P91 vs P92 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure und Beschaffungsexperten, die Stähle für Hochtemperaturkraft- und Prozessanwendungen auswählen, müssen Stärke, Kriechbeständigkeit, Schweißbarkeit und Lebenszykluskosten in Einklang bringen. P91 und P92 sind zwei weit verbreitete 9% Chrom hitzebeständige Stähle, die für dampferzeugende und hochdruckleitende Systeme entwickelt wurden; die Entscheidung zwischen ihnen ist häufig ein Kompromiss zwischen langfristiger Hochtemperaturleistung und Fertigungs-/Inspektionskosten.

Der wesentliche metallurgische Unterschied besteht darin, dass P92 die klassische 9Cr–1Mo-Familie weiterentwickelt, indem ein Teil der Verstärkungsstrategie auf schwerere feuerfeste Verstärkung (Wolfram und optimiertes Mikrolegieren) verschoben wird, was die Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen verbessert. Aufgrund dieser gerichteten Legierungsänderung bietet P92 im Allgemeinen eine höhere langfristige Festigkeit und Kriechbruchleistung auf Kosten einer etwas anspruchsvolleren Schweiß- und Fertigungspraxis im Vergleich zu P91.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Spezifikationen, in denen P91 und P92 erscheinen:
• ASME/ASTM: typischerweise als P91 und P92 in SA-335 (nahtloses ferritisches Legierungsstahlrohr) und verwandten Kessel-/Rohrcodes.
• EN: Diese Stähle sind unter europäischen Bezeichnungen in EN-Äquivalenten und detaillierten Produktstandards für Rohre und Fittings erhältlich.
• GB (China): weit verbreitet unter entsprechenden GB/T-Noten für hitzebeständige Stähle produziert.
• JIS: Japanische Standards beziehen sich manchmal auf äquivalente 9Cr-Stähle für Hochtemperaturdienste.
• Klassifizierung: Sowohl P91 als auch P92 sind niedriglegierte, hitzebeständige ferritisch-martensitische Stähle (weder rostfrei noch Werkzeugstähle). Sie werden am besten als hochfeste, kriechbeständige Legierungsstähle (HSLA-Typ für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen) kategorisiert.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche (ungefähr, gerundet, um gängige Spezifikationen und industrielle Praktiken widerzuspiegeln). Exakte zulässige Bereiche sind in der geltenden Materialnorm oder im Datenblatt des Anbieters definiert.

Element	P91 (typische Bereiche, Gew.% )	P92 (typische Bereiche, Gew.% )
C	0.08–0.12	0.08–0.12
Mn	0.3–0.6	0.2–0.6
Si	0.2–0.5	0.2–0.6
P	≤0.02	≤0.02
S	≤0.01	≤0.01
Cr	8.0–9.5	8.5–9.5
Ni	≤0.40	≤0.40
Mo	~0.85–1.05	~0.4–0.7
W	Spuren bis 0.5	~1.7–2.5
V	0.18–0.25	0.18–0.25
Nb (Cb)	0.06–0.12	0.06–0.12
Ti	≤0.02	≤0.02
B	sehr niedrige ppm-Werte	sehr niedrige ppm-Werte
N	0.02–0.07	0.03–0.07

