 sind Edelstähle (austenitisch, nicht magnetisch im geglühten Zustand). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, legierten Kohlenstoffwerkzeuge oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle — Typische nominale Zusammensetzungsbereiche (Gewichtsprozent). Die Werte sind indikativ für geglühtes, kommerziell spezifiziertes Material; konsultieren Sie den spezifischen Standard oder das Lieferantenwerkzeugzertifikat für genaue Grenzen.
| Element | Typischer Bereich – Typ 321 | Typischer Bereich – Typ 347 |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | ≤ 0.08 (max) | ≤ 0.08 (max) |
| Mn (Mangan) | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si (Silizium) | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P (Phosphor) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S (Schwefel) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (Chrom) | ~17.0–19.0 | ~17.0–19.0 |
| Ni (Nickel) | ~9.0–13.0 | ~9.0–13.0 |
| Mo (Molybdän) | 0 (typisch) | 0 (typisch) |
| V (Vanadium) | nur Spuren | nur Spuren |
| Nb (Niobium / Columbium) | minimal/Spuren | typischerweise vorhanden (Stabilisator) |
| Ti (Titan) | vorhanden (Stabilisator), kontrollierte Menge | minimal/Spuren |
| B (Bor) | nur Spuren | nur Spuren |
| N (Stickstoff) | gering (z. B. ~0.10 typisch) | gering (z. B. ~0.10 typisch) |
Hinweise: - 321 verwendet Titanzusätze, die relativ zum Kohlenstoff dimensioniert sind, um C als TiC/Ti(C,N) zu binden, um die Bildung von Cr23C6 zu verhindern. Standards verlangen typischerweise Ti ≥ 5 × C bis zu einem praktischen Maximum. - 347 verwendet Niobium (häufig mit einer kleinen Menge Tantal als natürliche Verunreinigung), um NbC/Nb(C,N) für denselben Zweck zu bilden. Spezifikationsgrenzen und typische Nb-Gehalte variieren je nach Standard und Produktform. - Keiner der Werkstoffe enthält normalerweise signifikante Mengen an Molybdän; sie gehören nicht zu den Mo-haltigen Duplex- oder Super-Austenit-Familien.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Chrom bietet allgemeine Korrosionsbeständigkeit durch passive Filme. - Nickel stabilisiert die austenitische Phase und verbessert Zähigkeit und Formbarkeit. - Titan oder Niobium verhindern Sensibilisierung, indem sie stabile Karbide und Carbonitride bilden, die Chrom davor schützen, sich als Cr-Karbide an Korngrenzen während der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen zu binden. - Kleine N-Zugaben erhöhen die Festigkeit durch interstitielle Verstärkung.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Mikrostruktur (geglüht): Beide Werkstoffe sind vollständig austenitisch mit einer kubisch flächenzentrierten (FCC) Matrix. Stabilisierte Karbide/Nitrate (TiC/TiN in 321, NbC/Nb(C,N) in 347) sind vorhanden, in der Regel als feine Ausfällungen, die an Korngrenzen und innerhalb der Körner verteilt sind.
- Widerstand gegen Sensibilisierung: Stabilisatoren bilden bevorzugt Karbide; dies verhindert chrommangelnde Zonen an Korngrenzen und schützt vor interkristalliner Korrosion nach Exposition gegenüber 450–850 °C.
- Reaktion auf Wärmebehandlung:
- Glühen (typisch): Lösungsglühen bei ~1010–1150 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen, um die austenitische Struktur zu erhalten und unerwünschte Ausfällungen aufzulösen.
- Normalisieren/Abschrecken & Anlassen: Diese sind keine Standardverfahren für austenitische Edelstähle — sie härten nicht durch Abschrecken und Anlassen wie martensitische Stähle. Thermomechanische Bearbeitung beeinflusst die Korngröße und Textur, aber die chemische Stabilisierung bestimmt hauptsächlich das Verhalten bei hohen Temperaturen.
- Hochtemperaturbetrieb: Bei langen Expositionen bei erhöhten Temperaturen kann Ti-stabilisiertes 321 komplexe Ti-reiche Ausfällungen bilden und, wenn das Ti/C-Verhältnis unzureichend ist oder lange Exposition auftritt, kann es zu sekundären Chromkarbid-Ausfällungen kommen. Nb-stabilisiertes 347 neigt dazu, die Festigkeit zu erhalten und besser gegen chrommangelnde Korngrenzen während längerer Hochtemperaturbetriebe zu widerstehen, weshalb 347 (und die 347H-Variante mit höherem C) häufig für längere Hochtemperaturbetriebe spezifiziert wird.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle — Typische mechanische Eigenschaftsbereiche für geglühtes Material bei Raumtemperatur (indikativ; Produktform und Spezifikation bestimmen garantierte Werte).
