304 vs 304L – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Einführung
Die Typen 304 und seine kohlenstoffarme Variante 304L sind die beiden am häufigsten spezifizierten austenitischen Edelstähle in der Industrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen routinemäßig Korrosionsbeständigkeit, mechanische Eigenschaften, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen druckhaltende Ausrüstungen, Lebensmittel- und Pharmaverarbeitung, architektonische Komponenten und geschweißte Baugruppen, bei denen die Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen entscheidend ist.
Der wesentliche metallurgische Unterschied ist der niedrigere maximale Kohlenstoffgehalt von 304L im Vergleich zu 304. Diese einzige Änderung verändert die Anfälligkeit für Karbidniederschlag während des Schweißens und der Hochtemperaturbelastung und beeinflusst daher die Schweißbarkeit und das Korrosionsverhalten nach dem Schweißen, während sie nur geringfügige Unterschiede in der mechanischen Festigkeit erzeugt.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM/ASME: A240 (Platte), A276 (Stäbe), A312 (Rohr) — gängige Referenzen für beide Grade.
- UNS: 304 = S30400; 304L = S30403.
- EN: 304 = 1.4301; 304L = 1.4307.
- JIS- und GB-Äquivalente existieren (z. B. SUS304 / SUS304L in JIS).
- Klassifikation: beide sind Edelstähle (austenitisch); keine Kohlenstoffstähle, legierte Stähle, Werkzeugstähle oder HSLA.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Legierungselemente und typischen Kontrollpraktiken für jeden Grad zusammen. Die angegebenen Werte sind repräsentative Maximalwerte oder typische Bereiche gemäß gängigen Spezifikationen; konsultieren Sie immer die Projektspezifikation oder das Werkzeugprüfzertifikat für vertragliche Grenzen.
| Element | Typische Rolle | 304 (typische Grenzen) | 304L (typische Grenzen) |
|---|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | Festigkeit, Karbidniederschlag | ≤ 0,08 % (max) | ≤ 0,03 % (max) |
| Mn (Mangan) | Entoxidationsmittel, Austenitstabilisator | ≤ 2,0 % | ≤ 2,0 % |
| Si (Silizium) | Entoxidationsmittel | ≤ 1,0 % | ≤ 1,0 % |
| P (Phosphor) | Verunreinigung, Sprödigkeitsrisiko | ≤ 0,045 % | ≤ 0,045 % |
| S (Schwefel) | Zerspanbarkeit (als Verunreinigung hinzugefügt) | ≤ 0,03 % | ≤ 0,03 % |
| Cr (Chrom) | Passivierung, Korrosionsbeständigkeit | ~18–20 % | ~18–20 % |
| Ni (Nickel) | Austenitstabilisator, Zähigkeit | ~8–11 % | ~8–12 % |
| Mo (Molybdän) | Pittingbeständigkeit (nicht vorhanden) | typischerweise keine | typischerweise keine |
| V, Nb, Ti, B, N | Mikrolegerung, Stabilisierung (selten) | generell nicht spezifiziert | generell nicht spezifiziert |
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Chrom bildet den passiven Oxidfilm, der dem Edelstahl seine Korrosionsbeständigkeit verleiht. - Nickel stabilisiert die austenitische Phase und verbessert die Zähigkeit und Verformbarkeit. - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, kann jedoch bei höheren Konzentrationen mit Chrom reagieren, um Chromkarbide an Korngrenzen zu bilden, was die lokale Korrosionsbeständigkeit verringert (Sensibilisierung). - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt in 304L verringert die Tendenz zur Karbidniederschlag während des Schweißens und der Hochtemperaturbelastung.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Sowohl 304 als auch 304L sind bei Raumtemperatur vollständig austenitisch, wenn sie ordnungsgemäß verarbeitet werden. Typische mikrostrukturelle Merkmale und Reaktionen auf Wärmebehandlungen:
- Im Herstellungszustand (geglüht/lösungsgeglüht): gleichmäßige flächenzentrierte kubische (FCC) Austenit mit feinen, gleichmäßig verteilten Karbiden (falls vorhanden). Das Lösungsglühen löst Karbide auf und stellt die Korrosionsbeständigkeit wieder her, indem es schnell abgekühlt wird, um eine erneute Niederschlag zu vermeiden.
