304 vs 347 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Typ 304 und Typ 347 sind zwei der am häufigsten verwendeten austenitischen Edelstähle in der Industrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Vor- und Nachteile zwischen den anfänglichen Materialkosten, der Korrosionsbeständigkeit (insbesondere nach dem Schweißen), der Schweißbarkeit und der Festigkeit im Betrieb ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen Lebensmittel- und Getränkeausrüstungen, chemische Prozesslinien, architektonische Anwendungen und geschweißte Baugruppen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Der wesentliche metallurgische Unterschied besteht darin, dass Typ 347 absichtlich mit einem stabilisierenden Element legiert ist, das bevorzugt mit Kohlenstoff reagiert und die Bildung von Chromkarbiden während des langsamen Abkühlens oder Schweißens verhindert. Diese Stabilisierung verringert das Risiko der interkristallinen Chromverarmung und der damit verbundenen Korrosion, was der Hauptgrund ist, warum Designer 304 und 347 vergleichen, wenn Schweißen und Temperatureinwirkung Bedenken hervorrufen.
1. Normen und Bezeichnungen
Wichtige Normen und gängige internationale Bezeichnungen:
- ASTM/ASME: Typ 304 (UNS S30400), Typ 347 (UNS S34700). Gängige Produktspezifikation: ASTM A240 (Platte, Blech).
- EN: 1.4301 (304), 1.4550 / 1.4552 wird oft für stabilisierte Grade (347-Varianten) referenziert.
- JIS: SUS304 entspricht 304; SUS347 entspricht 347.
- GB (China): 0Cr18Ni9 (ca. 304), 0Cr18Ni10Nb (ca. 347).
Klassifizierung: beide sind Edelstähle (austenitisch). Sie sind keine Kohlenstoff-, Legierungs-, Werkzeugstähle oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) für geglühte Handelsgrade. Die Bereiche spiegeln gängige ASTM/EN-Spezifikationen und kommerzielle Praktiken wider; genaue Grenzen hängen von der Spezifikation und der Produktform ab.
| Element | 304 (typischer Bereich, Gew.-%) | 347 (typischer Bereich, Gew.-%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18–20 | 17–19 |
| Ni | 8–10.5 | 9–13 |
| Mo | ~0 | ~0 |
| V | — Spur | — Spur |
| Nb (Niobium) | — vernachlässigbar | ~0.10–1.0 |
| Ti (Titan) | — vernachlässigbar | manchmal in kleinen Mengen in speziellen Varianten vorhanden |
| B | — Spur | — Spur |
| N | ≤ ~0.10 | ≤ ~0.10 |
Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Chrom (Cr) verleiht den rostfreien Charakter, indem es einen passiven Oxidfilm bildet. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Struktur und verbessert die Zähigkeit und Formbarkeit. - Kohlenstoff (C) erhöht die Festigkeit, kann jedoch mit Cr reagieren, um Chromkarbide an den Korngrenzen zu bilden, wenn es langsam abgekühlt wird, was zu einer lokalen Cr-Verarmung führt. - Niobium (Nb) in 347 bindet Kohlenstoff als Niobiumkarbide (NbC oder (Nb,Ti)C) und verhindert die Ausfällung von Chromkarbiden – dies ist die primäre Stabilisierungstrategie in 347. - Geringer oder fehlender Molybdän bedeutet, dass beide Grade weniger widerstandsfähig gegen lokale Chloridpitting sind als Mo-haltige Austeniten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Beide Grade sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). Die Matrix ist duktil mit hoher Zähigkeit bei Umgebungstemperatur und sub-Umgebungstemperaturen. - Bei 304 kann langsames Abkühlen durch den Sensibilisierungsbereich (ungefähr 450–850 °C) die Bildung von chromreichen Karbiden (Cr23C6) an den Korngrenzen ermöglichen, was chromverarmte Zonen erzeugt, die anfällig für interkristalline Korrosion sind. - Bei 347 bilden Niobium stabile Niobiumkarbid- oder -carbonitridpartikel, die bevorzugt Kohlenstoff verbrauchen und die signifikante Bildung von Cr23C6 an den Korngrenzen verhindern. Dies bewahrt die Chromkontinuität und mindert den interkristallinen Angriff nach dem Schweißen oder langsamen Abkühlen.