T91 vs T92 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
T91 und T92 sind zwei eng verwandte ferritisch-martensitische Chrom-Molybdän- (und wolfram-modifizierte) Stähle, die weit verbreitet in Hochtemperaturkraftwerks- und petrochemischen Anlagen eingesetzt werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Auswahldilemma zwischen ihnen, das durch Kompromisse zwischen Kriechfestigkeit, Schweißbarkeit, Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit und Materialkosten bedingt ist. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl von Rohr- oder Rohrmaterial für fortschrittliche Dampfanwendungen, die Wahl von Schmiede- oder Fittingmaterialien für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen und das Abwägen der Lebenszykluskosten gegen die Fertigungsschwierigkeiten.
Der grundlegende Unterschied zwischen den beiden ist die Legierungsstrategie: T92 (auch als P92 in einigen Normen bezeichnet) ersetzt signifikant Wolfram und passt die Molybdän- und Mikrolegierungsgehalte an, um die Kriechfestigkeit und mikrostrukturelle Stabilität bei höheren Temperaturen zu erhöhen, während T91 mehr auf Molybdän mit einer etwas einfacheren Zusammensetzung setzt. Dieser Legierungswechsel führt zu unterschiedlichen Härtbarkeit, Anlasverhalten und Anwendungsbereichen, die diese Werkstoffe in der Bauteilgestaltung und Materialbeschaffung häufig vergleichbar machen.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche ASTM/ASME-Bezeichnungen:
- T91: ASTM A387 Grad 91 (Platte), A335 Grad P91 (nahtloses Rohr), A213 TP91 (Rohr) — häufig als Grad 91 / P91 bezeichnet.
- T92: ASTM A387 Grad 92, A335 Grad P92, A213 T92 — häufig als Grad 92 / P92 bezeichnet.
- Europäische und andere Normen:
- EN: Entsprechende 9Cr-Stähle erscheinen unter EN-Bezeichnungen (aber direkte 1:1 EN-Entsprechungen sind begrenzt).
- JIS/GB: Lokale Bezeichnungen existieren für 9Cr-Stähle basierend auf ähnlichen Chemien (häufig in Asien verwendet).
- Stahlklassifikation: Beide sind legierte Stähle innerhalb der ferritisch-martensitischen Klasse; sie sind keine rostfreien oder Werkzeugstähle und werden allgemein als hochfeste, kriechbeständige legierte Stähle (HSLA/Wärmebeständigkeitsfamilie) betrachtet.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die Übersichtstabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche für jede Sorte (Gewichts-%). Exakte Grenzen hängen von der spezifischen Norm/Spezifikation und Produktform ab.
| Element | T91 (typischer Bereich, Gew-%) | T92 (typischer Bereich, Gew-%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.70 | 0.20–0.50 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.5–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.45–0.65 |
| W | — (Spur) | 1.8–2.5 |
| V | 0.18–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | Spur | Spur |
| B | Spur* | Spur* |
| N | ~0.03–0.06 | ~0.03–0.06 |
*Bor (B) und Stickstoff (N) sind Kontrollelemente; Bor wird in sehr geringen ppm-Gehalten verwendet, um die Härtbarkeit und das Kriechverhalten zu beeinflussen.
Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Chrom (Cr) sorgt für Oxidationsbeständigkeit und verstärkt die ferritische Matrix. - Molybdän (Mo) erhöht die Festigkeit und Kriechbeständigkeit durch Festkörperverfestigung und Karbidbildung; T91 hat mehr Mo als T92. - Wolfram (W) in T92 ersetzt teilweise Mo, erhöht die Hochtemperaturfestigkeit und stabilisiert Karbide bei höheren Betriebstemperaturen. - Vanadium (V) und Niob (Nb) bilden stabile Karbide/Nitride, die die Korngröße verfeinern und die Kriechfestigkeit verbessern; sie beeinflussen auch die Schweißbarkeit und das Verhalten der Wärmeeinflusszone (HAZ). - Kohlenstoff steuert das Verhältnis von Härte/Zähigkeit und die Martensitbildung; die Gehalte werden moderat gehalten, um die Schweißbarkeit mit der Festigkeit in Einklang zu bringen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen - Im normalisierten und angelassenen Zustand entwickeln beide Sorten eine angelassene martensitische Mikrostruktur mit einer hohen Dichte an feinen Karbiden und Karbonitriden (V- und Nb-reiche Ausfällungen). Die lathartige Struktur des angelassenen Martensits bietet die Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit, die für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen erforderlich ist. - T92 neigt dazu, bei hohen Temperaturen feinere, stabilere Karbidverteilungen aufgrund der Karbidstabilisierungseffekte von Wolfram zu entwickeln; dies trägt zur verbesserten Kriechbeständigkeit und Anlasstoleranz am oberen Ende der Entwurfstemperaturen bei.
Reaktion auf Wärmebehandlung - Normalisieren: Beide Sorten werden typischerweise aus Temperaturen im Bereich von ~980–1050 °C (Prozessparameter gemäß Norm) normalisiert (Luftkühlung), um die Korngröße der vorherigen Austenitstruktur zu verfeinern. - Abschrecken & Anlassen: Das Anlassen nach der Normalisierung bei Temperaturen typischerweise zwischen 700–760 °C erzeugt angelassenen Martensit. Höhere Anlasstemperaturen reduzieren die Härte und erhöhen die Zähigkeit, können jedoch die Kriechfestigkeit verringern. - Thermomechanische Verfahren: Kontrolliertes Walzen und thermomechanische Verarbeitung (für Rohre/Platten) verfeinern die Korngröße und die Versetzungsdichte; T92 profitiert besonders von einer sorgfältigen Kontrolle, um optimale Ausfällungsverteilungen zu erhalten, da sein W-Gehalt die Ausfällungskinetik beeinflusst.
4. Mechanische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung und der Produktform ab. Die folgende Tabelle gibt repräsentative typische Bereiche für normalisierte und angelassene Bedingungen, die häufig in Kraftwerkskomponenten verwendet werden.
| Eigenschaft (typisch, N&T-Zustand) | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Streckgrenze (0.2% Offset) | ~350–450 MPa (typische Mindestwerte gemäß Spezifikation ~415 MPa) | ~400–550 MPa (höhere obere Bereiche in vielen Fällen) |
| Zugfestigkeit | ~560–700 MPa | ~600–750 MPa |
| Dehnung (A%) | ~18–25% | ~15–22% |
| Schlagzähigkeit (Charpy-V, Raumtemperatur) | moderat; hängt von Kerbe & Wärmebehandlung ab (z.B. Dutzende J bis >40 J) | vergleichbar bis leicht niedriger in einigen Bedingungen aufgrund höherer Härtbarkeit; hängt vom Anlassen ab |
| Härte (HRC/HB) | moderat (angelassen) | leicht höhere Tendenz bei gleicher Anlasstemperatur aufgrund von W |
Interpretation: - T92 ist allgemein darauf ausgelegt, eine höhere Kriechfestigkeit und bessere Festigkeitsretention bei erhöhten Temperaturen als T91 zu bieten, auf Kosten einer etwas höheren Härtbarkeit und in einigen Fällen einer leicht reduzierten Zähigkeit oder Duktilität bei vergleichbaren Anlasstemperaturen. - Für Komponenten, die für dasselbe Anlasverfahren ausgelegt sind, zeigt T92 oft höhere Zug- und Kriechfestigkeit, während T91 in einigen Fertigungsszenarien eine etwas bessere Duktilität und einfachere Verarbeitung bieten kann.
