304 vs 321 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Austenitische Edelstahllegierungen 304 und 321 gehören zu den am häufigsten spezifizierten Güten in Design, Fertigung und Beschaffung. Ingenieure und Einkaufsfachleute wägen routinemäßig die Kompromisse zwischen Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturstabilität, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Fertigung von Druckbehältern, Lebensmittel- und Getränkeausrüstungen, Komponenten von Wärmetauschern und geschweißte Baugruppen, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.
Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist, dass eine Güte durch gezielte Zugabe eines Karbidbildners gegen die Ausfällung von Chromkarbid stabilisiert ist, was die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion im Sensibilisierungsbereich von 425–870 °C verbessert. Da die beiden Güten ähnliche Chrom-Nickel-Matrizen aufweisen, werden sie oft hinsichtlich der zusätzlichen Kosten und Leistungsgewinne verglichen, die die Stabilisierung in Hochtemperatur- oder geschweißten Anwendungen bietet.
1. Normen und Bezeichnungen
- Gemeinsame internationale Standards:
- ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240), 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
- EN: 1.4301 (304), 1.4541 (321)
- JIS: SUS304, SUS321
- GB (China): 06Cr19Ni10 (ca. 304), 0Cr18Ni9Ti (ca. 321)
- Klassifizierung: Beide sind austenitische Edelstähle (rostfrei), nicht magnetisch im geglühten Zustand, keine Kohlenstoff-, Legierungs-, Werkzeug- oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typisch 304 (Gew%) | Typisch 321 (Gew%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | 0.00–0.60 (in der Regel keiner) | 0.00–0.60 (in der Regel keiner) |
| V | — | — |
| Nb (Nb) | — (nicht hinzugefügt) | — (nicht primärer Stabilisator; in der Regel nicht vorhanden) |
| Ti | — (typischerweise ≤ 0.10, falls vorhanden) | 0.15–0.70 (Stabilisator) |
| B | — | — |
| N | Spuren bis ~0.10 | Spuren bis ~0.10 |
Hinweise: - Die Tabelle listet gängige kommerzielle Bereiche; genaue Grenzen hängen von der spezifischen Norm und Produktform ab. - Die Güte 321 enthält absichtlich Titan in einem kontrollierten Bereich, um Kohlenstoff als Titan-Carbide/Nitride zu binden, anstatt die Ausfällung von Chromkarbid an den Korngrenzen zuzulassen. - Legierungsstrategie: Chrom sorgt für Korrosionsbeständigkeit; Nickel stabilisiert die austenitische Struktur; Titan in 321 verhindert Sensibilisierung und verbessert die interkristalline Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen oder bei Hochtemperaturbelastung.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Typische Mikrostruktur (geglüht): Beide Güten sind vollständig austenitisch mit gleichmäßig verteilten Austenitkörnern. Karbide sind in richtig stabilisiertem 321 minimal und typischerweise fein verteilt in geglühtem 304.
- Sensibilisierung und Stabilisierung:
- 304 ist anfällig für die Ausfällung von Chromkarbid an den Korngrenzen, wenn es im Bereich von 425–870 °C gehalten wird (Sensibilisierung), was die interkristalline Korrosion fördern kann.
- 321 bildet Titan-Carbide/Nitride, die bevorzugt Kohlenstoff und Stickstoff verbrauchen, wodurch die Bildung von Chromkarbid minimiert und somit die Anfälligkeit für interkristallinen Angriff verringert wird.
- Reaktion auf Wärmebehandlung:
- Austenitische Edelstähle werden nicht durch Abschrecken und Anlassen, wie es bei ferritischen/perlitischen Stählen üblich ist, verstärkt. Lösungsglühen (z. B. 1010–1150 °C, je nach Spezifikation) gefolgt von schnellem Abkühlen stellt die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit wieder her.
- Kaltverformung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung und kann die Korrosionsleistung verändern; Rückgewinnung/Glühen wird verwendet, um die Zähigkeit wiederherzustellen.
- Normalisieren ist nicht im gleichen Sinne anwendbar wie bei Kohlenstoffstählen – Lösungsglühen und Abschrecken unterscheiden sich von Normalisieren/Abschrecken & Anlassen, die zur Anpassung der Mikrostruktur in Legierungsstählen verwendet werden.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft (geglüht) | Typisch 304 | Typisch 321 |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~500–600 | ~500–600 |
| 0.2% Nachweis / Streckgrenze (MPa) | ~170–275 (gewöhnlich ≈205) | ~170–275 (gewöhnlich ≈205) |
| Dehnung (% in 50 mm) | ~40–60 | ~40–60 |
| Schlagzähigkeit | Gut bei Raumtemperatur; behält Zähigkeit bei mäßig niedrigen Temperaturen | Ähnlich wie 304; behält Zähigkeit bei erhöhten Betriebstemperaturen besser aufgrund der Stabilisierung |
| Härte (Brinell / HB) | ~100 HB (~80–200, abhängig von der Verfestigung) | ~100 HB (ähnlich) |
Erklärung: - Im geglühten Zustand haben beide Güten sehr ähnliche grundlegende mechanische Eigenschaften, da die Matrixchemie (Cr–Ni-Austenit) vergleichbar ist. - Kaltverformung oder Verfestigung erhöht die Festigkeit und Härte deutlich für beide. - Die Stabilisierung mit Titan hat minimalen Einfluss auf die Festigkeit bei Raumtemperatur, verbessert jedoch die Leistung unter thermischen Zyklen, indem sie die Ausfällung von Karbiden an den Korngrenzen verhindert, die die Korngrenzen in sensibilisiertem 304 spröde machen können.
