201 vs 304 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einleitung
Austenitische Edelstahllegierungen 201 und 304 gehören zu den am häufigsten betrachteten Werkstoffen, wenn Konstrukteure, Einkaufsteams und Fertiger Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit, mechanische Eigenschaften und Kosten abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen: Minimierung der Materialkosten für dekorative oder gering korrosive Umgebungen gegenüber der Sicherstellung langfristiger Korrosionsbeständigkeit in Lebensmittel-, chemischen oder Außenanwendungen; sowie die Wahl zwischen leichterer Kaltumformbarkeit oder besserer Langzeitzähigkeit und Schweißleistung.
Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass Typ 201 bewusst einen reduzierten Nickelgehalt und höhere Mangan-/Stickstoffzugaben als kostengesteuerte Substitutionsstrategie verwendet, während Typ 304 höhere Nickel- und Chromanteile beibehält, um die Austenitstabilität und Korrosionsbeständigkeit zu maximieren. Aufgrund dieser Substitutionsstrategie werden 201 und 304 häufig gegenübergestellt, wenn Kosten, Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit bei der Bauteilauswahl gegeneinander abgewogen werden.
1. Normen und Bezeichnungen
- 304: Weit verbreitet standardisiert als ASTM/ASME A240 (Blech, Platte), A312 (Rohr) sowie Äquivalente in anderen Systemen; europäische EN-Nummer häufig als 1.4301 (oft X5CrNi18-10) angegeben; JIS-Bezeichnung SUS304; chinesische GB-Äquivalente (üblich unter Cr-Ni-Legierungen gelistet). Klassifikation: austenitischer Edelstahl.
- 201: Üblicherweise referenziert als UNS S20100 und in einigen Produktspezifikationen als ASTM/AISI Typ 201 oder SUS201 in JIS; regionale Normen- und Herstellerbezeichnungen variieren. Klassifikation: austenitischer Edelstahl (nickelreduziert, mangan- und stickstoffstabilisiert).
Hinweis: Beide sind rostfreie (austenitische) Werkstoffe und keine Kohlenstoff-, legierten, Werkzeug- oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die nachstehende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche (Massen-%) für kommerzielle Typ 201 und Typ 304 Edelstahl. Die Werte sind repräsentative Industrie-Bereiche; für enge Toleranzen sind spezifische Normen oder Werkszeugnisse zu konsultieren.
| Element | Typ 201 (typischer Bereich, Massen%) | Typ 304 (typischer Bereich, Massen%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.15 | ≤ 0.08 |
| Mn | 5.5 – 7.5 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.06 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 18.0 – 20.0 |
| Ni | 3.5 – 5.5 | 8.0 – 10.5 |
| Mo | — (meist 0) | — (meist 0 für 304; Mo vorhanden in 316) |
| N | 0.1 – 0.25 (als Austenitstabilisator verwendet) | ≤ 0.10 |
| Weitere (V, Nb, Ti, B) | Üblicherweise nicht absichtlich zugesetzt | Üblicherweise nicht absichtlich zugesetzt |
Legierungseffekte (kurz): - Chrom (Cr) bildet die passive Oxidschicht, die den Edelstahl korrosionsbeständig macht. - Nickel (Ni) stabilisiert die kubisch-flächenzentrierte (austenitische) Struktur, verbessert die Duktilität, Zähigkeit und Sensibilitätsresistenz; höherer Ni-Gehalt verbessert zudem die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen. - Mangan (Mn) und Stickstoff (N) werden in 201 eingesetzt, um teilweise Nickel zu substituieren, stabilisieren Austenit, verändern jedoch das mechanische Verhalten und die Korrosionsbeständigkeit. - Kohlenstoff (C) beeinflusst Festigkeit und Anfälligkeit für Karbidabscheidungen (Sensibilisierung) bei thermischer Beanspruchung; kohlenstoffarme Varianten (z. B. 304L) reduzieren interkristalline Korrosion nach dem Schweißen.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsverhalten
- Mikrostruktur (wie produziert, geglüht): Beide, 201 und 304, sind nominal vollständig austenitisch bei Raumtemperatur im geglühten Zustand. Die Austenitstabilität bei 201 wird durch höheren Mn- und N-Gehalt anstelle von Ni aufrechterhalten. Dadurch neigt 201 unter schweren Kaltumformbedingungen eher zur Bildung von martensitischer Struktur als 304, weil der Austenit unter Belastung weniger stabil sein kann.