- Kaltverformung: Beide Grade härten schnell durch Verformung (austenitische Edelstähle haben hohe Verfestigungsraten), was zu einer erhöhten Versetzungsdichte und möglicherweise zu verformungsinduziertem Martensit in stark verformten Bereichen führt (insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder aggressiver Kaltverformung).
- Schweißen und Sensibilisierung: Bei Temperaturen im Bereich von 450–850 °C (ca.) während des Schweißens können in höherem Kohlenstoff 304 Chromkarbide an Korngrenzen ausfallen, was das angrenzende Chrom erschöpft und die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion erhöht. Der reduzierte Kohlenstoffgehalt von 304L minimiert dieses Risiko der Karbidniederschlag.
- Wärmebehandlung: Keiner der Grade härten durch Abschrecken; Lösungsglühen (z. B. 1050–1100 °C) gefolgt von schneller Abkühlung wird verwendet, um die Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit wiederherzustellen. Keine konventionelle Abschreck- und Anlasstärkung ist anwendbar wie bei martensitischen Stählen.
4. Mechanische Eigenschaften
Statt absoluter Werte (die von der Produktform und Spezifikation abhängen) vergleicht die folgende Tabelle das typische relative Verhalten im geglühten Zustand.
| Eigenschaft | 304 | 304L | Kommentar |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (geglüht) | Höher (leicht) | Niedriger (leicht) | Niedriger Kohlenstoff führt zu geringfügig niedrigerer Zugfestigkeit für 304L. |
| Streckgrenze | Höher (leicht) | Niedriger (leicht) | Der gleiche Trend wie bei der Zugfestigkeit. |
| Elongation / Verformbarkeit | Gut | Gleich oder leicht besser | 304L kann aufgrund des niedrigeren C geringfügig bessere Verformbarkeit zeigen. |
| Schlagzähigkeit | Ausgezeichnet (temperaturabhängig) | Entsprechend | Beide behalten bei Raumtemperatur eine gute Zähigkeit. |
| Härte (geglüht) | Leicht höher | Leicht niedriger | Die Unterschiede sind gering; beide sind im geglühten Zustand relativ weich. |
Praktische Implikation: Die Festigkeitsunterschiede zwischen 304 und 304L sind im geglühten Zustand bescheiden und oft nicht entscheidend, es sei denn, es sind code-spezifizierte Mindestfestigkeiten erforderlich.
5. Schweißbarkeit
Austenitische Edelstähle gelten im Allgemeinen als hoch schweißbar; jedoch beeinflusst der Kohlenstoffgehalt die Anfälligkeit für Karbidniederschlag und die Notwendigkeit für Nachbehandlungen nach dem Schweißen.
Wichtige Überlegungen zur Schweißbarkeit: - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt in 304L verringert das Risiko der Sensibilisierung und der interkristallinen Korrosion nach dem Schweißen, was 304L zu einer sichereren Wahl für geschweißte Strukturen macht, die nach der Fertigung nicht lösungsgeglüht werden. - Beide Grade zeigen hohe Verformbarkeit in der Schweiß- und wärmebeeinflussten Zone (HAZ), was das Risiko von Kaltreißern minimiert. Sie sind anfällig für Heißrisse unter unsachgemäßen Schweißbedingungen, wenn Verunreinigungen oder schlechte Passungen vorhanden sind. - Austenitische Edelstähle haben eine hohe thermische Ausdehnung und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit; Verzerrungskontrolle und Fugenentwurf sind wichtig.
