304 vs 304H – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Die Edelstähle Typ 304 und Typ 304H sind zwei austenitische Edelstahlqualitäten, die in den Bereichen Prozess-, Druckbehälter- und allgemeinen Fertigungsindustrien weit verbreitet sind. Ingenieure und Einkäufer berücksichtigen bei der Auswahl üblicherweise Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit, Umformbarkeit, Hochtemperatureigenschaften und Kosten. Typische Anwendungsfälle sind die Spezifikation von Werkstoff für geschweißte Druckbehälter, die Auswahl von Rohrleitungen für Wärmetauscher oder die Wahl von Blechen für allgemeine Fertigungen.
Das hauptsächliche Unterscheidungsmerkmal zwischen den beiden Qualitäten ist der Kohlenstoffgehalt: 304H weist einen erhöhten Kohlenstoffanteil im Vergleich zu Standard 304 auf. Diese einzige Änderung bewirkt eine vorhersehbare Leistungsverschiebung – vor allem eine Erhöhung der Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen, zugleich aber ein höheres Risiko der Ausscheidung von Karbiden und damit verbundener Sensibilisierung bei bestimmten thermischen Zyklen. Da 304 und 304H ansonsten sehr ähnlich sind (beide besitzen eine austenitische Matrix, stabilisiert durch Chrom und Nickel), werden sie häufig gegenübergestellt, wenn ein Gleichgewicht zwischen mechanischer Leistung bei hohen Temperaturen und Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit sowie Umformbarkeit erforderlich ist.
1. Normen und Bezeichnungen
Wichtige Spezifikationen, die 304 und 304H abdecken, sind unter anderem: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (Bleche, Bänder), ASTM A312 (nahtlose und geschweißte Rohre), ASTM A269 (geschmiedete Rohre) usw. - EN: EN 10088-Reihe für Edelstahl (EN 1.4301 entspricht 304). - JIS: JIS G4303 / JIS G4305 (Edelstahl; Entsprechungen). - GB: GB/T 1220 und verwandte chinesische Normen für Edelstahl.
Klassifikation: - Sowohl 304 als auch 304H gehören zu den austenitischen Edelstählen. Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Qualitäten. - Sie werden als korrosionsbeständige Edelstahllegierungen spezifiziert und verwendet, nicht als Baustähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle fasst typische Zusammensetzungsbereiche aus gängigen Normen zusammen (Werte in Gew.-%, dienen als typische standardisierte Bereiche und nicht als spezifische Werkszeugnisse):
| Element | 304 (typischer Bereich) | 304H (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0,08 Gew.-% | 0,04 – 0,10 Gew.-% |
| Mn | ≤ 2,0 Gew.-% | ≤ 2,0 Gew.-% |
| Si | ≤ 1,0 Gew.-% | ≤ 1,0 Gew.-% |
| P | ≤ 0,045 Gew.-% | ≤ 0,045 Gew.-% |
| S | ≤ 0,03 Gew.-% | ≤ 0,03 Gew.-% |
| Cr | ~18,0 – 20,0 Gew.-% | ~18,0 – 20,0 Gew.-% |
| Ni | ~8,0 – 10,5 Gew.-% | ~8,0 – 11,0 Gew.-% |
| Mo | Nicht spezifiziert (üblicherweise ≈ 0) | Nicht spezifiziert (üblicherweise ≈ 0) |
| V, Nb, Ti, B | Nicht spezifiziert / nur Spuren | Nicht spezifiziert / nur Spuren |
| N | Spuren (typisch ≤ 0,11) | Spuren (typisch ≤ 0,11) |
Legierungseinfluss auf das Verhalten: - Chrom (Cr) sorgt durch Bildung einer schützenden Oxidschicht für Korrosionsbeständigkeit und ist das Hauptlegierungselement für das Edelstahlverhalten. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase und verbessert Zähigkeit sowie Umformbarkeit. - Kohlenstoff (C) erhöht die Festigkeit des Austenits durch Festigkeitssteigerung im festen Lösungszustand und kann bei hitzeeinflussreichen Temperaturen Chromkarbide (Cr23C6) bilden; der erhöhte C-Gehalt in 304H steigert die Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit, erhöht aber das Sensibilisierungsrisiko. - Mangan (Mn) und Silizium (Si) sind geringfügige Austenitstabilisatoren und Entschwefelungselemente; Schwefel und Phosphor sind Verunreinigungen, die niedrig gehalten werden, um Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhalten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Sowohl 304 als auch 304H sind im lösungsgeglühten Zustand bei Raumtemperatur vollständig austenitisch (kubisch-flächenzentriert). Unter üblichen Prozessen (Warmwalzen, Lösungsglühen, Luftabschreckung) ist die Mikrostruktur eine homogene Austenitmatrix mit möglichen Zwillingsgrenzen und einigen Rekristallit-Zwillingen.