5. Schweißbarkeit
- Sowohl 304 als auch 321 gelten als gut schweißbar mit gängigen Verfahren (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Der niedrige Kohlenstoffgehalt hilft, Probleme mit der Härtung des Schweißmetalls und Wasserstoffrissbildung zu vermeiden, die typisch für höher legierte Stähle sind.
- Schweißüberlegungen:
- 304 kann anfällig für interkristalline Korrosion im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) sein, wenn das Abkühlen im Sensibilisierungsbereich langsam erfolgt oder wenn der Dienst geschweißte Baugruppen Temperaturen aussetzt, die zur Sensibilisierung führen.
- Der Titanstabilisator von 321 bindet Kohlenstoff und reduziert die Ausfällung von Chromkarbid im HAZ; 321 wird daher für geschweißte Komponenten bevorzugt, die längeren Hochtemperaturbelastungen ausgesetzt sind.
- Gemeinsame Schweißbarkeitsindizes (qualitativ interpretieren):
- Kohlenstoffäquivalent (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Niedrigeres $CE_{IIW}$ deutet auf einfacheres Schweißen hin; beide Güten haben im Vergleich zu hochlegierten Stählen niedrige Kohlenstoffäquivalente. - Pitting-Widerstand-Äquivalenznummer (PREN) ist kein Schweißbarkeitsindex, aber nützlich für die Korrosionsbewertung (siehe nächsten Abschnitt).
- Vereinfachter kombinierter Parameter:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Höhere $P_{cm}$ können auf eine höhere Rissneigung hinweisen; Titan erhöht $P_{cm}$ leicht, bietet jedoch eine vorteilhafte Stabilisierung gegen Sensibilisierung. - Praktische Hinweise: Für allgemeine Fertigungen, bei denen eine hohe Temperaturbelastung nach dem Schweißen unwahrscheinlich ist, ist 304 akzeptabel und kosteneffektiv. Für geschweißte Komponenten, die in oder Temperaturen ausgesetzt sind, die zur Sensibilisierung führen, reduziert 321 das Risiko interkristalliner Korrosion, ohne eine Lösungsglühung nach dem Schweißen zu erfordern.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Edelstahlgüten:
- Verwenden Sie PREN zur Bewertung der Pittingbeständigkeit, wenn Mo und N variieren:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Für 304 und 321 sind Mo und N niedrig, sodass die PREN-Werte bescheiden sind und beide im Vergleich zu Mo-haltigen Duplex- oder superaustenitischen Güten nicht hoch pittingbeständig sind. - Allgemeine Korrosion: Beide Güten zeigen bei Raumtemperatur eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen allgemeine wässrige Korrosion aufgrund ihres Chromgehalts.
- Interkristalline Korrosion: 304 kann nach der Exposition gegenüber Sensibilisierungstemperaturen anfällig sein; 321 ist stabilisiert, um dieses Risiko zu verringern.
- Nicht-Edelstähle:
- Hier nicht anwendbar; gängige nicht-rostfreie Oberflächenschutzmethoden (Verzinkung, Lackierung) sind irrelevant für 304/321, die Korrosionsbeständigkeit durch Zusammensetzung bieten sollen.
- Wenn Edelstahl nicht ausreicht:
- Für chloridbelastete Umgebungen oder wo Pitting ein Problem darstellt, ziehen Sie Mo-haltige Güten (z. B. 316) oder Duplex-/superaustenitische Legierungen in Betracht.
7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle aufgrund der hohen Verfestigung und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit.
- 304 und 321 haben vergleichbare Bearbeitbarkeit; spezialisierte Werkzeuge, langsamere Geschwindigkeiten und schwerere Vorschübe sind typisch.
- Formbarkeit:
- Exzellente Zähigkeit und Formbarkeit im geglühten Zustand ermöglichen tiefes Ziehen und komplexe Formgebung für beide Güten.
- Rückfederung und Verfestigung sind größer als bei Baustahl; planen Sie Formtoleranzen und Zwischen-Glühbehandlungen für starke Verformungen ein.
