SA387 Gr11 vs Gr22 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

SA387 Grad 11 und Grad 22 sind zwei eng verwandte Chrom-Molybdän (Cr-Mo) Druckbehälterstahlgüten, die häufig für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen in Kesseln, Druckbehältern und petrochemischen Anlagen spezifiziert werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Hersteller wägen oft die Kompromisse zwischen Materialkosten, Schweißbarkeit, Zähigkeit und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen ab, wenn sie zwischen diesen Güten auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen Rohr- und Behälterkomponenten, die hohen Dampftemperaturen ausgesetzt sind, Wärmetauscher und Komponenten, bei denen thermische Kriechbeständigkeit und Härtbarkeit wichtig sind.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Güten ist der Gehalt an Chrom und Molybdän: Grad 11 ist eine niedrigere Cr/Mo-Variante, die für moderate erhöhte Temperaturen vorgesehen ist, während Grad 22 mehr Cr und Mo enthält, um eine höhere Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei höheren Temperaturen zu bieten. Aus diesem Grund wird Gr22 dort spezifiziert, wo eine höhere langfristige Festigkeit und Härtbarkeit erforderlich sind; Gr11 wird ausgewählt, wenn etwas niedrigere Kosten und einfacheres Schweißen Priorität haben, während es dennoch gute Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen bietet.

1. Standards und Bezeichnungen

• Wichtige Standards und Bezeichnungen:
• ASTM/ASME: SA387 (Platte) — Grad 11 (häufig abgekürzt Gr11) und Grad 22 (Gr22). Verwandte Rohr-Spezifikationen: ASTM A335/ASME SA335 P11 und P22 (Rohre).
• EN: Vergleichbare Legierungen existieren in EN-Standards für legierte Stähle für Druckgeräte (Auswahl erfordert Querverweis, da eine direkte Eins-zu-eins-Zuordnung nicht genau ist).
• JIS / GB: Japanische und chinesische Standards haben ähnliche 1.25Cr–0.5Mo und 2.25Cr–1Mo-Familien, aber nationale Bezeichnungen auf Äquivalenz überprüfen.
• Klassifikation: Sowohl SA387 Gr11 als auch Gr22 sind legierte Stähle (Cr-Mo ferritische Stähle), die für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen verwendet werden; sie sind keine rostfreien Stähle, Kohlenstoffstähle oder HSLA im modernen Sinne.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle listet typische Zusammensetzungsbereiche auf, die häufig mit SA387 Gr11 und Gr22 assoziiert werden. Dies sind repräsentative Bereiche aus der Industriepraxis und standardisierten Querverweisen; immer mit dem Werkstoffprüfzertifikat auf genaue Werte überprüfen.

Wie die Legierungsstrategie das Verhalten beeinflusst: - Chrom erhöht die Härtbarkeit, Festigkeit bei Temperatur und Oxidationsbeständigkeit; höheres Cr in Gr22 bietet größere Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit als Gr11. - Molybdän trägt zur Kriechfestigkeit und Härtbarkeit bei; das höhere Mo in Gr22 verstärkt den Effekt. - Kohlenstoff, Mangan und Silizium bestimmen die Grundfestigkeit und Härtbarkeit; Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, kann jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit verringern, wenn er übermäßig ist. - Geringe Mikrolegierung (V, Nb, Ti) verfeinert die Korngröße und kann die Kriechfestigkeit verbessern, wenn sie absichtlich vorhanden ist, aber typische SA387-Platten verlassen sich im Allgemeinen auf das Cr-Mo-Gleichgewicht anstelle von starker Mikrolegierung.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - In normalisiertem und vergütetem (oder abgeschreckt und vergütetem) Zustand sind beide Güten ferritische Matrix mit vergütetem Martensit oder bainitischen Bestandteilen, abhängig von der Abkühlrate und dem Legierungsgehalt. Gr11, mit niedrigerer Härtbarkeit, neigt dazu, feineren vergüteten Martensit/Bainit mit geeigneter Wärmebehandlung zu bilden; Gr22, das stärker legiert ist, erreicht höhere Härtbarkeit und behält mehr härtbaren Mikrostruktur nach ähnlicher Abkühlung.

