A335 P11 vs P22 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

ASTM A335 P11 und P22 sind zwei weit verbreitete Chrom-Molybdän-Legierungsstähle für Hochtemperatur-Druckteile wie Rohrleitungen, Header und Kesselrohre. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Kompromisse zwischen Kosten, Hochtemperaturfestigkeit, Schweißbarkeit und langfristiger Kriechbeständigkeit ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Anpassung der Materialfestigkeit und Zähigkeit an die Betriebstemperatur, die Festlegung von Schweißverfahren für die Fertigung und das Abwägen der Lebenszykluskosten gegen den anfänglichen Kaufpreis.

Der primäre technische Unterschied zwischen diesen Güten ist ihr Legierungsgehalt an Chrom und Molybdän: P22 enthält erheblich mehr Chrom und Molybdän als P11, was sich direkt auf die Härtbarkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit auswirkt. Da beide Stähle Cr-Mo-ferritische Legierungen sind, die für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen ausgelegt sind, werden sie häufig während der Materialauswahl für Kessel, überhitzte Dampfleitungen und Druckbehälter verglichen.

1. Normen und Bezeichnungen

• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (Nahtlose ferritische Legierungsstahlrohre für Hochtemperaturdienst)
• Güte P11 (häufig als 1.25Cr–0.5Mo nominal angegeben)
• Güte P22 (häufig als 2.25Cr–1Mo nominal angegeben)
• EN: Vergleichbare Güten sind in den EN-Normensystemen verfügbar (z.B. P11 ≈ 13CrMo4-5 oder ähnliche Familien; P22 ≈ 2.25Cr–1Mo Vergütungsstähle)
• JIS/GB: Nationale Normen bieten ungefähr gleichwertige Cr-Mo vergütete Stähle, die für Hochtemperaturrohre und -behälter verwendet werden.
• Klassifikation: Sowohl P11 als auch P22 sind Legierungsstähle (ferritische Cr-Mo-Stähle), keine rostfreien oder Werkzeugstähle; sie werden für Hochtemperatur-Druckhaltekomponenten verwendet und sind im modernen Sinne keine HSLA.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle listet typische nominale Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) auf, die in der Industrie für A335 P11 und P22 verwendet werden. Die Werte werden als repräsentative Bereiche und nicht als genau garantierte Mindest-/Höchstwerte aus einer spezifischen Kauf-Spezifikation dargestellt.

Element	A335 P11 (typisch, Gew.-%)	A335 P22 (typisch, Gew.-%)
C	0.08 – 0.15	0.08 – 0.15
Mn	0.25 – 0.60	0.25 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.10 – 0.50
P	≤ 0.025	≤ 0.025
S	≤ 0.025	≤ 0.025
Cr	~0.90 – 1.30	~2.00 – 2.50
Ni	≤ 0.40 (Spur)	≤ 0.40 (Spur)
Mo	~0.40 – 0.65	~0.85 – 1.05
V	typischerweise Spur	typischerweise Spur
Nb (Cb)	typischerweise Spur	typischerweise Spur
Ti	typischerweise Spur	typischerweise Spur
B	typischerweise Spur	typischerweise Spur
N	Spur	Spur

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Chrom: verbessert die Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen und trägt zur Härtbarkeit und Hochtemperaturfestigkeit bei. Das höhere Cr in P22 erhöht seine Widerstandsfähigkeit gegen Skalierung und verbessert die Festigkeitsbeibehaltung bei Betriebstemperaturen. - Molybdän: verstärkt Ferrit bei erhöhten Temperaturen, verbessert die Kriechfestigkeit und erhöht die Härtbarkeit. Der höhere Mo-Gehalt von P22 führt zu besserer Kriech- und Hochtemperaturfestigkeit im Vergleich zu P11. - Kohlenstoff und Mangan: Hauptbeiträge zur Festigkeit und Härtbarkeit; beide Güten halten moderaten Kohlenstoffgehalt, um Schweißbarkeit und Festigkeit auszubalancieren. - Minderbestandteile und Mikrolegierungen (V, Nb, Ti) können in Spuren vorhanden sein und können die Kornstruktur verfeinern und die Matrix unter bestimmten Bearbeitungsbedingungen ausfällen.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Im Herstellungszustand und normalisiert: Beide Güten zeigen im Allgemeinen eine vergütete Martensit-/bainitisch-vergütete Ferrit-Mikrostruktur nach Normalisierungs- und Vergütungszyklen, die üblicherweise für Druckteile spezifiziert sind. - Nach Abschrecken & Vergüten (wo anwendbar für schwere Abschnitte oder Schmiedestücke): eine vergütete martensitische Struktur mit Karbidausfällung (Cr/Mo-reiche Karbide) bietet hohe Festigkeit und Kriechbeständigkeit. - Thermomechanische Bearbeitung: Kontrolliertes Walzen kann die Korngröße verfeinern und die Zähigkeit für beide Güten verbessern, obwohl der Legierungsgehalt die Leichtigkeit der Verfeinerung steuert.

