304 vs 204Cu – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen oft vor einem Kompromiss, wenn sie zwischen einem gut etablierten austenitischen Edelstahl wie 304 und nickelärmeren Alternativen wie 204Cu wählen. Die typischen Entscheidungskontexte umfassen das Abwägen von Korrosionsbeständigkeit gegen Materialkosten, die Wahl der optimalen Schweißbarkeit und Formbarkeit für die Fertigung sowie die Auswahl des richtigen Festigkeitsniveaus für tragende oder dünnwandige Strukturen.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Legierungen ist die Legierungsstrategie: 304 verlässt sich auf einen höheren Nickelgehalt, um die Austenitstruktur zu stabilisieren und eine breite Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit zu bieten, während 204Cu den Nickelgehalt reduziert und alternative Legierungsbestandteile — insbesondere höheres Mangan und zusätzliches Kupfer — verwendet, um Austenit aufrechtzuerhalten und die Festigkeit zu erhöhen. Dieser Unterschied führt zu divergierenden Verhaltensweisen in Bezug auf Korrosionsleistung, mechanische Eigenschaften, Schweißbarkeit und Kosten.

1. Normen und Bezeichnungen

• 304: Häufige Bezeichnungen sind UNS S30400 / S30403 (304L), EN 1.4301 (304), ASTM A240 / A276 / A312 (variiert je nach Produktform), JIS SUS304.
• Kategorie: Austenitischer Edelstahl (Allzweck).
• 204Cu: Häufige Bezeichnungen sind UNS S20430 (manchmal in Anbieterunterlagen als AISI 204Cu aufgeführt); äquivalente EN/JIS-Bezeichnungen sind möglicherweise nicht bei allen Lieferanten standardisiert.
• Kategorie: Austenitischer Edelstahl, nickelarm, kupferhaltige Variante (als kostengünstigere Alternative zur 300-Serie konzipiert).

Hinweis: Exakte Normnummern und verfügbare Produktformen (Blech, Coil, Stange, Rohr) hängen von Region und Anbieter ab; überprüfen Sie die geltende Norm für kritische Beschaffungen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Typische Zusammensetzungsbereiche sind unten aufgeführt. Exakte Grenzen hängen von der Norm oder dem Anbieter ab; die Tabelle gibt repräsentative nominale Bereiche an, die in der kommerziellen Praxis verwendet werden.

Element	304 (typischer Bereich, Gew.% )	204Cu (typischer Bereich, Gew.% )
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	~5.5 – 7.5
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	18.0 – 20.0	18.5 – 20.0
Ni	8.0 – 10.5	~3.5 – 5.0
Mo	≤ 0.25 (Spur)	≤ 0.25 (in der Regel keine)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
Cu	≤ 0.50 (Spur)	~1.0 – 2.0
N	≤ 0.10	bis ~0.20 (variiert je nach Produkt)

