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PolskaSpiralspannstifte aus nichtrostendem Stahl Typ 316
von Christie Jones, Leiterin der Marktentwicklung
Download dieses Technische PapierEine genauere Betrachtung der Unterschiede zwischen Typ 316 imVergleich zu Typ 302/Typ 304 und der häufigen Anwendungen.
Aufgrund ihrer Vielseitigkeit sind Spiralspannstifte oftmals die idealen Befestigungsmittel, wenn es darum geht spezifische technische und ökonomische Zielsetzungen bei verstifteten Baugruppen einzuhalten. Sie sind in einer Vielfalt an Größen, Krafttypen, Oberflächengüten und Materialien verfügbar. Aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit ist unter den für die Herstellung von Spiralspannstiften verwendeten Materialien häufig rostfreier Stahl zu finden. Spiralspannstifte werden am häufigsten aus rostfreiem Stahl Typ 302/Typ 304 sowie X20Cr13 hergestellt, wobei jedoch auch Typ 316 verfügbar ist und typischerweise aufgrund seiner höheren Korrosionsbeständigkeit ausgewählt wird. Dieses Dokument nimmt den Unterschied zwischen Typ 316 und Typ 302/Typ 304 genauer unter die Lupe und beschreibt verschiedene Anwendungsfälle und Einsatzumgebungen, in denen Typ 316 gegenüber den anderen Stählen im Vorteil ist.
Chemische Zusammensetzung
Selbst wenn die nichtrostenden Stähle Typ 302 und Typ 304 technisch gesehen zwei verschiedene Materialien sind, gibt es hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und Eigenschaften starke Überschneidungen. Aus diesem Grund können die Stahlwerke das Material so schmelzen, dass er der Spezifikationen von Typ 302 und Typ 304 entspricht. Deshalb bezeichnen die Hersteller die austenitischen Spannstifte mit Typ 302/Typ 304, eine Namenskonvention, die in diesem Dokument beibehalten wird.
Tabelle 1 vergleicht die chemische Zusammensetzung der für Spiralspannstifte verwendeten austenitischen rostfreien Stähle. Der Begriff „austenitisch“ bezieht sich auf das Gefüge des Metalls und klassifiziert den rostfreien Stahl als nicht wärmebehandelbar, nicht magnetisch in vollständig vergütetem Zustand und er hat die Fähigkeit zur Kaltverfestigung.
Bevor näher auf die Besonderheiten von Typ 316 eingegangen wird, ist es hilfreich zuerst kurz den Legierungsvorgang von Typ 302 und Typ 304 und den Grund für ihre jeweilige Korrosionsbeständigkeit zu erläutern.
| Chemical Composition % | Typ 302 | Typ 304 | Typ 316 |
| C | 0.15 | 0.08 | 0.08 |
| Mo | -- | -- | 2 – 3 |
| Cr | 17 – 19 | 18 – 20 | 16 – 18 |
| Ni | 8 – 10 | 8 – 10.5 | 10 – 14 |
*Einzelne Werte sind Maximalwerte
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (%) der für die SPIROL-Spiralspannstifte verwendeten austenitischen rostfreien Stähle
Each of the 300 series stainless steels shown in Table 1 are alloyed with more nickel than Typ 420 stainless steel, and have higher chromium content. (Typ 420 stainless has 0.5% nickel and 12–14% chromium.) This enables 300 series stainless steel to have higher resistance to corrosion, namely pitting and stress corrosion cracking. Additionally, the 300 series stainless steels have less carbon content than some other Typs of stainless steel, which helps them to have higher corrosion resistance by reducing the ability for carbides to form at grain boundaries and ultimately cause intergranular corrosion (known as sensitization).
Jeder der in Tabelle 1 aufgeführten austenitischen Chrom-Nickel-Stähle hat einen höheren Nickel- und Chromanteil als Typ 420. (Typ 420 verfügt über 0,5 % Nickel und 12–14 % Chrom.) Dadurch sind austenitischen Chrom-Nickel-Stähle korrosionsbeständiger. gegenüber Lochfraß und Spannungsrisskorrosion. Zusätzlich weisen austenitische Chrom-Nickel-Stähle einen geringeren Kohlenstoffgehalt als einige andere rostfreie Stahlsorten auf. Hierdurch erhalten sie eine höhere Korrosionsbeständigkeit, da die Fähigkeit zur Bildung von Carbiden an den Korngrenzen, was letztendlich eine interkristalline Korrosion (bekannt als Sensibilisierung) verursacht, vermindert wird.
