301 vs 304 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

301 und 304 sind zwei der am häufigsten spezifizierten austenitischen Edelstähle in der Fertigung, Automobilindustrie, Haushaltsgeräten und im architektonischen Bereich. Ingenieure und Beschaffungsteams wägen routinemäßig die Kompromisse zwischen Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl einer Sorte für kaltgeformte Komponenten, bei denen der Festigkeitszuwachs durch Kaltverfestigung von Bedeutung ist, oder die Auswahl eines Materials für Lebensmittel-, chemische oder architektonische Anwendungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit und langfristige Stabilität von größter Bedeutung sind.

Der primäre funktionale Unterschied zwischen 301 und 304 besteht darin, wie sie auf Kaltverformung reagieren: 301 verfestigt sich leichter als 304, was nach der Kaltbearbeitung zu einer erheblich höheren Festigkeit führt, jedoch auf Kosten der Duktilität und manchmal der dimensionalen Stabilität. Dieses Verhalten – zusammen mit den Unterschieden im Chrom- und Nickelgehalt – bestimmt ihre vergleichende Leistung in Form-, Ermüdungs- und korrosionskritischen Anwendungen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Gemeinsame internationale Standards:
• ASTM/ASME: A240/A666 (Blech/Platte/Rollen), A276 (Stäbe), oft für sowohl 301 als auch 304 referenziert.
• EN: EN 10088 Reihe für Edelstähle (z.B. EN 1.4310/1.4301 Familiennummern).
• JIS: JIS G4303 / G4305 und verwandte Produktstandards in Japan.
• GB: GB/T Standards für Edelstähle in China.
• Klassifikation:
• Sowohl 301 als auch 304 sind austenitische Edelstähle.
• Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Grade; sie gehören zur Edelstahlfamilie, die durch hohen Chrom- und signifikanten Nickelgehalt gekennzeichnet ist.
• Varianten existieren (z.B. 301LN, 301Ti, 304L, 304H), die Stickstoff, Titan oder weniger Kohlenstoff zur spezifischen Eigenschaftskontrolle einführen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Hinweise: - 301 verwendet eine niedrigere Nickel- und leicht niedrigere Chromstrategie im Vergleich zu 304; dies senkt die Kosten und erhöht die Anfälligkeit für Transformationen unter Kaltarbeit, was ausgenutzt wird, wenn eine höhere Festigkeit nach der Formgebung gewünscht ist. - Legierungselemente beeinflussen drei Kernverhalten: Korrosionsbeständigkeit (dominiert von Cr und Ni), Austenitstabilität und Zähigkeit (Ni stabilisiert Austenit) sowie Kaltverfestigungsverhalten (Zusammensetzung und Stapelfehlerenergie beeinflussen die durch Dehnung induzierte martensitische Transformation).

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Als hergestellte Mikrostruktur:
• Sowohl 301 als auch 304 sind bei Raumtemperatur im lösungsgeglühten Zustand überwiegend austenitisch.
• 301 hat eine niedrigere Austenitstabilität als 304; unter erheblicher Kaltverformung kann 301 teilweise in verformungsinduzierten Martensit umwandeln oder eine höhere Versetzungsdichte und Deformationszwillinge aufweisen, abhängig von der Legierungsvariante und der Temperatur.
• Reaktion auf Kaltverformung und Wärmebehandlung:
• Glühen (Lösungsglühen) bringt beide Sorten in eine duktilere, vollständig austenitische Struktur zurück.
• Es gibt keine konventionelle Härtung durch Abschrecken und Anlassen für diese austenitischen Edelstähle wie bei ferritischen/martensitischen Stählen; Wärmebehandlungen werden hauptsächlich zur Spannungsfreisetzung, Lösungsglühen oder Stabilisierung von Karbiden (mit Ti- oder Nb-Zusätzen) verwendet.
• Thermomechanische Verarbeitung: 301 wird oft kaltgewalzt, um höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit durch Kaltverfestigung zu erreichen; 304 wird ebenfalls verfestigt, jedoch in geringerem Maße und behält eine höhere Duktilität im geglühten Zustand.
• Praktische Implikation: Die Neigung von 301 zur Kaltverfestigung (und zur Bildung von Martensit unter bestimmten Bedingungen) wird für Federstreifen, Sitzrahmen und hochfeste geformte Teile ausgenutzt; 304 wird bevorzugt, wenn dimensionale Stabilität und konsistente Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.

