347/347H Hitzebeständiger nichtrostender Stahl: Leitfaden

Der hitzebeständige rostfreie Stahl 347 (S34700) ist eine sehr stabile Sorte rostfreien Stahls. Er behält eine gute Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, selbst unter Bedingungen der Chromkarbidausscheidung bei Temperaturen von 800-1500°F (427-816°C).

Durch den Zusatz von Titan in seiner Zusammensetzung bleibt der hitzebeständige Edelstahl 347 auch bei der Bildung von Chromkarbid stabil.

Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften ist das hitzebeständige Edelstahl 347 Stahl hat erhebliche Vorteile bei Arbeiten in Hochtemperaturumgebungen.

Im Vergleich zur Legierung 304 weist der hitzebeständige Edelstahl 347 eine höhere Duktilität und Spannungsbruchfestigkeit auf.

Darüber hinaus kann 304L auch verwendet werden, um einer Sensibilisierung und interkristalline Korrosion.

I. Allgemeine Merkmale

Die Legierung 321 (UNS S32100) ist ein äußerst stabiler rostfreier Stahl. Er weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion unter Bedingungen der Chromkarbidausscheidung bei Temperaturen von 800-1500°F (427-816°C) auf.

Dank der Hinzufügung von Titan in seiner Zusammensetzung bleibt die Legierung 321 auch bei Chromkarbidbildung stabil. Die Stabilität des hitzebeständigen Edelstahls 347 wird dagegen durch den Zusatz von Columbium und Tantal aufrechterhalten.

Die beiden hitzebeständigen Stähle 321 und 347 werden üblicherweise für Langzeitanwendungen in Hochtemperaturumgebungen von 800-1500°F (427-816°C) verwendet. Wenn die Anwendungen jedoch nur Schweißen oder kurzzeitiges Erhitzen beinhalten, kann 304L als Ersatz verwendet werden.

Die Vorteile des Einsatzes der hitzebeständigen nichtrostenden Stähle 321 und 347 bei Hochtemperaturanwendungen liegen auch in ihren beeindruckenden mechanischen Eigenschaften.

Im Vergleich zu 304 und 304L weisen 321 und 347 eine höhere Kriechbeständigkeit und Spannungsbruchfestigkeit auf. Dadurch sind diese stabilen Legierungen in der Lage, Drücken bei etwas höheren Temperaturen standzuhalten und dennoch die Vorschriften der American Society of Mechanical Engineers für Kessel und Druckbehälter zu erfüllen.

Daher kann die maximale Einsatztemperatur für 321 und 347 hitzebeständige nichtrostende Stähle bis zu 816°C (1500°F) betragen, während 304 und 304L auf 426°C (800°F) begrenzt sind.

Es gibt auch kohlenstoffreiche Versionen der Legierungen 321 und 347, die als UNS S32109 bzw. S34709 bezeichnet werden.

II. Chemische Zusammensetzung

ASTM A240 und ASME SA-240:

III. Korrosionsbeständigkeit

1. Gleichmäßige Korrosion

Die Legierungen 321 und 347 besitzen eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie die instabile Nickel-Chrom-Legierung 304. Längeres Erhitzen im Temperaturbereich des Chromkarbidgrades kann die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen 321 und 347 in aggressiven korrosiven Medien beeinträchtigen.

In den meisten Umgebungen ist die Korrosionsbeständigkeit beider Legierungen ziemlich vergleichbar; allerdings ist die Beständigkeit der geglühten Legierung 321 in stark oxidierenden Umgebungen etwas geringer als die der geglühten Legierung 347.

Daher ist die Legierung 347 in Wasserumgebungen und anderen Niedrigtemperaturbedingungen überlegen. Die Einwirkung von Temperaturen im Bereich von 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) verringert die Gesamtkorrosionsbeständigkeit der Legierung 321 im Vergleich zur Legierung 347 erheblich.