| Eigenschaft (geglüht) | Typ 321 (typisch) | Typ 347 (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~520–750 | ~520–750 |
| Streckgrenze, 0.2% Offset (MPa) | ~205–310 | ~205–310 |
| Dehnung (%) | ~40–60 | ~40–60 |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, Raumtemp) | Gut, hohe Zähigkeit | Gut, hohe Zähigkeit |
| Härte (HRB) | ~70–95 | ~70–95 |
Interpretation: - Im geglühten Zustand bei Raumtemperatur sind die mechanischen Eigenschaften von 321 und 347 sehr ähnlich. Das stabilisierende Element hat nur einen bescheidenen Einfluss auf die statische Zug-/Streckgrenze und die Duktilität unter Umgebungsbedingungen. - Bei erhöhten Temperaturen und über lange Expositionszeiten kann 347 (niobiumstabilisiert) eine überlegene Beibehaltung der Duktilität und Kriechbeständigkeit zeigen, da Niobiumkarbide stabiler sind und weniger wahrscheinlich in bestimmten Betriebsregimen grob werden als Titan-Ausfällungen — dies ist besonders relevant für Langzeit-Hochtemperaturbetrieb und zyklische thermische Exposition.
5. Schweißbarkeit
- Sowohl 321 als auch 347 haben eine gute Schweißbarkeit, die typisch für austenitische Edelstähle ist: Der niedrige Kohlenstoffgehalt und die Anwesenheit von Stabilisatoren verringern das Risiko einer interkristallinen Angriffs nach dem Schweißen.
- Wichtige Schweißüberlegungen:
- Die richtige Auswahl des Schweißzusatzmaterials und das Schweißverfahren bleiben wichtig, um Heißrissbildung zu vermeiden und Delta-Ferrit bei Bedarf zu kontrollieren.
- Eine Nachglühung nach dem Schweißen ist normalerweise nicht erforderlich, um interkristalline Korrosion zu vermeiden, vorausgesetzt, das Verhältnis von Stabilisator zu Kohlenstoff und die Prozesskontrolle sind korrekt.
- Wichtige Schweißbarkeitsindizes (Beispiele — qualitativ verwenden):
- Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Chromäquivalent (Pcm) — ein Schweißrissanfälligkeitsschätzer: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Qualitative Interpretation:
- Beide Werkstoffe schneiden gut bei der allgemeinen Schmelzschweißung ab, da sie niedrigen C-Gehalt und Stabilisierung aufweisen. Niobium in 347 erscheint im $P_{cm}$-Term; während es zur Widerstandsfähigkeit gegen Sensibilisierung beiträgt, kann es das Schweißsolidifizierungsverhalten leicht beeinflussen. In der Praxis sind die Unterschiede in der Schweißbarkeit gering; die Auswahl des geeigneten Schweißzusatzmaterials (häufig passend oder Verwendung von 308/309-Familienzusätzen wie spezifiziert) und die Kontrolle der Wärmezufuhr sind wirkungsvoller als die Wahl zwischen Ti und Nb.
- Für Reparaturschweißen oder Fertigung, bei der wiederholte thermische Zyklen auftreten, kann 347 bevorzugt werden, wenn die langfristige Stabilität des stabilisierenden Karbids entscheidend ist.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Allgemeine Korrosion: Beide Werkstoffe bilden einen chromreichen passiven Film und zeigen eine Korrosionsbeständigkeit, die in vielen Umgebungen ähnlich wie 304 ist. Keiner enthält Mo, sodass die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion in Chloridumgebungen nicht so hoch ist wie bei Mo-haltigen Werkstoffen.
- Interkristalline Korrosion: Beide sind durch ihre jeweiligen Stabilisatoren gegen Sensibilisierung stabilisiert; jedoch sind korrekte Stabilisatorwerte relativ zum Kohlenstoffgehalt und kontrollierte Verarbeitung erforderlich.
- Verwendung von PREN: Die Pitting Resistance Equivalent Number wird häufig verwendet, wo Mo und N Pitting-Widerstand bieten: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Für 321 und 347 (Mo ~ 0) wird PREN hauptsächlich von Cr und N bestimmt und ist daher bescheiden; PREN hat einen begrenzten Wert zur Unterscheidung dieser beiden Werkstoffe, da beide kein Mo enthalten.
- Oberflächenschutz für nicht-edelstahl: Hier nicht anwendbar — beide sind Edelstahl. Wenn jedoch ein verbesserter Schutz erforderlich ist (Chloridbetrieb, Meerwasser), ziehen Sie Mo-haltige oder Duplex-Edelstähle oder Beschichtungen in Betracht.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle härten schnell; 321 und 347 sind in dieser Hinsicht ähnlich wie 304. Bearbeitungsstrategien (stabile Einrichtung, scharfe Werkzeuge, hoher positiver Vorschub, starke Kühlung) gelten gleichermaßen.
- 347 kann marginal schwieriger zu bearbeiten sein, wenn ein höherer Nb-Karbidgehalt den Werkzeugverschleiß in einigen Vorschüben erhöht, aber die Unterschiede sind in der Praxis gering.
- Formbarkeit: Beide zeigen ausgezeichnete Kaltformbarkeit und Tiefzieheigenschaften im geglühten Zustand. Rückfederung und Verfestigungsverhalten sind vergleichbar.
- Oberflächenfinish und Polieren: Beide lassen sich gut polieren und akzeptieren die meisten Oberflächenbehandlungen; geschweißte Bereiche sollten passiviert werden, wenn eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.