4. Mechanische Eigenschaften

Erklärung: - 301 kann höhere Festigkeiten als 304 durch Kaltverformung erreichen, da sein Legierungsverhältnis (niedriger Ni, leicht unterschiedliche Stapelfehlerenergie) eine schnellere Ansammlung von Versetzungen fördert und in einigen Fällen verformungsinduzierten Martensit. Dies führt zu höheren Zug- und Streckgrenzen nach der Formgebung, was vorteilhaft für Feder- und hochfeste geformte Komponenten ist. - 304 behält überlegene gleichmäßige Duktilität und konsistentere Zähigkeit in Anwendungen, in denen minimale Kaltverformung vorhanden ist oder in denen die Verformungsdehnungen niedrig gehalten werden müssen, um die Korrosionsbeständigkeit oder die Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten.

5. Schweißbarkeit

• Sowohl 301 als auch 304 lassen sich leicht mit gängigen Edelstahl-Schweißverfahren (TIG, MIG, Widerstandsschweißen) schweißen. Die primären Schweißbarkeitsüberlegungen sind der Kohlenstoffgehalt (Sensibilisierungsrisiko), das Vorhandensein von Stabilisatoren (Ti/Nb) und Restspannungen.
• Kohlenstoff und Härtbarkeit: Höherer Kohlenstoff erhöht das Risiko der Sensibilisierung (Ausfällung von Chromkarbid) in der wärmebeeinflussten Zone bei langsamer Abkühlung, insbesondere für Sorten mit höherem C. Niedrigkohlenstoffvarianten (z.B. 304L, 301L) reduzieren dieses Risiko.
• Verwendung von Schweißbarkeitsindizes:
• Der IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Interpretation von $CE_{IIW}$ qualitativ: Höhere Werte weisen auf ein größeres Risiko von härtbarkeitsbedingtem Riss in Stählen hin; für austenitische Edelstähle hilft der Index, die Anfälligkeit zu umreißen, obwohl Austeniten sich normalerweise anders verhalten als ferritische Stähle.
• Die 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 von $P_{cm}$ qualitativ: Höhere Werte deuten auf mehr Bedenken hinsichtlich Kaltverzug und Verhalten der schweißwärmebeeinflussten Zone hin; für 301 und 304 sind die Werte im Vergleich zu hochlegierten Stählen im Allgemeinen niedrig, aber die Kontrolle des Kohlenstoffs und die Auswahl des Zusatzmaterials bleiben wichtig.
• Praktische Schweißanleitung:
• Verwenden Sie niedriglegierte oder stabilisierte Sorten für kritisches Korrosionsschweißen oder für schwere Abschnitte, in denen langsame Abkühlung auftritt.
• Verwenden Sie passende oder leicht höherlegierte Füllstoffe für korrosionskritische Verbindungen; für 301 wählen Sie Füllstoffe, die Duktilität und Korrosionsbeständigkeit nach Kaltverformung und Schweißen erhalten.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Edelstahlverhalten:
• Chrom sorgt für den passiven Film; Nickel stabilisiert die austenitische Struktur und fördert die Widerstandsfähigkeit gegen Chlorstresskorrosionsrissbildung in einigen Kontexten.
• Verwenden Sie den PREN-Index zur Bewertung der Lochfraßbeständigkeit, wo anwendbar: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Hinweis: PREN ist am besten geeignet zur Bewertung der Lochfraßbeständigkeit von höherlegierten Edelstahlsorten (z.B. Duplex, superaustenitisch); 301 und 304 erzielen typischerweise vergleichsweise niedrige Werte bei PREN, da keiner Mo enthält.
• Vergleichende Korrosionsbeständigkeit:
• 304 bietet im Allgemeinen eine bessere allgemeine Korrosionsbeständigkeit als 301 aufgrund seines höheren Chrom- und Nickelgehalts.
• Wo schwerer Chlorlochfraß oder Spaltkorrosion ein Risiko darstellt, sind weder 301 noch 304 ideal; Mo-haltige Sorten (z.B. 316) oder Duplexsorten werden bevorzugt.
• Nicht-Edelstahlalternativen und Oberflächenschutz:
• Für nicht-Edelstähle werden Methoden wie Verzinkung, Lackierung oder beschichtete Oberflächen verwendet; diese liegen außerhalb des Rahmens für 301/304, sind jedoch relevant, wenn die Kosten einen Austausch erfordern.
• Oberflächenfinish, Kaltverformung und Restspannungen beeinflussen die Korrosionsleistung. Starke Kaltverformung in 301 kann lokale Veränderungen im elektrochemischen Verhalten verursachen; Nachbearbeitungs-Passivierung oder Glühen können verwendet werden, um die Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit:
• 301 wird oft für Anwendungen spezifiziert, die eine hohe Rückfederungskontrolle und erhöhte Festigkeit nach der Formgebung erfordern, da es sich stark verfestigt; jedoch kann starke Formgebung zu verringerter Duktilität und Rissrisiko führen, wenn es überarbeitet wird.
• 304 bietet ausgezeichnete Formbarkeit im geglühten Zustand, mit hervorragenden Dehn-, Tiefzieh- und Biegeeigenschaften.
• Zerspanbarkeit:
• Beide haben im Vergleich zu Kohlenstoffstählen relativ schlechte Zerspanbarkeit; 301 kann im kaltverarbeiteten Zustand aufgrund der erhöhten Härte schwieriger zu bearbeiten sein.
• Die Wahl von Werkzeugen, Schnittgeschwindigkeiten und Kühlstrategien ist wichtig.
• Oberflächenfinish und -bearbeitung:
• Kaltverformung in 301 kann zu Oberflächenverzerrungen oder Dehnungsmarkierungen führen; Polier- und Passivierungsbehandlungen sind üblich, um das Erscheinungsbild und die Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen.
• 304 ist im Allgemeinen einfacher auf eine kosmetische Oberfläche im geglühten Zustand zu bringen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 301, wenn hohe Festigkeit nach Kaltverformung und Kostenempfindlichkeit (niedriger Ni) Prioritäten sind und wenn die Anwendung eine etwas niedrigere Korrosionsbeständigkeit toleriert oder wenn Teile nachbehandelt werden.