Nützliche empirische Schweißbarkeitsindizes (qualitativ interpretieren): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Ein höherer $CE_{IIW}$ zeigt eine größere Härtbarkeit und ein erhöhtes Rissrisiko in Stählen, bei denen martensitische Umwandlungen relevant sind; für austenitische Edelstähle hilft es, die relativen Auswirkungen des Legierungsgehalts auf das Verhalten der Schweiß-HAZ zu vergleichen. - Pitting-Beständigkeitsäquivalentzahl (für legierte Edelstähle) und die gängig verwendete Pcm-Formel für die Neigung zu Kaltreißern: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Interpretation: Niedrigere $P_{cm}$-Werte implizieren eine reduzierte Anfälligkeit für Schweißrisse. Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von 304L verringert den $P_{cm}$-Beitrag von Kohlenstoff im Vergleich zu 304.
Qualitative Anleitung: - Verwenden Sie 304L für große geschweißte Baugruppen, dünne Abschnitte ohne Nachglühen oder wenn das Teil nach dem Schweißen nicht lösungsgeglüht werden kann. - Wenn die Fertigung eine vollständige Lösungsglühen nach dem Schweißen umfasst, kann 304 akzeptabel sein; 304 kann geringfügig höhere Festigkeit bieten, wo dies vorteilhaft ist.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 304 als auch 304L verlassen sich auf einen chromreichen passiven Oxidfilm für die Korrosionsbeständigkeit in milden Umgebungen (atmosphärisch, viele Lebensmittel- und Chemiedienste). Keiner enthält Molybdän und ist daher weniger widerstandsfähig gegen lokale Pitting in chloridreichen Umgebungen als Molybdän-haltige Grade.
- PREN (Pitting-Beständigkeitsäquivalentzahl) wird häufig für Legierungen verwendet, die Mo und N enthalten, um die Widerstandsfähigkeit gegen Pitting abzuschätzen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Für 304/304L ist Mo ≈ 0, sodass PREN im Wesentlichen Cr + 16×N ist; dieser Index hat eine begrenzte Diskriminierung für diese Grade, da ihre Zusammensetzung kein Mo enthält.
- Sensibilisierung und interkristalline Korrosion: Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass 304L nach dem Schweißen weniger anfällig für Sensibilisierung ist, da Karbidniederschlag, der einen erheblichen Kohlenstoff erfordert, weniger wahrscheinlich ist. Für Anwendungen, bei denen interkristalline Korrosion ein Anliegen ist und das Nachglühen nach dem Schweißen unpraktisch ist, wird 304L bevorzugt.
- Oberflächenschutz: Da sie rostfrei sind, erfordert keiner der Grade routinemäßig Verzinkung oder Lackierung zur Korrosionsverhütung, aber mechanische Beschädigungen, aggressive Chloridbelastungen oder schwere chemische Umgebungen können Beschichtungen, kathodischen Schutz oder den Austausch durch höherlegierte Grade erforderlich machen.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Beide Grade lassen sich im geglühten Zustand gut formen und tiefziehen; die leicht niedrigere Festigkeit von 304L kann bei Tiefzieh- oder Formoperationen hilfreich sein, bei denen Minimierung von Rissen und Rückfederung vorteilhaft ist.
- Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind aufgrund der schnellen Verfestigung und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. 304 und 304L haben ähnliche Zerspanbarkeit; Hartmetallwerkzeuge und kontrollierte Schneidparameter werden empfohlen. Es gibt freischnitthaltige schwefelhaltige Varianten (z. B. 303) für bessere Zerspanbarkeit, jedoch mit beeinträchtigter Korrosionsbeständigkeit.
- Oberflächenfinish und Polieren: Beide nehmen einen hohen Glanz an, wobei die Oberflächenvorbereitung und die mechanische Bearbeitung ähnlich sind.
- Schweißverarbeitung: 304L verringert das Risiko der Korrosion nach dem Schweißen in geschweißten Baugruppen und beseitigt oft die Notwendigkeit für Lösungsglühen allein zur Wiederherstellung der Korrosionsbeständigkeit.