Hinweise: - P92 reduziert den gesamten Mo-Gehalt und führt gezielt Wolfram (W) ein, um die Festigkeit durch Festkörperlösung und Ausscheidung bei erhöhten Temperaturen zu erhöhen. Mikrolegierung mit V und Nb wird in beiden Güten beibehalten und optimiert, um feine Karbid-/Nitrideinschlüsse zu stabilisieren, die das Kriechen kontrollieren. - Bor in ppm-Werten wird häufig verwendet, um die Härtbarkeit zu verbessern; Stickstoff wird kontrolliert, um Karbide/Nitride zu stabilisieren und das Anlassen zu beeinflussen. - Diese Bereiche sind indikativ; immer mit den Werkszertifikaten und den relevanten Codeanforderungen bestätigen.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Chrom sorgt für Oxidationsbeständigkeit und Matrixstabilität bei erhöhten Temperaturen. - Mo und W sind entscheidend für die Festkörperlösungshärtung und die Bildung stabiler Karbide/komplexer Ausscheidungen, die das Kriechen verlangsamen; der Austausch von etwas Mo durch W verschiebt das Temperatur-Festigkeits-Gleichgewicht zugunsten einer besseren langfristigen Kriechleistung. - V und Nb bilden feine MX (Karbonitrid)-Ausscheidungen, die Versetzungen und Korngrenzen festhalten, was die Kriechfestigkeit verbessert und die Anlassembrittlement kontrolliert, wenn sie richtig ausgewogen sind. - Kohlenstoff steuert die Härte und Festigkeit, erhöht jedoch die Härtbarkeit und die Anfälligkeit für Martensitbildung – daher sind eine enge Kontrolle und eine angemessene Wärmebehandlung erforderlich.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Beide Güten werden nach normalisierter und angelassener Wärmebehandlung zu einer angelassenen martensitisch/ferritischen Mikrostruktur produziert. Die normalisierte Struktur besteht aus Martensit-Lamellenpaketen mit vorherigen Austenit-Korngrenzen; das Anlassen erzeugt angelassenen Martensit mit verschiedenen Karbiden und Karbonitriden (M23C6, MX-Typ-Ausscheidungen). - Die Mikrostruktur von P92 zeigt tendenziell eine höhere Stabilität der Ausscheidungen bei Betriebstemperatur aufgrund von W-haltigen Karbiden und einer verfeinerten Verteilung von Nb/V-Karbonitriden (die darauf ausgelegt sind, das Grobkornwachstum zu widerstehen).

Wärmebehandlungsrouten: - Normalisieren: Erhitzen auf eine Austenitisierungstemperatur, um Legierungskarbid zu lösen, gefolgt von Luftkühlung zur Bildung von Martensit; typische Temperaturen werden durch den Code/die Spezifikation festgelegt und müssen für die Maßkontrolle und metallurgischen Eigenschaften eingehalten werden. - Abschrecken ist nicht typisch – diese Stähle werden normalisiert und dann angelassen, anstatt durch Abschrecken im Sinne von Werkzeugstählen gehärtet zu werden. - Anlassen: wird durchgeführt, um Sprödigkeit zu reduzieren, Spannungen abzubauen und die Festigkeit durch Ausscheidungen zu erhöhen. Anlasstemperatur und -zeit beeinflussen erheblich die Kriechfestigkeit, Zähigkeit und Härte. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Einige Produktformen (Platten, Schmiedeteile) profitieren von kontrolliertem Walzen und beschleunigter Kühlung, um die vorherige Austenit-Korngröße zu verfeinern und die Ausscheidungen gleichmäßiger zu verteilen.

Unterschiede in den Effekten: - Die Wolfram-haltigen Ausscheidungen von P92 und das leicht unterschiedliche Nb/V-Gleichgewicht reduzieren das Grobkornwachstum bei Betriebstemperaturen, was zu einer überlegenen langfristigen Kriechfestigkeit im Vergleich zu P91 führt. Anlasstemperaturfenster und PWHT-Zyklen müssen ausgewählt und kontrolliert werden, um Über- oder Unteranlassen in beiden Güten zu vermeiden.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle – qualitative und typische Bereiche (nach ordnungsgemäßer Normalisierung und Anlassen; spezifische Werte hängen von der genauen Wärmebehandlung und den Codeanforderungen ab):

Eigenschaft	P91 (typisch)	P92 (typisch)
Zugfestigkeit (Rm)	~600–750 MPa (Raumtemp, typisch)	~650–800 MPa (Raumtemp, typisch)
Streckgrenze (Rp0.2)	~415–520 MPa	~480–560 MPa
Dehnung (A%)	~18–25%	~15–25% (ähnliche Duktilität)
Schlagzähigkeit (Charpy V-Kerbe)	Mäßig bis gut (hängt vom Anlassen ab)	Gut, vergleichbar, aber empfindlich gegenüber Wärmebehandlung
Härte (HRC/HBW)	Typischerweise ~180–250 HB	Typischerweise ~190–260 HB

Interpretation: - P92 ist im Allgemeinen so konzipiert, dass es eine höhere Zug- und Kriechfestigkeit bietet, insbesondere bei erhöhten Temperaturen und langen Expositionszeiten. - Duktilität und Schlagzähigkeit können bei Raumtemperatur ähnlich sein, wenn eine ordnungsgemäße Wärmebehandlung angewendet wird, aber beide Güten erfordern sorgfältiges Anlassen, um die erforderliche Zähigkeit, insbesondere an Schweißnähten, aufrechtzuerhalten. - Die Härte ist vergleichbar; Unterschiede werden durch Anlasstemperatur und endgültige Mikrostruktur bestimmt.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit: - Sowohl P91 als auch P92 sind schweißbar, erfordern jedoch kontrollierte Vorwärmung, Temperaturgrenzen zwischen den Schweißdurchgängen und eine obligatorische Nachschweißwärmebehandlung (PWHT), um den martensitischen Schweiß und die wärmebeeinflusste Zone (HAZ) zu tempern. - Der höhere Legierungsgehalt und die Härtbarkeit machen beide anfällig für HAZ-Härtung und Kaltverzug, wenn die Schweißverfahren nicht kontrolliert werden.