Wesentliche mikrostrukturelle Unterschiede und Reaktion auf Wärmebehandlung: - 304 (geringerer C-Gehalt) neigt weniger zur Bildung von Chromkarbiden bei langsamer Abkühlung oder bei mittleren Temperaturen; Lösungsglühen oberhalb von ca. 1.040–1.100 °C gefolgt von schnellem Abschrecken stellt eine karbidfreie austenitische Matrix wieder her. - 304H (höherer C-Gehalt) weist eine stärkere Neigung zur Ausscheidung von Chromkarbiden im Sensibilisierungsbereich (~450–850 °C) auf. Die Karbidbildung erfolgt bevorzugt an Korngrenzen und kann lokal Chrom aufzehren, was die interkristalline Korrosionsbeständigkeit mindert. - Keine der beiden Qualitäten härtet durch Abschrecken und Anlassen wie martensitische Stähle; sie sind nicht wärmebehandlungsfähig zur Festigkeitssteigerung durch konventionelle Phasenumwandlungen. Festigkeitsanpassungen erfolgen durch Kaltverformung oder durch die Angabe eines höheren Kohlenstoffgehalts (304H) für erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen. - Thermomechanische Prozesse (Kaltverformung, Glühzyklen) beeinflussen Versetzungsdichte, Korngröße und Textur bei beiden Qualitäten ähnlich. Lösungsglühen bei Austenitisierungstemperaturen löst Karbide auf, wenn entsprechend gehalten und schnell abgeschreckt wird; langsame Abkühlung nach dem Schweißen oder längerer Betrieb bei mittleren Temperaturen fördert Karbidbildung in 304H stärker als in 304.
4. Mechanische Eigenschaften
Beide Stähle bieten im geglühten Zustand gute Duktilität und Zähigkeit; 304H zeigt typischerweise leicht höhere Festigkeiten, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, was auf den höheren Kohlenstoffgehalt zurückzuführen ist.
| Eigenschaft | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (relativ) | Standardniveau austenitisch | Leicht höher (besonders bei erhöhten Temperaturen) |
| Streckgrenze (relativ) | Basis für 300er Austenit | Leicht höher als 304 |
| Dehnung / Duktilität | Hohe Duktilität; gute Umformbarkeit | Leicht verringerte Duktilität gegenüber 304 |
| Kerbschlagzähigkeit | Ausgezeichnet bei Raumtemperatur | Vergleichbar bei Raumtemperatur, sofern nicht sensibilisiert; vermindert bei Karbidausscheidung |
| Härte | Typische Härte geglüht austenitisch | Leicht höher im geglühten Zustand aufgrund C-Anteil |
Erklärung: - Bei Raumtemperatur sind die Unterschiede moderat – beide Qualitäten zeigen ähnliche Zug- und Streckgrenzen bei hoher Dehnung. 304H erzielt tendenziell etwas höhere Zug- und Streckgrenzen durch den festigkeitssteigernden Kohlenstoff. - Bei erhöhten Temperaturen oder unter Kriechbedingungen behält 304H eine höhere Festigkeit als 304 und wird daher für Druckbehälter bei höheren zulässigen Temperaturen spezifiziert. - Wird 304H sensiblen Temperaturzyklen ausgesetzt (z. B. Schweißen ohne Nachwärmen oder längerer Betrieb im Bereich von 450–850 °C), kann es durch Chromkarbidbildung zu interkristalliner Korrosion und verminderter Zähigkeit kommen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von 304 und 304H ist generell gut; beide lassen sich mit gängigen Verfahren problemlos schweißen (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst jedoch das Sensibilisierungsrisiko und die Eigenschaften des Wärmeeinflussbereichs (WEA).
