304 vs 202 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Edelstähle 304 und 202 sind gängige austenitische Sorten, die in der Fertigung, Architektur, Lebensmittelverarbeitung und im Konsumgütermarkt verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner entscheiden häufig zwischen ihnen, wenn sie Korrosionsbeständigkeit, mechanische Leistung, Schweißbarkeit und Stückkosten abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Spezifikation von Materialien für Geräte mit Lebensmittelkontakt in Innenräumen, architektonische Verkleidungen oder tragende Komponenten, bei denen Budgetbeschränkungen die Auswahl in Richtung nickelärmerer Optionen lenken.

Der Hauptunterschied zwischen 304 und 202 liegt in ihrer Legierungsstrategie: 304 verwendet mehr Nickel und Standardchrom, um eine robuste Korrosionsbeständigkeit und eine stabile austenitische Mikrostruktur zu gewährleisten, während 202 den Nickelgehalt reduziert (und Mangan und Stickstoff erhöht), um eine kostengünstigere Alternative mit etwas reduzierter Korrosionsbeständigkeit, aber vergleichbarer Festigkeit zu erreichen. Dieser Kompromiss – Materialkosten versus Korrosionsleistung und Prozessverhalten – treibt die meisten direkten Vergleiche an.

1. Normen und Bezeichnungen

• 304
• Gängige Bezeichnungen: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301 (und 304L als 1.4306), JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Klassifikation: Austenitischer Edelstahl (rostfrei).

• Typische Normen: ASTM A240/A480 (Platten und Bleche), ASME SA240, EN 10088-Serie.

• 202

• Gängige Bezeichnungen: AISI 202, UNS S20200, EN (nicht weit verbreitet standardisiert in Europa, häufig durch nationale Standards spezifiziert), JIS SUS202-Äquivalente in einigen Märkten, GB 202.
• Klassifikation: Austenitischer Edelstahl (rostfrei), oft als nickelärmerer austenitischer Grad vermarktet.
• Typische Normen: Wird in Blech-/Coil- und geformten Produkten verwendet; proprietäre Spezifikationsbereiche existieren in verschiedenen Regionen.

Beide Grade sind rostfreie (korrosionsbeständige) Stähle und keine Kohlenstoff-, Legierungs-, Werkzeug- oder HSLA-Stähle.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt häufig angegebene nominale oder Bereichszusammensetzungen (Gew.-%) für geschmiedete, handelsübliche Grade. Die Werte variieren je nach Norm und Charge; verwenden Sie das relevante Werkszertifikat für den Einkauf.

Wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen: - Chrom (Cr) sorgt für den passiven Oxidfilm und die allgemeine Korrosionsbeständigkeit; beide Grade haben einen ähnlichen Cr-Gehalt. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase und verbessert die Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit; 304 hat erheblich mehr Ni als 202. - Mangan (Mn) und Stickstoff (N) in 202 werden verwendet, um Austenit anstelle von etwas Nickel zu stabilisieren und die Festigkeit durch Festkörperverfestigung zu erhöhen. - Kohlenstoff beeinflusst die Festigkeit und das Risiko der Sensibilisierung; 202 hat oft eine leicht höhere Kohlenstoffgrenze. Niedrigkohlenstoffvarianten (z. B. 304L) werden verwendet, um die Sensibilisierung während des Schweißens zu reduzieren. - Minderbestandteile und Verunreinigungen (P, S) beeinflussen die Bearbeitbarkeit und lokale Korrosion.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostruktur (wie gefertigt)
• 304 und 202 sind im geglühten Zustand hauptsächlich austenitisch (flächenzentriertes kubisch). Die Stabilität des Austenits hängt vom Ni-, Mn- und N-Gehalt ab.
• 202 hat einen höheren Mn/N- und niedrigeren Ni-Gehalt; sein Austenit kann bei erhöhten Temperaturen und während starker Kaltbearbeitung etwas weniger stabil sein, bleibt jedoch bei Raumtemperatur für Standardzusammensetzungen austenitisch.

• Delta-Ferrit ist in diesen Zusammensetzungen unter normaler Abkühlung minimal; einige Verarbeitungswege können kleine Ferritanteile einführen.

• Reaktion auf gängige thermische/mechanische Behandlungen

• Glühen (Lösungsbehandlung): Typisch für beide Grade bei ~1000–1150 °C, gefolgt von schneller Abkühlung, um Karbide aufzulösen und die Mikrostruktur zurückzusetzen. Beide gewinnen nach der Lösungsglühung Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zurück.
• Kaltverarbeitung (Walzen, Ziehen, Biegen): Beide härten bei Kaltverarbeitung; 202 erreicht aufgrund des höheren Mn- und N-Gehalts oft höhere Festigkeitsniveaus nach Kaltverarbeitung bei gleicher Verformung.
• Alterung/Ausfällung: Austenitische Edelstähle werden nicht durch traditionelles Abschrecken und Anlassen gehärtet; längere Exposition im Temperaturbereich von 400–850 °C kann spröd machende Phasen (Karbide, Sigma-Phase) verursachen, die die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verringern – 304 ist aufgrund des höheren Ni-Gehalts widerstandsfähiger gegen intermetallische Ausfällungen.
• Normalisieren/Abschrecken & Anlassen: Nicht anwendbar als Verstärkungswege für austenitische Edelstähle; sie reagieren nicht auf martensitische Härtung wie Kohlenstoffstähle.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle bietet repräsentative Bereiche für geschmiedete, geglühte Produktformen (Blech, Platten oder kaltgewalzte Coils). Die tatsächlichen Eigenschaften hängen von Kaltverarbeitung, Dicke und Wärmebehandlung ab.

