304 vs 316 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Edelstähle 304 und 316 sind zwei der am häufigsten spezifizierten austenitischen Grade in der Industrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner müssen häufig zwischen ihnen entscheiden, wenn sie Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitungs-/Schweißbarkeit, mechanische Anforderungen und Kosten abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Lebensmittelverarbeitung und Küchenausstattung (wo Kosten und Formbarkeit wichtig sind) im Vergleich zu maritimen oder chemischen Anwendungen (wo die Korrosionsbeständigkeit gegen Chloride entscheidend ist).
Der wesentliche metallurgische Unterschied besteht darin, dass 316 mit Molybdän legiert ist (und oft einen leicht höheren Nickelgehalt aufweist), was die Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion erhöht – insbesondere gegen Lochfraß und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen. Da beide austenitische Edelstähle mit ähnlichen Grundgehalten an Chrom und Nickel sind, werden sie häufig hinsichtlich Substitution oder Spezifikationsentscheidungen verglichen.
1. Normen und Bezeichnungen
Gemeinsame internationale Normen und Bezeichnungen für 304 und 316 umfassen:
- ASTM/ASME: A240/A276/A312 (Platte, Stange, Rohr jeweils)
- EN: 1.4301 (304), 1.4401 (316) und deren niedrigkohlenstoffhaltige/stabilisierte Varianten (z.B. 1.4307 = 304L, 1.4404 = 316L)
- JIS: SUS304, SUS316
- GB (China): 0Cr18Ni9 (ca. 304), 0Cr17Ni12Mo2 (ca. 316)
Klassifizierung: sowohl 304 als auch 316 sind Edelstahl (austenitische) Stähle. Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Grades.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle fasst typische Zusammensetzungsbereiche für gängige kommerzielle 304- und 316-Grades (geglüht, Standardgrades) zusammen. Produktstandards und Lieferanten können leicht unterschiedliche Grenzen angeben; stabilisierte oder niedrigkohlenstoffhaltige Varianten (z.B. 304L, 316L, 316Ti, 316Nb) ändern einige Einträge.
| Element | 304 (typischer Bereich, Gew.% ) | 316 (typischer Bereich, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.0–19.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 10.0–14.0 |
| Mo | — (typischerweise 0) | 2.0–3.0 |
| V | Spuren (nicht spezifiziert) | Spuren (nicht spezifiziert) |
| Nb | nicht vorhanden (außer stabilisierten Grades) | nicht vorhanden (außer stabilisierten Grades) |
| Ti | nicht vorhanden (außer stabilisierten Grades) | nicht vorhanden (außer stabilisierten Grades) |
| B | Spuren / nicht spezifiziert | Spuren / nicht spezifiziert |
| N | gering, kontrolliert (oft ≤ 0.1) | gering, kontrolliert (oft ≤ 0.1) |
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt - Chrom (Cr) sorgt für den passiven Oxidfilm, der dem Edelstahl seine grundlegende Korrosionsbeständigkeit verleiht. - Nickel (Ni) stabilisiert die kubisch-flächenzentrierte (austenitische) Phase, verbessert die Zähigkeit, Duktilität und die Leistung bei niedrigen Temperaturen. - Molybdän (Mo), das in 316 vorhanden ist, erhöht den Widerstand gegen Lochfraß und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen und verbessert den Widerstand gegen einige chemische Medien. - Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst die Festigkeit und die Anfälligkeit für Sensibilisierung (Karbidniederschlag) während des Erhitzens/Schweißens; niedrigkohlenstoffhaltige Varianten (304L, 316L) oder stabilisierte Grades mindern die Sensibilisierung.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur - Sowohl 304 als auch 316 sind bei Raumtemperatur (kubisch-flächenzentriert, FCC) nach der Standardlösungsglühung vollständig austenitisch. - Die Mikrostruktur besteht typischerweise aus einer einphasigen Austenitstruktur mit möglichen Spuren von Delta-Ferrit, abhängig von der Verarbeitung und Zusammensetzung.