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Nickel ist der klassische Austenitstabilisator und verleiht 304 seine hervorragende Duktilität, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit in vielen Umgebungen. - Bei 204Cu wird die Nickelreduktion durch höheres Mangan und kontrolliertes Stickstoff kompensiert; Kupfer wird hinzugefügt, um die Austenitstabilität zu unterstützen und die Festigkeit durch Festkörperlösung/Kaltverformungseffekte zu erhöhen sowie bestimmte Rissarten zu mildern. - Der Chromgehalt in beiden Legierungen sorgt für grundlegende Passivität und Widerstand gegen Lochkorrosion; das Fehlen von Mo schränkt die Eignung in stark chloridhaltigen oder Spaltumgebungen im Vergleich zu Mo-haltigen Legierungen ein. - Höheres Mn und N verändern die Kaltverfestigung und mechanische Festigkeit; Kupfer modifiziert das mechanische Verhalten und kann den Widerstand gegen einige Arten von Chlorstresskorrosion erhöhen, ersetzt jedoch nicht die breite Korrosionsleistung von höher-nickelhaltigen Legierungen unter aggressiven Bedingungen.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• 304: Die typische Mikrostruktur ist nach der Standardlösungsglühung (ca. 1000–1100 °C, schnelles Abkühlen) vollständig austenitisch (γ-Phase). Sie ist nicht durch thermische Abschreck-/Anlassmethoden härtbar (keine martensitische Umwandlung beim Abkühlen), aber eine signifikante Verstärkung wird durch Kaltverformung erreicht, die die Versetzungsdichte erhöht und die Streckgrenze/Zugfestigkeit steigert.
• 204Cu: Ebenfalls so konzipiert, dass sie im geglühten Zustand austenitisch ist. Das hohe Mn und Cu sowie mögliche N-Zugaben helfen, Austenit ohne hohen Ni zu stabilisieren. Die Mikrostruktur unter Standardverarbeitung ist austenitisch, zeigt jedoch eine höhere Neigung zur Kaltverfestigung. Kupfer bleibt in fester Lösung und kann die Stapelfehlerenergie und Versetzungsinteraktionen leicht modifizieren.
• Wärmebehandlungswege:
• Lösungsglühen und Abschrecken: Stellt Duktilität und Korrosionsbeständigkeit für beide Legierungen wieder her; notwendig nach Kaltverformung oder Schweißen, um die Kaltverfestigung zu lösen und Sensibilisierungsprodukte aufzulösen (Sensibilisierung ist hauptsächlich ein Problem bei Kohlenstoff und thermischer Exposition).
• Thermomechanische Verarbeitung: Kaltwalzen oder kontrollierte Glühzyklen erhöhen die Festigkeit durch Verfestigung; 204Cu erreicht typischerweise höhere Festigkeitszuwächse durch Kaltverformung als 304 aufgrund seines Legierungsgleichgewichts.
• Keine der Legierungen wird durch konventionelle Abschreck- und Anlasstechniken gehärtet, da beide austenitische Edelstähle sind; Ausscheidungshärtung ist nicht anwendbar.

4. Mechanische Eigenschaften

Die Werte variieren je nach Produktform (kaltgewalzt vs. geglüht, Blech vs. Stange) und Hersteller. Die folgenden Werte sind indikativ für typische geglühte Bereiche für kommerzielle Edelstahlbleche/-coils; überprüfen Sie die Datenblätter der Lieferanten für präzise Beschaffungsanforderungen.

Eigenschaft (geglüht, indikativ)	304	204Cu
Zugfestigkeit (MPa)	~500 – 700	~550 – 750
Streckgrenze (0.2% Offset, MPa)	~200 – 300	~250 – 350
Dehnung (% in 50 mm)	~40 – 60	~30 – 50
Schlagzähigkeit (Charpy V, Raumtemperatur)	Hoch, typischerweise gute Zähigkeit	Allgemein gut; kann bei vergleichbarer Dicke aufgrund höherer Festigkeit etwas niedriger sein
Härte (HRB / HB)	~70 – 100 HRB (≈150 – 220 HB)	Im Durchschnitt etwas höher aufgrund von Legierung / Kaltverfestigung

Interpretation: - 204Cu ist typischerweise etwas stärker in sowohl der Streck- als auch der Zugfestigkeit im geglühten Zustand und insbesondere nach Kaltverformung, bedingt durch die Mn/N/Cu-Chemie und die höhere Kaltverfestigungsrate. - 304 zeigt typischerweise eine höhere Duktilität und etwas bessere Zähigkeit bei gleicher Dicke und Verarbeitungsgeschichte, was es bevorzugt macht, wo tiefes Ziehen oder starke Formgebung erforderlich ist. - Beide Legierungen behalten bei Raumtemperatur eine gute Zähigkeit; die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und spezifische Schlagwerte hängen vom Stickstoffgehalt und der Verarbeitung ab.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt von der Zusammensetzung (Kohlenstoff, Mn, Ni, Cu, N), thermischen Zyklen und der Fugenform ab.

