304 vs 304L – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Edelstähle 304 und 304L gehören zu den am häufigsten spezifizierten austenitischen Grades im Ingenieurwesen, in der Fertigung und im Einkauf. Ingenieure und Einkaufsleiter wägen typischerweise Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit, mechanische Festigkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Fertigungsplaner müssen auch die nachgelagerte Verarbeitung berücksichtigen: schweres Schweißen, Nachbehandlungen, Umformung und Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit.
Der wesentliche praktische Unterschied ist der Kohlenstoffgehalt: 304L ist die kohlenstoffarme Variante von 304, die formuliert wurde, um das Risiko der Ausfällung von Chromkarbiden (Sensibilisierung) während des Schweißens und der Hochtemperaturbelastung zu reduzieren. Diese Unterscheidung ist der Grund, warum 304 und 304L häufig verglichen werden – sie bieten nahezu die gleiche Korrosionsleistung und Mikrostruktur, aber der niedrigere Kohlenstoffgehalt in 304L verbessert die Leistung in geschweißten Baugruppen und Komponenten, die nach der Fertigung nicht lösungsgeglüht werden können.
1. Normen und Bezeichnungen
Wichtige Normen und gängige Bezeichnungen: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240 (Platten, Bleche, Streifen für Druckbehälter und allgemeine Verwendung). - EN: EN 10088 Reihe (Edelstähle – verschiedene Produktnormen). - JIS: SUS304 und SUS304L. - GB: 0Cr18Ni9 (304) und 0Cr18Ni9L (304L) Äquivalente in chinesischen Normen.
Materialklassifikation: - Sowohl 304 als auch 304L sind austenitische Edelstähle (edel, nicht ferromagnetisch, wenn vollständig austenitisch). - Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA; sie sind korrosionsbeständige Edelstahllegierungen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) in den Spezifikationen; die tatsächlichen zulässigen Maxima/Minima variieren leicht je nach Norm:
| Element | 304 (typisch/Spez.-Bereich) | 304L (typisch/Spez.-Bereich) |
|---|---|---|
| Kohlenstoff (C) | ≤ 0.08% | ≤ 0.03% |
| Mangan (Mn) | ≤ 2.0% | ≤ 2.0% |
| Silizium (Si) | ≤ 1.0% | ≤ 1.0% |
| Phosphor (P) | ≤ 0.045% | ≤ 0.045% |
| Schwefel (S) | ≤ 0.03% | ≤ 0.03% |
| Chrom (Cr) | 18.0–20.0% | 18.0–20.0% |
| Nickel (Ni) | 8.0–10.5% | 8.0–12.0% |
| Molybdän (Mo) | ≤ 0.10% (generell keine) | ≤ 0.10% |
| Stickstoff (N) | ≤ 0.10% (Spuren) | ≤ 0.10% |
| Nb, Ti, V, B | Spuren / typischerweise nicht hinzugefügt | Spuren / typischerweise nicht hinzugefügt |
Legierungsstrategie und -effekte: - Chrom sorgt für den passiven Oxidfilm, der den Edelstählen Korrosionsbeständigkeit verleiht. Der typische Cr-Gehalt (≈18–20%) definiert den „18-8“ Edelstahl. - Nickel stabilisiert die austenitische (FCC) Struktur, verbessert die Zähigkeit und Duktilität und erhöht die Umformbarkeit. - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härte leicht, jedoch auf Kosten des Risikos der Sensibilisierung im Temperaturbereich von 425–850°C; Kohlenstoff reagiert mit Chrom, um Chromkarbide an Korngrenzen zu bilden, wodurch Cr lokal erschöpft wird und die Korrosionsbeständigkeit verringert wird. - 304L reduziert den Kohlenstoff, um die Karbidbildung während des Schweißens zu kontrollieren; der Nickelbereich kann leicht angepasst werden, um die Stabilität der Austenitstruktur zu erhalten. - Mangan und Silizium sind Entgasungsmittel und tragen geringfügig zur Festigkeit bei; Stickstoff kann, wenn vorhanden, die Festigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion schrittweise erhöhen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Beide Grades sind im geglühten Zustand im Wesentlichen vollständig austenitisch (flächenzentriert kubisch). Austenit bietet hervorragende Duktilität und Zähigkeit bei kryogenen bis erhöhten Temperaturen. - Weder 304 noch 304L reagieren auf konventionelles Abschrecken und Anlassen, da sie austenitisch sind und sich bei der Wärmebehandlung nicht in Martensit umwandeln. Die Verstärkung erfolgt hauptsächlich durch Kaltverformung (Verfestigung).
