321 undPlatte aus Edelstahl 321HBei beiden handelt es sich um ausgezeichnete mit Titan-stabilisierte austenitische Qualitäten, aber sie sind nicht gleich. In diesem Artikel erfahren Sie genau, wie sich ihre chemische Zusammensetzung, ihre mechanischen Eigenschaften, ihr Verhalten bei hohen Temperaturen und ihre Verwendung in der Praxis unterscheiden.
Was sind 321 und 321H?
Sowohl 321 als auch 321H sind austenitische Edelstähle, die mit Titan stabilisiert sind. Stabilisierung bedeutet, dass der Legierung Titan (normalerweise das Fünffache des Kohlenstoffgehalts, mindestens 0,10 %) zugesetzt wird.
Titan hat eine viel stärkere Anziehungskraft auf Kohlenstoff als Chrom. Wenn der Stahl erhitzt wird (beim Schweißen oder bei Hochtemperaturanwendungen), greift Titan zuerst den Kohlenstoff an und bildet harmlose Titankarbide. Dies verhindert die Bildung von Chromkarbiden an Korngrenzen – die Ursache für interkristalline Korrosion (oft als „Schweißzerfall“ bezeichnet).
Daher sind beide Qualitäten resistent gegen Sensibilisierung. Aber 321H wurde speziell für Hochtemperaturanwendungen entwickelt, bei denen Kriechfestigkeit und Spannungsbrucheigenschaften von entscheidender Bedeutung sind.
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Besonderheit |
321 |
321H |
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UNS-Nummer |
S32100 |
S32109 |
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Kohlenstoffgehalt |
Weniger als oder gleich 0,08 % |
0.04 – 0.10% |
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Titangehalt |
Größer oder gleich 5×C |
Größer oder gleich 4×(C+N) bis max. 0,70 |
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Primärer Kraftmechanismus |
Lösungsverstärkung |
Lösung + Karbidausscheidungsverstärkung |
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Am besten für |
Allgemeiner Hochtemperaturbetrieb (bis zu 1.500 Grad F) |
Langfristiger, belastbarer-Betrieb bei hohen-Temperaturen (über 1000 Grad F) |
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Wärmebehandlung nach dem-Schweißen? |
Nicht erforderlich |
Nicht erforderlich |
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Typische Anwendungen |
Flugzeugabgase, chemische Ausrüstung, Wärmetauscher |
Kessel, Druckbehälter, Überhitzer, Raffinerierohre |
Chemische Zusammensetzung: Der Kohlenstoffunterschied
Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten chemischen Unterschiede gemäß ASTM A240.
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Element |
321 (S32100) |
321H (S32109) |
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Kohlenstoff (C) |
Weniger als oder gleich 0,08 % |
0.04 – 0.10% |
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Chrom (Cr) |
17.0 – 19.0% |
17.0 – 19.0% |
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Nickel (Ni) |
9.0 – 12.0% |
9.0 – 12.0% |
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Titan (Ti) |
Größer oder gleich 5×C |
Größer als oder gleich 4×(C+N) min, 0,70 max |
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Mangan (Mn) |
Weniger als oder gleich 2,00 % |
Weniger als oder gleich 2,00 % |
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Silizium (Si) |
Weniger als oder gleich 0,75 % |
Weniger als oder gleich 0,75 % |
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Phosphor (P) |
Weniger als oder gleich 0,045 % |
Weniger als oder gleich 0,045 % |
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Schwefel (S) |
Weniger als oder gleich 0,030 % |
Weniger als oder gleich 0,030 % |
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Stickstoff (N) |
Weniger als oder gleich 0,10 % |
– |
Quelle: ASTM A240 / A240M
Was Ihnen die Zahlen sagen:
321 erlaubt einen Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,08 %, hat jedoch keine Untergrenze.. 321H erfordert mindestens 0,04 % Kohlenstoff und erlaubt bis zu 0,10 %. Dieser zusätzliche Kohlenstoff bildet in Kombination mit Titan bei Hochtemperaturbetrieb mehr Titankarbide. Diese Karbide „fixieren“ Korngrenzen und verhindern, dass sie unter Belastung verrutschen – ein Mechanismus, der als Ausscheidungsverfestigung bezeichnet wird. Aus diesem Grund hat 321H eine höhere Kriechfestigkeit als 321.
Mechanische Eigenschaften: Raumtemperatur vs. hohe Temperatur
Bei Raumtemperatur haben 321 und 321H nahezu identische mechanische Eigenschaften. Der Unterschied wird dramatisch, sobald die Temperaturen 1000 Grad F (537 Grad) überschreiten.
