301 vs 304 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen oft vor der Wahl zwischen zwei sehr gängigen austenitischen Edelstählen: 301 und 304. Die Entscheidung dreht sich typischerweise um Kompromisse zwischen Kosten, Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit und erreichbarer Festigkeit nach der Verarbeitung (zum Beispiel, ob eine hohe Kaltverfestigung wünschenswert ist). In vielen Produktionskontexten – Blechumformung, Strukturkomponenten und Konsumgüter – wird die Auswahl durch die Reaktion des Materials auf Kaltverformung im Vergleich zu seiner Beständigkeit gegen korrosive Umgebungen bestimmt.
Der grundlegende Unterschied zwischen diesen Legierungen liegt in ihrem Legierungsverhältnis und der daraus resultierenden mechanischen Reaktion auf Deformation: 301 ist so formuliert, dass es eine höhere Verfestigungskapazität aufweist (es kann durch Kaltverformung erheblich an Festigkeit gewinnen), während 304 für ein stabiles austenitisches Verhalten optimiert ist, das die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit im geglühten Zustand maximiert. Da beide weit verbreitete und wirtschaftliche austenitische Edelstähle sind, werden sie häufig verglichen, wenn Teile entworfen werden, die eine Kombination aus Umformung, Schweißen, Korrosionsbeständigkeit und Kostenkontrolle erfordern.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM/ASME:
- 301: AISI 301 (ASTM A240/A666 Referenzen für Blech/Rohr/Platte)
- 304: AISI 304 (ASTM A240/A666)
- EN (Europäisch):
- 301 entspricht häufig EN 1.4310 / 1.4311 manchmal; Varianten existieren
- 304 entspricht EN 1.4301 (304)
- JIS (Japanisch): Äquivalente existieren (z.B. SUS301 / SUS304)
- GB (China): Äquivalente existieren (z.B. 301, 304 Grades in GB/T Standards)
Klassifikation: Beide sind austenitische Edelstähle. Sie sind keine Kohlenstoff-, Legierungs-, Werkzeug- oder HSLA-Stähle – sie gehören zur Edelstahl (austenitischen) Familie.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die Zusammensetzungsunterschiede sind bescheiden, aber absichtlich: 304 ist reicher an Nickel und leicht höher in Chrom, was die Korrosionsbeständigkeit begünstigt und die austenitische Phase stabilisiert; 301 reduziert Nickel und hält Chrom angemessen, was die Tendenz zur deformationinduzierten Martensitbildung und höheren Kaltverfestigung erhöht.
| Element | 301 (typische Zusammensetzung/Spannen) | 304 (typische Zusammensetzung/Spannen) |
|---|---|---|
| C (max) | 0.15% (max) | 0.08% (max) |
| Mn (max) | 2.0% (max) | 2.0% (max) |
| Si (max) | 1.0% (max) | 0.75% (max) |
| P (max) | 0.045% (max) | 0.045% (max) |
| S (max) | 0.03% (max) | 0.03% (max) |
| Cr | 16.0–18.0% | 18.0–20.0% |
| Ni | 6.0–8.0% | 8.0–10.5% |
| Mo | 0% (generell) | 0% (generell) |
| V, Nb, Ti, B | typischerweise keine | typischerweise keine |
| N (max) | ~0.10% (Spur/niedrig) | ~0.10% (Spur/niedrig) |
Wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen: - Chrom (Cr) sorgt für den passiven Oxidfilm, der Korrosionsbeständigkeit verleiht; höherer Cr verbessert die Korrosionsleistung in vielen Umgebungen. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase, verbessert die Zähigkeit und Duktilität und verringert die Tendenz zur Martensitbildung unter Deformation. - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, kann jedoch die Korrosionsbeständigkeit verringern (Sensibilisierungsrisiko) und erhöht leicht die Härtbarkeit. - Mangan und Silizium sind Entgasungsmittel und können die Zugfestigkeit moderat beeinflussen; Mangan unterstützt auch manchmal die Stabilität des Austenits. Da 301 weniger Ni und ähnliches Cr enthält, ist es anfälliger für die deformationinduzierte martensitische Umwandlung und zeigt eine stärkere Kaltverfestigung im Vergleich zu 304.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Sowohl 301 als auch 304 sind bei Raumtemperatur im geglühten Zustand austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter, FCC). Wichtige mikrostrukturelle Verhaltensweisen und ihre Verarbeitungsreaktionen:
- Geglühter Zustand:
- 301: vollständig austenitisch (aber mit einer Zusammensetzung, die es metastabiler macht). Kornstruktur typisch für kaltgewalzte und lösungsgeglühte Edelstahlbleche.
