304H vs 321H – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

304H und 321H sind zwei weit verbreitete austenitische Edelstähle, die in Druckbehältern, Hochtemperatur- und allgemeinen Fertigungsumgebungen vorkommen. Ingenieure und Beschaffungsteams wägen häufig Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturleistung und Fertigungskosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Die häufigsten Entscheidungskontexte umfassen: Betriebstemperatur (Kriech- und Karburationsbeständigkeit), Anfälligkeit für Sensibilisierung während des Schweißens und anschließende interkristalline Korrosion sowie Überlegungen zur Lebensdauerwartung.

Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass eine Legierung absichtlich mit einem stabilisierenden Element legiert ist, um die Karbidniederschlagung zu kontrollieren und die Korrosionsbeständigkeit nach der Exposition gegenüber mittleren Temperaturbereichen zu erhalten, während die andere auf höherem Kohlenstoffgehalt für verbesserte Hochtemperaturfestigkeit beruht. Da beide Derivate der 300er austenitischen Familie sind, werden sie häufig verglichen, wenn die Kompromisse zwischen mechanischer Hochtemperaturfestigkeit und langfristiger Beständigkeit gegen interkristallinen Angriff abgewogen werden müssen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Allgemeine internationale Normen und Spezifikationen:
• ASTM/ASME: A240/A312 (Blech/Platte und Rohre für Edelstahl), A182 (für Schmiedestücke) usw.
• EN: EN 10088 Reihe / EN ISO-Äquivalente.
• JIS: JIS G4303, G4311 usw.
• GB: Chinesische nationale Standards für Edelstähle.
• Klassifizierung:
• 304H — Edelstahl, austenitischer Edelstahl (hochlegierte Variante von 304).
• 321H — Edelstahl, austenitischer Edelstahl stabilisiert mit Titan (hochlegierte Variante von 321, wobei "H" höheren Kohlenstoff für Kriechfestigkeit bezeichnet).

Hinweis: Exakte numerische Bezeichnungen und Zusammensetzungsgrenzen können je nach Norm variieren; immer mit der geltenden Spezifikation und dem Werkszertifikat bestätigen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%). Die Werte sind repräsentative Bereiche, die häufig in Spezifikationen verwendet werden; konsultieren Sie die geltende Norm oder den Werksprüfbericht für genaue Grenzen.

Element	304H (typ. Gew.-%)	321H (typ. Gew.-%)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0 (typ. 1.0–2.0)	≤ 2.0 (typ. 1.0–2.0)
Si	≤ 0.75	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.0 – 19.0	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 10.5	8.0 – 12.0
Mo	~0 (Spur)	~0 (Spur)
V	Spur	Spur
Nb (Cb)	Spur/0	Spur/0
Ti	0 (Spur)	0.15 – 0.7 (Stabilisator)
B	Spur	Spur
N	Spur (bis ~0.1)	Spur (bis ~0.1)

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt - Kohlenstoff (C): Höherer Kohlenstoff in "H"-Graden erhöht die Lösungshärtung und Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, erhöht jedoch das Risiko der Bildung von Chromkarbiden bei mittleren Temperaturen, wenn nicht stabilisiert. - Chrom (Cr): Primäres Element für allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Bildung von Passivierungsfilmen. - Nickel (Ni): Stabilisiert Austenit, verbessert Zähigkeit und Duktilität und hilft der Korrosionsbeständigkeit. - Titan (Ti) in 321H: Wirkt als Karbidbildner, der bevorzugt Kohlenstoff bindet, um stabile TiC/Ti(C,N) anstelle von Chromkarbiden zu bilden; dies reduziert die Sensibilisierung und interkristalline Korrosion nach der Exposition gegenüber sensibilisierenden Temperaturen. - Andere Elemente (Mn, Si, N): Passen mechanische Eigenschaften, Entgasungsverhalten und Lochkorrosionsbeständigkeit (N) an.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Mikrostrukturen - Beide Grade sind austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter) im Lösungsglühen-Zustand. Primäre Merkmale sind eine Austenitmatrix mit möglichen feinen Karbiden, Nitriden und Stabilisatorniederschlägen, abhängig von der Chemie und der thermischen Vorgeschichte. - 304H: Mit höherem Kohlenstoff gibt es eine erhöhte Tendenz zur Bildung von Chromkarbiden (Cr23C6) entlang der Korngrenzen, wenn sie dem Sensibilisierungsbereich (~425–850 °C) ausgesetzt sind. Wenn sie ohne Stabilisierung aus dem Lösungsglühen abgekühlt werden, kann unter bestimmten thermischen Zyklen eine Sensibilisierung auftreten. - 321H: Titan bildet bevorzugt TiC/Ti(C,N)-Niederschläge, die Kohlenstoff binden und die Bildung von Cr-Karbiden an den Korngrenzen reduzieren oder verhindern.

