321 vs 347H – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Die Wahl zwischen den rostfreien Stählen 321 und 347H ist ein häufiger Entscheidungspunkt für Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner, die mit Hochtemperatur- oder korrosiven Umgebungen arbeiten. Die Abwägungen konzentrieren sich typischerweise auf die Korrosionsbeständigkeit unter thermischer Einwirkung, Schweißbarkeit und Fertigungseffizienz, langfristige Hochtemperaturfestigkeit und Lebenszykluskosten.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden austenitischen, stabilisierten rostfreien Stählen liegt in ihrer Stabilisierungstrategie gegen Karbidniederschlag bei erhöhten Temperaturen: Eine Sorte ist titan-stabilisiert, während die andere niob-stabilisiert ist und in einer hochkohlenstoffhaltigen Variante für verbesserte Hochtemperaturfestigkeit angeboten wird. Dieser Unterschied bestimmt ihre Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Angriffe nach thermischen Zyklen, ihr Kriech- und Bruchverhalten und beeinflusst die Auswahl für Ofenhardware, Kessel- und Überhitzerrohre sowie Komponenten in chemischen Anlagen.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche Normen und Bezeichnungen:
- ASTM/ASME: 321 (oft als ASTM A240 / ASME SA240 angegeben), 347H (ASTM A240 / ASME SA240 hochkohlenstoffhaltige Variante von 347)
- EN: Entsprechungen erscheinen als X6CrNiTi17-12 oder ähnlich für 321; 347/347H-Varianten sind den EN-Noten mit Columbium/Niob-Stabilisierung zugeordnet
- JIS/GB: Nationale Normen bieten entsprechende Bezeichnungen und Zusammensetzungsbandbreiten
- Klassifizierung:
- Sowohl 321 als auch 347H sind austenitische rostfreie Stähle (rostfreie Familie).
- Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA – sie sind rostfreie (korrosionsbeständige) Legierungen, die für erhöhte Temperaturen vorgesehen sind.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die beiden Sorten teilen sich die gleiche austenitische Matrixchemie (austenit-stabilisierende Nickel- und Chrom-basierte Zusammensetzung), unterscheiden sich jedoch in stabilisierenden Elementen und Kohlenstoffkontrolle.
Tabelle: Anwesenheit/Rolle der Elemente (qualitativ)
| Element | 321 | 347H | Rolle / Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | Niedriger Kohlenstoff austenitisch | Höherer Kohlenstoffvariant (H) | Kohlenstoff beeinflusst die Kriechfestigkeit und das Niederschlagsverhalten |
| Mn (Mangan) | Vorhanden (gering) | Vorhanden (gering) | Austenitstabilisator, beeinflusst das Warmumformen |
| Si (Silizium) | Vorhanden (Spuren) | Vorhanden (Spuren) | Entoxidationsmittel, geringfügiger Einfluss auf die Eigenschaften |
| P (Phosphor) | Spurensteuerung | Spurensteuerung | Verunreinigungssteuerung für Zähigkeit |
| S (Schwefel) | Spurensteuerung | Spurensteuerung | Beeinflusst die Bearbeitbarkeit; niedrig gehalten |
| Cr (Chrom) | Hauptlegierungselement | Hauptlegierungselement | Primärer Beitrag zur Korrosionsbeständigkeit |
| Ni (Nickel) | Hauptlegierungselement | Hauptlegierungselement | Stabilisiert Austenit, verbessert Zähigkeit und Festigkeit |
| Mo (Molybdän) | Typischerweise minimal/abwesend | Typischerweise minimal/abwesend | Kein Designelement für diese Sorten |
| V (Vanadium) | Hier kein Stabilisator | Hier kein Stabilisator | Allgemein in diesen Sorten nicht verwendet |
| Nb (Niob / Columbium) | Nicht als primärer Stabilisator verwendet | Vorhanden als Stabilisator | Bildet Nb-Karbonitride, die Karbide und Korngrenzen fixieren |
| Ti (Titan) | Vorhanden als Stabilisator | Kann nur in geringen Mengen vorhanden sein | Bildet Ti-Karbonitride, um die Niederschlag von Chromkarbiden zu verhindern |
| B (Bor) | Spuren, wenn überhaupt | Spuren, wenn überhaupt | Kein Designelement |
| N (Stickstoff) | Niedrige Werte | Niedrige Werte | Beeinflusst Festigkeit und Lochkorrosionsbeständigkeit leicht |
Erklärung - Beide Legierungen sind chrom-nickel austenitische rostfreie Stähle. Chrom bildet den passiven Film für allgemeine Korrosionsbeständigkeit; Nickel stabilisiert die austenitische Phase und verbessert die Zähigkeit. - 321 verwendet Titan als Stabilisator: Titan bildet bevorzugt Titan-Karbid/Nitride, die Kohlenstoff binden und die Niederschlag von Chromkarbiden an Korngrenzen während langer thermischer Einwirkungen verhindern. - 347H verwendet Niob (Columbium) als Stabilisator und wird in einer hochkohlenstoffhaltigen Variante (das "H") geliefert, um die Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit zu verbessern. Niob hat eine ähnliche stabilisierende Wirkung wie Titan, ist jedoch besonders effektiv, wenn es mit höherem Kohlenstoff kombiniert wird, um die langfristige Hochtemperaturfestigkeit zu gewährleisten.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Mikrostruktur - Bei Raumtemperatur sind beide Sorten einphasiges Austenit (flächenzentriertes kubisches Gitter), wobei Legierungszusätze und Stabilisatoren als feine Karbide/Nitride vorhanden sind. - Stabilisierende Niederschläge: 321 zeigt Titan-Karbonitride; 347H zeigt Niob-Karbonitride. Diese Niederschläge sind typischerweise fein und an Korngrenzen sowie innerhalb der Körner verteilt.