- Wärmebehandlung: Weder 201 noch 304 lassen sich durch konventionelle Vergütungswärmebehandlung (Abschrecken und Anlassen) härten (nicht vergütbarer austenitischer Stahl). Übliche Glühpraxis ist Lösungsglühen bei ca. 1010–1120 °C gefolgt von schnellem Abkühlen (Wasserabschreckung oder schnelles Luftabschrecken), um Karbide aufzulösen und Korrosionsbeständigkeit sowie Duktilität wiederherzustellen.
- Kaltverformung und thermomechanische Bearbeitung: Die Festigkeit wird primär durch Kaltverformung erhöht. Mit steigender Kaltumformung nehmen Streck- und Zugfestigkeit zu, während die Bruchdehnung sinkt; 201 arbeitet typischerweise schneller aus (stärkere Kaltverfestigung).
- Sensibilisierung: Beide Legierungen können bei längerer Einwirkung im Sensibilisierungstemperaturbereich (ca. 500–800 °C) Chromkarbidabscheidungen ausbilden, was interkristalline Korrosion zur Folge haben kann. Für schweißtechnische Anwendungen und hohe Temperaturbeanspruchung werden kohlenstoffarme (z. B. 304L) oder stabilisierte Varianten (mit Ti oder Nb) eingesetzt.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgende Tabelle vergleicht das mechanische Verhalten qualitativ (typische, geglühte Produktausführungen). Exakte Werte hängen von Produktform (Blech, Platte, Rohr), Zustandsart und Herstellerdatenblatt ab.
| Eigenschaft | Typ 201 | Typ 304 |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Etwas höher (bedingt durch Mn/N und übliches Kaltumformen) | Mittel (gutes Verhältnis von Festigkeit und Duktilität) |
| Streckgrenze | Höher (tendenziell höhere Streckgrenze bei vergleichbaren Zuständen) | Niedriger (größere Streckdehnung) |
| Bruchdehnung (Duktilität) | Niedriger (geringere Dehnung als 304 im geglühten Zustand) | Höher (bessere Duktilität und Umformbarkeit) |
| Kerbschlagzähigkeit | Gut bei Raumtemperatur; in manchen Zuständen geringer als 304 | Ausgezeichnete Kerbschlagzähigkeit bei Raum- und Tieftemperatur |
| Härte | Leicht höher (steigt mit Kaltverformung stärker an) | Niedriger im geglühten Zustand; steigt mit Kaltumformung |
Interpretation: Typ 201 bietet meist eine höhere Festigkeit und Härte im ausgelieferten Zustand bei gleicher Verarbeitung, jedoch auf Kosten von Duktilität und gelegentlich Zähigkeit. Typ 304 liefert eine bessere Kombination aus Duktilität und Zähigkeit, was Umformprozesse und Betriebszuverlässigkeit in vielen korrosiven und konstruktiven Anwendungen begünstigt.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit beider Legierungen ist allgemein gut im Vergleich zu Kohlenstoffstählen, da austenitische Edelstähle beim Abkühlen nicht durch martensitische Umwandlung härten. Folgende Aspekte sind zu beachten:
- Kohlenstoffäquivalente und Risiko von Schweißrissen lassen sich mit anerkannten empirischen Formeln abschätzen. Zwei oft verwendete Indizes sind:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretation (qualitativ): Der niedrigere Nickelgehalt bei 201 reduziert die Austenitstabilität gegenüber 304, was Schmelz- und Heißrissanfälligkeit sowie die Bildung von durch Verformung induziertem Martensit im Wärmeeinflussbereich (WEZ) unter bestimmten Bedingungen beeinflussen kann. Der höhere Mn- und N-Gehalt bei 201 kann zudem die Auswahl des Zusatzwerkstoffs und die Schweißmetallzusammensetzung verändern.
