304 vs 2205 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor dem Kompromiss zwischen Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Leistung und Kosten, wenn sie Edelstahl für Prozessanlagen, Rohrleitungen und Strukturkomponenten auswählen. Die Güte 304 wird häufig verwendet, wenn Formbarkeit, Schweißbarkeit und moderate Korrosionsbeständigkeit die Hauptanforderungen sind; die Güte 2205 (ein Duplex-Edelstahl) wird ausgewählt, wenn höhere Festigkeit und verbesserte lokale Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.
Der grundlegende metallurgische Unterschied besteht darin, dass eine Güte eine vollständig austenitische Legierung ist, während die andere eine duale Phase (Ferrit + Austenit) aufweist. Dieser Unterschied führt zu Abweichungen in Festigkeit, Zähigkeit, Schweißverhalten und Anfälligkeit für die Bildung intermetallischer Phasen, weshalb diese beiden Güten häufig in Entwurfs- und Fertigungsentscheidungen verglichen werden.
1. Standards und Bezeichnungen
- 304
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (304, 304L Varianten)
- EN: EN 1.4301 (304), EN 1.4306 (304L)
- JIS: SUS304
- GB: 0Cr18Ni9 (ungefähre Bezeichnung)
- Klassifizierung: Edelstahl — austenitisch
- 2205
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32205 / S31803 historisch)
- EN: EN 1.4462
- Andere: UNS S32205, manchmal als Duplex 2205 bezeichnet
- Klassifizierung: Edelstahl — duplex (Ferrit + Austenit)
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische Zusammensetzungsbereiche (repräsentative Werte für standardisierte Handelsgüten). Exakte Grenzen hängen vom spezifischen Standard und der Produktform ab.
| Element | 304 (typisch) | 2205 (typisch) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 Gew% | ≤ 0.03 Gew% |
| Mn | ≤ 2.0 Gew% | ≤ 2.0 Gew% |
| Si | ≤ 1.0 Gew% | ≤ 0.8 Gew% |
| P | ≤ 0.045 Gew% | ≤ 0.03 Gew% |
| S | ≤ 0.03 Gew% | ≤ 0.02 Gew% |
| Cr | 17.0–19.0 Gew% | 21.0–23.0 Gew% |
| Ni | 8.0–10.5 Gew% | 3.0–5.5 Gew% |
| Mo | ~0 Gew% | 2.5–3.5 Gew% |
| V | Spuren / nicht spezifiziert | Spuren / nicht spezifiziert |
| Nb | — | typischerweise sehr niedrig / none |
| Ti | — | typischerweise sehr niedrig / none |
| B | — | Spuren, falls vorhanden |
| N | ~0.03–0.10 Gew% | 0.14–0.20 Gew% (signifikant) |
Legierungsstrategie und -effekte: - 304: Ni ist der Hauptstabilisator für Austenit; Cr sorgt für Passivität zur Korrosionsbeständigkeit. Niedriges C begrenzt die Karbidfällung und verbessert die Schweißbarkeit (304L-Variante senkt C weiter). - 2205: Erhöhtes Cr, Mo und N erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion und fördern eine höhere Festigkeit. Niedrigerer Ni senkt die Kosten und stabilisiert ein Gleichgewicht der Duplexphase (Ferrit + Austenit). Mo und N sind entscheidend für die lokale Korrosionsbeständigkeit und höhere Streckgrenze.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- 304 (austenitisch):
- Mikrostruktur: Vollständig austenitisch (FCC) im lösungsgeglühten Zustand.
- Wärmebehandlung: Lösungsglühen (~1010–1100°C) gefolgt von schnellem Abkühlen bewahrt den einphasigen Austenit; keine Härtung durch Abschrecken/Anlassen. Karbidfällung (Sensibilisierung) kann im Bereich von 450–850°C auftreten, wenn gehalten, was zu interkristalliner Korrosion führt; niedriglegierte (304L) oder stabilisierte Güten (304H, 321/347) adressieren dies.
- Thermomechanische Verarbeitung: Kaltverformung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung und verringert die Duktilität; Rekristallisation tritt während des Glühens auf.
- 2205 (duplex):
- Mikrostruktur: Gemisch aus Ferrit (α, BCC) und Austenit (γ, FCC) etwa 40–60% Ferrit unter ausgewogenen Bedingungen. Ferrit bietet Festigkeit und Widerstand gegen Spannungsrisskorrosion; Austenit bietet Zähigkeit und Duktilität.
- Wärmebehandlung: Lösungsglühen (~1020–1100°C) gefolgt von schnellem Abkühlen stellt das Phasengleichgewicht wieder her und löst schädliche intermetallische Phasen auf. Längere Exposition im Bereich von 600–1000°C fördert die Sigma-Phase und andere intermetallische Phasen, die das Material spröde machen und die Korrosionsbeständigkeit verringern; daher sind kontrollierte Wärmezyklen und schnelles Abkühlen entscheidend.