Wärmebehandlungsrouten und -effekte: - Normalisieren: Verfeinert die Korngröße und homogenisiert die Mikrostruktur; beide Güten profitieren vom Normalisieren, um die Zähigkeit vor der Vergütung zu verbessern. - Abschrecken & Vergüten (Q&T): Für SA387-Platten, die für hohe Festigkeit vorgesehen sind, erhöht ein Q&T-Weg die Streckgrenze und Zugfestigkeit; das Vergüten reduziert Restspannungen und verbessert die Zähigkeit. Gr22 erreicht höhere vergütete Festigkeit bei vergleichbaren Vergütungstemperaturen aufgrund des höheren Cr-Mo-Gehalts. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Kontrolliertes Walzen und beschleunigte Abkühlung können die Korngröße weiter verfeinern und die Zähigkeit verbessern; der Effekt ist konzeptionell für beide Güten ähnlich, aber Gr22s höhere Härtbarkeit macht die Mikrostrukturkontrolle empfindlicher gegenüber der Abkühlrate.

Praktische Hinweise: - Die Auswahl der Vergütungstemperatur ist entscheidend, um die Festigkeit bei hohen Temperaturen und die Zähigkeit auszubalancieren. Übervergütung verringert die Festigkeit; Untervergütung kann spröden Martensit hinterlassen. Gr22 erfordert oft sorgfältige Vergütung, um sowohl Kriech- als auch Zähigkeitsziele zu erreichen.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanische Leistung hängt von der Wärmebehandlung, der Dicke und der Prüftemperatur ab. Die folgende Tabelle gibt qualitative Vergleiche und typisches richtungsabhängiges Verhalten anstelle präziser garantierter Werte; Projektspezifikationen und Werkstoffzertifikate bestimmen die vertraglichen Werte.

Warum diese Unterschiede auftreten: - Höheres Cr und Mo in Gr22 erhöhen die Härtbarkeit und die Vergütungsreaktion, was zu höherer Festigkeit und Härte führt. Eine erhöhte Härtbarkeit neigt jedoch dazu, die Duktilität zu verringern und kann es schwieriger machen, eine gleichmäßige Zähigkeit zu erreichen, insbesondere in dicken Abschnitten oder bei unsachgemäßer Wärmebehandlung.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit umfassen den Kohlenstoffgehalt, die Härtbarkeit und das Vorhandensein von Legierungselementen, die die Martensitbildung im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) fördern.