Reaktion auf Wärmebehandlung - Lösungsglühen (typisch für austenitischen Edelstahl): Hochtemperaturglühen gefolgt von schnellem Abkühlen stellt einen homogenen Austenit wieder her und löst die meisten Niederschläge auf. Für beide Grade ist das Lösungsglühen der Standardweg, um vorherige Sensibilisierung zu entfernen, wenn vollständige Lösungen möglich sind. - Stabilisierung: Der Titananteil in 321H erfordert keine spezielle Stabilisierungshitze über das normale Lösungsglühen hinaus; die Stabilisierung erfolgt metallurgisch durch TiC-Bildung. - Kaltverformung und Alterung: Kaltverformung erhöht die Festigkeit, kann jedoch die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion in Chloridumgebungen für jeden austenitischen Edelstahl erhöhen. - Normalisieren/Abschrecken & Anlassen: Nicht im traditionellen Sinne anwendbar, da es sich um austenitische, nicht umwandelbare Edelstähle handelt; sie reagieren nicht auf Abschrecken und Anlassen wie ferritische oder martensitische Stähle.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Typische Bereiche mechanischer Eigenschaften (Raumtemperatur, geglüht/lösungsgeglühte Bedingungen). Diese sind repräsentativ und hängen stark von der Produktform, der Temperatur und der Wärmebehandlung ab.

Eigenschaft	304H (typisch)	321H (typisch)
Zugfestigkeit (MPa)	~500 – 700	~480 – 700
Streckgrenze (0.2% Nachweis, MPa)	~200 – 310	~200 – 310
Dehnung (%)	~40 – 60	~40 – 60
Schlagzähigkeit (Charpy V, J)	Gut bei RT; nimmt mit Kaltverformung ab	Gut bei RT; nimmt mit Kaltverformung ab
Härte (HB/HRB)	Relativ niedrig im geglühten Zustand	Ähnlich wie 304H im geglühten Zustand

Erklärung - Festigkeit: Beide Grade haben im geglühten Zustand weitgehend ähnliche Zug- und Streckwerte. Geringfügige Unterschiede können aufgrund des Ni-Gehalts und kleiner Unterschiede im Kohlenstoff-/Stabilisatorzustand auftreten. Der "H"-Kohlenstoffschub verleiht eine etwas verbesserte Hochtemperaturfestigkeit im Vergleich zu standard 304 bei erhöhten Betriebstemperaturen. - Zähigkeit/Duktilität: Die austenitische Struktur verleiht beiden eine ausgezeichnete Duktilität und Zähigkeit bei Raumtemperatur. Kaltverformung und spröde Niederschläge (z. B. kontinuierliche Cr-Karbide) können die Zähigkeit verringern. - Erhöhte Temperatur: 304H und 321H behalten die Duktilität bei erhöhten Temperaturen; jedoch wird 321H bevorzugt, da es die Karbidniederschlagung widersteht, wo wiederholte oder längere Expositionen im Sensibilisierungsbereich zu erwarten sind und wo die Korrosionseigenschaften nach thermischen Zyklen kritisch sind. Für langfristige Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen konsultieren Sie die spezifischen Kriechdaten für Produkt/Wärme.

5. Schweißbarkeit

304H und 321H gelten beide als schweißbar mit Standardverfahren (SMAW, GMAW/MIG, GTAW/TIG usw.), aber es gibt wichtige Überlegungen:

• Kohlenstoff/Härte: Höherer Kohlenstoff erhöht das Risiko der Sensibilisierung oder der Bildung spröder intermetallischer Phasen im HAZ. Die Stabilisierung (321H) minimiert dieses Risiko, indem sie Kohlenstoff bindet.
• Schweißbarkeitsindizes: Häufig verwendete empirische Formeln zur Schätzung des Schweißbarkeitsrisikos umfassen:
• IIW Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Dearden & Smith (Pcm) Index: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Interpretation (qualitativ): Höhere $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ Werte korrelieren mit größerer Härtbarkeit und erhöhtem Risiko von HAZ-Rissen in Kohlenstoffstählen; für austenitische Edelstähle werden diese Formeln vorsichtig verwendet. Der höhere Kohlenstoffgehalt von 304H kann die Empfindlichkeit gegenüber HAZ-Karbiden erhöhen und erfordert Aufmerksamkeit für die Interpass-Temperatur und Nachbehandlungen. 321H zeigt typischerweise eine bessere Beständigkeit gegen interkristallinen Angriff nach dem Schweißen aufgrund der Stabilisierung mit Ti; dies macht 321H bevorzugt in geschweißten Hochtemperaturbaugruppen, wo eine Exposition im Sensibilisierungsbereich auftritt.