- Thermomechanische Verfahren: Warmverarbeitung und kontrolliertes Abkühlen beeinflussen das Phasengleichgewicht; übermäßige Kaltverformung erhöht den Stress und kann eine Glühung erfordern, um die Zähigkeit wiederherzustellen.
Normalisieren, Abschrecken & Anlassen: Dies sind Standardbegriffe für Kohlenstoff- und legierte Stähle. Für 304 und 2205 ist "Abschrecken & Anlassen" nicht anwendbar als Verstärkungswege; Lösungsglühen und kontrolliertes Abkühlen sind die relevanten thermischen Prozesse.
4. Mechanische Eigenschaften
Typische mechanische Eigenschaften unter üblichen geglühten/lösungsbehandelten Bedingungen. Werte variieren mit der Produktform (Blech, Platte, Rohr) und dem Standard.
| Eigenschaft | 304 (geglüht) | 2205 (lösungsgeglüht) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~490–750 | ~630–900 |
| Streckgrenze 0.2% (MPa) | ~200–300 | ~450–550 |
| Dehnung (% in 50 mm) | ~40–60 | ~20–35 |
| Schlagzähigkeit (Charpy, J) | Hoch, behält Zähigkeit bei niedrigen T | Gut, aber niedriger als 304 in einigen Orientierungen; ausgezeichnet bei Raumtemperatur |
| Härte (HRB/HRc ca.) | ~70–100 HRB | Typischerweise höher, ~100–150 HRB |
Interpretation: - 2205 hat erheblich höhere Streckgrenze und oft höhere Zugfestigkeit als 304 aufgrund der ferritischen Phase und der Legierung mit Stickstoff/Mo. - 304 bietet höhere Duktilität und im Allgemeinen bessere Zähigkeit in stark kaltverformten Bereichen; 2205 behält eine gute Zähigkeit für seine Festigkeit, hat jedoch eine reduzierte Dehnung. - Die Auswahl sollte die Festigkeitsanforderungen gegen die Formbarkeit und Zähigkeitsbedürfnisse abwägen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffäquivalent, dem Phasengleichgewicht und der Anfälligkeit für Rissbildung oder intermetallische Bildung ab.
Übliche Schweißbarkeitsindizes: - CE IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 304: Ausgezeichnete Schweißbarkeit unter den meisten Bedingungen; niedriger Kohlenstoff (insbesondere 304L) minimiert das Risiko der Sensibilisierung. Austenitische Struktur widersteht Kaltverzug; Vorwärmen ist normalerweise nicht erforderlich, und Nachschweißglühen ist selten notwendig. - 2205: Schweißbar, aber anspruchsvoller. Kontrolle der Wärmezufuhr und der Interpass-Temperaturen ist erforderlich, um ein ausgewogenes Verhältnis von Ferrit/Austenit in der Schweißzone zu erhalten. Übermäßige Wärme oder langsames Abkühlen können intermetallische Phasen (Sigma) oder übermäßig ferritische Schweißnähte erzeugen, die spröde sind oder eine schlechte Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Der Einsatz von passendem Duplex-Schweißzusatzwerkstoff und geeigneten Verfahren führt zu guten Ergebnissen; Nachschweißlösungsglühen wird manchmal für kritische Anwendungen verwendet, obwohl es nicht immer praktisch für große Baugruppen ist.
Praktische Hinweise: - Für 2205 helfen passender Zusatzwerkstoff und strenge Wärmeüberwachung, das gewünschte Phasengleichgewicht (typischerweise 40–60% Ferrit) zu erreichen. Hohe Wärmeinputs und lange Haltezeiten im Fenster der Sigma-Phasenbildung vermeiden. - Für 304 ist die Auswahl des Zusatzwerkstoffs unkompliziert (z.B. ER308/ER308L); auf Sensibilisierung achten, wenn ein Hochtemperaturbetrieb zu erwarten ist.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Edelstahlverhalten:
- Verwenden Sie die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN), um den Widerstand gegen Lochkorrosion in Chloridumgebungen zu vergleichen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Ungefähres Beispiel (Mittelwerte der Zusammensetzung): 304 (Cr ≈ 18, Mo ≈ 0, N gering) ergibt PREN ≈ 18; 2205 (Cr ≈ 22, Mo ≈ 3.0, N ≈ 0.17) ergibt PREN ≈ 34–35. Dies veranschaulicht, warum Duplex 2205 deutlich widerstandsfähiger gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen ist.
- Nicht-Edelstähle: Für Kohlenstoff- oder niedriglegierte Stähle (nicht der Fall hier) sind Verzinkung, Lackierung und kathodischer Schutz üblich; für 304/2205 ist Oberflächenschutz normalerweise nicht erforderlich, wenn die Auswahl der Güte zur Umgebung passt.
- Beschränkungen:
- 304 ist anfällig für lokale Angriffe (Loch-, Spaltkorrosion) in chloridreichen Umgebungen und für Spannungsrisskorrosion bei bestimmten Temperaturen und Chloridchemien.