5. Schweißbarkeit
Härtbarkeit und Schweißüberlegungen - Sowohl T91 als auch T92 erfordern kontrollierte Schweißverfahren: wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien, Vorwärmen, Temperaturkontrolle zwischen den Schweißgängen und Nachbehandlung (PWHT), um die HAZ zu temperieren und Restspannungen abzubauen. - Aufgrund der höheren Härtbarkeit (W in T92 erhöht die Härtbarkeit) kann T92 strengere Vorwärm- und PWHT-Kontrollen erfordern, um Rissbildung in der HAZ zu vermeiden. Mikrolegierungselemente (V, Nb) und der Kohlenstoffgehalt erhöhen ebenfalls die Anfälligkeit für harte HAZ und Kaltverzug, wenn Wasserstoff vorhanden ist.
Nützliche Schweißbarkeitsindizes (qualitative Interpretation) - Ein häufig verwendeter empirischer Index ist das IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Höhere $CE_{IIW}$ zeigt eine größere Härtbarkeit und einen größeren Bedarf an Vorwärmen/PWHT an. - Ein umfassenderer Index ist $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$ hilft, die Anfälligkeit für Kaltverzug vorherzusagen; höhere Werte zeigen ein höheres Risiko an.
Qualitatives Ergebnis: - Beide Sorten erfordern PWHT; T92 rechtfertigt oft höhere Vorwärm- und sorgfältige PWHT-Zeitpläne, da Wolfram und der angepasste Mo-Gehalt $CE$ und $P_{cm}$ leicht erhöhen. Die Qualifizierung des Schweißverfahrens und die Kontrolle des Wasserstoffs sind für druckhaltende Komponenten zwingend erforderlich.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder T91 noch T92 sind rostfrei; sie sind ferritische Stähle mit moderater Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit aufgrund von Cr. Für Dampf- und Hochtemperatur-Oxidationsumgebungen entwickeln sie schützende Oxidschichten, sind jedoch anfällig für Oxidation auf der Dampfsseite, Karburierung und Sulfidierung, abhängig vom Einsatz.
- Oberflächenschutzstrategien umfassen Beschichtungen (Hochtemperaturfarben, Aluminidbeschichtungen), interne Auskleidungen für korrosive Medien und routinemäßige Inspektionen. Für Umgebungs-Korrosion sind standardmäßige Schutzanstriche oder Metallisierung typisch; Verzinkung wird in der Regel nicht für Hochtemperatur-Dampfanlagen verwendet.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar; für rostfreie Sorten wird die Formel $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ verwendet, ist jedoch für T91/T92 nicht relevant.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Zerspanbarkeit: Beide sind schwieriger zu bearbeiten als einfache Kohlenstoffstähle. T92, mit höherem Wolfram und einer Tendenz zur Härtebeibehaltung, kann etwas härter für Werkzeuge sein und erfordert reduzierte Schnittgeschwindigkeiten und robuste Werkzeuge.
- Formbarkeit: Kaltumformung und Biegen sind begrenzt; Komponenten werden normalerweise in einem normalisierten Zustand geformt und dann angelassen. Tiefziehen ist nicht typisch; Warmumformung gefolgt von Normalisierung und Anlassen ist für große Schmiedeteile bevorzugt.
- Oberflächenbearbeitung: Schleifen und Polieren sind machbar, aber die Werkzeuge nutzen sich schneller ab als bei niedriglegierten Stählen. Die Wärmebehandlung nach dem Formen und Schweißen ist entscheidend, um die gewünschten angelassenen martensitischen Eigenschaften wiederherzustellen.
