304 vs 321 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Edelstähle 304 und 321 sind zwei der am häufigsten spezifizierten austenitischen Sorten in der Industrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturstabilität, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Das Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise darauf, ob allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Kosteneffizienz (304) oder Widerstand gegen Karbidniederschlag und interkristalline Angriffe bei erhöhten Temperaturen (321) priorisiert werden sollen.
Der wesentliche metallurgische Unterschied besteht darin, dass 321 durch Titanzusätze stabilisiert wird, die Kohlenstoff als Karbonitride binden und die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion nach der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturbereichen erheblich verbessern. Da beide austenitisch sind, werden sie häufig für Rohrleitungen, Behälter, Wärmetauscher und gefertigte Komponenten verglichen, die im Einsatz hohen Temperaturen und Schweißvorgängen ausgesetzt sein können.
1. Normen und Bezeichnungen
- 304
- Übliche Bezeichnungen: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
- Typ: Austenitischer Edelstahl (Edelstahl)
- Relevante Normen: ASTM A240 (Platten), ASTM A276 (Stäbe), ASTM A312 (Rohre), ASME SA-240, EN 10088
- 321
- Übliche Bezeichnungen: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541 (oder 1.4541/1.4878 Varianten), JIS SUS321, GB 06Cr19Ni10Ti
- Typ: Austenitischer Edelstahl (titanstabilisiert)
- Relevante Normen: ASTM A240, ASTM A312, ASME SA-240, EN 10088
Beide werden als rostfreie austenitische Stähle klassifiziert; sie sind keine Kohlenstoff-, Werkzeug- oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche (Gewichtsprozent) gemäß weit verbreiteten Normen. Exakte Grenzen hängen von spezifischen Normen und Produktformen ab; die aufgeführten Werte sind repräsentativ.
| Element | 304 (typischer Bereich, Gew%) | 321 (typischer Bereich, Gew%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | — (0) | — (0) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | min(5 × C, 0.70) (häufig 0.20–0.70) |
| B | — | — |
| N | typischerweise ≤ 0.10 | typischerweise ≤ 0.10 |
Zusammenfassung der Legierungsstrategie: - Chrom und Nickel erzeugen eine stabile austenitische Matrix und bieten allgemeine Korrosionsbeständigkeit. Nickel verbessert auch die Zähigkeit und Formbarkeit. - Titan in 321 bildet bevorzugt Titankarbide/Nitrid (TiC, TiN), die die Bildung von Chromkarbiden an Korngrenzen verhindern, wenn der Stahl sensibilisierenden Temperaturen (ca. 450–850 °C) ausgesetzt ist. Diese Stabilisierung verringert die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion nach dem Schweißen oder längerer Hochtemperaturbeanspruchung. - Niedrige Kohlenstoffgrenzen reduzieren die treibende Kraft für Karbidniederschlag; bei 304L (niedriglegiertes 304) bietet die „L“-Variante einen weiteren Weg, um die Sensibilisierung ohne Stabilisierung zu reduzieren.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Typische Mikrostruktur: Sowohl 304 als auch 321 sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisch). Sie enthalten gelegentlich Delta-Ferrit, abhängig von Schmelzen und Verarbeitung, aber überwiegend Austenit.
- Reaktion auf thermische Zyklen:
- Glühen: Lösungsglühen (z. B. 1010–1150 °C, abhängig vom Produkt) löst Karbide auf und homogenisiert. Schnelles Abkühlen wird verwendet, um Sensibilisierung zu vermeiden, aber 321 ist weniger empfindlich, da Ti stabile Karbide bildet.
- Schweißen: Lokalisierte Erwärmung im Bereich von 450–850 °C kann die Bildung von Chromkarbiden an Korngrenzen in nicht stabilisierten Sorten ermöglichen. Das Titan von 321 bindet Kohlenstoff und Stickstoff, was die Bildung von Chromkarbiden begrenzt und die interkristalline Korrosionsbeständigkeit bewahrt.
- Thermomechanische Verarbeitung: Kaltverformung erhöht die Versetzungsdichte und kann in einigen austenitischen Edelstählen zu spannungsinduziertem Martensit führen (weniger häufig bei vollständig stabilisierten Sorten). Beide Sorten können verfestigt werden; die Erholung erfolgt beim Erwärmen.
- Wärmebehandlungsverfahren wie Normalisieren, Abschrecken und Anlassen werden typischerweise nicht auf austenitische Edelstähle zur Verstärkung angewendet — sie werden durch Kaltverfestigung und Festkörperlösung verstärkt; Ausscheidungshärtung ist für 304/321 nicht anwendbar.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgenden Eigenschaften sind typisch für den geglühten Zustand; die Produktform (Blech, Platte, Stab), Dicke und Norm beeinflussen die Werte.