Der Hauptunterschied in der Zusammensetzung zwischen Typ 316 und Typ 302/Typ 304 besteht darin, dass Typ 316 mit 2–3 % Molybdän legiert wird, was die Lochfraßbeständigkeit durch Verbesserung der Haltbarkeit der Passivschicht erhöht. Bei der Passivschicht handelt es sich typischerweise um ein Oxid, eine „klare, unsichtbare“ Schicht auf der Metalloberfläche, die den Korrosionsschutz verbessert. Das Hinzufügen von Molybdän erhöht auch die Belastung der kristallinen Gitterstruktur, wodurch die die Moleküle enger zusammengerückt werden. Folglich ist die Energie zum Herauslösen der Eisenatome höher, damit diese an die Oberfläche gelangen. Molybdän hat eine ähnliche Wirkung wie Chrom auf die Mikrostruktur, weshalb Typ 316 nicht so viel Chrom benötigt wie Typ 302/ Typ 304. Um die austenitische Struktur in molybdänhaltigen, rostfreien Stählen aufrechtzuerhalten, muss der Nickelanteil erhöht werden. Wie in Tabelle 1 dargestellt, beträgt der Nickelanteil für Typ 316 10–14 % gegenüber 8–10,5 % für Typ 304 und 8–10 % für Typ 302.
Korrosionsbeständigkeit
Austenitische Chrom-Nickel-Stähle verfügen über physikalische und Festigkeitseigenschaften, aufgrund derer sie sich für viele Anwendungen eignen. Als wichtigster und hauptsächlicher Grund für ihre Auswahl wird üblicherweise ihre Fähigkeit in verschiedenen korrosiven Umgebungen zu bestehen, sowohl chemisch als auch atmosphärisch, angesehen. Alle austenitischen Chrom-Nickel-Stähle weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, wobei Typ 316 als einer der korrosionsbeständigsten erachtet wird. Obwohl die Korrosionsbeständigkeit von Typ 302/Typ 304 den meisten Anwendungsanforderungen entspricht, neigen sie zur Korrosion in anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen, die Typ 316 nichts anhaben können, wie z. B. in Meerwasserund petrochemischen Umgebungen. Es gibt mehrere Arten von Korrosion und es ist wichtig die einzelnen Arten zu kennen und zu wissen welche Vorteile Typ 316 hierbei bietet.
Galvanische Korrosion
Diese Art der Korrosion tritt zwischen zwei unterschiedlichen Metallen auf, wenn diese miteinander in Kontakt stehen und sich in einem Medium befinden, in dem sie elektrisch und chemisch miteinander reagieren. Es ist wichtig, die Spannungsreihe (siehe Tabelle 2) zu beachten, um sicherzustellen, dass das Material nicht korrodiert, wenn es dem Gegenwerkstoff ausgesetzt wird. Wenn sich zum Beispiel zwei Legierungen in Meerwasser berühren, wird die in der Spannungsreihe tiefer stehende Legierung korrodieren. Je weiter zwei Metalle in der Spannungsreihe auseinanderliegen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie korrodieren, sobald sie in ein Elektrolyt eingetaucht werden.
Lochfraß
Lochfraß ist eine stark eingegrenzte Korrosionsform, die zur Bildung kleiner Punkte und schließlich zu Löchern im Material führen. Jede Art von Riss oder selbst ein kleiner Kratzer kann Lochfraß verursachen und zu einem Defekt führen (siehe Abbildung 1). Lochfraß kann bei Typ 302/Typ 304 schon in Meerwasser auftreten, weshalb häufig Typ 316 verwendet wird. Durch das Hinzufügen von Molybdän wird die Lochfraßbeständigkeit erheblich erhöht.
Die Vorteile von Typ 316 gegenüber Typ 302/Typ 304 in Umgebungen mit hohem Chloridgehalt wie Meerwasser sind bekannt, weshalb Typ 316 oft als meerwasserbeständiger, rostfreier Stahl bezeichnet wird. In Tabelle 3 sind mehrere ätzende Umgebungen aufgeführt, in denen Typ 316 eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweist.