8. Typische Anwendungen
| 304 | 304L |
|---|---|
| Küchenausstattung, Spülen, Geräte, architektonische Verkleidungen | Druckbehälter, Rohrleitungen und Tanks, die geschweißt und nicht lösungsgeglüht sind |
| Kühl- und Lebensmittelverarbeitungsgeräte | Chemikalienlagertanks und Rohrleitungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen erforderlich ist |
| Automotive Dekorverkleidungen | Große geschweißte Strukturen, z. B. Kraftstofftanks, bei denen Minimierung der Sensibilisierung wichtig ist |
| Wärmetauscher in milden Umgebungen | Pharmazeutische und biotechnologische Geräte, bei denen Schweißen ohne Nachbehandlung nach dem Schweißen üblich ist |
Auswahlbegründung: Wählen Sie 304, wenn leicht höhere mechanische Festigkeit und Standardverarbeitung mit möglichem Nachglühen nach dem Schweißen akzeptabel sind und wenn Kostenminimierung ein Treiber ist. Wählen Sie 304L, wenn das Schweißen den Fertigungsweg dominiert und das Projekt keine Lösungsglühen nach dem Schweißen umfassen kann oder will, oder wenn die Minimierung des Risikos interkristalliner Korrosion zwingend erforderlich ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 304 ist im Allgemeinen pro Kilogramm etwas günstiger als stabilisierte oder spezialisierte Edelstähle; 304L kann einen marginalen Aufpreis haben aufgrund einer strengeren Kontrolle des Kohlenstoffs, aber in vielen Märkten ist der Preisunterschied zwischen 304 und 304L gering.
- Verfügbarkeit: Beide sind in Platten-, Blech-, Coil-, Rohr-, Rohr- und Stabformen von mehreren globalen Werken und Händlern weit verbreitet. Die Lieferzeiten sind typischerweise kurz für Standardproduktformen; für große Mengen oder spezielle Oberflächenbehandlungen bestätigen Sie die Verfügbarkeit frühzeitig im Beschaffungsprozess.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 304 | 304L |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (praktisch) | Gut | Besser für geschweißte, nicht geglühte Baugruppen |
| Festigkeit–Zähigkeit (geglüht) | Leicht höhere Festigkeit | Leicht niedrigere Festigkeit, vergleichbare Zähigkeit |
| Kosten | Leicht niedriger oder vergleichbar | Leicht höher oder vergleichbar |
Empfehlung: - Wählen Sie 304, wenn: - Sie leicht höhere Zug- oder Streckgrenze im geglühten Zustand benötigen und vollständiges Lösungsglühen nach der Fertigung geplant oder erreichbar ist. - Das Design hauptsächlich mit Bolzen gefertigt wird oder wo Schweißen begrenzt ist und die Sensibilität für Karbidniederschlag nach dem Schweißen gering ist. - Wählen Sie 304L, wenn: - Die Komponente umfangreich geschweißt wird und nicht nach dem Schweißen lösungsgeglüht werden kann, oder wenn die Minimierung des Risikos interkristalliner Korrosion in der HAZ ein wichtiges Kriterium ist. - Fertigungs- und Betriebsbedingungen Temperaturen oder Belastungen umfassen, die sonst Sensibilisierung in höherem Kohlenstoff 304 fördern würden.
Letzte praktische Anmerkung: Der Unterschied im Kohlenstoffgehalt ist gering, aber entscheidend für geschweißte Baugruppen und Hochtemperaturbelastungen. Für sicherheitskritische oder code-gesteuerte Druckgeräte bestätigen Sie immer die Materialauswahl gemäß dem geltenden Standard oder Code (z. B. ASME) und spezifizieren Sie die erforderliche Produktform, Nachbehandlung nach dem Schweißen und Inspektionskriterien in den Beschaffungsunterlagen.