-
304: stabiler Austenit mit hervorragender Duktilität und Zähigkeit.
-
Kaltverformung und deformationinduzierte Umwandlung:
- 301: so konzipiert, dass es während der plastischen Deformation (Umformung, Biegen, Stanzen) eine signifikante deformationinduzierte Umwandlung in Martensit (α′) zeigt. Diese Umwandlung erhöht lokal die Festigkeit und Härte (Kaltverfestigung), verringert jedoch die Duktilität und kann das Korrosionsverhalten beeinträchtigen, wenn Martensit exponiert ist.
-
304: viel geringere Tendenz zur deformationinduzierten Martensit; behält die austenitische Struktur und Duktilität nach ähnlicher Kaltverformung bei, mit einer geringeren Kaltverfestigungsrate als 301.
-
Wärmebehandlung:
- Keine der Legierungen ist durch Abschrecken und Anlassen härtbar (sie sind austenitisch, nicht martensitisch). Lösungsglühen (z.B. Erhitzen auf etwa 1000–1100 °C gefolgt von schnellem Abkühlen) wird verwendet, um Karbide aufzulösen und die Duktilität wiederherzustellen. Nachbearbeitungs-Glühen stellt die Formbarkeit wieder her und verringert die Kaltverfestigung.
- Thermomechanische Behandlungen (kontrolliertes Walzen, Kaltverformung plus Glühen) werden industriell eingesetzt, um Blech oder Band mit maßgeschneiderten Festigkeits-/Duktilitätskombinationen herzustellen; 301-Varianten können vor dem Glühen auf höhere Festigkeiten als 304 kaltgewalzt werden.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgende Tabelle vergleicht das typische mechanische Verhalten qualitativ (wie hergestellt, geglüht und nach Kaltverformung). Exakte Werte hängen von der Produktform (Blech, Band, Stange), Verarbeitung und Spezifikation ab; konsultieren Sie die Werkstättendaten für projektkritische Zahlen.
| Eigenschaft | 301 (typisches Verhalten) | 304 (typisches Verhalten) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Moderat im geglühten Zustand; steigt erheblich mit Kaltverformung aufgrund der Kaltverfestigung | Moderat im geglühten Zustand; steigt mit Kaltverformung, aber weniger als 301 |
| Streckgrenze | Im geglühten Zustand niedriger als kaltverfestigtes 301; starker Gewinn nach Deformation | Gute Streckgrenze im geglühten Zustand; geringere Kaltverfestigungsrate |
| Elongation (Duktilität) | Gut im geglühten Zustand; sinkt schneller mit Kaltverformung | Hohe Duktilität im geglühten Zustand; behält mehr Duktilität nach der Umformung |
| Schlagzähigkeit | Ausgezeichnet bei Raumtemperatur im geglühten Zustand; behält Zähigkeit | Ausgezeichnet und stabiler (weniger Veränderung mit Kaltverformung) |
| Härte | Steigt erheblich mit Kaltverformung (kann unter derselben Deformation viel höhere Härte als 304 erreichen) | Steigt mit Kaltverformung, aber in geringerem Maße |
Warum: Der niedrigere Ni-Gehalt von 301 macht Austenit unter Dehnung weniger stabil; mechanische Deformation wandelt einen Teil des Austenits in Martensit um, was die Festigkeit und Härte erhöht (vorteilhaft bei Teilen, die höhere Festigkeit ohne Wärmebehandlung benötigen). Der höhere Ni-Gehalt von 304 stabilisiert Austenit und bewahrt Duktilität und Zähigkeit auf Kosten der Magnitude der Kaltverfestigung.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit beider Legierungen ist im Allgemeinen gut für austenitische Edelstähle, aber es gibt Überlegungen:
- Kohlenstoffgehalt: Höherer Kohlenstoff erhöht das Risiko der Sensibilisierung (Ausfällung von Chromkarbiden) während des langsamen Abkühlens, insbesondere für 304 mit höheren C-Varianten (304H). Es gibt niedrigere Kohlenstoffvarianten (304L, 301L), um das Sensibilisierungsrisiko zu verringern.