Wichtige Indizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chromäquivalent (Pcm) für Kaltverzugsempfindlichkeit: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 304: Niedrigeres Mn und höheres Ni führen normalerweise zu hervorragender Schweißbarkeit, geringer Neigung zu Heißrissbildung und guter Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion, wenn niedriglegierte Stähle (304L) oder geeignete Nachschweißglühpraktiken verwendet werden. - 204Cu: Höheres Mn und Cu erhöhen die Werte in den CE/Pcm-Ausdrücken und können die Härtbarkeit und das Rissrisiko unter bestimmten Bedingungen erhöhen; jedoch wird 204Cu typischerweise produziert und qualifiziert, um mit Standardverfahren (TIG, MIG, Widerstandsschweißen) schweißbar zu sein, wenn geeignete Füllmetalle und Fugenformen verwendet werden. Vorwärm- und Zwischenpass-Temperaturen sind für dünne Abschnitte normalerweise nicht erforderlich, aber Schweißzusätze und Nachbehandlungen sollten sorgfältig ausgewählt werden. - Praktischer Hinweis: Da 204Cu einen niedrigeren Ni-Gehalt hat, ist die Auswahl des passenden Füllmaterials und die Kontrolle der Verdünnung wichtig, um die Korrosionsleistung und die austenitische Mikrostruktur im Schweißbereich zu erhalten. Wo der Einsatz chloridreich ist, kann die Verwendung von 316 oder höherlegiertem Schweißmetall gerechtfertigt sein.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• 304: Gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen, milden chemischen und Lebensmittelumgebungen. Anfällig für Chlorlochkorrosion und Spaltkorrosion in aggressiven Chlor-Medien; nicht empfohlen für Meerwasser oder stark saure Chlorumgebungen ohne Schutzmaßnahmen.
• 204Cu: Entwickelt, um Korrosionsbeständigkeit vergleichbar mit 304 in vielen milden bis moderaten Umgebungen zu bieten. Da Ni reduziert ist, können die Widerstände gegen Loch- und Spaltkorrosion ähnlich sein, hängen jedoch von den genauen Cr/N-Werten und dem Vorhandensein von Mo (in der Regel abwesend) ab. Kupfer kann bescheidene Verbesserungen des Widerstands gegen bestimmte Konzentrationen von Schwefelsäure bewirken und kann den Widerstand gegen Spannungsrisskorrosion unter bestimmten Bedingungen beeinflussen, ersetzt jedoch nicht die Vorteile höherer Ni-Legierungen in schweren Chlor- oder Hochtemperaturanwendungen.

Verwendung von Indizes: - Das Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) ist nützlich, wenn Mo und N variieren: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Für sowohl 304 als auch 204Cu (Mo ≈ 0) wird PREN durch Cr und N bestimmt; beide haben typischerweise moderate PREN-Werte und werden nicht als hochpittingresistente Legierungen betrachtet.

Oberflächenschutz für nicht-rostfreie Oberflächen: - Wenn nicht-rostfreie oder niedriglegierte Optionen in Betracht gezogen werden, sind Verzinkung, Lackierung oder Polymerbeschichtungen Standard. Sowohl 304 als auch 204Cu sind rostfreie Typen; wenn zusätzlicher Schutz erforderlich ist (z. B. in maritimen Atmosphären), werden Beschichtungen oder die Verwendung von korrosionsbeständigeren Legierungen empfohlen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formgebung: 304 ist aufgrund höherer Duktilität und niedrigerer Kaltverfestigungsrate in vielen Temperaturbedingungen im Allgemeinen überlegen für tiefes Ziehen und starke Formgebung. 204Cu, obwohl formbar, zeigt eine höhere Kaltverfestigung, sodass mehr Formkraft und Zwischenanlösungen für enge Radien oder komplexe Formen erforderlich sein können.
• Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle verfestigen sich schnell; die höhere Festigkeit und Neigung zur Kaltverfestigung von 204Cu können die Bearbeitbarkeit im Vergleich zu 304 verringern. Geeignetes Werkzeug, starre Aufbauten und Spänekontrolle sind für beide unerlässlich; 204Cu kann aggressivere Schneidparameter oder Hartmetallwerkzeuge für eine effiziente Bearbeitung erfordern.
• Oberflächenveredelung: Beide nehmen Standardoberflächen (poliert, gebürstet) an. Die Kupferpräsenz in 204Cu kann die Farbe/Optik leicht beeinflussen und kann die Ätz-/Beizzyklen beeinflussen; folgen Sie den Anweisungen des Lieferanten für chemische Behandlungen.
• Empfehlung zur Formgebung/Verarbeitung: Für hochvolumige Stanz- oder Tiefziehteile bevorzugen Sie 304, es sei denn, Kosten/Festigkeitskompromisse oder Korrosionsumgebungen rechtfertigen 204Cu. Für schwerwandige strukturelle Formgebung, bei der Festigkeit Priorität hat, kann die höhere Streckgrenze von 204Cu vorteilhaft sein.