Relevante Kohlenstoffäquivalente / Schweißbarkeitsindizes: - Qualitative Interpretation mittels IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Für Edelstahl gibt es eine komplexere Zusammensetzung mit $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 304 (niedrigerer C-Gehalt) weist geringere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Beiträge durch Kohlenstoff als 304H auf, was bedeutet, dass 304 weniger anfällig für die Bildung harter, spröder Mikrostrukturen im WEA ist und eine geringere Sensitivität gegenüber interkristalliner Korrosion beim Schweißen aufweist, sofern geeignete Füllwerkstoffe und Verfahren eingesetzt werden. - Der höhere Kohlenstoffgehalt von 304H erhöht das Härtungspotential bei schnellen thermischen Zyklen und das Sensibilisierungsrisiko im und um das WEA, wenn Korngrenzenkarbide entstehen. Für geschweißte Druckbehälter bei erhöhten Temperaturen wird daher häufig 304H zur Erfüllung der zulässigen Spannungen spezifiziert; Fülldraht-Wahl und Schweißpraxis (z. B. Einsatz stabilisierter Qualitäten oder Nachbehandlung durch Lösungsglühen, wenn möglich) mindern Risiken. - Vorwärmen ist für diese austenitischen Edelstähle allgemein nicht erforderlich, aber die Regelung der Wärmeeinbringung und Auswahl geeigneter Füllmetalle (z. B. kohlenstoffarme oder stabilisierte Qualitäten) ist bei 304H wichtig, um Versprödung oder interkristalline Korrosion zu vermeiden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 304 als auch 304H sind aufgrund der Chrompassivierung in vielen Umgebungen korrosionsbeständig. Da sie kein Molybdän enthalten, sind sie weniger beständig gegen Chlorid-Pitting als molybdänhaltige Qualitäten (z. B. 316).
- Der erhöhte Kohlenstoffgehalt in 304H macht Sensibilisierung und interkristalline Korrosion bei Exposition gegenüber sensitiven Temperaturen ohne adäquate Kontrolle zu einem praktischen Problem. Für Anwendungen, bei denen Interkristalline Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen kritisch ist, werden häufig niedrigkohlenstoffhaltige Qualitäten wie 304L oder stabile Qualitäten (321, 347) bevorzugt.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist eine nützliche Kennzahl für die Lochkorrosionsbeständigkeit, wenn Mo und N vorhanden sind: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3{,}3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Für 304/304H ist Mo ≈ 0 und N gering, weshalb der PREN relativ niedrig ist; der PREN ist aussagekräftiger für duplex- oder Mo-haltige austenitische Stähle.
- Der Oberflächenschutz für nicht rostfreie Untergründe (hier nicht anwendbar) umfasst Verzinken oder Beschichtungen; bei rostfreiem Stahl werden oft Oberflächenbearbeitung und Passivierung eingesetzt, um die Lebensdauer zu maximieren.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit
- Umformbarkeit: 304 (niedrigerer Kohlenstoffgehalt) eignet sich geringfügig besser für Tiefziehen und Umformen aufgrund leicht höherer Duktilität und niedrigerer Kaltverfestigungsempfindlichkeit hinsichtlich Sensibilisierung bei nachfolgender Erwärmung. Beide sind für Umformprozesse geeignet, wenn geeignete Werkzeuge und inkrementelle Umformtechniken verwendet werden.
- Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind generell schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle wegen Kaltverfestigung und geringer Wärmeleitfähigkeit. 304H ist etwas anspruchsvoller zu bearbeiten als 304, da der höhere Kohlenstoffgehalt und die dadurch gesteigerte Festigkeit zu höheren Schnittkräften und Werkzeugverschleiß führen. Scharfe Werkzeuge, stabile Spannvorrichtungen und geeignete Schmierstoffe minimieren Probleme.
- Oberflächenbehandlung: Beide lassen sich ähnlich polieren und elektro-polieren; bei 304H ist jedoch während der Bearbeitung eine sorgfältige Temperaturkontrolle nötig, um die Karbidbildung bei Erwärmung zu vermeiden.