- Härtbarkeit und Umwandlung: Die höhere Tendenz von 301 zur deformationinduzierten Martensit beeinflusst nicht direkt die Schmelzschweißzonen (die wiedererhitztes/solidifiziertes Austenit sind), aber angrenzende kaltverformte Bereiche können gemischte Mikrostrukturen aufweisen, die Restspannungen und Verformungen beeinflussen.
- Füllmaterialkompatibilität und Temperaturkontrolle zwischen den Schweißvorgängen sind typische Bedenken für beide Legierungen.
- Die Verwendung von stabilisierten oder niedriglegierten Varianten (z.B. 304L) ist typisch, wenn Schweißen ohne Nachglühen erforderlich ist.
Übliche Schweißbarkeitsindizes (qualitative Interpretation; keine numerischen Eingaben hier bereitgestellt): - Der IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Die deutsche Pcm-Formel: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Höhere $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ deutet auf ein erhöhtes Risiko von Härtung, Rissbildung oder verringerter Schweißbarkeit in Stählen hin, bei denen die Martensitbildung möglich ist. Für 301 im Vergleich zu 304 sind die numerischen Unterschiede in diesen Indizes gering, da beide einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und ähnliche Legierungsinhalte haben; 301 kann in einigen Stangen einen etwas höheren Kohlenstoff oder niedrigeren Nickel aufweisen, was die Indizes geringfügig beeinflusst. Insgesamt gelten beide als gut schweißbar nach den gängigen Edelstahl-Schweißpraktiken.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Edelstahlverhalten: Sowohl 301 als auch 304 bilden chromreiche passive Filme. Da 304 typischerweise etwas mehr Chrom und Nickel enthält, bietet es marginal bessere allgemeine Korrosionsbeständigkeit und ist die häufigere Wahl, wenn Korrosionsbedenken Vorrang haben (Lebensmittelverarbeitung, Küchenausrüstung, architektonische Anwendungen).
- Lokalisierte Korrosion (Pitting/Spaltenkorrosion): Keine der Legierungen enthält Mo; für chloridreiche Umgebungen sind weder 301 noch 304 so widerstandsfähig wie Mo-haltige Legierungen (z.B. 316). Der Einsatz von schützenden Designs und Oberflächenbehandlungen ist in aggressiven Umgebungen entscheidend.
- PREN (zur Bewertung der Pittingbeständigkeit in Edelstählen mit Mo und N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Interpretation:
- PREN ist kein nützlicher Differenzierer zwischen 301 und 304, da beide praktisch kein Mo und niedriges N enthalten; die PREN-Werte sind daher niedrig und ähnlich.
- Oberflächenschutz für nicht-eisenhaltige Stähle (hier nicht anwendbar) würde Verzinkung oder Beschichtungen umfassen; für 301/304 verbessern Passivierung, Elektrolyse und mechanisches Polieren die Korrosionsbeständigkeit.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Umformung und Stanzen:
- 301: Ausgezeichnete Formbarkeit im geglühten Zustand; da es sich schnell verfestigt, kann es verwendet werden, um Teile zu produzieren, die während der Umformung an Festigkeit gewinnen (Rückfederungsverhalten muss berücksichtigt werden).
- 304: Hoch formbar und toleranter gegenüber Tiefziehoperationen; geringere Kaltverfestigung vereinfacht die Umformungsprognosen.
- Zerspanbarkeit:
- Beide schneiden schlechter ab als Kohlenstoffstähle; austenitische Edelstähle verkleben und verfestigen sich beim Schneiden. 301 neigt dazu, sich schneller zu verfestigen, was die Zerspanung kompliziert (erfordert scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten, Spanbrecher und moderate Schnittgeschwindigkeiten). 304 ist unter vielen Bedingungen etwas einfacher zu bearbeiten, erfordert jedoch dennoch optimierte Werkzeuge und Kühlmittel.