Wärmebehandlungseffekte: - Normalisieren gefolgt von Vergüten verfeinert die Korngröße, verwandelt die gewalzten Mikrostrukturen in eine einheitliche vergütete Martensit-/bainitische Matrix und fällt Cr-Mo-Karbide aus, die zur Hochtemperaturfestigkeit beitragen. - P22's höherer Cr- und Mo-Gehalt fördert einen größeren Volumenanteil an Legierungs-Karbiden und verlangsamt das Weichwerden bei erhöhten Temperaturen; es erfordert typischerweise Vergütungsregime, die auf die Balance von Härte und Zähigkeit für dickere Abschnitte abgestimmt sind. - P11 ist weniger legiert und daher etwas einfacher, angemessene Zähigkeit nach standardmäßigen Normalisierungs-/Vergütungszyklen zu erreichen, hat jedoch eine geringere langfristige Festigkeit bei sehr hohen Temperaturen im Vergleich zu P22.

4. Mechanische Eigenschaften

Nachfolgend sind repräsentative Eigenschaftsbereiche für normalisierte und vergütete Zustände aufgeführt, die häufig in der Konstruktion verwendet werden. Tatsächliche garantierte Eigenschaften hängen von der Produktform und der spezifischen Wärmebehandlung ab.

Eigenschaft (Raumtemperatur, sofern nicht anders angegeben)	A335 P11 (typisch)	A335 P22 (typisch)
Zugfestigkeit (MPa)	~415 – 550	~415 – 620
Streckgrenze (0.2% Offset, MPa)	~240 – 360	~260 – 400
Dehnung (%)	~20 – 25	~18 – 22
Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit (J, normalisiert)	Typischerweise gut bei Raumtemperatur; behält Zähigkeit mit ordnungsgemäßer Wärmebehandlung	Vergleichbare oder leicht niedrigere Duktilität bei gleicher Festigkeit aufgrund höherer Legierung
Härte (HB oder HRC)	Moderat (z.B. HB 150–220 Bereich, abhängig von der Wärmebehandlung)	Leicht höher für äquivalente Vergütung aufgrund der Legierung

Interpretation: - P22 bietet im Allgemeinen höhere Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit aufgrund seines höheren Cr- und Mo-Gehalts; dies übersetzt sich oft in die Fähigkeit, sicher bei höheren Temperaturen oder mit reduzierter Wandstärke für eine gegebene Lebensdauer zu arbeiten. - P11 neigt dazu, duktiler zu sein und ist in bestimmten Dicken etwas einfacher zu wärmebehandeln, bietet jedoch eine geringere langfristige Festigkeit bei erhöhten Temperaturen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffäquivalent, der Härtbarkeit und der Mikrolegierung ab. Zwei weit verbreitete empirische Maße sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - P22 hat mehr Cr und Mo, was $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu P11 erhöht, was auf eine höhere Anfälligkeit für Härtung in der wärmebeeinflussten Zone und einen größeren Bedarf an Vorwärmung und kontrollierten Interpass-Temperaturen hinweist. - Beide Güten werden in der Industrie häufig geschweißt; empfohlene Praktiken umfassen wasserstoffarme Elektroden, spezifizierte Vorwärmung (und manchmal Nachschweißwärmebehandlung — PWHT) und Schweißverfahrensqualifikation. P22 erfordert häufiger konservativere Vorwärm-/PWHT-Regime für dickere Abschnitte aufgrund der höheren Härtbarkeit. - Die Kontrolle von Wasserstoff, Interpass-Temperatur und PWHT ist entscheidend, um wasserstoffunterstützte Rissbildung zu vermeiden und die HAZ-Härte zu temperieren.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder P11 noch P22 sind rostfrei; beide korrodieren, wenn sie aggressiven oder wässrigen Umgebungen ausgesetzt sind. Die Auswahl wird durch mechanisches Verhalten und Hochtemperatur-Oxidationsverhalten und nicht durch allgemeine Korrosionsbeständigkeit bestimmt.
• Für externen oder atmosphärischen Schutz: Verzinkung, Malerei/Beschichtungssysteme oder thermische Spritzüberzüge können je nach Einsatz angewendet werden.
• Für den internen Schutz in korrosiven Prozessströmen: Verkleidungen (z.B. Schweißüberzüge mit korrosionsbeständigen Legierungen), Auskleidungen oder Korrosionszulassungsdesign sind typische Strategien.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) wird für rostfreie Legierungen verwendet und ist nicht anwendbar für Cr-Mo-ferritische Stähle. Für rostfreie Legierungen würde man verwenden:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

Aber dieser Index ist für A335 P11 und P22 irrelevant, da ihre Cr-Gehalte unter den rostfreien Schwellenwerten liegen und sie nicht den hohen N- und Ni-Gehalt aufweisen, der für rostfreie Güten typisch ist.

