304 vs 309S – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Die Auswahl zwischen 304 und 309S austenitischen Edelstahl ist ein häufiges ingenieurtechnisches Abwägen, das Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturverhalten, Schweißbarkeit und Kosten in Einklang bringt. Beschaffungs- und Fertigungsteams wählen häufig 304 für allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit, während 309S ausgewählt wird, wenn erhöhte Temperaturoxidation und Skalierungsbeständigkeit von primärer Bedeutung sind.

Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass 309S legiert ist, um die Hochtemperaturstabilität und Oxidationsbeständigkeit zu verbessern (höherer Chrom- und Nickelgehalt bei niedrigem Kohlenstoff), während 304 für eine breite Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit und Kosteneffizienz optimiert ist. Da beide austenitische Edelstähle sind, werden sie häufig verglichen, wenn Designs sowohl Korrosions- als auch Temperaturanforderungen begegnen.

1. Normen und Bezeichnungen

• ASTM/ASME:
• 304 — AISI/UNS S30400; ASTM A240 (Platten/Bleche), A276 (Stäbe), A312 (Rohre) Bereiche.
• 309S — AISI/UNS S30908; ASTM A240 (Grad 309S) für Platten/Bleche, A312 für Rohre.
• EN (Europäisch): 304 entspricht EN 1.4301/1.4306 (304L); 309S entspricht grob den EN 1.4828 Familienvarianten für Hochtemperaturgrade (Hinweis: die direkte EN-Namenszuordnung variiert).
• JIS/GB: Lokale Standards bieten gleichwertige Bezeichnungen (z.B. SUS304 für 304).
• Klassifikation: Beide sind austenitische Edelstähle (Edelstahl, korrosionsbeständige Legierung). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle listet typische Zusammensetzungsgrenzen/-bereiche gemäß gängigen Spezifikationen auf. Die Werte sind typische Maximalwerte oder nominale Bereiche für handelsübliche Qualitäten; konsultieren Sie die entsprechenden Normblätter für vertragliche Materialgrenzen.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Chrom (Cr): primäres Element für Passivierung und Oxidationsbeständigkeit. Höherer Cr in 309S verbessert die Hochtemperatur-Skalierungsbeständigkeit und die Lochkorrosionsbeständigkeit in bestimmten Hochtemperaturumgebungen. - Nickel (Ni): stabilisiert die austenitische Struktur und verbessert die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit; höheres Ni in 309S stabilisiert Austenit bei erhöhten Temperaturen und erhöht die Warmfestigkeit. - Kohlenstoff (C): niedrigerer Kohlenstoff in 309S (“S”-Graden) reduziert die Karbidabscheidung während des Schweißens und verbessert die interkristalline Korrosionsbeständigkeit; das Maximum von 304 ist höher, aber immer noch kontrolliert. - Silizium (Si) kann die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen verbessern; Mangan (Mn) trägt zur Deoxidation und zum Kaltverformungsverhalten bei. - Das Fehlen von Molybdän bedeutet, dass keine der Qualitäten für die durch Chlor verursachte Lochkorrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Mo-haltigen Qualitäten optimiert ist (z.B. 316).

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostrukturen: Sowohl 304 als auch 309S sind im lösungsgeglühten Zustand im Wesentlichen vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). Sie verwandeln sich unter Standard-Glühbedingungen nicht bei Raumtemperatur in Martensit.
• Reaktion auf Wärmebehandlung:
• Lösungsglühen (üblich): Erhitzen auf ~1010–1120°C, gefolgt von schnellem Abkühlen (Wasser oder Luft, abhängig von der Querschnittsgröße), um eine duktilisierte, rekristallisierte austenitische Struktur wiederherzustellen.
• Keine der Qualitäten wird durch Abschrecken und Anlassen gehärtet (keine martensitische Härtung); die Festigkeit wird durch Kaltverformung (Verfestigung durch Verformung) oder durch Legierung erreicht.
• Bei erhöhten Betriebstemperaturen behält 309S die strukturelle Stabilität und widersteht Skalierung besser als 304 aufgrund des höheren Cr- und Ni-Gehalts. Längere Exposition im Sensibilisierungsbereich (~450–850°C) kann zur Karbidabscheidung in höher-kohlenstoffhaltigen Varianten führen; der niedrige Kohlenstoffgehalt von 309S hilft, die interkristalline Sensibilisierung zu vermeiden.
• Thermomechanische Verarbeitung (Kaltwalzen + Glühen) erzeugt feinkörnigen, duktilen Austenit in beiden Qualitäten; die Rekristallisationstemperaturen sind ähnlich, aber die Zusammensetzung von 309S verschiebt das Rekristallisationsverhalten leicht.

4. Mechanische Eigenschaften

Nachfolgend sind repräsentative Bereiche der mechanischen Eigenschaften im geglühten Zustand für Platten-/Blechprodukte aufgeführt. Dies sind typische Werte; tatsächliche Werte hängen von der Produktform, dem Finish und dem Standard ab.

Interpretation: - 309S zeigt typischerweise etwas höhere Zug- und Streckgrenzen im geglühten Zustand aufgrund des höheren Legierungsgehalts (Festigkeitssteigerung durch Festkörperlösung). - 304 ist typischerweise etwas duktiler und leichter zu formen, mit hervorragender Zähigkeit bei Raum- und niedrigen Temperaturen. - Die Unterschiede sind moderat; Designentscheidungen sollten zertifizierte Prüfdaten des Lieferanten für deterministische Analysen verwenden.