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Austenitische Edelstähle werden nicht durch Abschrecken und Anlassen gehärtet, wie es bei ferritischen oder martensitischen Stählen der Fall ist. Die Lösungsglühen (typischerweise etwa 1.000–1.100 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen) löst Ausfällungen auf und stellt die Korrosionsbeständigkeit wieder her. - Für 304: Lösungsglühen, wenn das Material Temperaturen ausgesetzt war, die zur Sensibilisierung führen, um Cr-Karbide erneut aufzulösen, und dann schnell abschrecken, um eine erneute Ausfällung zu vermeiden. - Für 347: Stabilisierung verringert die Notwendigkeit des Lösungsglühens, um Sensibilisierung nach dem Schweißen oder langsamen Abkühlen zu verhindern, obwohl das Lösungsglühen weiterhin verwendet wird, um durch die Fertigung verursachte Ausfällungen zu beseitigen oder für spezifische Eigenschaftsanforderungen. - Kaltverformung erhöht die Versetzungsdichte und kann eine signifikante Kaltverfestigung erzeugen; unter bestimmten Umständen kann sich in 304 während starker Kaltverformung spannungsinduziertes Martensit bilden, was die Festigkeit erhöht, aber die Duktilität verringert. Stabilisierte Grade können ein leicht anderes Kaltverfestigungsverhalten zeigen, bleiben jedoch austenitisch.
4. Mechanische Eigenschaften
Typische mechanische Eigenschaften im geglühten Zustand variieren je nach Produktform (Blech, Platte, Stange) und Hersteller. Die Tabelle gibt repräsentative Bereiche für häufig gelieferte geglühte Zustände an; die Benutzer sollten erforderliche mechanische Eigenschaftstests für den Einkauf angeben.
| Eigenschaft (geglüht, typisch) | 304 | 347 |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | ~480–700 MPa | ~480–700 MPa |
| Streckgrenze (0,2% Offset) | ~205–310 MPa | ~205–310 MPa |
| Dehnung (in 50 mm) | ~40–60% | ~40–60% |
| Schlagzähigkeit (Charpy) | Ausgezeichnet, behält Zähigkeit bei niedrigen T | Ausgezeichnet, behält Zähigkeit bei niedrigen T |
| Härte (Brinell/Rockwell B) | Mäßig (weich im geglühten Zustand) | Ähnlich wie 304 |
Interpretation: - Im geglühten Zustand haben beide Grade sehr ähnliche mechanische Eigenschaften, da die Grundmatrix ein austenitischer Edelstahl ist. Unterschiede in Festigkeit oder Zähigkeit sind normalerweise gering und werden durch Kaltverformung, Fertigungsgeschichte oder spezifische Legierungsgehalte (z. B. leicht höheres Ni in einigen 347-Varianten) beeinflusst. - Kaltverfestigung kann die Festigkeit während der Umformungsoperationen erheblich erhöhen; die Auswahl sollte Umformungspläne und Nachbehandlungen berücksichtigen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von austenitischen Edelstählen ist im Allgemeinen ausgezeichnet im Vergleich zu hochkohlenstoffhaltigen Stählen; jedoch variiert die Anfälligkeit für Nachschweißsensibilisierung.