Raumtemperatureigenschaften (geglühter Zustand)
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Eigentum |
321 |
321H |
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Zugfestigkeit (min.) |
75 ksi (515 MPa) |
75 ksi (515 MPa) |
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Streckgrenze (0,2 % Offset, min.) |
30 ksi (205 MPa) |
30 ksi (205 MPa) |
|
Dehnung (min.) |
40% |
40% |
|
Härte (max.) |
217 HBW |
217 HBW |
|
Elastizitätsmodul |
28,0 × 10³ ksi (193 GPa) |
28,0 × 10³ ksi (193 GPa) |
Quellen: ASTM A240, ASME SA-240
Hoch-Eigenschaften
Die Klasse „H“ ist speziell für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen konzipiert. Nachfolgend finden Sie einen Vergleich der zulässigen Spannungen bei hohen Temperaturen gemäß ASME Abschnitt II, Teil D.
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Temperatur (Grad F) |
321 Zulässige Spannung (ksi) |
321H Zulässige Spannung (ksi) |
Unterschied |
|
800 |
18.7 |
18.7 |
Keiner |
|
1000 |
14.5 |
14.5 |
Keiner |
|
1200 |
8.8 |
9.6 |
+9% |
|
1300 |
5.4 |
6.9 |
+28% |
|
1400 |
3.0 |
4.8 |
+60% |
|
1500 |
1.5 |
2.8 |
+87% |
Datenquelle: ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Abschnitt II, Teil D
Was das bedeutet: Bei 1500 Grad F (816 Grad) hält 321H sicher 87 % mehr Belastung stand als 321. Das ist ein gewaltiger Unterschied für Geräte, die kontinuierlich unter Last arbeiten – wie etwa ein Überhitzerrohr oder ein Druckbehälter in einer petrochemischen Anlage.
Vergleich der Zeitstandfestigkeit
Kriechen ist die langsame, dauerhafte Verformung, die auftritt, wenn Metall bei hoher Temperatur unter Spannung gehalten wird. Für den langfristigen Einsatz ist die Kriechfestigkeit oft wichtiger als die kurzfristige Zugfestigkeit.
Bei 1200 Grad F (649 Grad) und einer Belastung von 10.000 psi:
321 wird nach etwa 5.000 Stunden platzen
321H reißt nach etwa 10.000 Stunden – das ist die doppelte Lebensdauer.
Bei 1400 Grad F (760 Grad) unter 5.000 psi:
321 Brüche in etwa 1.000 Stunden
321H hält über 3.000 Stunden.
Aus diesem Grund erfordern Druckbehältervorschriften (ASME Abschnitt VIII) die Verwendung von 321H für den langfristigen Einsatz bei hohen Temperaturen, wenn Kriechen ein Konstruktionsaspekt ist.
Physikalische Eigenschaften
Beide Qualitäten weisen nahezu identische physikalische Eigenschaften auf, da ihre Grundzusammensetzungen so ähnlich sind.
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Eigentum |
321 / 321H |
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Dichte |
7,92 – 8,03 g/cm³ (0,286 – 0,290 lb/in³) |
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Schmelzbereich |
1400 – 1425 Grad (2550 – 2600 Grad F) |
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Wärmeleitfähigkeit (bei 100 Grad) |
16.2 W/m·K |
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Spezifische Wärmekapazität (bei 500 Grad) |
540 J/kg·K |
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Elektrischer Widerstand (bei 20 Grad) |
0.73 µΩ·m |
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Wärmeausdehnungskoeffizient (20–1000 Grad) |
16,6 × 10⁻⁶ / Grad |
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Magnetische Eigenschaften |
Nicht-magnetisch im geglühten Zustand |
Beide Sorten bleiben nach dem Glühen nicht-magnetisch. Durch Kaltverformung (Biegen, Walzen) kann ein leichter Magnetismus entstehen, der sich jedoch nicht auf die Leistung bei hohen Temperaturen auswirkt.
Korrosionsbeständigkeit
Da beide Qualitäten mit Titan-stabilisiert sind, bieten sie die gleiche Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion. Nach dem Schweißen oder der Einwirkung von Temperaturen zwischen 800 und 1600 Grad F (425 und 870 Grad) kommt es bei keinem von beiden zu „Schweißverfall“.
In anderen korrosiven Umgebungen:
- Allgemeine Korrosion:Beide widerstehen Oxidation und Ablagerungen bis zu einer Temperatur von etwa 1500 °F (816 °F) im Dauerbetrieb und 1600 °F (871 °F) zeitweilig.
- Säurebeständigkeit:Beide weisen eine ähnliche Beständigkeit gegenüber verdünnten Säuren auf, sind jedoch nicht für stark reduzierende Säuren (wie Salzsäure oder heiße Schwefelsäure) geeignet.
- Chlorid-Spannungsrisskorrosion (SCC):Wie alle austenitischen Edelstähle können sowohl 321 als auch 321H in heißen Chloridlösungen über 140 Grad F (60 Grad) reißen. Für den Einsatz in Meerwasser oder Sole bei hohen Temperaturen sollten Sie Duplex- oder super-austenitische Sorten in Betracht ziehen.