- Oberflächenbehandlung:
- Oberflächenfinish, Passivierung und Polieren sind für beide Legierungen ähnlich. Beachten Sie, dass kaltverformtes 301 martensitische Bereiche aufweisen kann, die unterschiedlich auf Ätzen/Polieren reagieren.
8. Typische Anwendungen
| 301 — Typische Anwendungen | 304 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Automobilverkleidungen und Strukturkomponenten, bei denen höhere gebildete Festigkeit nach Kaltverformung nützlich ist; Federn und Clips; architektonische Verkleidungen mit höheren Festigkeitsanforderungen | Küchenausrüstung, Lebensmittelverarbeitung, chemische Ausrüstung, architektonische Paneele, Befestigungen und allgemeine korrosionsbeständige Komponenten |
| Feder- und Gerätekomponenten, die die Kaltverfestigung nutzen | Druckbehälter, Rohrleitungen und Armaturen (304L für schweißkritische Anwendungen) |
| Luftfahrt-Innenausstattungen und Strukturteile, bei denen nach der Umformung eine leichte Festigkeit erforderlich ist | Medizinische Geräte, Getränkehandhabung und sanitäre Anwendungen |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 301, wenn Teile stark kaltverformt werden und die Designer die Kaltverfestigung nutzen möchten, um höhere Betriebsfestigkeit ohne Wärmebehandlung zu erreichen. - Wählen Sie 304, wenn Korrosionsbeständigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit im geglühten Zustand höhere Prioritäten haben.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 304 ist normalerweise etwas teurer als 301 aufgrund des höheren Nickelgehalts. Die Marktpreise variieren mit den Ni-Spotpreisen und regionalen Angeboten; 301 wird oft als kostengünstige Alternative gewählt, wenn die volle Korrosionsbeständigkeit von 304 nicht erforderlich ist.
- Verfügbarkeit: 304 ist die häufigste austenitische Edelstahllegierung weltweit und in der größten Produktformvielfalt erhältlich (Blech, Platte, Stange, Rohr, Befestigungen). 301 ist weit verbreitet, aber weniger allgegenwärtig; es ist häufig in Band, Blech und einigen Strukturformen anzutreffen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 301 | 304 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (Standardpraxis; Kohlenstoffvarianten beachten) | Sehr gut (stabiles Austenit; weit verbreitet für geschweißte Baugruppen) |
| Festigkeit–Zähigkeit | Höhere erreichbare Festigkeit nach Kaltverformung; ausgezeichnete Zähigkeit im geglühten Zustand | Stabile Zähigkeit und Duktilität; geringere Festigkeitssteigerung mit Kaltverformung |
| Kosten | Allgemein niedriger (weniger Ni) | Allgemein höher (mehr Ni) |
Empfehlung: - Wählen Sie 301, wenn Sie Teile benötigen, die kalt geformt werden und dann auf Kaltverfestigung für erhöhte Betriebsfestigkeit angewiesen sind (Clips, Federn, geformte Strukturteile), oder wenn ein kostengünstiger Edelstahl mit angemessener Korrosionsbeständigkeit akzeptabel ist. - Wählen Sie 304, wenn Ihre Priorität auf konsistenter Korrosionsbeständigkeit, hoher Duktilität und Zähigkeit im geglühten Zustand, breiter Verfügbarkeit und einfacheren Umform-/Schweißverhalten für Produktionsumgebungen liegt, in denen vorhersehbare, stabile austenitische Eigenschaften erforderlich sind.
Abschließende Anmerkung: Für jede kritische Spezifikation fordern Sie Werkstestzertifikate und Lieferantendatenblätter für die genaue Produktform an und ziehen Sie niedriglegierte oder stabilisierte Varianten (304L, 301L, 301LN) in Betracht, wenn Schweißen, Glühzeitplan oder Stickstoffgehalt entscheidend für die Leistung sind.