Wärmebehandlungs- und Verarbeitungsreaktion - Austenitische rostfreie Stähle sind im Allgemeinen nicht durch Abschrecken härtbar; Festigkeitsanpassungen erfolgen durch Kaltverformung oder Lösungsglühen. - Lösungsglühen gefolgt von schnellem Abkühlen löst Niederschläge auf und stellt die Korrosionsbeständigkeit wieder her, wenn es korrekt durchgeführt wird. - Bei stabilisierten Sorten bindet der Stabilisator Kohlenstoff während des Schweißens oder langsamen Abkühlens, wodurch das Risiko der Niederschlag von Chromkarbiden (Sensibilisierung) verringert wird. - 347H, mit höherem Kohlenstoff und Niob, ist so konzipiert, dass es eine bessere Kriechbeständigkeit behält und die Stabilität der Korngrenzen unter längerer Hochtemperatureinwirkung aufrechterhält; jedoch sollten die Schweißverfahren immer noch die thermischen Zyklen kontrollieren, um unerwünschte Niederschläge zu vermeiden.
Prozesseffekte - Normalisieren ist keine Standardpraxis für diese austenitischen Sorten; Glühen (Lösungsglühen) ist der übliche thermische Prozess, um die Struktur nach der Fertigung wiederherzustellen. - Thermo-mechanische Verarbeitung (kontrolliertes Walzen für Rohre oder Schmiedestücke) beeinflusst hauptsächlich die Korngröße und Kriechfestigkeit; beide Sorten reagieren ähnlich in Bezug auf Rekristallisation und Kornwachstum, aber das Niederschlagsverhalten von 347H verbessert die Kriechbeständigkeit bei höheren Temperaturen.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: qualitative Vergleich bei Umgebungs- und erhöhten Betriebsbedingungen
| Eigenschaft | 321 | 347H | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (Raumtemp) | Ähnlich | Ähnlich | Beide haben vergleichbare Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur, die typisch für austenitische rostfreie Stähle sind |
| Streckgrenze | Vergleichbar | Leicht höher bei erhöhten Temperaturen | Der höhere Kohlenstoff und die Nb-Niederschläge von 347H verbessern die Hochtemperaturfestigkeit |
| Dehnung / Zähigkeit | Gut, höhere Zähigkeit | Gut, leicht reduzierte Zähigkeit im Vergleich zu 321 | Höherer Kohlenstoff reduziert die Zähigkeit in 347H moderat |
| Schlagzähigkeit | Ausgezeichnet bei Raumtemp | Ausgezeichnet bei Raumtemp | Beide behalten gute Zähigkeit; sorgfältige Kontrolle erforderlich nach Kaltverformung |
| Härte | Ähnlich im geglühten Zustand | Ähnlich (kann leicht höher sein, wenn kaltverformt) | Die Härte steigt mit Kaltverformung für beide Sorten |
Interpretation - Bei Raumtemperatur sind die mechanischen Eigenschaften weitgehend ähnlich, und beide bieten gute Zähigkeit und Zähigkeit, die für austenitische rostfreie Stähle charakteristisch sind. - Im langfristigen Betrieb bei erhöhten Temperaturen bietet 347H typischerweise eine bessere Beibehaltung der Zug-/Streckgrenze und Kriechbeständigkeit aufgrund höherer Kohlenstoff- und niob-stabilisierten Niederschläge, die die Matrix verstärken und die Grenzschichtdegradation verlangsamen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit ist entscheidend für die Fertigung und Zuverlässigkeit im Betrieb.