Wärmebehandlung und Entwicklung der Mikrostruktur: - Lösungsglühen (typischer Bereich: $1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$) löst alle Ausfällungen auf, stellt die Duktilität wieder her und kehrt die Korrosionsbeständigkeit zurück; schnelles Abkühlen (Abschrecken in Wasser oder Luft) ist erforderlich, um die Karbidbildung zu vermeiden. - Sensibilisierung: Exposition im ungefähren Bereich von $425^\circ\text{C}$–$850^\circ\text{C}$ kann Chromkarbide an Korngrenzen ausfällen. 304 ist aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts anfälliger als 304L; 304L wird spezifiziert, wenn das Nachglühen nach dem Schweißen unpraktisch ist. - Lange Exposition über ~600°C kann auch die Sigma-Phase oder andere intermetallische Phasen in stark kaltverarbeiteten oder legierten Varianten fördern; diese sind in der Standardanwendung von 304/304L unüblich, sollten jedoch für Hochtemperaturanwendungen berücksichtigt werden.
Verarbeitungswege: - Normalisieren ist für diese austenitischen Grades kein sinnvolles Verstärkungsverfahren. - Thermo-mechanische Verfahren (Kaltwalzen, Glühen) steuern die Korngröße und Textur für Platten- oder Streifenprodukte; das abschließende Glühen fixiert die austenitische Mikrostruktur.
4. Mechanische Eigenschaften
Typische Mindestwerte der mechanischen Eigenschaften (geglühter Zustand), die häufig in Produktnormen spezifiziert werden:
| Eigenschaft | 304 (geglüht, typisch) | 304L (geglüht, typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (Rm) | ≈ 515 MPa (min) | ≈ 485 MPa (min) |
| 0.2% Streckgrenze (Rp0.2) | ≈ 205 MPa (min) | ≈ 170 MPa (min) |
| Dehnung (A) | ≥ 40% (in 50 mm) | ≥ 40% (in 50 mm) |
| Schlagzähigkeit (Raumtemp) | Hohe duktilen Zähigkeit | Hohe duktilen Zähigkeit |
| Härte (HB / HRB) | Mäßig, verfestigendes Verhalten | Leicht niedrigere Anfangshärte |
Interpretation: - 304 zeigt typischerweise eine leicht höhere Mindeststreckgrenze und Zugfestigkeit als 304L aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts. In der Praxis ist der Unterschied bescheiden und beide sind duktil und zäh. - Beide Grades behalten hervorragende Zähigkeit bis zu kryogenen Temperaturen; keiner ist spröde bei den in der Industrie normalerweise vorkommenden Betriebstemperaturen. - Festigkeitsunterschiede sind am relevantesten, wenn das Design nahe an den zulässigen Spannungsgrenzen liegt oder wenn die Reduzierung der Festigkeit nach dem Schweißen ein Faktor ist.
5. Schweißbarkeit
Schweißbarkeitsfaktoren: - Niedriger Kohlenstoff reduziert die Tendenz zur Bildung von Chromkarbiden an Korngrenzen während des Abkühlens durch den Sensibilisierungsbereich. Daher verringert niedrigerer Kohlenstoff die Anfälligkeit für intergranulare Korrosion nach dem Schweißen. - Die Härtbarkeit in austenitischen Edelstählen ist gering; sie bilden beim Abkühlen keine harten martensitischen Strukturen, sodass Rissbildung durch harte Phasen kein primäres Anliegen ist. Kaltverformung und thermische Zyklen können jedoch unter bestimmten Bedingungen spannungsinduziertes Martensit in 304 erzeugen; 304L, mit leicht unterschiedlicher Zusammensetzung, kann geringfügig weniger anfällig für spannungsinduziertes Martensit sein.