7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Beide Güten lassen sich im normalisierten/vergüteten Zustand moderat gut bearbeiten. P22 kann aufgrund der höheren Legierung und der resultierenden ausfallhärtenden Karbide etwas anspruchsvoller für Schneidwerkzeuge sein. Karbidbildende Elemente (Cr, Mo) erhöhen die Abnutzung der Werkzeuge.
• Formbarkeit: Beide sind bei Kälte weniger formbar als einfache Kohlenstoffstähle; das Formen erfolgt typischerweise in normalisierten oder geglühten Zuständen mit Augenmerk auf Biegeradien. Für Rohr- und Rohrformate ist das Formen Routine, aber Rückfederung und das Risiko von Rissen in stark kaltverarbeiteten Bereichen sind Überlegungen.
• Oberflächenveredelung: Schleifen, Drehen und Schweißveredelung sind Standard; es wird empfohlen, auf Restspannungen zu achten und Überhitzung während der Bearbeitung von P22 zu vermeiden, um lokale Härteerhöhungen zu verhindern.

8. Typische Anwendungen

A335 P11 – Typische Anwendungen	A335 P22 – Typische Anwendungen
Dampfleitungen, Header und Fittings bei niedrigen bis moderaten Temperaturen, wo Kostensensibilität ein Faktor ist und die Temperaturen moderat sind	Hochtemperatur-Dampfleitungen, Überhitzer/Wiederwärmer-Rohre und Druckbehälter, wo höhere Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit erforderlich sind
Kessel und Wärmetauscher in weniger schweren Hochtemperaturzonen	Hauptdampfleitungen in Kraftwerken, heiße Wiederwärmerohre und Komponenten für den Einsatz bis zu höheren Entwurfstemperaturen
Pipelines in der Erdöl- und Chemieindustrie für moderate Temperaturen	Hochbelastete petrochemische Prozessheizer und Hochtemperatur-Druckhaltekomponenten

Auswahlbegründung: - Wählen Sie P11 für Anwendungen, bei denen nominal niedrigere maximale Betriebstemperaturen, niedrigere Materialkosten und einfachere Fertigung priorisiert werden. - Wählen Sie P22, wenn die Anwendung höhere Kriechfestigkeit, bessere Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen oder verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Skalierung/Oxidation erfordert.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Verfügbarkeit: Beide Güten sind häufig als nahtlose und geschweißte Rohre, Fittings und einige Schmiedestücke vorrätig; P11 und P22 sind Standardgüten in vielen Lieferketten für die Energieerzeugung und Prozessanlagen.
• Kosten: P22 ist typischerweise teurer als P11 aufgrund des höheren Cr- und Mo-Gehalts. Die zusätzlichen Kosten können durch eine längere Lebensdauer, dünnere Wanddesignmöglichkeiten oder reduzierte Wartung gerechtfertigt sein.
• Produktform: Beide sind leicht erhältlich in Rohren, Röhren und Druckbehälterplatten; die Lieferzeiten sind für Standardgrößen in der Regel kurz, können jedoch für große Schmiedestücke oder spezielle Wärmebehandlungen zunehmen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Aspekt	A335 P11	A335 P22
Schweißbarkeit	Besser (niedrigerer Legierungsgehalt → niedrigeres CE)	Etwas anspruchsvoller (höheres Cr/Mo → höheres CE; benötigt mehr Vorwärmung/PWHT)
Festigkeit–Zähigkeit bei RT	Moderate Festigkeit, gute Duktilität	Höhere Festigkeit bei Temperatur, vergleichbare oder leicht niedrigere Duktilität bei äquivalenter Festigkeit
Hochtemperatur-/Kriechbeständigkeit	Ausreichend für moderate erhöhte Temperaturen	Überlegen für höhere Temperaturen und längere Kriechlebensdauern
Kosten	Niedriger	Höher

Empfehlungen: - Wählen Sie P11, wenn Sie eine kostengünstige Cr-Mo-Legierung für den moderaten Hochtemperaturdienst benötigen, bei dem umfangreiche PWHT oder aggressive Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit nicht erforderlich sind und wo leicht bessere Kaltduktilität und einfachere Schweißverfahren von Vorteil sind. - Wählen Sie P22, wenn das Design höhere langfristige Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, verbesserte Skalierungsbeständigkeit oder die Möglichkeit dünnerer Wände für eine gegebene Lebensdauer erfordert — und Sie die strengeren Anforderungen an Schweißen und Nachschweißwärmebehandlung sowie die leicht höheren Materialkosten berücksichtigen können.

Abschließende Anmerkung: Für kritische Druckhaltekomponenten qualifizieren Sie immer die Materialspezifikation, die erforderliche Wärmebehandlung und das Schweißverfahren mit dem Metallurgen oder der Code-Behörde (ASME) des Projekts, um die Kompatibilität mit der Entwurfstemperatur, den zulässigen Spannungen und den Fertigungsbeschränkungen sicherzustellen.