8. Typische Anwendungen
| T91 (typische Anwendungen) | T92 (typische Anwendungen) |
|---|---|
| Kesselrohre, Header, Dampfleitungen in konventionellen/fortschrittlichen Anlagen, die bei moderaten bis hohen Dampftemperaturen betrieben werden | Überhitzer- und Nachheizrohre, Header, Dampfleitungen und Komponenten für ultra-superkritische/fortschrittliche Anlagen, wo höhere Kriechfestigkeit erforderlich ist |
| Header, Bögen und Fittings für Anlagen mit Entwurfstemperaturen bis ~600 °C | Komponenten für höhere Dampftemperaturen (z.B. 600–650 °C-Bereich) und längere Kriechlebensdauer-Anforderungen |
| Wärmetauscherrohre, Ofenwände für moderaten Hochtemperaturbetrieb | Neubau A-USC-Komponenten, schwergewichtige gegossene/geschmiedete Teile, bei denen erhöhte Kriechbeständigkeit priorisiert wird |
| Ersatzteile in Altanlagen, wo Versorgung, Kosten und einfachere Fertigung wichtig sind | Kritische Langzeitkomponenten, bei denen die Lebenszykluskostenrechtfertigung höhere Materialkosten begünstigt |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie T91 für bewährte Leistung in vielen Kraftwerksanwendungen bei etwas niedrigeren Temperaturen, wo Fertigungseinfachheit und niedrigere Materialkosten wünschenswert sind. - Wählen Sie T92, wenn die Entwurfstemperatur, die Kriechlebensdauer und die langfristige Festigkeitsretention bei erhöhten Temperaturen Priorität haben und wenn die Beschaffungs-/Fertigungsprozesse strengere Schweiß- und Wärmebehandlungsanforderungen bewältigen können.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relative Kosten: T92 ist typischerweise teurer als T91 aufgrund des zusätzlichen Wolframs und strengerer Verarbeitungsrichtlinien. Der Aufpreis variiert je nach Markt und Produktform.
- Verfügbarkeit: T91 ist länger im Einsatz und hat historisch eine breitere Verfügbarkeit in Rohren, Röhren, Platten und Schmiedeteilen. Die Verfügbarkeit von T92 hat mit der Nachfrage nach fortschrittlichen Dampfanlagen zugenommen, könnte jedoch in einigen Produktgrößen und Lieferzeiten weiterhin eingeschränkt sein.
- Produktformen: Beide Sorten sind als nahtlose und geschweißte Rohre, Röhren, Platten, Schmiedeteile und Fittings erhältlich; Verfügbarkeit und Lieferzeiten sollten für kritische Beschaffungen mit den Lieferanten bestätigt werden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (verfahrensbedingte Schwierigkeit) | Gut mit qualifizierten wasserstoffarmen Verfahren; etwas einfacher als T92 | Anfordernder aufgrund höherer Härtbarkeit; strengere Vorwärm-/PWHT-Kontrolle |
| Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis | Stark, gute Zähigkeit in Standardanlasstemperaturen | Höhere Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit; marginaler Kompromiss in Duktilität/Zähigkeit, wenn nicht sorgfältig verarbeitet |
| Kosten | Niedriger (allgemein) | Höher (allgemein) |
Empfehlung: - Wählen Sie T91, wenn Sie einen gut etablierten, kosteneffektiven 9Cr-kriechbeständigen Stahl für Hochtemperatur-Dampfdienste benötigen, bei denen die Betriebstemperaturen und die erforderliche Kriechlebensdauer innerhalb des bewährten Rahmens von Grad 91 liegen und wenn Fertigungseinfachheit und Verfügbarkeit wichtig sind. - Wählen Sie T92, wenn das Design überlegene langfristige Kriechfestigkeit und mikrostrukturelle Stabilität im oberen Bereich des Hochtemperaturbetriebs (z.B. fortschrittliche oder ultra-superkritische Dampfanwendungen) erfordert und wenn Sie strengere Schweiß-, Wärmebehandlungs- und Beschaffungsanforderungen berücksichtigen können.
Letzte Anmerkung: Beide Sorten erfordern eine sorgfältige Spezifikation der Wärmebehandlung, Qualifizierung des Schweißverfahrens und Inspektion, um eine zuverlässige, langlebige Leistung zu erzielen. Für kritische Hochtemperaturkomponenten sollten Komponententests zur Kriechbeständigkeit, die Bewertung der Lieferantenfähigkeiten und die Lebenszykluskostenanalyse Teil des Auswahlprozesses sein.