Die Legierung 347 wird hauptsächlich für Hochtemperaturanwendungen verwendet, bei denen eine hohe Beständigkeit gegen Sensibilisierung erforderlich ist, um interkristalline Korrosion bei niedrigeren Temperaturen zu verhindern.

2. Intergranulare Korrosion

Der instabile Nickel-Chrom-Stahl wie die Legierung 304 ist anfällig für interkristalline Korrosion, während die Legierungen 321 und 347 entwickelt wurden, um dieses Problem zu lösen.

Wenn instabiler Chrom-Nickel-Stahl in einer Umgebung mit Temperaturen zwischen 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) gelagert oder innerhalb dieses Temperaturbereichs langsam abgekühlt wird, scheidet sich Chromkarbid an den Korngrenzen aus.

Wenn sie aggressiven korrosiven Medien ausgesetzt sind, können diese Korngrenzen als erste korrodieren, was die Leistungsfähigkeit des Metalls schwächen und zu einer vollständigen Zersetzung führen kann.

In organischen Medien oder schwach korrosiven wässrigen Lösungen, in Milch oder anderen Milchprodukten oder unter atmosphärischen Bedingungen wird interkristalline Korrosion nur selten beobachtet, selbst wenn erhebliche Karbidausscheidungen vorhanden sind.

Wenn Schweißen Bei dünneren Blechen verringert die kurze Einwirkung von Temperaturen zwischen 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) die Wahrscheinlichkeit interkristalliner Korrosion, so dass instabile Sorten für diese Aufgabe geeignet sind.

Das Ausmaß der schädlichen Karbidausfällung hängt von der Dauer der Einwirkung von Temperaturen zwischen 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) und den korrosiven Medien ab.

Beim Schweißen dickerer Bleche führt die instabile Sorte L mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,03% oder weniger trotz längerer Erhitzungszeiten nicht zu einer ausreichenden Karbidausscheidung, um eine Gefahr für diese Sorte darzustellen.

Die hohe Beständigkeit gegen Sensibilisierung und interkristalline Korrosion von stabilisiertem Edelstahl 321 und der Legierung 347 wird in der nachstehenden Tabelle (Kupfer-Kupfersulfat-16%-Schwefelsäure-Test (ASTM A262, Praxis E)) gezeigt.

Vor der Prüfung werden die im Stahlwerk geglühten Proben 48 Stunden lang einer sensibilisierenden Wärmebehandlung bei 566°C (1050°F) unterzogen.

Nach einer 240-Stunden Glühen Prozess bei 1100°F zeigten die Proben aus Alloy 347 keine Anzeichen von interkristalliner Korrosion, was darauf hindeutet, dass sie unter solchen Hitzebedingungen nicht sensibilisiert wurden. Die niedrige Korrosionsrate der Alloy 321-Proben deutet darauf hin, dass ihre Korrosionsbeständigkeit unter diesen Bedingungen besser war als die von Alloy 304L, obwohl sie eine gewisse interkristalline Korrosion aufwiesen.

In der Umgebung dieses Tests schnitten alle diese Legierungen deutlich besser ab als der Standard-Edelstahl Alloy 304.

Im Allgemeinen werden die Legierungen 321 und 347 für die Herstellung von Hochleistungsschweißgeräten verwendet, die keiner Glühbehandlung unterzogen werden können, sowie für Geräte, die im Bereich von 427°C bis 816°C (800°F bis 1500°F) betrieben werden oder langsam abkühlen.

Die unter verschiedenen Betriebsbedingungen gesammelten Erfahrungen liefern ausreichend Daten, um die Wahrscheinlichkeit interkristalliner Korrosion bei den meisten Anwendungen vorherzusagen. Bitte lesen Sie auch einige unserer Ansichten, die wir in der Wärmebehandlung Abschnitt.