Interpretation: - 202 erreicht tendenziell höhere Festigkeit – insbesondere nach Kaltverarbeitung – aufgrund der höheren Mn- und N-Festkörperverfestigung. Die Streckgrenze und Zugfestigkeit sind unter vergleichbaren Bedingungen oft höher für 202. - 304 zeigt typischerweise höhere Duktilität und bessere erhaltene Zähigkeit nach thermischer Exposition oder Schweißen aufgrund des höheren Ni-Gehalts und der größeren Austenitstabilität. - Die Auswahl sollte den gelieferten Zustand berücksichtigen: Ein kaltverarbeiteter 304 kann einen geglühten 202 in der Festigkeit übertreffen, aber ein kaltverarbeiteter 202 wird im Allgemeinen stärker sein als ein ähnlich bearbeiteter 304.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von austenitischen Edelstählen ist im Allgemeinen gut, aber die Empfindlichkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt, der Legierung ab, die die Härtbarkeit beeinflusst, und der Anfälligkeit für interkristalline Korrosion.

Wichtige Formeln zur Bewertung des Schweißbarkeitsrisikos (qualitativ interpretieren):

• Kohlenstoffäquivalent (IIW-Methode): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Ein höherer $CE_{IIW}$ weist auf eine erhöhte Härtbarkeit und potenzielles Rissrisiko in einigen Stählen hin; für austenitische Edelstähle werden diese Elemente unterschiedlich verwendet, aber die Formel gibt ein vergleichendes Konzept.

• Äquivalenzzahl für Lochkorrosionsbeständigkeit (für Korrosion statt Schweißriss): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Pcm (Schweißbarkeitsindex, der mehr für Kohlenstoffstähle verwendet wird, aber konzeptionell nützlich ist): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation für 304 vs 202: - 304 zeigt typischerweise sehr gute Schweißbarkeit mit Standardfüllerstoffen (z. B. 308L für 304) und ein geringes Risiko für Heißrissbildung und nach dem Schweißen auftretende Sprödigkeit, wenn die richtigen Verfahren angewendet werden. Die Kohlenstoffkontrolle (304L) wird dort verwendet, wo Sensibilisierung ein Problem darstellt. - 202 schweißt akzeptabel mit gängigen Methoden, aber der reduzierte Ni-Gehalt erhöht das Risiko bestimmter schweißbezogener Probleme, wie z. B. leicht reduzierte Duktilität im wärmebeeinflussten Bereich und potenziell höhere Anfälligkeit für bestimmte Formen lokaler Korrosion in aggressiven Umgebungen. - Vor- und Nachreinigung, die richtige Auswahl des Füllmaterials und die Vermeidung längerer Exposition gegenüber Sensibilisierungstemperaturen sind Standardkontrollen. Für kritische Anwendungen sollten Schweißverfahren qualifiziert und Korrosionstests an geschweißten Baugruppen durchgeführt werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Rostfreies Verhalten
• Sowohl 304 als auch 202 verlassen sich auf einen chromreichen passiven Oxidfilm für Korrosionsbeständigkeit. 304, mit höherem Nickel, bietet im Allgemeinen eine überlegene allgemeine Korrosionsbeständigkeit, bessere Leistung in chloridhaltigen Umgebungen und bessere Formbarkeit ohne Oberflächenrisse, die die Passivität beeinträchtigen können.

• 202 hat eine akzeptable Korrosionsbeständigkeit für viele Innen- und leicht korrosive Umgebungen (dekorative Verkleidungen, Haushaltsgeräte, HVAC-Komponenten), wird jedoch nicht für chloridreiche Umgebungen (küstennah, maritim, chlorierte Prozessströme) empfohlen, wo 304 oder höherlegierte Grade bevorzugt werden.

• Verwendung von PREN (wo anwendbar)

• Für die Bewertung der Lochkorrosion verwenden Sie: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$

• PREN wird häufiger auf Duplex- und austenitische Grade angewendet, die Mo und erhöhten N-Gehalt enthalten; es wird veranschaulichen, warum 304 (niedriges Mo, niedriges N) und 202 (niedriges Mo, moderates N) beide in schweren Chloridumgebungen begrenzt sind.