Nützliche Formeln (nur qualitative Interpretation): - Kohlenstoffäquivalent (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Höhere $CE_{IIW}$-Werte deuten auf eine größere Härtbarkeit und ein höheres Risiko von HAZ-Martensit und Rissbildung hin; sowohl P91 als auch P92 erzeugen relativ erhöhte Werte im Vergleich zu niedriglegierten Stählen. - Pcm (Schweißbarkeitsparameter):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ hilft, die Anfälligkeit für Kaltverzug zu bewerten; Mikrolegierungselemente und Bor in P91/P92 können den Index erhöhen.

Praktische Implikationen: - Das erhöhte Wolfram (und das angepasste Mo) von P92 erhöht die Härtbarkeit im Vergleich zu P91 leicht, sodass die Schweißkontrollen tendenziell kritischer sind (höhere Vorwärmung, sorgfältige Interpass- und PWHT-Profile, Verwendung von passenden Füllmetallen). - Die Verwendung von passenden oder überpassenden Füllmetallen, strenge Wasserstoffkontrolle und qualifizierte Schweißverfahren sind erforderlich. Die Nachschweißwärmebehandlung ist entscheidend, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu erreichen und Restspannungen sowie martensitische Härte zu reduzieren. - Schweißreparaturen und Mehrfachschweißungen erfordern besondere Aufmerksamkeit auf die PWHT-Temperatur-/Zeitzyklen, die im Code oder im Schweißverfahren des Herstellers angegeben sind.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder P91 noch P92 sind rostfreie Stähle; sie verlassen sich auf den Cr-Gehalt (~9%) für verbesserte Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, nicht jedoch auf Korrosionsbeständigkeit in feuchten oder chloridhaltigen Umgebungen.
• Für allgemeine atmosphärische, wässrige oder chemisch aggressive Einflüsse gelten die üblichen Oberflächenschutzpraktiken: Beschichtungen, Farben, thermische Spritzbeschichtung oder Verzinkung können dort eingesetzt werden, wo es angemessen ist (aber die Verzinkung von Komponenten für Hochtemperaturdienste ist nicht typisch).
• PREN (pitting resistance equivalent number) ist für diese nicht rostfreien hitzebeständigen ferritischen Stähle nicht relevant; zur Referenz wird PREN berechnet als:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ aber dieser Index gilt für die Auswahl rostfreier Legierungen und charakterisiert P91/P92 nicht sinnvoll.

Praktische Hinweise: - Für langfristige Oxidation auf der Dampfsseite und Korrosion auf der Feuerseite in Kesseln und Überhitzern sollte die Materialauswahl (P91 vs P92) durch die Betriebstemperatur und das erwartete Ablagerungs-/Oxidationsverhalten bestimmt werden, wobei Beschichtungen und Wasserchemiekontrollen nach Bedarf angewendet werden.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit: Beide Güten sind aufgrund ihrer höheren Festigkeit und Härtbarkeit schwieriger zu bearbeiten als niedriglegierte Stähle; P92 kann aufgrund des Wolframgehalts und der damit verbundenen Karbidstabilität etwas herausfordernder sein. Verwenden Sie scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten und angepasste Schnittparameter.
• Formbarkeit/Biegen: Kaltumformung ist begrenzt; das Formen erfolgt normalerweise an normalisierten oder geglühten Produktformen, wo immer möglich. Biegeradien und -methoden sollten den Vorgaben des Anbieters folgen und eine anschließende Wärmebehandlung ermöglichen.
• Schleif-, Bohr- und Finishoperationen erfordern Aufmerksamkeit auf die Wärmeentwicklung, um Anlassen oder Verfestigung der Oberfläche zu vermeiden.
• Schweißverarbeitung erfordert qualifizierte Verfahren und Personal, das mit den PWHT-Anforderungen vertraut ist.