- Wählen Sie 304, wenn konsistente Korrosionsleistung, Formbarkeit und breite Anwendbarkeit in hygienischen oder architektonischen Anwendungen die Spezifikation dominieren.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• 301 hat typischerweise niedrigere Legierungskosten als 304 aufgrund seines niedrigeren Nickelgehalts; dies macht es attraktiv, wo Nickelpresempfindlichkeit und Festigkeit durch Formgebung Prioritäten sind.
• 304 ist teurer als 301 auf Basis des Legierungsgehalts, bleibt jedoch eine der am häufigsten gelagerten Edelstahlsorten weltweit.
• Verfügbarkeit:
• Beide Sorten sind weit verbreitet in Blech-, Coil-, Streifen-, Stab- und geschweißten Rohrprodukten erhältlich. 304 hat typischerweise eine breitere Produktformabdeckung und größere Lagerbestände aufgrund seines Allzweckstatus.
• Spezialvarianten oder Produkte mit engen Toleranzen können Vorlaufzeiten haben; spezifizieren Sie frühzeitig die Mill-Zertifikate und Produktformen in der Beschaffung.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Fazit: - Wählen Sie 301, wenn Sie höhere Festigkeit durch Kaltverformung benötigen (z.B. Federn, hochfeste gestanzte Teile), die Materialkosten durch Verwendung eines niedrigeren Nickelgehalts senken möchten und alle notwendigen Nachbehandlungen zur Aufrechterhaltung der Korrosionsleistung verwalten können. - Wählen Sie 304, wenn Korrosionsbeständigkeit, konsistente Duktilität, breite Schweißbarkeit und allgemeine Anwendbarkeit primäre Anforderungen sind – insbesondere für Lebensmittel-, Pharma-, Architektur- und viele chemische Anwendungen.

Wenn die Projektanforderungen schwere Chlorbelastung, erhöhte Betriebstemperaturen oder strenge Lochfraßbeständigkeit umfassen, ziehen Sie höherlegierte Sorten (z.B. 316, Duplex-Edelstahl) in Betracht, anstatt zwischen 301 und 304 zu wählen.