- Praktische Empfehlungen:
- Geeignete Zusatzwerkstoffe verwenden. Für 304-Basiswerkstoff, der mit 304 verschweißt wird, sind 308/308L-Füllwerkstoffe gebräuchlich. Für 201 wählen viele Fertiger Zusatzwerkstoffe, die den Nickelgehalt im Schweißgut erhöhen, um Korrosionsbeständigkeit und Duktilität zu verbessern.
- Vorwärmen ist in der Regel nicht erforderlich; Nachglühen wird bei austenitischen Edelstählen in normalen Anwendungen üblicherweise nicht durchgeführt.
- Für kritisch korrosionsbeständige Schweißverbindungen sollte die Zusatzwerkstoffchemie so gewählt werden, dass Schweißgut und WEZ die erforderliche Korrosionsbeständigkeit erfüllen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Rostfreies Verhalten: Beide Legierungen bilden eine chromreiche passive Schutzschicht, allerdings unterscheiden sich die Gesamt-Korrosionsbeständigkeiten.
- PREN (Principal Resistance Equivalent Number), vor allem zur Bewertung der Lochfraßbeständigkeit in Chloridumgebungen bei Anwesenheit von Mo und N, berechnet sich wie folgt:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Hinweis: Bei Typ 304 (Mo ≈ 0) dominiert Cr und N den PREN-Wert; bei Typ 201 führt der niedrigere Cr-Gehalt und andere N-Konzentrationen zu einem geringeren PREN als bei 304, weshalb die Lochfraßbeständigkeit in chloridhaltigen Medien allgemein unterlegen ist.
- Praktische Bewertung:
- Typ 304 bietet eine überlegene allgemeine Korrosionsbeständigkeit in vielen wässrigen und atmosphärischen Umgebungen und ist die bevorzugte Mindestanforderung für Lebensmittelkontakt, Medizintechnik und viele chemische Expositionen.
- Typ 201 ist ausreichend geeignet für Innenräume und leicht korrosive Bedingungen (Dekorplatten, Küchenausrüstung bei niedrigen Chloridbedingungen, Haushaltsgeräte), wird jedoch nicht für Anwendungen mit erheblicher Chloridexposition (Küstenbereiche, Streusalz) oder langfristiger passiver Stabilität empfohlen.
- Nichtrostender Schutz: Wenn ein nichtrostender Stahl verglichen wird, gehören übliche Oberflächenschutzmaßnahmen Verzinkung, Lackieren oder Beschichten dazu – diese ersetzen jedoch nicht das Edelstahlverhalten. Sowohl bei 201 als auch 304 können Oberflächenbehandlungen (elektrochemisches Polieren, Passivierung) die Korrosionsbeständigkeit erheblich beeinflussen.
7. Fertigung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit
- Formgebung und Tiefziehen: Typ 304 bietet im geglühten Zustand aufgrund des höheren Nickelgehalts und der größeren Duktilität generell eine bessere Umformbarkeit und Dehnbarkeit. Typ 201 ist zwar umformbar, jedoch ist der Rücksprung (Springback) größer und das Metall härtet schneller durch Kaltverfestigung; Werkzeuge und Verfahrensparameter müssen dies berücksichtigen.
- Biegen und Schweißverzug: Die bessere Duktilität von 304 verringert das Risiko von Rissbildung bei starken Umformungen; 201 erfordert möglicherweise höhere Kräfte und eine engere Prozesskontrolle.
- Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind allgemein schwerer zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. Typ 201 neigt zu schneller Kaltverfestigung, was die Bearbeitung erschwert; es werden Werkzeuge mit größeren Freiwinkeln, stabile Vorrichtungen und geringere Vorschubgeschwindigkeiten eingesetzt. 304 ist ebenfalls „gummiartig“ und erfordert passendes Werkzeug, aber viele Zerspaner empfinden 304 in vergleichbaren Zuständen als geringfügig einfacher zu bearbeiten.