Nützliche Schweißbarkeitsindizes (qualitative Interpretation): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Äquivalent für Lochkorrosionsbewertung (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Niedrigeres $C$ reduziert sowohl $CE_{IIW}$ als auch $P_{cm}$, was auf eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Heißrissbildung und ein geringeres Risiko von Segregation/Sensibilisierung während des Schweißens hinweist. - In der Praxis schweißt 304L typischerweise leichter in großen, wärmeintensiven Schweißkonstruktionen, da der niedrigere Kohlenstoffgehalt das Risiko intergranularer Korrosion verringert, ohne dass ein Nachglühen nach dem Schweißen erforderlich ist. - Beim Schweißen von 304 (höherer Kohlenstoff) kontrollieren Designer oft die Wärmezufuhr, verwenden Füllmetalle mit Stabilisatoren (z. B. Ti oder Nb in einigen Füllern) oder führen ein Nachglühen nach dem Schweißen durch, wenn die Korrosionsbeständigkeit der Schweißzone der des Grundmetalls entsprechen muss.
Hinweise zur Schweißpraxis: - Verwenden Sie passende oder kohlenstoffarme Füllmetalle, abhängig von den Anforderungen an den Dienst und die Korrosion. - Minimieren Sie Haltezeiten im Sensibilisierungsbereich und verwenden Sie schnelles Abkühlen oder lokale Wärmebehandlungskontrolle. - Für kritische korrosive Umgebungen sind 304L oder stabilisierte Grades (z. B. 321, 347) bevorzugt, wenn ein Nachglühen nach dem Schweißen unpraktisch ist.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Korrosionsverhalten: - Sowohl 304 als auch 304L verlassen sich auf den chromreichen passiven Film für die allgemeine Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen, mild sauren und alkalischen Umgebungen. - Die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion ist begrenzt, da beiden Molybdän fehlt; daher werden in Chloriden oder aggressiven marinen Umgebungen höher legierte Grades (316, Duplex usw.) bevorzugt.
PREN-Relevanz: - PREN wird zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen Chlorid-Lochkorrosion verwendet; für diese Grades: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Für 304/304L ist Mo im Wesentlichen null oder sehr niedrig und N ist niedrig; die PREN-Werte sind bescheiden, sodass keiner der Grades für schwere Chloridumgebungen empfohlen wird.
Sensibilisierung und intergranulare Korrosion: - Die primäre Korrosionssorge, bei der 304 benachteiligt sein kann, ist die intergranulare Korrosion nach dem Schweißen oder längerer Exposition im kritischen Temperaturbereich, in dem Chromkarbide ausfallen. - Der niedrige Kohlenstoffgehalt von 304L reduziert die Karbidbildung und verringert somit das Risiko intergranularer Korrosion in geschweißten Zonen.
Oberflächenschutz für nicht-rostfreie Stähle: - Hier nicht anwendbar; für nicht-rostfreie Kohlenstoffstähle sind Verzinkung oder Beschichtungen üblich. Für 304/304L sind Oberflächenpassivierung (Salpetersäure- oder Zitronensäurepassivierung) und Beizen üblich, um den passiven Film nach der Fertigung wiederherzustellen oder zu verbessern.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit
Umformen und Biegen: - Beide Grades zeigen hervorragende Kaltumformbarkeit; 304L kann aufgrund der leicht niedrigeren Streckgrenze geringfügig einfacher zu formen sein. - Alle austenitischen Edelstähle verfestigen sich schnell; Umformoperationen erfordern oft Zwischenanlösungen bei starker Verformung.
Zerspanbarkeit: - Austenitische Edelstähle sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle aufgrund ihrer hohen Duktilität und Verfestigung. 304 und 304L haben ähnliche Zerspanbarkeit; Prozesskontrollen (steife Werkzeuge, scharfe Einsätze, angemessene Späneführung und Schmiermittel/Kühlmittel) sind entscheidend. - Die leicht niedrigere Festigkeit von 304L kann die Schneidkräfte bei einigen Operationen geringfügig erleichtern.
Oberflächenveredelung: - Beide Grades können poliert, passiviert, elektrochemisch behandelt und mit Strahlmittel behandelt werden, um die erforderlichen Oberflächenveredelungen zu erreichen. 304L wird häufig für geschweißte Baugruppen verwendet, bei denen eine konsistente Oberfläche über die Schweißnähte hinweg erforderlich ist, ohne dass ein Lösungsglühen erforderlich ist.