Schlüsselkonzepte und prädiktive Formeln: - Verwenden Sie Kohlenstoffäquivalenzformeln, um die Vorwärm- und Nachschweißwärmebehandlungs (PWHT)-Bedürfnisse abzuschätzen. Eine häufig verwendete Kohlenstoffäquivalenzformel ist: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Ein konservativerer Parameter für Baustähle ist der Schweißbarkeitsparameter $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation für SA387: - Gr22 hat mehr Cr und Mo, was $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu Gr11 erhöht. Das bedeutet, dass Gr22 anfälliger für HAZ-Härtung und potenzielle Kaltverformung ist, wenn es ohne geeignete Vorsichtsmaßnahmen geschweißt wird. - Praktische Implikationen: - Vorwärmen ist oft für beide Güten bei dickeren Abschnitten oder niedrigen Umgebungstemperaturen erforderlich, aber Gr22 erfordert typischerweise höhere Vorwärmung und strengere Kontrolle. - PWHT (Spannungsabbauvergütung) ist häufig für Cr-Mo-Stähle vorgeschrieben, die bei erhöhten Temperaturen verwendet werden, um die HAZ zu vergüten und die Kriechbeständigkeit wiederherzustellen; die PWHT-Temperatur und Haltezeit werden normalerweise durch Vorschriften (z. B. ASME) und Dienstanforderungen definiert. - Verwenden Sie schweißbare Verbrauchsmaterialien mit niedrigem Wasserstoffgehalt und qualifizierte Verfahren; kontrollieren Sie die Interpass-Temperatur und den Wärmeinput, um übermäßige HAZ-Härte zu vermeiden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl Gr11 als auch Gr22 sind nicht rostfreie legierte Stähle und benötigen daher einen Oberflächenschutz für atmosphärische, chemische oder marine Korrosionsumgebungen.
• Typische Schutzstrategien:
• Beschichtungs-/Lackierungssysteme (Epoxid, Polyurethan, intumeszent für Brandschutz).
• Feuerverzinkung ist für einige Produktformen möglich, könnte jedoch mit den Anforderungen an den Hochtemperaturbetrieb oder den von Vorschriften geforderten PWHT nicht kompatibel sein.
• Kathodischer Schutz, wenn in vergrabenen oder marinen Umgebungen verwendet.
• Rostfreie Indizes: PREN ist nicht anwendbar auf Cr-Mo ferritische legierte Stähle, da PREN auf die Korrosionsbeständigkeit von austenitischen rostfreien Stählen zutrifft: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Klärung: Obwohl Gr22 mehr Cr und Mo als Gr11 hat, liegt der absolute Cr-Gehalt (~2–2.25%) weit unter den Werten rostfreier Güten; er verbessert die Oxidations- und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, verleiht jedoch im Vergleich zu rostfreien Stählen keine signifikante allgemeine Korrosionsbeständigkeit.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Beide Güten lassen sich ähnlich wie andere mittellegierte Stähle bearbeiten; Gr22 kann etwas härter und weniger bearbeitbar sein, wenn sie in höherfestem Zustand geliefert wird. Werkzeug- und Schneidparameter sollten basierend auf der Härte angepasst werden.
• Formbarkeit/Biegen: Die Duktilität ist ausreichend für die Formgebung im normalisierten/vergüteten Zustand; Gr11 neigt dazu, nachgiebiger zu sein aufgrund etwas höherer Duktilität. Für das Kaltformen sollten Härte und Vergütung überprüft werden; das Warmformen kann für komplexe Formen erforderlich sein.
• Oberflächenfinish: Schleif- und Finishoperationen sind unkompliziert, aber Vorsicht ist bei der Wärmeentwicklung geboten, um Vergütung oder Oberflächenhärtung zu vermeiden.
• Wärmebehandlung nach der Verarbeitung: Komponenten, die geschweißt oder stark kaltverformt wurden, benötigen typischerweise PWHT, um die mechanischen und Kriechanforderungen für den Hochtemperaturbetrieb zu erfüllen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie Gr11, wenn die Entwurfstemperatur und die erforderliche Kriech-/Bruchfestigkeit innerhalb der Möglichkeiten von Gr11 liegen, wenn Schweißfreundlichkeit und Kostenkontrolle wichtig sind und wenn moderate Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen ausreichen. - Wählen Sie Gr22, wenn die Anwendung höhere langfristige Zug- und Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen erfordert, höhere Härtbarkeit für dicke Abschnitte erforderlich ist oder wenn Vorschriften/Temperaturgrenzen den höheren Legierungsgehalt trotz höherer Material- und Fertigungskosten vorschreiben.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relative Kosten: Gr22 ist im Allgemeinen teurer als Gr11 aufgrund des höheren Cr- und Mo-Gehalts (Mo ist ein kostspieliges Legierungselement). Der Preisaufschlag hängt von den Marktpreisen für Mo und Cr und der Form (Platte, Rohr, Schmiedestück) ab.
• Verfügbarkeit: Beide Güten werden häufig von Platten- und Rohrwerken produziert; Gr22 kann in einigen Produktgrößen und spezialisierten Formen etwas weniger verfügbar sein, aber beide sind Standardlegierungskategorien mit breiter industrieller Versorgung. Der Einkauf sollte die Lieferzeiten bestätigen und die Werkstoffzertifikate für Wärmebehandlungen und mechanische Prüfergebnisse überprüfen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Empfehlungen: - Wählen Sie SA387 Gr11, wenn Sie eine kosteneffektive Cr-Mo-Legierung für den moderaten Hochtemperaturbetrieb benötigen, einfacheres Schweißen und Fertigung bevorzugen und Ihre Entwurfstemperatur und Kriechanforderungen innerhalb der Möglichkeiten von Gr11 liegen. - Wählen Sie SA387 Gr22, wenn die Anwendung höhere langfristige Zug- und Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen erfordert, höhere Härtbarkeit für dicke Abschnitte erforderlich ist oder wenn Vorschriften/Temperaturgrenzen den höheren Legierungsgehalt trotz höherer Material- und Fertigungskosten vorschreiben.

Letzte praktische Ratschläge: - Geben Sie immer den genau erforderlichen Wärmebehandlungszustand, die PWHT-Parameter und die Akzeptanzkriterien (mechanische Tests, Schlagenergie bei erforderlichen Temperaturen) in den Einkaufsunterlagen an. - Fordern Sie Werkstoffprüfberichte an und stellen Sie sicher, dass die Schweißverfahren (Vorwärmung, Interpass, Verbrauchsmaterialien, PWHT) für die gewählte Güte und Dicke qualifiziert sind, um die beabsichtigte Leistung im Einsatz zu erreichen.