Reaktion auf Wärmebehandlung und Verarbeitung - Austenitische Edelstähle sind im Wesentlichen nicht wärmebehandelbar zur Festigkeitssteigerung durch Abschrecken und Anlassen, wie es bei ferritischen/martensitischen Stählen der Fall ist. Die mechanischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch Kaltverformung und Verfestigung bestimmt. - Häufige thermische Prozesse: - Lösungsglühen (typischerweise bei etwa 1.050–1.100 °C, gefolgt von Abschrecken) löst Karbide auf und stellt die Korrosionsbeständigkeit und Duktilität wieder her. - Spannungsarmglühen bei niedrigeren Temperaturen wird selektiv verwendet, kann jedoch das Risiko von Karbidniederschlägen erhöhen, wenn es im Sensibilisierungsbereich (~500–800 °C) gehalten wird. - Sensibilisierung: Längere Exposition im Temperaturbereich von 500–800 °C führt zur Ausfällung von Chromkarbid an den Korngrenzen, wodurch Chrom in benachbarten Bereichen erschöpft wird und die Anfälligkeit für intergranulare Korrosion erhöht wird. Minderung: Spezifizieren Sie niedrigkohlenstoffhaltige Grades (304L/316L) oder stabilisierte Grades (TP347/316Ti) beim Schweißen oder wenn der Dienst Temperaturen umfasst, die eine Sensibilisierung verursachen könnten. - Kaltverformung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung, erhöht jedoch auch die Anfälligkeit für lokale Korrosion, wenn die Verformung den passiven Film beschädigt.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen von der Produktform (Blech, Platte, Stange, Draht), der Wärmebehandlung und der Kaltverformung ab. Die Tabelle gibt typische geglühte, kommerziell verfügbare Bereiche an; genaue Werte müssen aus Materialzertifikaten oder Standards für den Einkauf bestätigt werden.
| Eigenschaft (geglüht, typisch) | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | ~480–620 MPa (typischer Bereich) | ~480–620 MPa (typischer Bereich) |
| Streckgrenze (0.2% Offset) | ~190–310 MPa (variiert je nach Produkt) | ~190–310 MPa (variiert je nach Produkt) |
| Dehnung (A%) | ≥ 40% (dünne Bleche höher) | ≥ 40% (dünne Bleche höher) |
| Schlagzähigkeit (Raumtemperatur) | Hoch; behält Duktilität und Zähigkeit | Hoch; ähnlich oder leicht besser bei niedrigen Temperaturen |
| Härte (geglüht) | HB ~120–200 (abhängig von der Verfestigung) | HB ~120–200 (abhängig von der Verfestigung) |
Interpretation - Festigkeit: Im geglühten Zustand weisen 304 und 316 sehr ähnliche Zug- und Streckgrenzen auf; Unterschiede in der Festigkeit sind typischerweise gering im Vergleich zu den Auswirkungen von Kaltverformung oder Produktform. - Zähigkeit und Duktilität: Beide Grades sind bei Raum- und Unter-Null-Temperaturen zäh und duktil aufgrund der stabilen austenitischen Mikrostruktur. 316 kann in einigen Niedertemperatur- oder stark korrosiven Umgebungen eine leicht bessere Zähigkeit aufweisen, bedingt durch seine Legierung, aber die Unterschiede sind bescheiden. - Härte: Beide sind im geglühten Zustand relativ weich; die Härte kann durch Kaltverformung erheblich steigen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von 304 und 316 ist im Allgemeinen sehr gut unter Verwendung standardmäßiger Schmelzschweißverfahren (TIG, MIG, SMAW usw.). Wichtige Überlegungen:
- Kohlenstoffgehalt und Sensibilisierung: Der Kohlenstoffgehalt steuert die Anfälligkeit für intergranulare Korrosion nach dem Schweißen. Verwenden Sie niedrigkohlenstoffhaltige Varianten (304L, 316L) oder stabilisierte Grades (z.B. 316Ti) für dicke Schweißverbindungen oder wenn eine Nachbehandlung durch Lösungsglühen nach dem Schweißen unpraktisch ist.