|
Meerwasser |
Schweflige Säure Weinsäure Essigsäure Ameisensäure Milchsäure Versch. organische Säuren Korrosion durch Lebensmittel |
Tabelle 3
Environments where Type 316 offers enhanced corrosion resistance over Type 302 and 304
|
⇑ |
Platin Gold Grafit Titan Nichtrostender Stahl Typ 316 (passiv) Nichtrostender Stahl Typ 304 (passiv) Inconel (80Ni-13Cr-7Fe) (passiv) Nickel (passiv) |
| Zunehmend inert (kathodisch) |
Monel (70Ni-30Cu) Kupfer-Nickel-Legierungen Bronze (Cu-Sn-Legierungen) |
| || | Kupfer Messing (Cu-Zn-Legierungen) Inconel (aktiv) Nickel (aktive) |
| Zunehmend aktiv (anodisch) |
Zinn Blei |
| ⇓ | Nichtrostender Stahl Typ 316 (aktiv) Nichtrostender Stahl Typ 304 (aktiv) Gusseisen Eisen und Stahl Aluminiumlegierungen Cadmium Technisch reines Aluminium Zink Magnesium und Magnesiumlegierungen |
Tabelle 2
Die Spannungsreihe1
Abbildung 1
Querschnitt durch den Lochfraß, der die Auswirkungen auf die Querschnittsfläche und die Festigkeitsreduzierung veranschaulicht
Spannungsrisskorrosion
Die Spannungsrisskorrosion (SpRK) ist ein Rissbildungsprozess, der nur auftreten kann, wenn das Material einer korrosiven Umgebung und dauerhafter Zugspannung ausgesetzt ist. Fehlt eine dieser Bedingungen, kann keine SpRK auftreten. Bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen ist die chloridbedingte Spannungsrisskorrosion einer der
häufiger auftretenden Schadenstypen und bekannt für ihre Auswirkung auf die strukturelle Integrität des Materials. Es gibt zahlreiche Faktoren, die sich auf die SpRK auswirken, darunter aufgebrachte Spannung und Restspannung, Temperatur und zyklische Bedingungen der Anwendung.
In vielen Berichten und Studien wurden die Auswirkungen der SpRK auf austenitische nichtrostende Stähle behandelt, aber aufgrund der vielen Variablen und Faktoren wie Spannungen, chemische Zusammensetzung und Umgebungsbedingungen ist es schwierig einen „Einheitsgröße“-Zusammenhang zwischen den verschiedenen Sorten nichtrostender Stähle und ihrer Reaktionsweise herzustellen. Daher ist es wichtig Tests hinsichtlich der jeweiligen Anwendungsanforderungen durchzuführen.
Hier ist eine Liste einiger Chloridlösungen, die eine SpRK bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen verursachen können2:
- Ammoniumchlorid
- Kalziumchlorid
- Kobaltchlorid
- Lithiumchlorid
- Magnesiumchlorid
- Quecksilberchlorid
- Natriumchlorid
- Zinkchlorid
Interkristalline Korrosion
Dieser Art der Korrosion ist für austenitische Chrom-Nickel-Stähle normalerweise nicht von Bedeutung, da die Stifte hierbei über längere Zeiträume hohen Temperaturen (über 800ºF/430ºC) ausgesetzt sein müssen. Spiralspannstifte aus austenitischen Chrom-Nickel-Stählen können bei Temperaturen von -185ºC (-300ºF) bis 400ºC (750ºF) verwendet werden.
Mechanische Eigenschaften
Da austenitische Chrom-Nickel-Stähle (und alle austenitischen, rostfreien Stähle) durch Kaltverfestigung härter werden können, verfügen Sie über eine große Bandbreite an mechanischen Eigenschaften. Durch die Kaltverfestigung des Materials ändern sich Härte und Magnetismus der austenitischen Chrom-Nickel-Stähle. Tabelle 4 unten zeigt die mechanischen Eigenschaften für die austenitischen rostfreien Stähle Typ 302, Typ 304 und Typ 316 in vergütetem Zustand.
| Typ 302 | Typ 304 | Typ 306 | |
| Zugfestigkeit, MPa (ksi) | 515 (75) | 515 (75) | 515 (75) |
| Streckgrenze, MPa (ksi) | 205 (30) | 205 (30) | 205 (30) |
| Härte, max. (HRB) | 88 | 88 | 95 |
Tabelle 4
Mindesteigenschaften bei Raumtemperatur, vergüteter Zustand3
Magnetismus
Wenn austenitische Chrom-Nickel-Stähle vollständig vergütet sind, sind sie nicht magnetisch und erhöhen ihren Magnetismus durch Kaltverfestigung. Typ 302/ Typ 304 weisen infolge der Kaltverfestigung eine höhere magnetische Permeabilität auf.
