304 vs 305 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Die Legierungen 304 und 305 sind beide austenitische Edelstähle, die in der Verarbeitung, bei Geräten, in der Architektur und in industriellen Anwendungen weit verbreitet sind. Ingenieure und Beschaffungsteams wägen häufig Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Das Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise darauf, ob ein Projekt die höhere Formbarkeit und die niedrigere Verfestigungsrate einer Legierung im Vergleich zu den breiten, ausgewogenen Eigenschaften und der allgegenwärtigen Verfügbarkeit der anderen benötigt.

Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass 305 legiert ist, um die Duktilität und die Leichtigkeit der Kaltumformung im Vergleich zu 304 zu erhöhen (hauptsächlich durch eine erhöhte Nickelstrategie und die damit verbundene Kontrolle von Kohlenstoff und Stickstoff). Dieser Unterschied führt zu unterschiedlichen Leistungen beim Tiefziehen, Streckumformen und einigen Bearbeitungsoperationen, während die allgemeine Korrosionsbeständigkeit und die Hochtemperaturstabilität ähnlich bleiben. Aufgrund der Überschneidung im Chrom- und Basis-Eisen-Gehalt werden 304 und 305 häufig verglichen, wenn Designer eine bessere Formgebung wünschen, ohne die allgemeine Korrosionsleistung aufzugeben.

1. Normen und Bezeichnungen

• Allgemeine internationale Standards:
• ASTM/ASME: 304 entspricht häufig ASTM A240/A666, UNS S30400; 305 entspricht ASTM A240 (wo angegeben) und UNS S30500.
• EN: 304 ≈ EN 1.4301 (X5CrNi18-10); 305 ≈ EN 1.4303 (X8CrNi21-7? — Hinweis: Direkte EN-Äquivalente variieren je nach genauer Chemie; spezifische Norm konsultieren).
• JIS: 304 ≈ SUS304; 305 ≈ SUS305 (falls verwendet).
• GB (China): GB/T-Bezeichnungen spiegeln internationale Chemien wider (aktuelle GB/T-Tabellen für genaue Übereinstimmungen konsultieren).
• Klassifizierung: Sowohl 304 als auch 305 sind austenitische Edelstähle (Edelstahlfamilie), keine Kohlenstoff- oder HSLA-Stähle. Sie sind nicht magnetisch (im geglühten Zustand) und keine Werkzeugstähle.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche, die in Standard-Spezifikationen und kommerziellen Qualitäten vorkommen. Exakte Grenzen hängen von der Norm und der spezifischen Produktform ab; dies sind repräsentative Bereiche zu Vergleichszwecken.

Hinweise: - 305 zeichnet sich hauptsächlich durch einen höheren Nickelgehalt im Vergleich zu 304 aus. Nickel stabilisiert die austenitische Phase, senkt die Streckgrenze und die Verfestigungsrate und erhöht die Duktilität. - Kohlenstoff wird kontrolliert, um Sensibilisierung und interkristalline Korrosion zu begrenzen; der maximal zulässige Kohlenstoff kann zwischen Produktspezifikationen variieren und beeinflusst die Korrosionsbeständigkeit nach der Verarbeitung. - Molybdän und andere Mikrolegierungselemente sind in diesen Qualitäten in der Regel nicht vorhanden; wo sie in Spuren vorhanden sind, haben sie einen vernachlässigbaren Einfluss auf die typische Korrosionsbeständigkeit.

Wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen: - Chrom (Cr) sorgt für den passiven Oxidfilm, der die allgemeine Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. - Nickel (Ni) stabilisiert Austenit und erhöht Zähigkeit und Duktilität. Höheres Ni in 305 senkt den Verfestigungskoeffizienten und verbessert die Tiefzieheignung. - Kohlenstoff und Stickstoff erhöhen die Festigkeit, können jedoch, wenn sie übermäßig sind, die Sensibilisierung (Ausscheidung von Chromkarbid an den Korngrenzen) fördern, was die interkristalline Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigt, es sei denn, es wird durch niedriglegierte Varianten oder Stabilisierung gemildert.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Mikrostruktur (typisch): Sowohl 304 als auch 305 sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). Sie unterliegen unter normalen Glühbedingungen keiner martensitischen Umwandlung; jedoch kann eine starke Kaltverformung in einigen austenitischen Qualitäten martensitische Umwandlung induzieren (304 ist anfälliger als 305, da 305 einen höheren Ni-Gehalt und eine niedrigere Stapelfehlerenergie hat).
• Wärmebehandlung: Austenitische Edelstähle werden nicht durch Abschrecken und Anlassen gehärtet. Standardverarbeitungswege umfassen das Glühen (Lösungsglühen bei ~1010–1120°C gefolgt von schnellem Abkühlen), um die Duktilität wiederherzustellen und Karbide aufzulösen.
• Kaltverarbeitung: Die Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Duktilität. Da 305 einen höheren Nickelgehalt hat, verfestigt es langsamer und bietet eine überlegene Formbarkeit für Tiefziehen, Streckumformen und Walzformen.
• Thermomechanische Behandlungen: Keine der Qualitäten wird typischerweise normalisiert oder abgeschreckt und angelassen, um die Festigkeit zu erhöhen; mechanische Eigenschaftsanpassungen werden durch Kaltverformung und Lösungsglühzyklen erreicht.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgenden mechanischen Eigenschaften sind typisch für geglühte Platten-/Blechformen und sollten anhand von Materialzertifikaten für spezifische Wärme und Produktformen bestätigt werden.

Interpretation: - Beide Qualitäten bieten hohe Zähigkeit und gute Duktilität im geglühten Zustand. 305 zeigt tendenziell eine geringfügig niedrigere Streckgrenze und verbesserte Dehnung — dies ist die Designabsicht, um Umformoperationen zu erleichtern. - Die Festigkeit in diesen austenitischen Edelstählen wird stark durch Kaltverformung und nicht durch Wärmebehandlung beeinflusst; Designer sollten die erforderlichen mechanischen Eigenschaften in den Vertragsunterlagen angeben.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von austenitischen Edelstählen ist im Vergleich zu ferritischen Qualitäten im Allgemeinen ausgezeichnet, jedoch ist Aufmerksamkeit auf Verformung, Sensibilisierung und Nachschweißeigenschaften erforderlich.