- Härte und Härtbarkeit: Austenitische Edelstähle haben eine niedrige Härtbarkeit; die Bildung von Martensit im Schweiß-HAZ ist im Vergleich zu ferritischen Stählen ungewöhnlich.
- Schweißbarkeitsindizes (qualitativ): Kohlenstoffäquivalenzformeln helfen, das Risiko von Rissbildung oder Härtbarkeit zu bewerten. Beispielindizes, die häufig von Ingenieuren verwendet werden, sind: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ und $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Qualitative Interpretation: Sowohl 304 als auch 316 erzeugen duktilen, rissbeständigen Schweißnähte mit ordnungsgemäßen Verfahren. Das Mo und der höhere Ni-Gehalt von 316 können besondere Aufmerksamkeit bei der Auswahl des Zusatzmaterials erfordern, um die Korrosionsleistung zu gewährleisten. Eine Nachbehandlung durch Lösungsglühen oder die Verwendung von niedrigkohlenstoffhaltigen/stabilisierten Grades minimiert die Sensibilisierung.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Edelgrade - Der passive Cr2O3-Film auf sowohl 304 als auch 316 bietet allgemeine Korrosionsbeständigkeit in Luft und vielen wässrigen Umgebungen. - Bei lokalisierter Korrosion (Lochfraß, Spaltkorrosion) in chloridhaltigen Umgebungen ist Molybdän ein effektives Legierungselement. Verwenden Sie die Äquivalenzzahl für Lochfraßbeständigkeit (PREN) als vergleichenden Index: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Qualitativ wird 316 (mit Mo) eine höhere PREN als 304 haben und somit eine überlegene Lochfraßbeständigkeit in chloridhaltigen Medien aufweisen. - Sensibilisierung und intergranulare Korrosion treten auf, wenn Kohlenstoff mit Chrom an den Korngrenzen kombiniert; niedrigkohlenstoffhaltige oder stabilisierte Grades mindern dies.
Nicht-Edelstähle - Für Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle (nicht Gegenstand dieses Vergleichs) umfassen Korrosionsschutzmethoden Verzinken, Lackieren, Polymerbeschichtungen oder kathodischen Schutz. PREN gilt nicht für nicht-eisenhaltige Metalle.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: 304 wird allgemein als etwas einfacher zu formen und zu ziehen angesehen als 316 im geglühten Zustand; beide werden umfangreich für Tiefziehen und komplexe Formen verwendet. Kaltverformung erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Duktilität.
- Zerspanbarkeit: Austenitische Edelstähle sind aufgrund der Verfestigung und Zähigkeit schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. 316, aufgrund von Mo und höherem Nickel, lässt sich oft etwas schwieriger bearbeiten als 304 und kann schnellen Werkzeugverschleiß verursachen; verwenden Sie scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten, positive Vorschübe und geeignetes Kühlmittel.
- Oberflächenveredelung: Beide nehmen standardmäßige mechanische und elektrochemische Oberflächenbehandlungen an. 316 wird oft bevorzugt, wenn auf elektrochemische Politur und Passivierung in chloridhaltigen Umgebungen zurückgegriffen wird.
- Form- und Schweißrichtlinien: Überhitzung und lange Haltezeiten im Temperaturbereich von 500–800 °C vermeiden, um Sensibilisierung zu verhindern; planen Sie Schweißsequenzen und die Auswahl des Zusatzmaterials, um die Korrosionsleistung zu erhalten.