3. Spannungsrisskorrosion

Legierungen 321 und 347 austenitisch nichtrostende Stähle sind empfindlich gegenüber Spannungsrisskorrosion in Halogeniden, ähnlich wie der nichtrostende Stahl Alloy 304. Dies ist auf ihren ähnlichen Nickelgehalt zurückzuführen. Zu den Bedingungen, die zu Spannungsrisskorrosion führen, gehören:

(1) Exposition gegenüber Halogenid-Ionen (in der Regel Chloride)

(2) Zug-Eigenspannung

(3) Umgebungstemperaturen über 49°C (120°F).

Kaltverformung bei Umformvorgängen oder thermische Zyklen bei Schweißvorgängen können Spannungen erzeugen. Eine Glühbehandlung oder Spannungsarmglühung nach der Kaltverformung kann die Spannungen verringern.

Die stabilisierten Legierungen 321 und 347 eignen sich für spannungsentlastete Bearbeitungen, die bei instabilen Legierungen interkristalline Korrosion verursachen können.

Die Legierungen 321 und 347 eignen sich besonders für Umgebungen, die bei instabilen austenitischen nicht rostenden Stählen, wie z. B. der Legierung 304, polythionische Säure-Spannungskorrosion verursachen. Instabile austenitische nicht rostende Stähle scheiden, wenn sie Temperaturen ausgesetzt werden, die eine Sensibilisierung verursachen, Chromkarbide an den Korngrenzen aus.

Beim Abkühlen auf Raumtemperatur in einer schwefelhaltigen Umgebung reagieren Sulfide (in der Regel Schwefelwasserstoff) mit Wasserdampf und Sauerstoff und bilden polythionische Säuren, die sensibilisierte Korngrenzen angreifen.

Polythionsäure-Spannungsrisskorrosion tritt in Raffinerieumgebungen, in denen Sulfide vorherrschen, unter Bedingungen von Spannungs- und interkristalliner Korrosion auf.

Die stabilisierten Legierungen 321 und 347 lösen das Problem der Spannungsrisskorrosion durch polythionische Säuren aufgrund ihrer Beständigkeit gegen Sensibilisierung bei Erhitzungsvorgängen. Wenn die Betriebsbedingungen eine Sensibilisierung verursachen können, sollten diese Legierungen unter thermisch stabilisierten Bedingungen verwendet werden, um eine optimale Beständigkeit gegen Sensibilisierung zu erreichen.

4. Lochfraß/Spaltkorrosion

Die Lochfraß- und Spaltkorrosionsbeständigkeit der stabilen Legierungen 321 und 347 in chloridhaltigen Umgebungen ist aufgrund ihres ähnlichen Chromgehalts ungefähr die gleiche wie die der Edelstahllegierungen 304 oder 304L.

Bei instabilen und stabilen Legierungen liegt der maximale Chloridgehalt in einer Wasserumgebung im Allgemeinen bei hundert Teilen pro Million, insbesondere wenn Spaltkorrosion auftritt. Ein höherer Chloridionengehalt kann zu Spalt- und Lochfraßkorrosion führen.

Bei rauen Bedingungen mit höherem Chloridgehalt, niedrigerem pH-Wert und/oder höheren Temperaturen sollte die Verwendung von molybdänhaltigen Legierungen, wie z. B. Legierung 316, in Betracht gezogen werden. Die stabilen Legierungen 321 und 347 haben den 100-stündigen 5%-Salzsprühtest (ASTM B117) ohne Rost oder Verfärbung an den getesteten Proben bestanden.

Wenn diese Legierungen jedoch dem Salzsprühnebel des Meeres ausgesetzt werden, können Lochfraß, Spaltkorrosion und starke Verfärbungen auftreten. Es wird nicht empfohlen, die Legierungen 321 und 347 der Meeresumwelt auszusetzen.

IV. Beständigkeit gegen Hochtemperatur-Oxidation

Die Oxidationsbeständigkeit von 321 und 347 kann mit der anderer austenitischer nichtrostender Stähle 18-8 verglichen werden. Die Proben werden im Labor Hochtemperaturatmosphären ausgesetzt.