- Oberflächenveredelung:
- Beide nehmen Standardoberflächen (Polieren, Passivieren, Elektrolysepolieren) gut an. Passivierung mit Salpetersäure oder Zitronensäure wird häufig verwendet, um die Oberflächen-Chromoxid nach der Fertigung wiederherzustellen.
- Schweißen und Nachbearbeitung:
- Für Baugruppen, die Sensibilisierung vermeiden müssen und nicht nach dem Schweißen lösungsglühen können, kann 321 die Notwendigkeit für teure Wärmebehandlungen nach dem Schweißen beseitigen.
8. Typische Anwendungen
| 304 — Typische Anwendungen | 321 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Lebensmittel- und Getränkeausrüstung, Küchenutensilien, Spülen | Abgassysteme von Flugzeugen, Dehnungsfugen und Hochtemperaturofenkomponenten |
| Chemische Ausrüstung für nicht-chloridhaltige Anwendungen | Wärmetauscherrohre und geschweißte Baugruppen, die 500–800 °C ausgesetzt sind |
| Architektonische Verkleidungen und Innenhandläufe | Petrochemische Heißgasleitungen, wo ein Sensibilisierungsrisiko besteht |
| Druckbehälter und Rohrleitungen bei Raum- bis mäßigen Temperaturen | Luft- und Hochtemperatur-Industrieteile, die Stabilisierung erfordern |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304, wenn allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit und Kosten die Hauptkriterien sind und eine langfristige Exposition gegenüber Sensibilisierungstemperaturen unwahrscheinlich ist. - Wählen Sie 321, wenn geschweißte Baugruppen oder Komponenten zyklischen oder dauerhaften Temperaturen im Sensibilisierungsbereich ausgesetzt sind oder wenn interkristalline Korrosion nach thermischer Exposition ein kritisches Versagensmuster darstellt.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis:
- 304 ist häufiger und im Allgemeinen günstiger als 321 aufgrund höherer Produktionsvolumina und einfacherer Chemie.
- 321 hat einen moderaten Aufpreis für die Titanzugabe und für die Eigenschaft, eine Spezialität und Hochtemperaturgüte zu sein.
- Verfügbarkeit nach Produktform:
- 304 ist weltweit in Blech, Platten, Coils, Rohren, Stangen und Befestigungselementen weit verbreitet erhältlich.
- 321 ist weit verbreitet erhältlich, aber die Lieferzeiten und Lagergrößen können für einige Produktformen (z. B. Spezialrohre oder Großdurchmesser-Schmiedeteile) kleiner sein als bei 304.
- Beschaffungsüberlegungen:
- Für große Projekte beeinflusst die Preisvolatilität auf den Nickelmärkten beide Güten; 321 kann aufgrund engerer Produktionsläufe eine etwas höhere Sensitivität aufweisen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 304 | 321 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet für die meisten Anwendungen; auf Sensibilisierungsrisiko im HAZ achten | Ausgezeichnet; stabilisierte Chemie reduziert das Risiko interkristalliner Korrosion nach dem Schweißen |
| Festigkeit–Zähigkeit (geglüht) | Vergleichbar; gute Zähigkeit und Duktilität | Vergleichbar; ähnliche Zähigkeit mit verbesserter thermischer Stabilität |
| Kosten | Niedriger (häufiger) | Höher (titanstabilisierte Spezialgüte) |
Empfehlungen: - Wählen Sie 304, wenn: - Die Anwendung allgemeine Korrosionsbeständigkeit bei Raum- oder mäßigen Temperaturen erfordert. - Kosten, Verfügbarkeit und Bequemlichkeit bei der Formgebung/Bearbeitung die Hauptanliegen sind. - Geschweißte Baugruppen nicht längerer Dienstzeit im Sensibilisierungsbereich von 425–870 °C ausgesetzt sind oder eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen machbar ist. - Wählen Sie 321, wenn: - Das Teil geschweißt wird und wiederholt Temperaturen ausgesetzt ist, die die Ausfällung von Chromkarbid fördern (Sensibilisierung), oder wenn eine Lösungsglühung nach dem Schweißen unpraktisch ist. - Hochtemperaturstabilität und Widerstand gegen interkristalline Korrosion entscheidend sind (z. B. Wärmetauscher, Abgassysteme). - Ein leicht höherer Materialpreis für reduzierte Wartung und verbesserte langfristige Zuverlässigkeit akzeptabel ist.
Letzte Anmerkung: Beide Güten sind langlebige, weit verbreitete austenitische Edelstähle. Die Entscheidung zwischen 304 und 321 hängt typischerweise vom Temperaturprofil der Exposition des Bauteils und davon ab, ob eine Stabilisierung gegen interkristalline Korrosion (durch Titanzugabe) erforderlich ist, um die langfristige Leistung nach dem Schweißen oder thermischen Zyklen sicherzustellen.