Wichtiger Hinweis: Die Korrosionsbeständigkeit beider Sorten ist im lösungsgeglühten Zustand am besten (auf 1850–2050 Grad F / 1010–1120 Grad erhitzt und schnell abgekühlt). Aufgrund der Titanstabilisierung ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen nicht erforderlich – ein großer Vorteil gegenüber nicht stabilisierten Sorten wie 304 oder 304H.
Schweißbarkeit und Fertigung
Sowohl 321 als auch 321H lassen sich hervorragend schweißen. Sie können durch WIG-, MIG-, Stab- oder Unterpulverschweißen verbunden werden. Verwenden Sie passende Zusatzwerkstoffe: ER321 für WIG/MIG und E347 (oder E321) für Stabschweißen. Das Titan stabilisiert das Schweißbad und verhindert die Ausfällung von Chromkarbid in der Hitzeeinflusszone.
Für beide Sorten ist kein Vorwärmen erforderlich, selbst bei dicken Abschnitten. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist ebenfalls nicht erforderlich – Sie können schweißen und die Ausrüstung direkt-bei hohen Temperaturen einsetzen, ohne sich Gedanken über eine Sensibilisierung machen zu müssen.
Umformen und Bearbeiten: Beide arbeiten -und härten schnell aus. Verwenden Sie für die Bearbeitung scharfe Werkzeuge, niedrige Schnittgeschwindigkeiten und viel Kühlmittel. Berücksichtigen Sie bei der Kaltumformung (Biegen, Walzen) eine Rückfederung – 321H kann aufgrund seines etwas höheren Kohlenstoffgehalts etwas schwieriger zu formen sein.
Standards und Spezifikationen
Fordern Sie immer ein Mill Test Certificate (MTC) an, das die korrekte Sorte bestätigt.
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Standard |
321 |
321H |
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ASTM A240 / A240M |
Platte, Blech, Streifen |
Platte, Blech, Streifen |
|
ASME SA 240 |
Druckbehälteranwendungen |
Druckbehälteranwendungen |
|
UNS |
S32100 |
S32109 |
|
DE |
1.4541 |
1.4912 (Hochtemperatur) |
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AISI |
321 |
321H |
|
AMS |
5510, 5570, 5645 |
5511, 5571 |
Anwendungen: Wann welche verwenden?
Wählen Sie 321 (Standard), wenn:
Die Temperaturen sind moderat – unter etwa 1000 Grad F (537 Grad) für Dauerbetrieb.
Sie benötigen keine maximale Zeitstandfestigkeit – zum Beispiel in Abgaskaminen, nicht stark belasteten Ofenteilen oder unter niedrigem Druck arbeitenden Wärmetauschern.
Die Ausrüstung wird zyklischem Erhitzen und Abkühlen ausgesetzt – 321 ist etwas widerstandsfähiger gegen thermische Ermüdung als 321H, da es weniger Karbide enthält.
Die Kosten spielen eine Rolle – 321 ist im Allgemeinen günstiger und weiter verbreitet als 321H.
Wählen Sie 321H, wenn:
Die Temperaturen überschreiten 1000 Grad F (537 Grad) – insbesondere über 1200 Grad F, wo Kriechen zum Problem wird.
Die Ausrüstung steht unter ständiger Belastung – Druckbehälter, Kesselüberhitzerrohre, Raffinerierohre und chemische Reaktoren.
Eine lange Lebensdauer ist erforderlich – 321H kann die Lebensdauer einer Komponente im Vergleich zu 321 bei hohen Temperaturen verdoppeln oder verdreifachen.
Der ASME-Code erfordert die Klasse „H“ – viele Kessel- und Druckbehältervorschriften schreiben die Verwendung von H-Klassen für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen vor.
Sie schweißen dicke Abschnitte – der etwas höhere Kohlenstoffgehalt in 321H sorgt für eine bessere Hochtemperaturfestigkeit in der Wärmeeinflusszone.
Abschluss
Der Unterschied zwischen Edelstahlplatten 321 und 321H liegt im Kohlenstoffgehalt.
321 ist ein ausgezeichneter, vielseitiger titanstabilisierter Edelstahl für Anwendungen bis etwa 1000 Grad F (537 Grad). Es widersteht interkristalliner Korrosion, lässt sich leicht schweißen und erfordert keine Wärmebehandlung nach dem Schweißen.
321H ist die Version mit hohem Kohlenstoffgehalt, die für den langfristigen, lasttragenden Einsatz bei Temperaturen über 1000 Grad F (537 Grad) ausgelegt ist. Bei 1500 °F bietet es fast die doppelte zulässige Belastung im Vergleich zu Standard 321 und ist damit die einzig sichere Wahl für Hochdruck- und Hochtemperaturgeräte.
Welches sollten Sie also kaufen?
Wenn Ihre Betriebstemperatur unter 1000 Grad F liegt und Kriechen kein Konstruktionsproblem darstellt, ist Standard 321 vollkommen ausreichend. Wenn Ihre Ausrüstung unter erheblichem Druck oder Belastung dauerhaft über 1000 °F läuft, ist 321H die bessere Option.