8. Typische Anwendungen

P91 — Typische Anwendungen	P92 — Typische Anwendungen
Hauptdampfleitungen, Header, Überhitzerrohre, Nachheizabschnitte in konventionellen und subkritischen Anlagen (bis ~600–620°C Betriebsbereiche, abhängig von der Lebensdauer)	Hochdruck-, ultra-superkritische Kessel- und Turbinenschläuche, fortschrittliche Überhitzer-/Nachheizrohre, Komponenten, bei denen eine höhere Kriechfestigkeit für längere Dienste oder höhere Temperaturen erforderlich ist (typischerweise höheres Ende der 9Cr-Familie)
Kesselrohre und Fittings in fossilen Kraftwerken	Dickwandige Komponenten oder solche, die eine verbesserte langfristige Bruchfestigkeit und reduzierte Kriechgeschwindigkeiten erfordern
Dickwandige Druckbehälter, bei denen kosteneffizientes, gut verstandenes Materialverhalten akzeptabel ist	Neubauanlagen oder Nachrüstungen, bei denen eine verlängerte Lebensdauer bei höheren Metalltemperaturen höhere Material- und Fertigungskosten rechtfertigt

Auswahlbegründung: - Wählen Sie basierend auf der erforderlichen Entwurfstemperatur, der erforderlichen Kriechbruchlebensdauer, der Dicke (W erhöht die Festigkeit in dickeren Abschnitten) und der akzeptablen Schweiß-/Fertigungsstrategie.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• P92 ist typischerweise teurer als P91 aufgrund des zusätzlichen Wolframs und der Fertigungskontrollen; es kann auch längere Lieferzeiten und eine begrenztere Verfügbarkeit in bestimmten Produktformen oder Größen haben.
• P91 ist weltweit in Rohren, Fittings, Platten und Schmiedeteilen weit verbreitet und stellt oft die Basis für codegenehmigte Komponenten dar.
• Die Verfügbarkeit variiert mit den Marktzyklen, den Werkskapazitäten und der geografischen Region; die Beschaffung muss die Lieferzeiten für nahtlose versus geschweißte Rohre, Schmiedeteile und Fittings bestätigen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Attribut	P91	P92
Schweißbarkeit (Verfahrenskomplexität)	Gut — standardmäßige PWHT erforderlich	Anspruchsvoller — höhere Härtbarkeit, strengere Kontrolle
Festigkeit–Zähigkeit (Raumtemp)	Stark, gute Zähigkeit	Höhere Festigkeit, vergleichbare Zähigkeit, wenn richtig behandelt
Kriechbeständigkeit (langfristig, hohe T)	Gut bis zu typischen Betriebsgrenzen	Bessere langfristige Kriechbeständigkeit bei höheren Temperaturen
Kosten & Verfügbarkeit	Niedrigere Kosten, breitere Verfügbarkeit	Höhere Kosten, eingeschränkte Versorgung in einigen Formen

Empfehlungen: - Wählen Sie P91, wenn: - Die Anwendung innerhalb der konventionellen 9Cr–1Mo-Betriebstemperaturen und Lebensdauererwartungen liegt, - Fertigungsgeschwindigkeit, Kosten und einfachere Verfügbarkeit Prioritäten sind, - Bewährte Code-Erfahrung und bestehende Schweißverfahren bevorzugt werden.

• Wählen Sie P92, wenn:
• Das Design verbesserte langfristige Kriechfestigkeit, Betrieb am oberen Ende der 9Cr-Temperaturfähigkeiten oder eine längere garantierte Lebensdauer unter Dampf/Druck erfordert,
• Das Projekt strengere Schweißkontrollen, höhere Materialkosten und potenziell längere Lieferzeiten berücksichtigen kann,
• Verbesserte Leistung in dicken Abschnitten oder aggressiven Hochtemperatur-Kriechregimen ein entscheidender Faktor ist.

Letzte Anmerkung: Die Materialauswahl sollte immer durch projektspezifische Kriechbruchdaten, Schweißverfahrensqualifikationsunterlagen, ordnungsgemäße Wärmebehandlungspläne und Konsultationen mit Materiallieferanten und -verarbeitern unterstützt werden. Bestätigen Sie die genaue Zusammensetzung und garantierten Eigenschaften aus dem Werksprüfzertifikat und befolgen Sie die Vorschriften des Codes (ASME/EN/GB/JIS) für Design, Schweißen und Inspektion.