8. Typische Anwendungen
| 304 — Typische Anwendungen | 316 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Küchenausstattung, Spülen, Lebensmittelverarbeitungsgeräte (nicht-chloridhaltig) | Maritime Hardware, Pumpen, Ventile und Armaturen, die Meerwasser ausgesetzt sind |
| Architektonische Verkleidungen und Innenhandläufe | Chemische und petrochemische Geräte, die Chloride oder Säuren handhaben |
| Getränke- und Milchausrüstung | Pharmazeutische und medizinische Geräte, bei denen Chloridbeständigkeit erforderlich ist |
| Befestigungselemente (Innenanwendung), dekorative Paneele | Wärmetauscher, Kondensatorrohre in maritimen oder Küstenanlagen |
| Automobilverkleidungen und Innenkomponenten | Offshore-Plattformen, Schiffbauteile, Küstenschutzinfrastruktur |
Auswahlbegründung - Wählen Sie 304, wenn der Einsatz keine signifikante Chlorangriffe umfasst und Kosten und Formbarkeit Priorität haben. - Wählen Sie 316, wenn der Einsatz eine Exposition gegenüber Meerwasser, Salzwässern oder chloridreichen Chemikalien umfasst, bei denen eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion erforderlich ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 316 ist typischerweise teurer als 304, da Molybdän und oft höherer Nickel die Materialkosten erhöhen. Preisunterschiede variieren mit Marktschwankungen bei Ni und Mo.
- Verfügbarkeit: 304 ist in einer breiteren Palette von Produktformen (Blech, Platte, Stange, Befestigungselemente) und Dicken häufiger vorrätig. 316 ist weit verbreitet, kann jedoch längere Lieferzeiten oder höhere Mindestbestellmengen für einige Spezialproduktformen (z.B. nahtlose Rohre mit großem Durchmesser oder schwere Platten) haben.
- Einkaufsnotiz: Geben Sie beim Bestellen die genaue Legierung, Produktform und alle niedrigkohlenstoffhaltigen oder stabilisierten Varianten an, um Substitutionen zu vermeiden, die die Korrosionsleistung beeinträchtigen könnten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ)
| Aspekt | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet (verwenden Sie 304L oder Stabilisierung nach Bedarf) | Ausgezeichnet (verwenden Sie 316L oder Stabilisierung nach Bedarf) |
| Festigkeit–Zähigkeit | Gut; ähnlich wie 316 im geglühten Zustand | Gut; ähnlich wie 304 im geglühten Zustand; behält Zähigkeit in korrosiven Umgebungen |
| Korrosionsbeständigkeit (allgemein) | Gut | Besser in Chlorid-/Lochfraßumgebungen aufgrund von Mo |
| Formbarkeit | Etwas besser für Tiefziehen | Etwas weniger formbar; besser für schwere Korrosionsanwendungen |
| Zerspanbarkeit | Marginal einfacher als 316 | Etwas herausfordernder; verfestigt sich mehr |
| Kosten | Niedriger | Höher (Mo- und Ni-Gehalt erhöhen die Kosten) |
Schlussfolgerungen und Empfehlungen - Wählen Sie 304, wenn: - Die Anwendung drinnen ist oder keinen Chloriddienst umfasst (Lebensmittelgeräte, architektonische Oberflächen), bei denen allgemeine Korrosionsbeständigkeit, niedrigere Kosten und gute Formbarkeit Priorität haben. - Sie maximale Verfügbarkeit über Produktformen und -größen zu niedrigeren Materialkosten wünschen. - Wählen Sie 316, wenn: - Die Einsatzumgebung Chloride, Meerwasser, Salzwässer oder chemische Medien umfasst, die Lochfraß und Spaltkorrosion fördern. - Eine längere Lebensdauer in aggressiven Umgebungen, reduzierte Wartung oder höhere Materialzuverlässigkeit die höheren Materialkosten rechtfertigt. - Sie eine verbesserte Leistung in geschweißten Baugruppen benötigen, bei denen die lokale Korrosionsbeständigkeit im Schweißbereich entscheidend ist (und Sie bei Bedarf geeignete niedrigkohlenstoffhaltige/stabilisierte Optionen auswählen).
Letzter Einkaufstipp: Geben Sie immer die genaue Legierungsvariante (z.B. 304L, 316L, 316Ti), Produktform, Oberflächenfinish und alle Prüf- oder Zertifizierungsanforderungen an. Für kritische oder aggressive Umgebungen sollten Sie Labor-Korrosionstests, Feldversuche oder Materialqualifikationen in Betracht ziehen, um die Auswahl der Legierung für den vorgesehenen Einsatz zu validieren.