| Eigenschaft (geglüht) | 304 (typisch) | 321 (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | 500–750 MPa | 500–750 MPa |
| 0.2% Streckgrenze | 205–310 MPa | 205–310 MPa |
| Dehnung (in 50 mm) | ≥ 40% | ≥ 40% |
| Charpy-Schlag (Raumtemperatur) | Gut; duktiler Bruch, hohe aufgenommene Energie | Ähnlich wie 304; behält Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen |
| Härte (HB) | ~150–220 HB, abhängig von Kaltverformung | ~150–220 HB, abhängig von Kaltverformung |
Interpretation: - Im geglühten Zustand haben 304 und 321 sehr ähnliche Zug-, Streck- und Duktilitätseigenschaften, da ihre Matrixchemie weitgehend vergleichbar ist. Unterschiede in der mechanischen Leistung sind typischerweise gering und werden von der Verarbeitungsgeschichte (Kaltverformung) oder der Produktform überschattet. - Die Zähigkeit ist bei beiden bei Raumtemperatur hoch; beide behalten eine angemessene Schlagfestigkeit bei mäßig erhöhten Temperaturen. Die Festigkeit nimmt mit der Kaltverformung für beide Sorten zu.
5. Schweißbarkeit
Sowohl 304 als auch 321 gelten als gut schweißbar mit der Standardpraxis für austenitisches Schweißen. Schweißüberlegungen: - Kohlenstoffgehalt und Stabilisierung: Höherer Kohlenstoffgehalt erhöht das Risiko der Bildung von Chromkarbiden in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ). Das Titan von 321 verringert dieses Risiko, indem es TiC/TiN bildet, was besonders wertvoll ist, wenn nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung oder ein langer Einsatz bei sensibilisierenden Temperaturen zu erwarten ist. - Die Härtbarkeit ist gering; austenitische Edelstähle sind durch Abschrecken nicht härtbar; Wasserstoff- und Erstarrungsrissprobleme müssen durch geeignete Füllmetalle und Techniken verwaltet werden.
Verwendung von Schweißbarkeitsindizes (qualitative Anleitung): - Beispiel für den Kohlenstoffäquivalent für das Schweißen: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Diese Formel hilft, die Anfälligkeit für Kaltverriss und die Notwendigkeit einer Vor-/Nachwärmebehandlung in Stählen vorherzusagen. Für austenitische Edelstähle ist das absolute CE weniger direkt anwendbar, aber der Ansatz betont, dass Legierungselemente das Schweißverhalten beeinflussen. - Ein erweiterter Parameter, der in Edelstählen verwendet wird: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ wird verwendet, um die Neigung zur Bildung von intermetallischen Verbindungen oder Delta-Ferrit in Schweißnähten zu schätzen; qualitative Interpretationen deuten darauf hin, dass kleine Ti-Zugaben (wie in 321) das Gleichgewicht der Phasen in der HAZ und im Schweißgut verändern.
Praktische Implikationen: - Verwenden Sie passende oder niedriglegierte Füllmetalle für 304-Anwendungen, um Sensibilisierung zu vermeiden (z. B. ER308L für das Schweißen von 304). - Bei der Verbindung von 304, die im sensibilisierenden Bereich eingesetzt wird, ziehen Sie 321-Basismaterial, niedriglegiertes 304L oder stabilisierte Füllmetalle in Betracht, abhängig von der Anwendung und den Kosten.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Nur für rostfreie Sorten (304, 321):
- Die allgemeine Korrosionsbeständigkeit wird weitgehend durch den Chromgehalt und die Kontinuität des passiven Cr2O3-Films bestimmt. Keine der Sorten enthält Molybdän, sodass ihre Lochkorrosionsbeständigkeit in Chloridumgebungen im Vergleich zu Mo-haltigen Sorten begrenzt ist.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist hier nicht besonders diskriminierend, da die Beiträge von Mo und N gering oder nicht vorhanden sind; zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Für 304/321 (Mo = 0) ist PREN im Wesentlichen der Cr-Gehalt plus jeder kleine N-Effekt — beide Sorten haben ähnliche PREN.
- Interkristalline Korrosion: 304 ist anfällig für interkristalline Angriffe nach der Exposition im Sensibilisierungsbereich, wenn Kohlenstoff vorhanden ist und Karbidniederschlag an Korngrenzen auftritt. Das Titan von 321 bindet Kohlenstoff und verringert diesen Korrosionsmodus, wodurch 321 für geschweißte Komponenten oder Komponenten, die längeren erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, bevorzugt wird.
- Für nicht rostfreie Stähle (hier nicht anwendbar): Übliche Schutzmaßnahmen umfassen Verzinken, Lackieren und Beschichtungen — irrelevant für die Auswahl von 304/321, es sei denn, es werden gemischte Materialsystme verwendet.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Schneiden und Bearbeitbarkeit:
- Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstähle aufgrund von Kaltverfestigung und niedriger Wärmeleitfähigkeit. 304 ist in der Praxis etwas einfacher zu bearbeiten als 321, aber die Unterschiede sind gering.
- Verwenden Sie starre Aufbauten, scharfe Werkzeuge, höhere Vorschubgeschwindigkeiten und geeignete Kühlmittel, um Kaltverfestigung zu minimieren.