- Oberflächenbearbeitung: Beide Qualitäten lassen sich auf Hochglanz polieren. Aufgrund der höheren Anfälligkeit von 201 für lokale Korrosion in aggressiven Medien kann bei unzureichender Oberflächenbehandlung und Passivierung schneller Fleckenbildung auftreten.
8. Typische Anwendungen
| Typ 201 | Typ 304 |
|---|---|
| Dekorative Leisten, innenarchitektonische Paneele, Geräteverkleidungen für Haushaltsgeräte, preiswerte Außenleisten von Kochgeschirr, leichte Rohrleitungen in wenig aggressiven Umgebungen | Lebensmittelverarbeitungsanlagen, Küchenspülen und Arbeitsplatten, chemische Prozesskomponenten (ohne Mo), Rohrleitungen, Wärmetauscher, medizinische Geräte (nicht implantierbar), Befestigungselemente für Außen- und Meeresnähe |
| Auswahlkriterien: | |
| - Wählen Sie 201, wenn Kosteneinsparungen im Vordergrund stehen und das Einsatzumfeld mild ist (innen, niedrige Chloridkonzentration), oder wenn eine höhere Festigkeit im unbehandelten Zustand und eine helle Oberflächenoptik gewünscht sind. | |
| - Wählen Sie 304, wenn Korrosionsbeständigkeit, Hygiene, Schweißbarkeit mit breiter Branchenunterstützung und langfristige Zuverlässigkeit in unterschiedlichen Umgebungen erforderlich sind. |
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Typ 201 ist in der Regel günstiger als Typ 304 aufgrund des deutlich geringeren Nickelgehalts. Nickel ist der Hauptkostentreiber bei Edelstählen; die Substitution von Ni durch Mn und N reduziert die Materialkostensensitivität gegenüber schwankenden Nickelmärkten.
- Verfügbarkeit: Typ 304 ist weltweit in Blech, Platte, Coil, Rohr und Stab weit verbreitet und für kritische Anwendungen meist leichter als zertifiziertes Material erhältlich. Typ 201 ist regional üblich und in Standardprodukten weit verfügbar, aber zertifizierte Werksdaten und bestimmte Produktformen sind in manchen Märkten weniger stark bevorratet als 304.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Übersichtstabelle (qualitativ):
| Eigenschaft | Typ 201 | Typ 304 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut, aber Anpassung der Zusatzwerkstoffe möglich | Sehr gut, umfangreich standardisierte Zusatzwerkstoffe |
| Festigkeit-Zähigkeits-Balance | Höhere Festigkeit, geringere Duktilität/Zähigkeit | Ausgewogene Festigkeit mit überlegener Duktilität und Zähigkeit |
| Kosten | Günstiger (reduzierter Nickelgehalt) | Höher (standardmäßiger Ni-Gehalt) |
Empfehlungen: - Wählen Sie Typ 201, wenn: - Das Projekt kostenempfindlich ist und die Exposition auf milde, Innen- oder chloridarme Umgebungen beschränkt ist. - Höhere Festigkeit im Zustande wie geliefert und Kosteneinsparungen wichtiger sind als maximale Korrosionsbeständigkeit. - Oberflächenoptik und niedrige Kosten in Verbraucherprodukten Priorität haben. - Wählen Sie Typ 304, wenn: - Langfristige Korrosionsbeständigkeit, hygienischer Einsatz oder Chloridbelastung erwartet werden. - Umformbarkeit, Schweißbarkeit und etablierte Materialzertifikate wichtig sind. - Die Anwendung gängige Branchenstandards für Lebensmittelkontakt, Pharmazeutik oder Außeneinsatz erfüllen muss.
Abschließende Anmerkung: Die Werkstoffauswahl sollte stets anhand der spezifischen Umgebungsbedingungen, mechanischen Belastungen, Schweiß- und Umformprozesse sowie Beschaffungs- und Lieferanforderungen des Projekts validiert werden. Für kritische Anwendungen empfiehlt sich die Konsultation von Werkszeugnissen sowie Korrosionsprüfungen oder technische Bewertungen, um die Eignung von 201 gegenüber 304 für den vorgesehenen Einsatz sicherzustellen.