8. Typische Anwendungen
| 304 (übliche Einsätze) | 304H (übliche Einsätze) |
|---|---|
| Lebensmittelverarbeitungsausrüstung, Spülen, Küchenutensilien, architektonische Zierteile | Druckbehälter und Kessel, bei denen höhere zulässige Spannungen bei erhöhten Temperaturen gefordert sind |
| Chemische Prozessrohre und Tanks in milden Umgebungen | Überhitzer- und Nachhitzerrohre bei Kesselanwendungen (wo höhere Kriechfestigkeit erforderlich ist) |
| Wärmetauscher, hygienische Rohrleitungen, Befestigungselemente | Ofen- und Hochtemperaturbauteile mit erhöhten Betriebstemperaturen |
| Allgemeine Fertigung, dekorative Bauteile | Anwendungen, die die mechanischen Eigenschaften eines höher-kohlenstoffhaltigen Austenitikers bei erhöhten Temperaturen erfordern |
Auswahlkriterien: - Wählen Sie 304, wenn allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit und Schweißbarkeit bei normalen Einsatztemperaturen im Vordergrund stehen und das Risiko einer Sensibilisierung nach dem Schweißen minimiert werden soll. - Wählen Sie 304H, wenn die Konstruktion höhere zulässige Spannungen oder verbesserte Festigkeit bei erhöhten Temperaturen (z. B. Druckbehälter über typischen 300 °C) verlangt und Projektvorgaben eine geeignete Fertigungskontrolle zur Beherrschung von Sensibilisierung und Korrosionsrisiko vorsehen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- 304 ist einer der weltweit am häufigsten verwendeten Edelstahlgüten und breit verfügbar in Platte, Blech, Coil, Rohr und Stab. Der Preis ist typischerweise wettbewerbsfähig innerhalb der 300er-Familie.
- 304H ist eine anerkannte Variante und wird in für Hochtemperatureinsätze üblichen Produktformen (Platte, Kesselrohre, Druckkomponenten) angeboten. Die Lagerhaltung ist seltener als bei 304, und der Preis kann je nach regionalen Lagerpraktiken sowie benötigten Zertifikaten für den Kohlenstoffgehalt leicht über dem von 304 liegen.
- Lieferzeiten und Verfügbarkeit hängen von der Produktform (Blech/Platte vs. nahtloses Rohr) und erforderlichen Zertifizierungen für Druckbehälter oder Hochtemperatureinsatz ab.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Aspekt | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet; geringeres Sensibilisierungsrisiko | Gut, aber höheres Sensibilisierungsrisiko; erfordert Verfahrenskontrollen |
| Festigkeit – Zähigkeit | Gutes Gleichgewicht; hervorragende Duktilität | Höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen; geringfügig niedrigere Duktilität im direkten Vergleich |
| Kosten & Verfügbarkeit | Weit verbreitet; meist günstiger | Gut verfügbar für Druck- und Temperaturanwendungen; kann preislich höher liegen |
Fazit: - Wählen Sie 304, wenn exzellente allgemeine Korrosionsbeständigkeit, überlegene Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit sowie minimales Sensibilisierungsrisiko bei normalen Schweißprozessen gefordert sind. 304 ist die praktische Standardwahl für Sanitärtechnik, Architektur und viele chemische Anwendungen bei Umgebungstemperatur bis moderaten Temperaturen. - Wählen Sie 304H, wenn das Design höhere zulässige Spannungen oder verbesserte Verformungsbeständigkeit bei erhöhten Einsatztemperaturen (z. B. Druckbehälter, Kessel, Wärmetauscher bei höheren Temperaturen) fordert und Sie das höhere Risiko der Karbidauflagerung durch entsprechende Schweißverfahren, Nachbehandlung falls möglich oder die Auswahl kompatibler Füllwerkstoffe und Fertigungsmethoden beherrschen können.
Wenn die Auswahl vom Kriechwiderstand und zulässigen Spannungen bei erhöhten Temperaturen abhängig ist (ASME-Codes, Druckbehältervorschriften), konsultieren Sie den entsprechenden Code für die geforderte Güte und Temperaturbereiche; in vielen Fällen wird 304H eingesetzt, wenn die zulässigen Spannungen von 304 für den vorgesehenen Einsatz zu niedrig sind.