304 vs 310S – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

304 und 310S sind zwei der am häufigsten spezifizierten austenitischen Edelstähle in der Industrie. Ingenieure und Beschaffungsfachleute wägen häufig Kompromisse zwischen Korrosionsleistung, Hochtemperaturstabilität, Schweißbarkeit und Materialkosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen Lebensmittel- und Pharmazeutikausrüstungen (wo 304 oft wegen der Kosten- und Korrosionsbilanz spezifiziert wird) im Vergleich zu Ofenteilen und Hochtemperaturprozessanlagen (wo 310S aufgrund seiner Oxidations- und Kriechbeständigkeit bevorzugt wird).

Der Hauptunterschied, der den Vergleich antreibt, ist die Legierungschemie: 310S enthält erheblich mehr Chrom und Nickel als 304, was 310S eine viel bessere Hochtemperatur-Oxidations- und Festigkeitsbeständigkeit verleiht, aber auch höhere Anschaffungskosten und andere Verarbeitungseigenschaften mit sich bringt. Da beide Legierungen austenitische Edelstähle mit ähnlicher Grundmetallurgie sind, werden sie oft als Alternativen im Design betrachtet, wobei die endgültige Wahl von Betriebstemperatur, Korrosionsumgebung, Verarbeitungsbedürfnissen und Budget abhängt.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Bezeichnungen:
• ASTM / ASME: 304 (UNS S30400), 310S (UNS S31008)
• EN: 1.4301 (ca. 304), 1.4845 (ca. 310S)
• JIS: SUS304, SUS310S
• GB (China): 06Cr19Ni10 (304-Äquivalente), 25Cr20Ni (310/310S-Äquivalente)
• Klassifizierung:
• Sowohl 304 als auch 310S sind austenitische Edelstähle (Edelstahlfamilie).
• Sie sind keine Kohlenstoffstähle, legierte Stähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Klassen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.%). Tatsächliche Grenzen hängen von der Spezifikation und dem Werk ab; die aufgeführten Werte spiegeln allgemein verwendete ASTM/EN-Bereiche zur allgemeinen Orientierung wider.

Hinweise: - „—“ bedeutet, dass nicht absichtlich hinzugefügt; es sind nur spurenweise Rückstände vorhanden. - 310S ist die kohlenstoffarme Variante der Legierung 310; niedriger Kohlenstoff reduziert die Karbidabscheidung während der Hochtemperaturbelastung. - Das höhere Chrom und Nickel in 310S sind absichtlich, um Austenit bei erhöhten Temperaturen zu stabilisieren und eine schützende Oxidschicht während der Oxidation zu bilden.

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Chrom trägt zur Korrosionsbeständigkeit (Bildung einer passiven Schicht) und zur Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit bei. Höheres Cr in 310S verbessert die Skalierungsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. - Nickel stabilisiert die austenitische Mikrostruktur und verbessert die Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit; signifikantes Ni in 310S verbessert die Duktilitätsbeibehaltung und das Kriechverhalten bei Temperatur. - Kohlenstoff fördert die Festigkeit durch Festkörperlösung und Karbidbildung, erhöht jedoch das Sensibilisierungsrisiko; die Kontrolle des Kohlenstoffs (wie in 310S) verringert die Karbidabscheidung im Betrieb.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostrukturen:
• Beide Legierungen sind im geglühten Zustand bei Raumtemperatur aufgrund des Ni-Gehalts vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter).
• Keine der Legierungen ist durch Abschrecken und Anlassen behandelbar, wie es bei ferritischen oder martensitischen Stählen der Fall ist. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Kaltverformung und durch Lösungsglühen modifiziert.
• Reaktion auf Wärmebehandlung:
• Empfohlene Lösungsglühen: typischerweise im Bereich von 1010–1150 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen (Wasser- oder Luftkühlung gemäß Spezifikation), um die Korrosionsbeständigkeit und Duktilität wiederherzustellen.
• 304: Lösungsglühen löst alle Karbide auf und stellt die Duktilität wieder her; längere Exposition im Bereich von 425–850 °C kann Sensibilisierung und interkristalline Korrosion aufgrund der Karbidabscheidung verursachen, wenn der Kohlenstoff nicht kontrolliert wird.
• 310S: niedriger Kohlenstoff und hohes Ni reduzieren die Karbidabscheidung und das Sensibilisierungsrisiko; jedoch können lange Expositionen im Bereich der Sigma-Phasenabscheidung (ca. 600–1000 °C) dennoch intermetallische Phasen (Sigma-Phase) in hochchromhaltigen Legierungen unter bestimmten Bedingungen fördern. Eine ordnungsgemäße Lösungsglühen und kontrollierte Betriebsbelastung minimieren dies.
• Thermo-mechanische Verarbeitung:
• Kaltverformung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung, verringert jedoch die Formbarkeit und kann die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion in bestimmten Umgebungen erhöhen.
• Für Hochtemperatur-Kriechanwendungen wird 310S bevorzugt, da die Legierung eine bessere Kriechbeständigkeit bietet; weder 304 noch 310S können durch Ausscheidung gehärtet werden.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: typische geglühte Werte bei Raumtemperatur (indikative Bereiche; tatsächliche Werte hängen von der Produktform und Spezifikation ab).