Nützliche empirische Indizes: - Kohlenstoffäquivalent ($CE_{IIW}$), um qualitativ die Anfälligkeit für Kaltverzug und Härtbarkeitseffekte zu bewerten: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm (zur Vorhersage der Anfälligkeit für Kaltverzug in Stahl-Schweißnähten — weniger häufig auf Edelstahl angewendet, aber nützlich in qualitativen Diskussionen): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Qualitative Interpretation: - Sowohl 304 als auch 305 lassen sich leicht mit gängigen Füllmetallen (z.B. 308L/309L-Familie für 304) schweißen. Da 305 einen höheren Nickelgehalt hat, ist es tendenziell noch weniger anfällig für Erstarrungsrisse und behält die Duktilität im wärmebeeinflussten Bereich. - Die Kontrolle des Kohlenstoffgehalts ist wichtig, um Sensibilisierung zu vermeiden; niedriglegierte Varianten (304L) werden angegeben, wenn große Abschnitte ohne Nachschweißlösungsglühen geschweißt werden. - Nachschweißglühen ist für die meisten Einsatzumgebungen in der Regel nicht erforderlich; jedoch gelten bewährte Verfahren zur Spannungsfreigabe und Reinigung. - Für kritische Anwendungen sollten Fülllegierungen ausgewählt werden, die Korrosions- und mechanische Eigenschaften entsprechen; konsultieren Sie Schweißcodes und Datenblätter für Füllmetalle.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Allgemeine Korrosion: Mit ähnlichem Chromgehalt haben 304 und 305 eine weitgehend ähnliche Beständigkeit gegen allgemeine atmosphärische Korrosion, Säuren der Lebensmittelindustrie und viele organische und anorganische Chemikalien.
• Pitting-/Spaltkorrosion: Keine der beiden enthält signifikantes Molybdän; für chloridreiche Umgebungen sind die Legierungen 316 oder höher-PREN-Legierungen vorzuziehen.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) nützlich für Molybdän-haltige Edelstähle: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Da Mo ≈ 0 und N in 304 und 305 niedrig ist, ist PREN niedrig und der Index bietet hier wenig Vorteil — beide werden ohne Schutzmaßnahmen nicht für aggressive Chlorid-Anwendungen empfohlen.
• Oberflächenschutz für nicht-eisenhaltige Stähle: Hier nicht anwendbar; beide sind Edelstahl. Wenn zusätzlicher Schutz erforderlich ist, können Passivierung, Elektrolyse und Beschichtungen angewendet werden.
• Sensibilisierung: Die Kontrolle von Kohlenstoff (und die Verwendung von niedriglegierten Varianten) oder das Lösungsglühen verringern das Risiko der interkristallinen Korrosion nach dem Schweißen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit: 305 wurde für verbesserte Tiefzieh- und Streckumformungsleistung entwickelt. Höheres Nickel senkt die Verfestigungsrate, was größere Einzelschritte der Verformung und weniger Zwischen-Glühungen ermöglicht.
• Bearbeitbarkeit: Sowohl 304 als auch 305 sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. Die niedrigere Verfestigungsrate von 305 kann einige Bearbeitungsoperationen erleichtern (reduzierte Werkzeugdrücke und reduzierte Neigung zur schnellen Verfestigung), aber keine der beiden konkurriert mit freischneidenden Qualitäten (z.B. 303). Verwenden Sie scharfe Werkzeuge, geeignete Vorschübe und Schmierung.
• Biegen und Prägen: 305 erzeugt im Allgemeinen glattere Biegungen mit weniger Rückfederung und Rissbildung bei dünnwandigen Blecharbeiten.
• Oberflächenfinish und Formgebung: 305 verringert das Risiko der Oberflächenrauhigkeit während der Formgebung; für hochwertige sichtbare Oberflächen wählen Sie das geeignete Oberflächenfinish und steuern Sie die Werkzeuge, um das Verkleben zu vermeiden.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn breite Korrosionsleistung, Verfügbarkeit und ausgewogene mechanische Eigenschaften im Vordergrund stehen. Es ist der Branchenstandard für allgemeine Edelstähle. - Wählen Sie 305, wenn Tiefziehen, Streckumformen und überlegene Duktilität die Fertigungsschritte oder den Ausschuss reduzieren; 305 kann die Verarbeitungskosten für komplex geformte Komponenten trotz leicht höherer Materialkosten senken.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: Da 305 typischerweise mehr Nickel enthält, ist es in der Regel pro Kilogramm teurer als 304, alles andere gleich. Die Volatilität des Nickelmarktes treibt die relativen Kostenunterschiede.
• Verfügbarkeit: 304 ist der am häufigsten gelagerte austenitische Edelstahl und ist weit verbreitet in Blech, Platten, Rohren, Schläuchen, Draht und Stangen. 305 ist in gängigen Formen (Blech, Streifen, Coil) erhältlich, wird jedoch möglicherweise nicht in allen Produktformen und -dicken so weit verbreitet gelagert; die Lieferzeiten können für Spezialformen länger sein.
• Beschaffungstipp: Für hochvolumige gestanzte Teile geben Sie 305 nur an, wenn die Einsparungen bei der nachgelagerten Formgebung die höheren Materialkosten pro Einheit ausgleichen. Bei Einzelanfertigungen oder Kleinserien überwiegen oft die Versorgungs Vorteile von 304.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Schlussfolgerungen: - Wählen Sie 304, wenn Sie einen allgemeinen, weit verbreiteten und kosteneffektiven austenitischen Edelstahl mit guter Korrosionsbeständigkeit und konventionellen Form-/Schweißeigenschaften benötigen. - Wählen Sie 305, wenn der Fertigungsprozess überlegene Kaltformbarkeit, Tiefziehen oder reduzierte Rückfederung und Verfestigung erfordert; 305 kann die Formgebungsschritte und den Ausschuss bei hochvolumigen gestanzten oder tiefgeformten Teilen trotz eines höheren Materialpreises reduzieren.

Praktische abschließende Hinweise: - Überprüfen Sie die genauen chemischen und mechanischen Grenzen mit den Prüfberichten des Lieferanten und der relevanten Norm (ASTM/EN/GB/JIS) vor der endgültigen Auswahl. - Für geschweißte, chloridbelastete oder hochbelastete Komponenten sollten alternative Legierungen (z.B. 316, Duplexlegierungen) oder Nachbearbeitungen bewertet werden, anstatt sich auf marginale Unterschiede zwischen 304 und 305 zu verlassen.