8. Typische Anwendungen
Tabelle — Typische Verwendungen jedes Werkstoffs und Auswahlbegründung.
| Typ 321 (Ti-stabilisiert) | Typ 347 (Nb-stabilisiert) |
|---|---|
| Öfen und Wärmetauscherteile, die kurzfristig hohen Temperaturen ausgesetzt sind | Kessel, Überhitzer und Wärmetauscher, die langfristige Stabilität bei erhöhten Temperaturen erfordern |
| Flugzeug- und Automobilabgaskomponenten, bei denen thermische Zyklen und kurze Ausflüge häufig sind | Chemische Prozessanlagen, bei denen langfristige Exposition in der Nähe des Sensibilisierungsbereichs zu erwarten ist |
| Dehnungsfugen, Faltenbälge, Ofenverkleidungen | Geschweißte Baugruppen und Behälter, bei denen die Kriechleistung über längere Zeit und reduzierte Korngrenzausfällungen entscheidend sind |
| Befestigungen und Verkleidungen, die gute Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen für moderate Zeiträume erfordern | Chemieanlagenrohre und strukturelle Komponenten von Öfen, die für längere Exposition ausgelegt sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 321, wenn die typische Exposition gelegentliche oder kurze Hochtemperaturexkursionen umfasst und wenn die Titanstabilisierung für die erwarteten thermischen Zyklen wirksam ist. - Wählen Sie 347, wenn langfristige Exposition bei erhöhten Temperaturen oder längerer Betrieb im Sensibilisierungs-Temperaturbereich die Stabilität von Niobiumkarbiden erfordert (die 347H-Variante kann für höhere Kriech-/Festigkeit bei Temperatur aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts spezifiziert werden).
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 347 ist häufig moderat teurer als 321, da Niobium eine kostspieligere Legierungszugabe als Titan ist. Die Marktpreise schwanken mit den Rohstoffkosten für Niobium.
- Verfügbarkeit: Beide Werkstoffe sind in Platten-, Blech-, Rohr- und Stabformen von großen Walzwerken weit verbreitet. 321 hat historisch eine sehr breite Verfügbarkeit, da es lange Zeit eine gängige Legierung in der Luft- und Raumfahrt sowie in industriellen Anwendungen war. 347 und 347H sind gut verfügbar, aber die Verfügbarkeit in bestimmten Produktformen oder speziellen Temperierungen kann eingeschränkter sein und die Lieferzeiten etwas länger.
- Einkaufsberatung: Geben Sie die genaue UNS/ASTM-Grade und Produktform in den Bestellungen an; wenn die Lieferzeit oder die Kosten kritisch sind, bestätigen Sie den Lagerbestand des Werks oder ziehen Sie einen Ersatz mit Ingenieurgenehmigung in Betracht.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle — Schneller Vergleich (qualitativ).
| Kategorie | Typ 321 | Typ 347 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Sehr gut (stabilisiert) | Sehr gut (stabilisiert) |
| Festigkeit–Zähigkeit (Umgebung) | Äquivalent | Äquivalent |
| Langfristige Hochtemperaturstabilität | Gut (kurze bis moderate Expositionen) | Besser (lange Expositionen / Kriechbeständigkeit) |
| Korrosion (allgemein) | Ähnlich wie 304; stabilisiert gegen Sensibilisierung | Ähnlich wie 304; stabilisiert gegen Sensibilisierung |
| Kosten | Niedriger (allgemein) | Leicht höher (allgemein) |
| Verfügbarkeit | Sehr gut | Sehr gut, manchmal längere Lieferzeiten für spezielle Formen |
Schlussfolgerungen: - Wählen Sie Typ 321, wenn Sie einen stabilisierten austenitischen Edelstahl mit hervorragender allgemeiner Korrosionsbeständigkeit, guter Schweißbarkeit und Kostenempfindlichkeit benötigen, wenn der Betrieb thermische Zyklen oder kurzfristige Hochtemperaturexpositionen umfasst. 321 ist eine gängige Wahl für Ofenteile, Dehnungsfugen und Anwendungen, bei denen die Titanstabilisierung ausreichend funktioniert. - Wählen Sie Typ 347, wenn die Anwendung eine längere Exposition bei erhöhten Temperaturen, einen längeren Betrieb in der Nähe des Sensibilisierungsbereichs oder eine kritische langfristige Kriech- und Korngrenzenstabilität erfordert. 347 (oder 347H für höhere Temperaturfestigkeit) wird bevorzugt, wenn die Stabilität von Niobiumkarbiden messbare Vorteile im Lebenszyklus bietet, trotz eines bescheidenen Aufschlags bei den Kosten.
Letzte praktische Anmerkung: Überprüfen Sie immer die spezifischen ASTM/UNS/EN-Grenzen und fordern Sie Werkzertifikate für kritische Projekte an. Für kritische Hochtemperatur- oder korrosive Umgebungen führen Sie anwendungsspezifische Korrosionstests durch und konsultieren Sie Metallurgen, um die Auswahl der Legierung und die Schweiß-/Fertigungsverfahren zu validieren.