Faktoren - Sowohl 321 als auch 347H gelten im Allgemeinen als schweißbar nach den Standardverfahren für austenitische rostfreie Stähle, aber die Stabilisierungstrategie und der Kohlenstoffgehalt beeinflussen die Anfälligkeit für Sensibilisierung und sekundäre Phasen. - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt in 321 verringert die Tendenz zur Bildung von Chromkarbiden, und die Titanstabilisierung hilft, die Sensibilisierung zu verhindern. Die Niobstabilisierung und der höhere Kohlenstoffgehalt von 347H erfordern Sorgfalt bei den thermischen Zyklen des Schweißens, um sicherzustellen, dass Niob effektiv Kohlenstoff bindet und lokale chromarmen Zonen vermeidet.
Übliche Schweißbarkeitsindizes (zur Interpretation) - Kohlenstoffäquivalent (IIW-Form), oft qualitativ verwendet, um die Härtbarkeit/Schweißrissrisiko zu bewerten: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Ein detaillierterer Parameter für rostfreie Stähle: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation (qualitativ) - Beide Sorten geben moderate Werte in diesen Indizes im Vergleich zu ferritischen/abgeschreckten Stählen; sie sind nicht anfällig für wasserstoffunterstützte Kaltverrisse, können jedoch Erstarrungsrisse und die Bildung schädlicher intermetallischer Phasen aufweisen, wenn ungeeignetes Füllmaterial oder Wärmeinput verwendet wird. - Vorwärmen ist im Allgemeinen nicht erforderlich für austenitische rostfreie Stähle, aber die Nachschweißwärmebehandlung und die Auswahl des Füllmaterials sollten so gewählt werden, dass die Stabilisierungseffektivität erhalten bleibt: Für 321 sicherstellen, dass das Titan-Kohlenstoff-Verhältnis im Schweißmetall angemessen ist; für 347H Füllmaterial und Verfahren wählen, die die Niobstabilisierung berücksichtigen und lokale Depletion verhindern.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Allgemeine Korrosion - Sowohl 321 als auch 347H verlassen sich auf Chrom, um einen passiven Oxidfilm zu bilden; sie bieten gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit in vielen Atmosphären und milden chemischen Umgebungen.
Interkristalline Korrosion und Hochtemperatursensibilisierung - Die Stabilisatoren (Ti in 321 und Nb in 347H) sind speziell enthalten, um die Niederschlag von Chromkarbiden an Korngrenzen während der Einwirkung auf sensibilisierende Temperaturbereiche zu verhindern, wodurch die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion verringert wird. - Die Niobstabilisierung von 347H in Kombination mit seinem höheren Kohlenstoffgehalt verbessert den Widerstand gegen interkristalline Angriffe während längerer Hochtemperatureinwirkung und thermischer Zyklen, die in Kessel- und Überhitzeranwendungen üblich sind.
Verwendung von Korrosionsindizes - Die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) ist relevant zur Bewertung der Lochkorrosionsbeständigkeit in Chloridumgebungen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Für 321 und 347H ist PREN von begrenztem Nutzen, da diese Sorten nicht primär für hohe Lochkorrosionsbeständigkeit (Mo-arm) ausgelegt sind; PREN ist bedeutungsvoller für Duplex- oder hoch-Mo austenitische/ferritische Stähle.
Oberflächenschutz für nicht-rostfreie Alternativen - Hier nicht anwendbar (beide sind rostfrei). Für nicht-rostfreie Stähle würde der Schutz Verzinkung, Lackierung oder Beschichtung umfassen.
7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Austenitische rostfreie Stähle verfestigen sich schnell; sowohl 321 als auch 347H erfordern scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten und geeignete Schneidparameter. 347H (höherer Kohlenstoff) kann etwas schwieriger zu bearbeiten sein als 321, aber der Unterschied ist moderat.
- Formbarkeit und Biegen: Beide sind im geglühten Zustand hoch formbar. 321 kann aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts geringfügig bessere Formbarkeit zeigen, während die hochkohlenstoffhaltige und Niederschlagsstruktur von 347H das Material steifer machen kann.