- Formbarkeit und Biegen:
- Beide Sorten haben eine ausgezeichnete Formbarkeit im geglühten Zustand und können tiefgezogen und geformt werden. Die Titanstabilisierung von 321 kann in einigen Fällen die Anfälligkeit für Verformungsalterungseffekte leicht verringern, ändert jedoch die Formbarkeit für die meisten Operationen nicht wesentlich.
- Oberflächenveredelung:
- Beide reagieren gut auf Polieren und Elektrolyse; beachten Sie, dass Schleifen oder Schweißen eine Nachbehandlung zur Passivierung erfordert, um die Korrosionsbeständigkeit in kritischen Anwendungen wiederherzustellen.
8. Typische Anwendungen
| 304 — Typische Anwendungen | 321 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Lebensmittelverarbeitungsgeräte, Küchengeräte, Spülen und Utensilien | Abgaskrümmer und Motorenteile in der Luft- und Raumfahrt |
| Chemische Prozessanlagen, die nicht hohen, konstanten Temperaturen ausgesetzt sind | Öfen und Ofenteile, Wärmetauscher, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden |
| Architektonische Verkleidungen, Handläufe, dekorative Anwendungen | Dehnungsfugen, Faltenbälge und Rohrleitungen im Hochtemperatur-Petrochemiedienst |
| Befestigungen, Federn und Automobilverkleidungen | Autoklaven- und Dampfteile, bei denen Sensibilisierung ein Problem darstellt |
| Allgemeine Rohrleitungen und Tanks für Wasser, milde Chemikalien | Rohrleitungen im Hochtemperaturdienst; geschweißte Baugruppen, bei denen eine Sensibilisierung der HAZ wahrscheinlich ist |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304 für kostensensible, allgemeine Korrosionsbeständigkeit und wo die Betriebstemperaturen unter dem Sensibilisierungsbereich bleiben oder wo niedriglegiertes 304L für geschweißte Strukturen spezifiziert ist. - Wählen Sie 321, wenn geschweißte Baugruppen oder Komponenten wiederholt oder über längere Zeiträume Temperaturen im Sensibilisierungsbereich ausgesetzt sind und das Risiko interkristalliner Korrosion minimiert werden muss, oder wenn Oxidationsbeständigkeit bei mäßig erhöhten Temperaturen erforderlich ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 321 ist typischerweise preislich etwas höher als 304 aufgrund von Titanzusätzen und geringeren Nachfragen. Der Unterschied variiert mit den Marktbedingungen und der Produktform.
- Verfügbarkeit: Beide Sorten sind weit verbreitet in Blech, Platte, Coil, Rohr, Rohrleitung und Stab. 304 ist global verbreiteter, sodass die Lieferzeiten und die Beschaffungsflexibilität in der Regel besser für 304 sind als für 321, insbesondere in Spezialproduktformen.
- Einkaufs-Tipp: Für große Projekte spezifizieren Sie frühzeitig Finish, Produktform und alle Zertifizierungsanforderungen; ziehen Sie 304L als Alternative zu 321 in Betracht, wenn das Hauptanliegen die Schweißsensibilisierung und Kostenkontrolle ist.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 304 | 321 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet mit Standardvorkehrungen; verwenden Sie niedriglegiertes Füllmaterial zur Sensibilisierungskontrolle | Ausgezeichnet; Stabilisierung verringert das Risiko der Sensibilisierung der HAZ |
| Festigkeit–Zähigkeit (geglüht) | Hohe Zähigkeit, gute Duktilität; ähnliche Festigkeit wie 321 | Vergleichbare Zähigkeit und Festigkeit; bessere Stabilität nach Hochtemperaturbelastung |
| Kosten | Niedriger (häufiger) | Höher (titanstabilisiert) |
Fazit und praktische Anleitung: - Wählen Sie 304, wenn Sie einen kosteneffektiven, allgemeinen austenitischen Edelstahl für den Einsatz bei Raumtemperatur, in Lebensmittel- und Getränkesystemen oder in Anwendungen benötigen, bei denen das Schweißen durch niedriglegierte Füllmetalle kontrolliert werden kann oder bei denen eine Nachbehandlung durch Lösungsglühen nach dem Schweißen möglich ist. - Wählen Sie 321, wenn das Bauteil geschweißt wird und dann Temperaturen im Sensibilisierungsbereich (z. B. 450–850 °C) ausgesetzt ist oder wenn das Teil wiederholten thermischen Zyklen oder längeren Hochtemperaturdiensten standhalten muss, bei denen Karbidniederschlag andernfalls die Korrosionsbeständigkeit und mechanische Stabilität beeinträchtigen würde.
Letzte Anmerkung: Die Materialauswahl muss die genauen Einsatzbedingungen (Temperaturprofil, vorhandene Chemikalien, Spannungszustand und Fertigungsweg) berücksichtigen. Bei Unsicherheiten konsultieren Sie Korrosionstestdaten oder einen Werkstoffingenieur und spezifizieren Sie gegebenenfalls Tests (z. B. interkristalline Korrosionstests) oder wählen Sie niedriglegierte oder stabilisierte Legierungen, um das Risiko der Sensibilisierung zu mindern.