8. Typische Anwendungen

304 (typische Anwendungen)	204Cu (typische Anwendungen)
Lebensmittelverarbeitungsgeräte, Küchengeräte, Spülen, medizinische Geräte, architektonische Verkleidungen	Gerätepaneele, HVAC-Komponenten, dekorative Verkleidungen, Konsumgüter, bei denen niedrigere Kosten und angemessene Korrosionsbeständigkeit ausreichen
Wärmetauscher, chemische Prozessanlagen in milden Umgebungen	Wärmetauscher und Rohre in nicht-aggressiven Umgebungen, Möbel und Einrichtungsgegenstände
Befestigungen, Tanks und Rohrleitungen in nicht-chloridhaltigem Einsatz	Anwendungen, bei denen ein reduzierter Nickelgehalt aus Kosten- oder Versorgungsgründen wünschenswert ist, leichte Strukturkomponenten

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn nachgewiesene Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit und breite Anwendungsgeschichte erforderlich sind — insbesondere dort, wo Kontakt mit Lebensmitteln, Reinigungsmitteln oder moderater Chlorbelastung besteht. - Wählen Sie 204Cu, wenn ein niedrigerer Nickelgehalt die Kosten senkt und die Umgebung nicht aggressiv chloridhaltig ist, und wo mäßig höhere Festigkeit und gutes Oberflächenbild erforderlich sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• 304 ist eine der am weitesten verbreiteten und lagernden Edelstahllegierungen weltweit; die Verfügbarkeit in Blech, Coil, Platte, Stange und Rohr ist ausgezeichnet. Die Kosten sind stark an die Nickelmarktpreise gebunden; wenn Ni hoch ist, ist 304 entsprechend teurer.
• 204Cu ist eine nickelärmere Alternative und wird typischerweise günstiger als 304 eingepreist, wenn Nickelprämien signifikant sind. Die Verfügbarkeit wächst, kann jedoch in einigen Formen oder Größen eingeschränkt sein; Lieferzeiten und Mindestbestellmengen können je nach Anbieter und Region variieren.
• Für hochvolumige Beschaffungen bewerten Sie langfristige Nickelmarkttrends und lokale Lieferantenbestände; Kleinserien oder spezielle Formen können 304 begünstigen, da es eine breitere Unterstützung durch Anbieter gibt.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Metrik	304	204Cu
Schweißbarkeit	Ausgezeichnet (gut charakterisiert)	Gut mit geeigneten Verbrauchsmaterialien und Kontrollen
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Mäßige Festigkeit, hohe Duktilität & Zähigkeit	Höhere Festigkeit, gute Zähigkeit; weniger duktil im gleichen Zustand
Kosten	Höher (empfindlich gegenüber Ni-Preis)	Niedriger (reduziertes Ni; Kupfer kompensiert)

Schlussfolgerung mit Auswahlrichtlinien: - Wählen Sie 304, wenn Sie nachgewiesene, breite Korrosionsbeständigkeit benötigen (insbesondere in Lebensmittel-, Medizin- oder chloridbelasteten Umgebungen), maximale Formbarkeit für tiefes Ziehen und die größte Marktverfügbarkeit von Produktformen und Schweißverbrauchsmaterialien. - Wählen Sie 204Cu, wenn die Beschaffung kostensensitiv ist oder die Nickelverfügbarkeit ein Problem darstellt und die Einsatzumgebung mild bis moderat (nicht-aggressive Chlorbedingungen) ist. 204Cu bietet höhere Festigkeit in der Ausgangsform und kann ein guter Ersatz für Blech-, Paneel- und leichte Strukturteile sein, wo die Anforderungen an die Formbarkeit moderat sind und die Korrosionsumgebung nicht schwerwiegend ist.

Letzter Hinweis: Beide Legierungen haben legitime Rollen in der modernen Fertigung. Für sicherheitskritische, chloridbelastete oder hochkorrosive Anwendungen sollten höherlegierte oder molybdänhaltige Edelstähle (z. B. 316 oder Superaustenit) in Betracht gezogen werden. Bestätigen Sie immer die genauen chemischen und mechanischen Grenzen mit den Datenblättern des Lieferanten und führen Sie anwendungsspezifische Qualifikationen (Schweißversuche, Korrosionstests, Formversuche) durch, bevor Sie die endgültige Materialauswahl treffen.