Durch regelmäßiges Wiegen der aus der Hochtemperaturumgebung entnommenen Proben lässt sich der Grad der Kesselsteinbildung vorhersagen. Die Testergebnisse werden durch Gewichtsveränderungen (Milligramm/Quadratzentimeter) dargestellt, wobei der Mittelwert der Mindestwerte von zwei verschiedenen getesteten Proben gebildet wird.

Der Hauptunterschied zwischen 321 und 347 liegt in den subtilen Legierungszusätzen, die jedoch ihre Antioxidationseigenschaften nicht beeinträchtigen.

Daher sind diese Testergebnisse für beide Sorten repräsentativ. Die Oxidationsraten werden jedoch von inhärenten Faktoren wie der Expositionsumgebung und der Produktform beeinflusst.

Daher sollten diese Ergebnisse lediglich als typische Werte für die Antioxidation dieser Sorten angesehen werden.

V. Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften der Legierungen 321 und 347 sind recht ähnlich, ja sie können sogar als identisch angesehen werden. Die in der Tabelle aufgeführten Werte gelten für beide Legierungen.

Bei geeigneter Glühbehandlung enthalten die nichtrostenden Stähle der Legierungen 321 und 347 hauptsächlich Austenit und Titankarbide oder Niobkarbide. Eine geringe Menge Ferrit kann im Mikrogefüge auftreten oder auch nicht. Bei längerer Einwirkung von Temperaturen zwischen 1000°F und 1500°F (593°C bis 816°C) kann sich eine geringe Menge an Sigma-Phase bilden.

Eine Wärmebehandlung kann stabilisierte nichtrostende Stähle der Legierungen 321 und 347 nicht härten.

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient des Metalls hängt nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit des Metalls, sondern auch von anderen Faktoren ab.

In den meisten Fällen handelt es sich dabei um den Filmkühlungskoeffizienten, den Zunder und die Oberflächenbeschaffenheit des Metalls. Nichtrostender Stahl hat eine saubere Oberfläche, wodurch die Wärmeübertragung besser ist als bei Metallen mit höherer Wärmeleitfähigkeit.

Magnetismus

Die stabilisierten Legierungen 321 und 347 sind im Allgemeinen nicht magnetisch. Im geglühten Zustand beträgt ihre magnetische Permeabilität weniger als 1,02. Die magnetische Permeabilität ändert sich mit der Zusammensetzung und nimmt bei der Kaltumformung zu. Die magnetische Permeabilität von ferrithaltigen Schweißnähten ist etwas höher.

VI. Mechanische Eigenschaften

1. Duktilität bei Raumtemperatur

Die minimalen mechanischen Eigenschaften der stabilen Legierungen 321 und 347 auf Chrom-Nickel-Niveau im geglühten Zustand (2000°F [1093°C], luftgekühlt) sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

2. Duktilität bei hoher Temperatur

Die typischen mechanischen Eigenschaften der Legierungen 321 und 347 bei hohen Temperaturen sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. In Umgebungen mit Temperaturen von 538°C (1000°F) und höher ist die Festigkeit dieser stabilen Legierungen deutlich höher als die der instabilen Legierung 304.

Die kohlenstoffreichen Legierungen 321H und 347H (UNS32109 und S34700) haben eine höhere Festigkeit in Umgebungen über 1000°F (537°C). Die ASME-Daten für die maximal zulässige Auslegungsspannung der Legierung 347H zeigen, dass die Festigkeit dieser Sorte höher ist als die der Legierung 347 mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt.

Die Legierung 321H ist für Anwendungen nach Abschnitt VIII nicht zugelassen, und für Anwendungen nach Abschnitt III ist sie auf Temperaturen von 800°F (427°C) oder darunter beschränkt.

3. Kriech- und Spannungsbrucheigenschaften

Die typischen Kriech- und Zeitstanddaten der nichtrostenden Stahllegierungen 321 und 347 sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. Die Kriech- und Zeitstandfestigkeit der stabilen Legierungen bei hohen Temperaturen ist höher als die der instabilen Legierungen 304 und 304L.