- 2205 widersteht der durch Chlorid induzierten Spannungsrisskorrosion aufgrund des höheren Ferritgehalts und des höheren PREN viel besser, ist jedoch empfindlich gegenüber Sprödigkeit durch intermetallische Phasen, wenn es unsachgemäß verarbeitet wird.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Zerspanbarkeit:
- 304: Gute Zerspanbarkeit; austenitische Edelstähle verfestigen sich und erfordern starre Aufbauten, scharfe Werkzeuge und angemessene Schnittgeschwindigkeiten. Einsätze und kontrollierte Vorschübe helfen.
- 2205: Schwieriger zu bearbeiten als 304 aufgrund höherer Festigkeit und Verfestigung; erwarten Sie höhere Schnittkräfte und schnelleren Werkzeugverschleiß. Hartmetallwerkzeuge und reduzierte Schnitttiefenstrategien sind üblich.
- Formbarkeit:
- 304: Ausgezeichnete Kaltformbarkeit und Tiefziehfähigkeit; hohe Duktilität unterstützt komplexe Formoperationen.
- 2205: Eingeschränkte Kaltformbarkeit im Vergleich zu 304; das Formen kann niedrigere Dehnungsniveaus oder Zwischenanlassen erfordern. Biegeradien sollten größer und der Rückfederungswert höher sein.
- Oberflächenveredelung:
- Beide Güten können poliert und passiviert werden; 2205 erfordert Vorsicht, um Wärmeverfärbungen und intermetallische Ausfällungen während des Schweißens zu vermeiden; Beizen und Passivieren stellen die Oberflächenoxide wieder her.
8. Typische Anwendungen
| 304 — Typische Anwendungen | 2205 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Lebensmittelverarbeitungsanlagen, Küchenutensilien, HVAC-Komponenten, Innenarchitekturverkleidungen, chemische Prozessrohre mit mildem Einsatz | Chemische und petrochemische Wärmetauscher, Meerwasserrohre, Öl- & Gasoberflächenanlagen, Entsalzung, Flansche und Fittings, die Chloriden ausgesetzt sind |
| Automobilverkleidungen, Befestigungen, lebensmittelechte Tanks | Offshore-Strukturen, Bohrlochkomponenten, aggressive Chloridumgebungen, Druckbehälter, die höhere Festigkeit erfordern |
| Allzweckrohre, sanitäre Anlagen | Kryogene Tanks und strukturelle Anwendungen, bei denen ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht gewünscht wird |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn Formbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit in nicht-aggressiven Umgebungen Priorität haben und wenn Kostenempfindlichkeit erheblich ist. - Wählen Sie 2205, wenn Festigkeit, Widerstand gegen Loch- und Spaltkorrosion in Chloridmedien und geringere Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion erforderlich sind und wenn höhere Materialkosten gerechtfertigt sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten:
- 304 ist im Allgemeinen kostengünstiger aufgrund des höheren Ni-Gehalts als einige ferritische Güten, aber niedrigerem Mo und N als Duplex; es wird in sehr hohen Mengen produziert, was die Preise wettbewerbsfähig hält.
- 2205 ist teurer pro kg als 304 aufgrund des Mo- und kontrollierten N-Gehalts sowie komplexerer Verarbeitungsanforderungen.
- Verfügbarkeit:
- 304 ist allgegenwärtig in Blech-, Platten-, Stangen-, Rohr- und Befestigungsformen und wird weltweit gelagert.
- 2205 ist weit verbreitet, aber weniger allgegenwärtig; häufig in Rohren, Fittings, Platten und Stangen für industrielle Märkte. Lange Lieferzeiten und begrenzte Walzwerke können für sehr große oder exotische Produktformen auftreten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Eigenschaft | 304 | 2205 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet, nachsichtig | Gut mit Kontrollen; benötigt passenden Zusatzwerkstoff und Wärmeüberwachung |
| Festigkeit – Zähigkeit | Moderate Festigkeit, hohe Duktilität | Hohe Festigkeit, gute Zähigkeit für die Festigkeit |
| Kosten | Niedriger (wirtschaftlicher) | Höher (Premium-Legierung, Verarbeitung) |
Abschließende Hinweise: - Wählen Sie 304, wenn Sie hervorragende Formbarkeit und Schweißbarkeit, niedrigere Kosten und Einsatz in mild korrosiven Umgebungen (Lebensmittel, Architektur, allgemeine Prozessleitungen) benötigen. - Wählen Sie 2205, wenn das Design höhere Streck- und Zugfestigkeit, überlegenen Widerstand gegen Loch- und Spaltkorrosion sowie Chlorid-Spannungsrisskorrosion erfordert oder Gewicht-/Platzersparnis durch dünnere Abschnitte — und Sie höhere Material- und Fertigungskosten akzeptieren können.
Wenn die Korrosionsumgebung, Festigkeit oder SCC-Anfälligkeit ein kritischer Entwurfsfaktor ist, führen Sie eine gezielte Materialauswahlstudie (einschließlich PREN-Berechnungen, Schweißverfahrenqualifizierung und Korrosionstests) durch, um die beste Wahl für den spezifischen Einsatz zu bestätigen.