Häufig verwendete Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (ein schweißsensitiveres Kohlenstoffäquivalent für Stähle mit vielen Legierungselementen): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Sowohl 304 als auch 347 haben einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und moderates Nickel, was eine gute allgemeine Schweißbarkeit mit den meisten gängigen Verfahren (GTAW/TIG, GMAW/MIG, SMAW) ermöglicht. - 304 kann anfällig für interkristalline Korrosion sein, wenn das Schweißen langsames Abkühlen durch den Sensibilisierungsbereich verursacht; Nachschweißlösungsglühen oder niedrigkohlenstoffhaltige Varianten (304L) sind gängige Abhilfemaßnahmen. - Das stabilisierende Element von 347 verringert das effektive Risiko der Sensibilisierung nach dem Schweißen, da Kohlenstoff bevorzugt in Nb-haltigen Ausfällungen gebunden ist, anstatt in Chromkarbiden. Daher wird 347 häufig in Anwendungen bevorzugt, die intensives Schweißen, längere Exposition gegenüber dem Sensibilisierungsbereich oder in denen eine Nachschweißwärmebehandlung unpraktisch ist. - Vorsicht bei der Auswahl des Zusatzmaterials: Um die Korrosionsleistung aufrechtzuerhalten, werden für beide Grade übereinstimmende oder niedrigkohlenstoffhaltige Zusatzwerkstoffe empfohlen, wenn Korrosionsbeständigkeit ein primäres Erfordernis ist.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Als Edelstähle verlassen sich beide auf einen chromreichen passiven Oxidfilm für Korrosionsbeständigkeit. Keiner enthält signifikantes Molybdän, sodass die lokale Pittingbeständigkeit in Chloridumgebungen im Vergleich zu Mo-haltigen Grades (z. B. 316) begrenzt ist.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) wird typischerweise zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen Chloridpitting verwendet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Da Mo ≈ 0 für beide Grade und N niedrig ist, sind die PREN-Werte für 304 und 347 ähnlich und bescheiden, was bedeutet, dass beide in aggressiven Chloridumgebungen mit Vorsicht verwendet werden sollten.
Interkristalline Korrosion: - 304: Anfällig für interkristallinen Angriff, wenn es durch langsames Abkühlen oder Schweißen sensibilisiert wird; Milderungsstrategien umfassen die Verwendung von 304L (niedriger Kohlenstoff), Lösungsglühen oder Nachschweißpassivierung. - 347: Die Stabilisierung durch Niobium verhindert signifikante Ausfällungen von Chromkarbiden, sodass das Risiko der interkristallinen Korrosion nach dem Schweißen oder langsamen Abkühlen stark verringert ist.
Oberflächenschutz für nicht rostfreie Stähle ist hier nicht anwendbar; jedoch können rostfreie Oberflächen passiviert (chemische Behandlungen) werden, um die Einheitlichkeit des Oxidfilms zu verbessern und die Korrosionsinitiierung zu minimieren.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Beide Grade sind im geglühten Zustand hoch formbar und werden für Tiefziehen, Biegen und komplexe Formen verwendet. 304 wird häufig für die Umformung verwendet; 347 lässt sich ähnlich formen, obwohl der leicht höhere Legierungsgehalt die Formbarkeit geringfügig beeinflussen kann.
- Kaltverfestigung: Austenitische Edelstähle verfestigen sich schnell; Werkzeuge und Umformungssequenzen müssen die Rückfederung und steigende Kräfte berücksichtigen.
- Zerspanbarkeit: Beide Grade sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. Die typische Zerspanbarkeit liegt bei etwa 40–60% der freischneidenden Stähle; 304 kann aufgrund der Kaltverfestigung etwas weniger zerspanbar sein. Der Einsatz von steifen Werkzeugen, Hartmetall-Einsätzen, niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und positiver Spanwinkelgeometrie wird empfohlen.
- Oberflächenbearbeitung: Beide nehmen gute Oberflächenfinishs an und können auf hohe Ästhetik poliert werden. Elektrolysepolieren und Passivierung verbessern die Korrosionsbeständigkeit und das Erscheinungsbild.
- Schweiß- und Umformungssequenzen sollten so geplant werden, dass wiederholte thermische Zyklen minimiert werden, die eine Sensibilisierung verursachen könnten (ein Anliegen für 304, aber in 347 gemildert).