Aufgrund ihrer überragenden Eigenschaften eignen sich die Legierungen 321 und 347 für Druckteile, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, wie z. B. die häufig anzutreffenden Heizkessel und Druckbehälter.

4. Schlagfestigkeit

Sowohl 321- als auch 347-Legierungen weisen eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit auf, sowohl in Innenräumen als auch in Umgebungen unter dem Gefrierpunkt.

Der Charpy-V-Kerbschlagbiegeversuch an der Legierung 347 nach dem Glühen, das eine Stunde lang bei einer bestimmten Prüftemperatur durchgeführt wurde, ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Bei der Legierung 321 ist die Situation ähnlich wie bei 347.

5. Ermüdungsfestigkeit

In der Tat, die Ermüdungsfestigkeit eines jeden Metalls wird durch Faktoren wie Korrosionsumgebung, Oberflächenbeschaffenheit, Produktform und durchschnittliche Spannung beeinflusst.

Aus diesem Grund ist es unmöglich, den Wert der Dauerfestigkeit unter allen Betriebsbedingungen mit einer genauen Zahl anzugeben. Die Ermüdungsgrenze der Legierungen 321 und 347 liegt bei etwa 35% ihrer Zugfestigkeit.

VII. Verarbeitung

Schweißen

Austenitischer rostfreier Stahl gilt als der einfachste legierter Stahl zu schweißen und kann mit allen Schmelzstoffen sowie durch Widerstandsschweißen geschweißt werden.

Beim Schweißen von austenitischem rostfreiem Stahl müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden: 1) die Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit und 2) die Vermeidung von Rissbildung.

Beim Schweißen ist es entscheidend, die stabilisierenden Elemente in den Legierungen 321 und 347 zu erhalten. Titan in der Legierung 321 ist anfälliger für Verarmung, während Niob in der Legierung 347 oft leicht verloren geht. Kohlenstoffelemente aus Erdöl und anderen Verunreinigungsquellen sowie Stickstoffelemente aus der Luft müssen vermieden werden.

Daher müssen beim Schweißen von stabilen oder instabilen Legierungen die Sauberkeit und der Schutzgasschutz gewährleistet sein.

Wenn Schweißmetalle mit einem austenitischen Gefüge kann es während des Vorgangs leicht zu Rissen kommen. Aus diesem Grund muss bei den Legierungen 321 und 347 während der Wiedererstarrung eine kleine Menge Eisensalz zugegeben werden, um die Rissanfälligkeit zu minimieren. Niobhaltige Edelstähle sind anfälliger für Heißrissbildung als titanhaltige Stähle.

Passende Schweißzusätze können für das Schweißen von stabilen Stählen wie den Legierungen 321 und 347 verwendet werden. Der passende Schweißzusatz der Legierung 347 kann manchmal auch verwendet werden für Schweißlegierung 321.

Diese stabilen Legierungen können anderen nichtrostenden Stählen oder Kohlenstoffstählen hinzugefügt werden. Legierung 309 (23% Cr-13,5% Ni) oder Schweißzusatzwerkstoffe auf Nickelbasis können diesem Zweck dienen.

VIII. Wärmebehandlung

Der Glühtemperaturbereich für die Legierungen 321 und 347 liegt bei 928 bis 1093°C (1800 - 2000°F). Während das Hauptziel des Glühens darin besteht, die Weichheit und Duktilität der Legierung zu verbessern, können Spannungen auch innerhalb des Karbidausscheidungsbereichs von 800 - 1500°F (427 bis 816°C) beseitigt werden, ohne interkristalline Korrosion zu verursachen.

Obwohl eine längere Erwärmung in diesem Temperaturbereich die allgemeine Korrosionsbeständigkeit der Legierung etwas verringern kann, können die Legierungen 321 und 347 nach einer Glühzeit von einigen Stunden im Temperaturbereich von 427 bis 816 °C (800 bis 1500 °F) Spannungen abbauen, und ihre allgemeine Korrosionsbeständigkeit wird nicht wesentlich verringert.