5. Schweißbarkeit

• Sowohl 304 als auch 309S lassen sich leicht mit standardmäßigen austenitischen Füllmetallen schweißen; 309S wird häufig als Füllmaterial oder Überzug für das Verbinden von unterschiedlichen Stählen oder für Hochtemperaturdienste verwendet, aufgrund seines höheren Cr/Ni-Verhältnisses.
• Die Neigung zu Schweißrissen und Warmrissanfälligkeit ist für beide Qualitäten im Allgemeinen gering, aber die Wahl des Füllmaterials, das Gelenkdesign und die Wärmezufuhr sind entscheidend.
• Die Verwendung von Kohlenstoffkontrolle (309S niedriger C) verringert das Risiko der Sensibilisierung und interkristallinen Korrosion nach dem Schweißen.
• Übliche Schweißbarkeitsindizes:
• Für den Kohlenstoffäquivalent (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Für eine breitere Vorhersage der Schweißbarkeit:
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Qualitative Interpretation: Beide Qualitäten haben im Vergleich zu martensitischen oder hochfesten niedriglegierten Stählen niedrige Kohlenstoffäquivalente, sodass Vorwärmen und spezielle Schweißvorkehrungen selten erforderlich sind. Für kritische, dicke oder zyklisch beanspruchte Schweißnähte sollten Schweißverfahrensspezifikationen konsultiert und passende Füllmetalle in Betracht gezogen werden (z.B. ER309L für das Verbinden von 304 mit hochlegierten Stählen).

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Edelstahlverhalten: Beide sind Edelstahl (bilden eine schützende Cr-reiche Oxidschicht), aber Umgebungen und Temperaturregime bestimmen die relative Leistung.
• PREN (für Lochkorrosionsbeständigkeit) ist hauptsächlich anwendbar, wo Mo und N erheblich beitragen. Zur Referenz:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Da Mo typischerweise fehlt und N niedrig ist, sind die PREN-Werte für 304 und 309S bescheiden; keine der Qualitäten ist für schwere Chlorlochkorrosion im Vergleich zu Mo-haltigen Qualitäten optimiert.
• Relative Korrosionsverhalten:
• 304: Ausgezeichnete allgemeine Korrosionsbeständigkeit in vielen wässrigen Umgebungen bei Raumtemperaturen (Lebensmittelverarbeitung, allgemeine chemische Exposition).
• 309S: Überlegene Beständigkeit gegen Oxidation und Skalierung bei erhöhten Temperaturen (Ofenteile, Hochtemperaturstapel). In einigen hochtemperatur-gasförmigen korrosiven Umgebungen übertrifft 309S 304.
• Nicht-edelstahlmäßiger Oberflächenschutz: Für diese Qualitäten nicht anwendbar, es sei denn, eine zusätzliche Beschichtung oder Farbe ist aus Verschleiß- oder ästhetischen Gründen gewünscht. Für Stähle, die nicht Edelstahl sind, wären Verzinkung oder Lackierung Optionen, aber für 304/309S liegt der Fokus auf der Erhaltung der passiven Schicht und der Vermeidung von Verunreinigungen (z.B. Chloriden).

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit: 304 lässt sich aufgrund der etwas höheren Duktilität und der niedrigeren Verfestigungsrate leichter formen (Tiefziehen, Biegen) als 309S. 309S kann engere Biegeradien und mehr Kraft erfordern; das Glühen vor dem Formen ist eine gängige Praxis für 309S in engen Formanwendungen.
• Zerspanbarkeit: Beide sind schwieriger zu bearbeiten als frei schneidende Stähle. 304 ist etwas einfacher zu bearbeiten als 309S; Werkzeuge, Geschwindigkeiten und Vorschübe müssen angepasst werden; die Verwendung von Hochleistungs-Schneidflüssigkeiten und Hartmetallwerkzeugen wird empfohlen.
• Oberflächenbehandlung: Beide nehmen eine Vielzahl von Oberflächenbehandlungen an (hell geglüht, geätzt, passiviert). Geschweißte Baugruppen benötigen typischerweise Beizen und Passivierung, um die Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit, Oberflächenfinish und niedrigere Kosten die Hauptanforderungen sind. - Wählen Sie 309S, wenn eine anhaltende Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit, Skalierungsbeständigkeit oder das Schweißen an hochlegierte Systeme erforderlich ist.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: 309S ist im Allgemeinen teurer als 304 aufgrund des höheren Chrom- und Nickelgehalts. Die Marktpreise variieren mit den Nickelpreisen.
• Verfügbarkeit: 304 ist allgegenwärtig und in einer breiten Palette von Produktformen (Blech, Platte, Coil, Rohr, Stab, Draht) erhältlich. 309S ist weit verbreitet, kann jedoch in weniger Finish-/Gradkombinationen und manchmal in weniger Stärken oder Spezialformen vorrätig sein.
• Lieferzeiten: 304 hat oft kürzere Lieferzeiten aufgrund höherer Produktionsvolumina; für große oder Spezialbestellungen von 309S sollten Sie frühzeitig mit den Lieferanten sprechen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie 304, wenn Sie einen kosteneffektiven, hochformbaren und breit korrosionsbeständigen Edelstahl für den Einsatz bei Raum- bis mäßig erhöhten Temperaturen benötigen (z.B. Lebensmittelverarbeitung, Lagertanks, architektonische Anwendungen). - Wählen Sie 309S, wenn die Anwendung anhaltend hohe Temperaturen, aggressive Oxidationsumgebungen umfasst oder einen Füllstoff/Überzug für das Verbinden mit hochlegierten Materialien erfordert — insbesondere wenn Skalierungsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit über Formbarkeit und Kosten priorisiert werden.

Abschließende Anmerkung: Beide Qualitäten sind austenitische Edelstähle mit überlappenden Fähigkeiten; die Spezifikation sollte basierend auf der tatsächlichen Betriebstemperatur, korrosiven Spezies, Fertigungsmethode und den zertifizierten Materialprüfberichten des Lieferanten abgeschlossen werden.