8. Typische Anwendungen
| 304 — Typische Anwendungen | 304L — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Küchenausstattung, Lebensmittelverarbeitung, Getränkeanlagen | Schwer geschweißte Behälter und Rohrleitungen in Chemiewerken |
| Architektonische Verkleidungen, dekorative Paneele | Geschweißte Lagertanks und Behälter, bei denen ein Nachglühen nach dem Schweißen unpraktisch ist |
| Wärmetauscher (milde Umgebungen) | Abwasser- und Abwasserrohre und -tanks mit umfangreichem Schweißen |
| Befestigungen, Federn (wo Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit erforderlich sind) | Pharmazeutische und biotechnologische geschweißte Systeme, die Korrosionsbeständigkeit an Schweißnähten erfordern |
| Automobilverkleidungen, Konsumgüter | Druckbehälter und Rohrleitungen mit großen Schweißvolumina, bei denen das Risiko der Sensibilisierung ein Anliegen ist |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn höhere Mindestfestigkeit und leicht niedrigere Materialkosten akzeptabel sind und wenn das Schweißen begrenzt ist oder ein Nachglühen nach dem Schweißen möglich ist. - Wählen Sie 304L, wenn schweres Schweißen, die Unfähigkeit, nach der Fertigung lösungsgeglüht zu werden, oder der Dienst in leicht korrosiven Bedingungen nach dem Schweißen zu erwarten ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Beide Grades sind weltweit in Platten-, Blech-, Streifen-, Rohr- und Stabformen weit verbreitet erhältlich.
- 304 ist typischerweise der gebräuchlichste und in vielen Märkten geringfügig günstiger aufgrund breiterer Produktionsvolumina und weniger strenger Kohlenstoffkontrolle.
- 304L kann einen kleinen Aufpreis haben aufgrund strengerer Kohlenstoffkontrolle während des Schmelzens und der Verarbeitung, aber der Aufpreis ist oft gering im Vergleich zu den Gesamtherstellungskosten, wenn kostspielige Nachbehandlungen nach dem Schweißen vermieden werden.
- Die Lieferzeiten und die Verfügbarkeit sind für beide in Standardproduktformen im Allgemeinen ausgezeichnet; für sehr große gefertigte Teile oder spezielle Werkstoffzertifikate sollten die Zeitpläne mit den Lieferanten überprüft werden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 304 | 304L |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (Widerstand gegen Sensibilisierung) | Gut; erfordert Vorsicht bei schweren Schweißungen | Besser für schwere Schweißkonstruktionen und wo PWHT nicht durchgeführt wird |
| Festigkeit–Zähigkeit | Leicht höhere Mindestfestigkeit; ebenso hohe Zähigkeit | Leicht niedrigere Mindestfestigkeit; ebenso hohe Zähigkeit |
| Kosten | Typischerweise geringfügig niedriger | Typischerweise geringfügig höher, aber oft kosteneffektiv für geschweißte Systeme |
Empfehlung: - Wählen Sie 304, wenn: Ihr Design von leicht höherer Mindestfestigkeit profitiert und Sie die Schweißpraktiken (geringe Wärmezufuhr, Verwendung geeigneter Füllmetalle) kontrollieren können oder nach dem Schweißen eine Lösungsglühung durchführen können, um die Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen. - Wählen Sie 304L, wenn: das Bauteil oder die Rohrleitung umfangreiche Schweißungen haben wird, ein Nachglühen nach dem Schweißen unpraktisch ist oder Bedenken hinsichtlich der intergranularen Korrosion an geschweißten Verbindungen bestehen. 304L ist oft die sicherere, risikoärmere Wahl für geschweißte Druckbehälter, Lagertanks und schwere Rohrleitungen, bei denen die Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit an und in der Nähe der wärmebeeinflussten Zonen kritisch ist.
Abschließende Anmerkung: Sowohl 304 als auch 304L sind robuste, weit verbreitete austenitische Edelstähle. Die Designentscheidung hängt normalerweise von der Schweißpraxis und der Akzeptanz des kleinen Kompromisses bei der Mindestfestigkeit für verbesserte Korrosionsbeständigkeit im geschweißten Zustand ab. Für kritische oder chloridbelastete Anwendungen sollten höher legierte (Mo-haltige) Edelstähle oder Duplexalternativen in Betracht gezogen werden.