Wie bereits erwähnt, führt das Glühen bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 427 bis 816°C (800 bis 1500°F) nicht zu interkristalliner Korrosion.

Um eine optimale Duktilität zu erreichen, wird eine höhere Glühtemperatur von 928 bis 1093°C (1800 bis 2000°F) empfohlen.

Bei der Verarbeitung dieser nichtrostenden Stähle auf Nickelbasis in Geräten, bei denen die Ausscheidung von Chromkarbid so weit wie möglich verhindert werden muss, ist zu berücksichtigen, dass die Stabilität von Kolumbium nicht mit der von Titan vergleichbar ist. Aus diesen Gründen sind bei der Verwendung der Legierung 321 die Ergebnisse in Bezug auf Stabilität und Schutz nicht so offensichtlich.

Wenn maximale Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, muss die Legierung 321 einer Stabilisierungsglühbehandlung unterzogen werden. Erhitzen im Temperaturbereich von 1550 bis 1650°F (843 bis 899°C) für bis zu 5 Stunden, wobei die Erhitzungszeit von der Dicke abhängt.

Dieser Temperaturbereich übersteigt den Temperaturbereich für die Chromkarbidbildung und reicht auch aus, um bereits gebildetes Chromkarbid zu zersetzen und aufzulösen.

Außerdem kann sich Titan bei dieser Temperatur mit Kohlenstoff zu harmlosem Titankarbid verbinden. Das Ergebnis ist, dass Chrom wieder zu einer festen Lösung reduziert wird und Kohlenstoff gezwungen ist, sich mit Titan zu unschädlichen Karbiden zu verbinden.

Bei der kolumbiumhaltigen stabilisierten Legierung 347 ist diese zusätzliche Behandlung oft nicht erforderlich.

Nach Abschluss der Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung werden die auf der geglühten Oberfläche gebildeten Oxide in einer Beizlösung, beispielsweise einer Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure, entfernt. Nach dem Beizen sollte die Oberfläche des nichtrostenden Stahls gründlich abgespült werden, um die Reste der sauren Lösung abzuwaschen.

Diese Legierungen können nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden.

IX. Sauberkeit

Unabhängig von seiner Korrosionsbeständigkeit erfordert nichtrostender Stahl während des gesamten Verwendungs- und Herstellungsprozesses eine saubere Oberfläche, selbst unter normalen Arbeitsbedingungen.

Beim Schweißen wird ein Schutzgasverfahren eingesetzt, und die entstehenden Oxide und Schlacken werden mit einer Edelstahlbürste entfernt. Gewöhnliche Kohlenstoffstahlbürsten hinterlassen Kohlenstoffstahlpartikel auf der Edelstahloberfläche, die letztlich zu Oberflächenrost führen können. Unter strengen Bedingungen muss die Schweißstelle mit einer Rostentfernungslösung (z. B. einer Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure) behandelt werden, um Oxide und Schlacke zu entfernen.

Nach dem Entrosten sollte die Edelstahloberfläche gründlich abgespült werden, um alle Reste der sauren Lösung abzuwaschen.

In eingeschlossenen Gebieten erfordern die in der Leichtindustrie verwendeten Materialien weniger Wartung. Nur in abgeschirmten Bereichen ist gelegentlich eine Reinigung mit Druckwasser erforderlich. In der Schwerindustrie wird jedoch eine häufige Reinigung empfohlen, um angesammelten Staub zu entfernen, der möglicherweise zu Korrosion und Beschädigung der Edelstahloberfläche führen kann.

Ein geeignetes Design erleichtert die Reinigung. Geräte mit rund Verrundungen, Innenradien und keine Lücken erleichtern die Reinigung und das Polieren der Oberfläche.

Die Referenzdaten sind lediglich eine typische Analyse und können nicht als Spezifikation oder Höchst- oder Mindestwert des Endprodukts verwendet werden. Die Daten für ein bestimmtes Material stimmen möglicherweise nicht mit den oben genannten Referenzdaten überein.