• Oberflächenschutz für nicht rostfreie Stähle (hier nicht anwendbar)

• Wenn eine Projektspezifikation Verzinkung oder Lackierung erfordert, beachten Sie, dass dies separate Strategien sind, die für nicht rostfreie Stähle verwendet werden; für rostfreie Grade sind Oberflächenfinish und Passivierungsbehandlungen die primären Schutzmethoden.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit und Biegen:
• 304 hat eine ausgezeichnete Formbarkeit, Tiefziehfähigkeit und Rückfederungseigenschaften aufgrund des höheren Ni-Gehalts und stabilen Austenits – bevorzugt, wo komplexe Formgebung erforderlich ist.

• 202 kann geformt werden, hat jedoch eine höhere Verfestigungstendenz; Werkzeuge und Formen müssen erhöhte Formkräfte berücksichtigen, und häufigere Glühzyklen können für enge Radien erforderlich sein.

• Bearbeitbarkeit:

• Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen weniger bearbeitbar als Kohlenstoffstähle. Die höhere Festigkeit und Verfestigungstendenz von 202 machen die Bearbeitung geringfügig herausfordernder als bei 304; jedoch hängen die realen Ergebnisse von der Produktspezifikation ab, da 202 oft höhere Schwefelgrenzen in einigen kommerziellen Varianten enthält (was die Bearbeitbarkeit verbessert).

• Verwenden Sie geeignete Werkzeuge (Hartmetall-Einsätze, hohe positive Freifläche), Kühlmittel und konservative Vorschübe/Geschwindigkeiten für konsistente Ergebnisse.

• Oberflächenfinish:

• Sowohl Polieren, Beizen als auch Passivierungsbehandlungen sind Standard. 304 akzeptiert gängige Oberflächen (2B, BA, No.4) mit vorhersehbaren Ergebnissen; 202 kann leicht unterschiedliche Ätzverhalten zeigen und erfordert Aufmerksamkeit, um ein einheitliches Erscheinungsbild in dekorativen Anwendungen zu gewährleisten.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn Korrosionsbeständigkeit, langfristige Haltbarkeit in feuchten oder leicht aggressiven Bedingungen oder umfangreiche Form-/Schweißbaugruppen erforderlich sind. - Wählen Sie 202, wenn die anfänglichen Materialkosten ein dominierender Faktor sind und die Umgebung nicht aggressiv ist (innen, kontrollierte Atmosphäre) und höhere Festigkeit zu niedrigeren Kosten akzeptabel ist.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten
• 202 ist typischerweise pro Kilogramm günstiger als 304, da es Mangan und Stickstoff anstelle eines Teils des Nickelgehalts substituiert. Nickel ist ein hochpreisiges Legierungselement, daher werden niedrigere Ni-Grades oft als wirtschaftliche Alternativen vermarktet.

• Marktpreise schwanken mit den Rohstoffpreisen für Nickel und Edelstahl-Schrottwerten; die relative Prämie für 304 kann sich in Zeiten hoher Nickelpreise erheblich erhöhen.

• Verfügbarkeit

• 304 ist weltweit in Blech, Coil, Platten, Stangen, Rohren und Befestigungen allgegenwärtig. Die Lieferzeiten sind typischerweise kurz für Standardproduktformen.
• 202 ist in vielen Märkten für Blech und Coil weit verbreitet, kann jedoch in speziellen Produktformen oder spezifischen internationalen Standards weniger häufig sein. Bestätigen Sie die Verfügbarkeit für Großbestellungen oder spezielle Abmessungen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Abschließende Empfehlungen: - Wählen Sie 304, wenn Korrosionsbeständigkeit, überlegene Formbarkeit, etablierte globale Verfügbarkeit und langfristige Haltbarkeit in leicht aggressiven Umgebungen entscheidend sind. Es ist die sicherere Wahl für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt, hygienische und küsten-/maritim exponierte Anwendungen. - Wählen Sie 202, wenn die anfänglichen Materialkosten ein primärer Treiber sind, die Betriebsumgebung benign ist (innen, nicht chloridhaltig) und höhere Festigkeit oder niedrigerer Nickelgehalt akzeptabel sind. Validieren Sie durch anwendungsspezifische Korrosionstests und bestätigen Sie die Lieferantenspezifikationen für N, Mn und S, um die erforderliche Bearbeitbarkeit und Oberflächenfinish sicherzustellen.

Letzte Anmerkung: Geben Sie immer die erforderliche Produktform, Oberflächenfinish, mechanische Eigenschaftsbedingungen (geglüht vs. kaltverarbeitet) und anwendbare Normen in den Bestellungen an. Für Schweißverbindungen und kritische Komponenten führen Sie eine Qualifizierung des Schweißverfahrens durch und, wo Korrosionsbeständigkeit ein Sicherheits- oder Lebenszyklusproblem darstellt, führen Sie anwendungsspezifische Korrosionstests durch, anstatt sich ausschließlich auf allgemeine Gradvergleiche zu verlassen.