- Oberflächenfinish: Beide erfordern ähnliche Finish- und Polierprozesse; Beiz- und Passivierungsbehandlungen sind nach dem Schweißen Standard, um den chromreichen passiven Film wiederherzustellen.
8. Typische Anwendungen
| 321 – Typische Anwendungen | 347H – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Auspuffkomponenten und Wärmetauscher in Flugzeug- und Automobilsystemen | Kesselrohre, Überhitzer- und Nachheizrohre in fossilen und nuklearen Anlagen |
| Chemische Prozessanlagen, die moderaten hohen Temperaturen und korrosiven Atmosphären ausgesetzt sind | Hochtemperatur-Ofenhardware und Rohrleitungen, die langfristige Kriechbeständigkeit erfordern |
| Lebensmittelverarbeitungsanlagen und Wärmebehandlungsvorrichtungen, bei denen Stabilisierung gewünscht ist | Petrochemische Hochtemperaturrohrleitungen und Behälterkomponenten, bei denen das Risiko der Sensibilisierung hoch ist |
| Luft- und Raumfahrt- sowie Motorenteile, bei denen die Titanstabilisierung gut verstanden ist | Komponenten, die langen thermischen Zyklen ausgesetzt sind, bei denen die Niobstabilisierung die Integrität der Korngrenzen bewahrt |
Auswahlbegründung - Wählen Sie 321, wenn allgemeine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und gute Schweißbarkeit erforderlich sind und Kosten oder Formbarkeit Priorität haben. - Wählen Sie 347H, wenn der Betrieb längere Einwirkungen bei erhöhten Temperaturen umfasst, bei denen interkristalline Korrosion (Sensibilisierung) und Kriechbeständigkeit von primärer Bedeutung sind und die leicht höheren Materialkosten akzeptabel sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 321 ist allgemein verfügbar und typischerweise günstiger als 347H, da nioblegierte, hochkohlenstoffhaltige stabilisierte Sorten Spezialartikel sind und kostspieligere Legierungs- und Verarbeitungssteuerungen verwenden.
- Verfügbarkeit: 321 ist weit verbreitet in Platten, Blechen, Stangen und geschweißten/nahtlosen Rohren. 347H ist in Standardproduktformen erhältlich, kann jedoch in einigen Marktregionen und bei großen nahtlosen Produkten weniger verbreitet sein – Lieferzeiten und Mindestbestellungen können länger sein.
- Einkaufsnotiz: Geben Sie die genaue Sorte und die Stabilisierungsvorgabe (Ti vs Nb, Kohlenstoffbereich) in den Bestellungen an, um zu vermeiden, dass die nicht-H-Variante von 347 oder eine unstabilisierte Sorte geliefert wird.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: qualitative Zusammenfassung
| Kriterium | 321 | 347H |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut – leichter zu kontrollieren mit Ti-Stabilisierung | Gut – erfordert Aufmerksamkeit auf Nb-Stabilisierung und Füllerauswahl |
| Festigkeit–Zähigkeit (Hochtemp) | Gut bei moderaten Temperaturen | Bessere Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit |
| Kosten | Allgemein niedriger / weit verbreitet | Allgemein höher / Speziallegierung |
Fazit (Empfehlungen) - Wählen Sie 321, wenn: - Die Anwendung moderate hohe Temperaturen mit gelegentlichen thermischen Zyklen umfasst, bei denen gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Fertigungseffizienz erforderlich sind. - Kosten, Formbarkeit und leicht verfügbare Produktformen wichtig sind. - Wählen Sie 347H, wenn: - Der Betrieb längere Einwirkungen bei erhöhten Temperaturen, langfristige Kriechbelastung oder wiederholte thermische Zyklen umfasst, die das Risiko der Sensibilisierung und interkristallinen Korrosion bergen. - Die Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften bei höheren Temperaturen und die Stabilität der Korngrenzen entscheidend sind und Sie höhere Materialkosten sowie leicht anspruchsvollere Schweiß-/Fertigungssteuerungen akzeptieren können.
Letzte praktische Anmerkung - Für kritische Komponenten, die längeren Hochtemperaturdiensten ausgesetzt sind, geben Sie die stabilisierte Sorte, die erforderliche Nachbearbeitungswärmebehandlung (falls vorhanden), die Zusammensetzung des Schweißfüllers und die Inspektionskriterien an. Eine frühzeitige Einbindung der Metallurgie und Schweißtechnik während der Planung und Beschaffung vermeidet kostspielige Feldfehler oder Nachfertigungen.