8. Typische Anwendungen
| Typ 304 – Typische Anwendungen | Typ 347 – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Lebensmittelverarbeitungsgeräte, Küchenutensilien, Spülen, architektonische Verkleidungen | Flugzeug- und Abgaskomponenten, Ofenteile, hochtemperaturgeschweißte Baugruppen |
| Chemische und pharmazeutische Geräte, die nicht hohen Chloridbedingungen ausgesetzt sind | Chemische Prozessgeräte, bei denen Schweißen und langsames Abkühlen auftreten; Wärmetauscher unter zyklischen Temperaturen |
| Dekorative und architektonische Fassaden | Kesselrohre, Überhitzerrohre und Anwendungen, die Stabilisierung gegen Sensibilisierung erfordern |
| Befestigungen, Schrauben und allgemeine Fertigung | Automobil-Abgaskrümmer und andere hochtemperaturgeschweißte Komponenten |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304 für allgemeine Korrosionsbeständigkeit, niedrigere Kosten und weit verbreitete Verfügbarkeit, wenn Chloridpitting und Nachschweißsensibilisierung keine primären Bedenken sind oder wenn niedrigkohlenstoffhaltige Varianten (304L) oder Nachschweißlösungsglühen verwendet werden können. - Wählen Sie 347, wenn geschweißte Komponenten langsames Abkühlen, erhöhte Betriebstemperaturen erfahren oder wenn interkristalline Korrosion, die mit Sensibilisierung verbunden ist, vermieden werden muss, ohne dass eine Nachschweißwärmebehandlung erforderlich ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 347 ist typischerweise teurer als 304 aufgrund der Zugabe von Niobium und oft höherem Nickelgehalt. Die Preise variieren je nach Marktangebot für Nickel und Niobium, Produktform und Verarbeitung.
- Verfügbarkeit: 304 ist einer der am weitesten verbreiteten Edelstähle in vielen Produktformen (Blech, Platte, Rohr, Stange, Draht). 347 ist häufig verfügbar, aber weniger allgegenwärtig als 304; die Lieferzeiten können für einige Produktformen oder Produkte mit engen Toleranzen etwas länger sein.
- Für den Einkauf: Geben Sie die erforderliche Legierung, Produktform, Oberflächenfinish und alle Wärmebehandlungs- oder Testanforderungen (z. B. PMI, Korrosionstests) an, um Beschaffungsverzögerungen zu vermeiden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Kriterium | 304 | 347 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (allgemein) | Ausgezeichnet; anfällig für Sensibilisierung, es sei denn, niedrig-C oder nach dem Schweißen behandelt | Ausgezeichnet; verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Sensibilisierung aufgrund der Stabilisierung |
| Festigkeit–Zähigkeit (geglüht) | Gut, typische austenitische Eigenschaften | Ähnlich wie 304 im geglühten Zustand |
| Widerstand gegen schweißinduzierte interkristalline Korrosion | Mäßig ohne Milderung | Überlegen für geschweißte/langsam abgekühlte Komponenten |
| Kosten | Niedriger (wirtschaftlicher) | Höher (aufgrund des Stabilisators und manchmal höherem Ni) |
| Verfügbarkeit | Sehr hoch | Hoch, aber weniger allgegenwärtig als 304 |
Schlussfolgerungen – praktische Anleitung: - Wählen Sie 304, wenn: - Sie einen vielseitigen, kostengünstigen austenitischen Edelstahl für allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Lebensmittelverarbeitung, architektonische Komponenten oder Anwendungen benötigen, bei denen das Schweißen begrenzt ist oder wo 304L/Lösungsglühen-Optionen akzeptabel sind. - Lokales Chloridpitting nicht schwerwiegend ist und eine Nachschweißwärmebehandlung machbar ist, wenn erforderlich.
- Wählen Sie 347, wenn:
- Die Komponente stark geschweißt wird, langsames Abkühlen durch Sensibilisierungstemperaturen erfährt oder bei erhöhten Temperaturen betrieben wird, wo die Ausfällung von Karbiden ein Anliegen darstellt.
- Sie eine gute interkristalline Korrosionsbeständigkeit in geschweißten Strukturen ohne die Notwendigkeit einer Nachschweißlösungsglühung benötigen.
Letzte Anmerkung: Beide Materialien sind robuste Ingenieurauswahl. Für kritische Anwendungen geben Sie genaue Materialstandards an, fordern Sie Herstellerwerkzeugzertifikate an, die Zusammensetzung und mechanische Testergebnisse zeigen, und ziehen Sie Labortests (z. B. Korrosionstests, Schweißversuche) unter repräsentativen Bedingungen in Betracht, bevor Sie die endgültige Auswahl treffen.