Interpretation: - Bei Raumtemperatur sind die mechanischen Eigenschaften von 304 und 310S weitgehend ähnlich; beide sind duktil und zäh. - Bei erhöhten Temperaturen zeigt 310S eine überlegene Festigkeitsbeibehaltung und Kriechbeständigkeit aufgrund des höheren Ni- und Cr-Gehalts. - Keine der Legierungen sollte für hochfeste Struktur-Anwendungen ohne Konstruktionsberechnungen, die temperaturabhängiges Kriechen und Relaxation berücksichtigen, verwendet werden.

5. Schweißbarkeit

• Sowohl 304 als auch 310S sind im Allgemeinen hoch schweißbar mit Standard-Schmelzverfahren (TIG, MIG, SMAW). Austenitische Edelstähle sind nicht anfällig für die wasserstoffunterstützte Kaltverfestigung, die hochfeste Kohlenstoffstähle betreffen kann.
• Kohlenstoffgehalt und Härtbarkeit:
• Niedrigerer Kohlenstoff reduziert die Karbidabscheidung und die interkristalline Korrosion nach dem Schweißen. 310S (niedriger Kohlenstoff) verringert das Sensibilisierungsrisiko im Vergleich zu höherkohlenstoffhaltigen Varianten.
• Die Härtbarkeit und das Rissrisiko sind gering; jedoch können Kaltverfestigung und thermische Zyklen Verzerrungen erzeugen, und ein ordnungsgemäßes Fugen-Design und eine Fixierung sind wichtig.
• Übliche Schweißmetallurgie-Indizes (für qualitative Interpretation):
• Anzeige der Kohlenstoffäquivalentformel: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
• Pariser Pcm-Formel: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Qualitative Interpretation für diese Legierungen:
• Beide Legierungen haben einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (insbesondere 310S), sodass $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu härtbaren Stählen niedrig sind; dies sagt eine niedrige Härtbarkeit und ein geringes Risiko von martensitinduzierten Rissen voraus.
• Das höhere Ni in 310S erhöht leicht das numerische CE über den Formelterm, aber Nickel verbessert auch die Duktilität und verringert in der Praxis die Anfälligkeit für Kaltverfestigung.
• Schweißpraxis:
• Verwenden Sie passende oder geeignete Füllmetalle, die für die beabsichtigte Betriebstemperatur ausgewählt wurden.
• Für 304 vermeiden Sie längere Zwischenzeiten im Sensibilisierungsbereich ohne nach dem Schweißen Lösungsglühen, wenn die Anwendung anfällig für interkristalline Angriffe ist.
• 310S-Schweißnähte erfordern Aufmerksamkeit für thermische Ausdehnung und Verzerrung aufgrund des höheren Legierungsgehalts und sind möglicherweise weniger tolerant gegenüber schnellen Kühlspannungen in dicken Abschnitten.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Allgemeine Korrosion (wässrige Umgebungen bei Raumtemperatur):
• 304 bietet eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit für viele Betriebsumgebungen, einschließlich Luft, milden Säuren und Lebensmittelverarbeitung.
• 310S bietet eine ähnliche oder leicht verbesserte allgemeine Korrosionsbeständigkeit, aber ihr Hauptvorteil ist die Hochtemperaturleistung und nicht die verbesserte Loch- oder Spaltkorrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen wässrigen Umgebungen.
• Lochkorrosionsbeständigkeit:
• Der Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) ist nützlich, wenn Mo und N signifikant sind: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Weder 304 noch 310S enthalten Mo; beide haben einen niedrigen N-Gehalt – daher ist PREN kein starkes Unterscheidungsmerkmal. Für die Lochkorrosionsbeständigkeit sind Legierungen mit Mo (z. B. 316) leistungsfähiger.
• Hochtemperaturkorrosion/Oxidation:
• 310S hat eine signifikant bessere Beständigkeit gegen Oxidation und Skalierung bei erhöhten Temperaturen (zum Beispiel Ofenatmosphären) aufgrund des höheren Cr- und Ni-Gehalts, die schützende Oxidschichten stabilisieren.
• Wenn Edelstahllegierungen nicht geeignet sind, gelten typische Oberflächenschutzmaßnahmen für nicht-eisenhaltige Stähle (Verzinkung, Beschichtungen, Auskleidungen, Malerei); für diese beiden Legierungen konzentrieren sich die Schutzüberlegungen auf die Aufrechterhaltung der Passivität und die Vermeidung von Sensibilisierung.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit:
• Beide sind im geglühten Zustand hoch formbar. 304 wird häufig für Tiefzieh- und komplexe Formoperationen verwendet.
• 310S wird weniger häufig für umfangreiche Formungen verwendet, da der höhere Legierungsgehalt die Kaltverfestigungsrate und das Rückfederungsverhalten erhöhen kann; jedoch bleibt es mit geeigneten Werkzeugen und Glühzyklen bearbeitbar.
• Zerspanbarkeit:
• Austenitische Edelstähle verfestigen sich und sind schwieriger zu bearbeiten als niedriglegierte Stähle.
• 304 hat eine moderate Zerspanbarkeit für Edelstähle; Spansteuerung, starre Aufbauten, positive Vorschubwerkzeuge und Hartmetalleinsätze helfen.
• 310S kann aufgrund des höheren Ni-Gehalts und der zäheren Legierung härter zu bearbeiten sein und erfordert möglicherweise langsamere Schnittgeschwindigkeiten und robustere Werkzeuge.
• Oberflächenfinish und Polieren:
• Beide lassen sich gut polieren; 304 wird häufig dort eingesetzt, wo glänzende Oberflächen erforderlich sind. 310S kann ebenfalls auf hohe Standards bearbeitet werden, kann jedoch aufgrund der Materialzähigkeit etwas schwieriger sein.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn Korrosionsbeständigkeit bei Umgebungstemperaturen, Kostenwirksamkeit und breite Verfügbarkeit die Hauptfaktoren sind. - Wählen Sie 310S, wenn nachhaltige Hochtemperaturfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und geringe Karbidabscheidung bei erhöhten Temperaturen entscheidend sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis:
• 310S ist teurer als 304 aufgrund des erheblich höheren Ni- und Cr-Gehalts.
• Preisdifferenzen schwanken mit den globalen Nickel- und Chrommärkten; der Nickelgehalt ist der Hauptkostentreiber.
• Verfügbarkeit:
• 304 ist einer der am häufigsten lagernden Edelstähle weltweit in Blech-, Platten-, Stangen-, Rohr- und Röhrenformen.
• 310S ist weit verbreitet, aber einige Produktformen (z. B. sehr große Platten oder spezielle kaltgeformte Abschnitte) können längere Lieferzeiten oder begrenzte Lieferanten im Vergleich zu 304 haben.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle, die die wichtigsten Kompromisse zusammenfasst:

Empfehlungen: - Wählen Sie 304, wenn: - Die Anwendung hauptsächlich bei Umgebungstemperatur bis mäßig erhöhten Temperaturen erfolgt. - Sie eine breite Verfügbarkeit, niedrigere Kosten und eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit benötigen (Lebensmittel, Architektur, allgemeine Prozessanlagen). - Umfangreiche Form- oder Tiefziehoperationen erforderlich sind. - Wählen Sie 310S, wenn: - Die Hauptanforderung eine nachhaltige Hochtemperaturleistung, Oxidationsbeständigkeit oder verbesserte Kriechfestigkeit ist (Öfen, Hochtemperaturprozessanlagen). - Das Sensibilisierungsrisiko in einer hochtemperaturzyklischen Umgebung minimiert werden muss. - Höhere Materialkosten für eine verbesserte Lebensdauer und reduzierte Skalierung akzeptabel sind.

Letzte Anmerkung: Die Materialauswahl sollte immer das gesamte Betriebsumfeld (Temperatur, Atmosphäre, mechanische Belastung, Fugen-Design, Verarbeitungsweg und Gesamtkosten über den Lebenszyklus) berücksichtigen. Bei Zweifeln für kritische Hochtemperatur- oder korrosive Anwendungen sollte die Auswahl durch Korrosionstests bestätigt, langfristige Kriech- und Oxidationsdaten konsultiert und Materiallieferanten oder metallurgische Berater einbezogen werden, um die Eignung zu überprüfen.