Kosten und Verfügbarkeit
Bei Spannstiften ist Typ 302/Typ 304 der am häufigsten verwendete austenitische, nichtrostende Stahl und aus diesem Grund werden sie in größeren Mengen produziert als Spannstifte aus Typ 316. Folglich kosten Spannstifte aus Typ 302/Typ 304 üblicherweise weniger und sind leicht verfügbar.
Anwendungen
Es gibt viele Anwendungen, die eine höhere Korrosionsbeständigkeit als bei Typ 302/Typ 304 erfordern. Einige von ihnen sind in Tabelle 5 aufgeführt. Spiralspannstifte aus Typ 316 reduzieren den in diesen Anwendungen auftretenden Lochfraß, da sie verschiedenen starken Chemikalien ausgesetzt sind (siehe Tabelle 3).
| Anwendungen | Branchen |
|
Baugruppen, die Meerwasser ausgesetzt werden |
Chemische, pharmazeutische Industrie Kocher, Verdampfer und Fördereinrichtungen für die Papierindustrie Medizinindustrie Textilveredlungsanlagen Fotofilme Erdölraffinationsanlagen |
Tabelle 5
Anwendungen und Branchen, in denen Spiralspannstifte aus Typ 316 zum Einsatz kommen (Hinweis: Typ 302/Typ 304 kann ausreichend sein)
Fazit
Coiled Spring Pins can be manufactured out of many types of materials, including multiple grades of stainless steels. Type 302/304 stainless steels are common choices for their high corrosion resistance. In environments where the corrosion resistance of Type 302/304 may not be sufficient, such as in a marine environment where the pin is exposed to chlorides, Type 316 may be a better choice since pitting corrosion does not occur as readily. Type 316 is typically higher in price than Type 302/304, but the added corrosion resistance helps ensure that critical components stay intact and do not cause additional damage to surrounding parts. For many engineering teams, the added security is worth the higher component cost, especially when dealing with hazardous and dangerous chemicals.
Spiralspannstifte können aus vielen Materialtypen hergestellt werden, einschließlich mehrer Güten von rostfreien Edelstählen. Die rostfreien Edelstähle Typ 302/Typ 304 werden aufgrund ihrer hohen
Korrosionsbeständigkeit häufig ausgewählt. In Umgebungen, in denen die Korrosionsbeständigkeit von Typ 302/Typ 304 nicht mehr ausreicht, z. B. in einer Meerwasserumgebung, wo der Stift Chloriden ausgesetzt ist, kann Typ 316 die bessere Wahl sein, damit Lochfraß nicht so leicht auftritt. Typ 316 316 ist normalerweise teurer als Typ 302/Typ 304, aber die zusätzliche Korrosionsbeständigkeit stellt sicher, dass kritische Komponenten intakt bleiben und keinen zusätzlichen Schaden an den umgebenden Teilen verursachen. Vielen Engineering-Teams ist die zusätzliche Sicherheit die höheren Komponentenkosten wert, vor allem dann, wenn gefährliche Chemikalien im Spiel sind.
Aufgrund der Komplexität und vieler Variablen, die für korrosive Umgebungen charakteristisch sind (z. B. Art der Chemikalie und Konzentration, Materialbelastung, atmosphärische Bedingungen, Zeit und Temperatur), ist es immer wichtig, dass bei der Materialauswahl für Befestigungsmittel wie Spiralspannstifte, Tests durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass das Material die gewünschten Ergebnisse zeigt.
Die richtige Materialauswahl ist eines der wichtigsten Konstruktionskriterien für die Ingenieure, da durch sie die endgültigen Kosten, die Gebrauchsdauer und Leistungsfähigkeit des Endprodukts vorgegeben werden. Man kann aus viele Arten von Materialien auswählen. Bei der Auswahl von Materialien für Befestigungsmittel können die Unternehmen mit Erfahrung auf dem Gebiet der Befestigungsmittel bei der Festlegung des am besten geeigneten Materials helfen.
1M.G. Fontana, Corrosion Engineering. 3rd Edition. Copyright 1986 by McGraw-Hill Book Company.
2The International Nickel Company, Inc. 1963. “Corrosion Resistance of the Austenitic Chromium-Nickel Stainless Steels in Chemical Environments.”
3Metals Handbook. Desk Edition, 2nd Edition. 1998. ASM International
Spiralspannstift aus Typ 316 in abschließbarer Edelstahl-Klinke eines Bootes
Artikel ursprünglich verfasst von Christopher G. Jeznach
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