Praktische Hinweise - Verwenden Sie niedrig-oxygenhaltige, niedrig-schwefelhaltige Verbrauchsmaterialien und geeignete Füllmetalle (entsprechende oder stabilisierte Äquivalente). - Kontrollieren Sie die Wärmeaufnahme und die Interpass-Temperaturen, um die Niederschlagung an den Korngrenzen zu begrenzen. - Für kritische Anwendungen, bei denen interkristalline Korrosion inakzeptabel ist, wählen Sie stabilisierte Grade (321/321H) oder wenden Sie nach dem Schweißen Lösungsglühen an, wo dies möglich ist.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Austenitischer Edelstahl-Kontext: Beide sind Edelstahl; die allgemeine Korrosionsbeständigkeit in oxidierenden Umgebungen ist aufgrund der Chrompassivierung ausgezeichnet. Lokalisierter Angriff (Lochkorrosion/Spaltenkorrosion) hängt von den Chloridwerten ab und ist nicht wesentlich unterschiedlich zwischen den beiden, wenn Zusammensetzung und Oberflächenfinish ähnlich sind.
• Sensibilisierung und interkristalline Korrosion: 304H, mit erhöhtem Kohlenstoff, ist wahrscheinlicher, Chromkarbide nach thermischer Exposition im Sensibilisierungsbereich zu bilden, was zu interkristalliner Korrosion führen kann. Der Titanstabilisator von 321H reduziert dieses Risiko, indem er stattdessen Titan-Karbide bildet.
• PREN (Äquivalentzahl für Lochkorrosionsbeständigkeit) ist für diese molybdänfreien 300er Legierungen nicht sehr nützlich, aber die allgemeine Formel lautet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ In diesen Graden ist Mo effektiv null, sodass die PREN-Unterschiede minimal sind und hauptsächlich vom Stickstoffgehalt abhängen.
• Oberflächenschutz für nicht-edelstahlhaltige Szenarien: Hier nicht anwendbar; jedoch können in hochaggressiven Umgebungen zusätzliche Beschichtungen oder kathodischer Schutz erforderlich sein.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit: Die austenitische Struktur bietet ausgezeichnete Formbarkeit und Tiefzieheigenschaften für beide Grade im geglühten Zustand. Kaltverformung erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Duktilität.
• Zerspanbarkeit: Typische austenitische Edelstähle haben im Vergleich zu Kohlenstoffstählen eine schlechte bis moderate Zerspanbarkeit; höherer Kohlenstoff (304H/321H) verbessert die Zerspanbarkeit nicht wesentlich. Verwenden Sie geeignete Werkzeugmaterialien (Hartmetallspitzen), starre Aufbauten und hochpositive Spanwinkelwerkzeuge. Erwarten Sie eine Verfestigung während der Zerspanung, sodass die Spankontrolle und die Schnittparameter wichtig sind.
• Oberflächenfinish und Polieren: Beide lassen sich gut polieren und finishen; 321H benötigt möglicherweise leicht unterschiedliche Beiz-/Polierparameter, wenn TiN/TiC-Partikel nach der Verarbeitung vorhanden sind.

8. Typische Anwendungen

Tabelle: Häufige Anwendungen nach Grad

304H – Typische Anwendungen	321H – Typische Anwendungen
Ofenteile, Hochtemperaturrohre und Druckbehälter, wo erhöhte Hochtemperaturfestigkeit erforderlich ist und das Risiko der Sensibilisierung verwaltet werden kann	Auspuff- und Turboladerkomponenten, Luftfahrt- und Raumfahrtkanäle, chemische Prozessrohre und Wärmetauscher, die thermischen Zyklen und sensibilisierenden Temperaturen ausgesetzt sind
Kesselkomponenten, Überhitzer/ Nachheizrohre (wo Kohlenstoffschub für Kriechfestigkeit spezifiziert ist)	Triebwerks- und Gasturbinenkomponenten, wo Stabilisierung gegen interkristallinen Angriff entscheidend ist
Allgemeine Fertigung, wo erhöhte Temperaturfestigkeit erforderlich ist und Kostenempfindlichkeit besteht	Geschweißte Baugruppen, die mittleren Temperaturbereichen ausgesetzt sind und Widerstand gegen interkristalline Korrosion nach dem Schweißen erfordern

Auswahlbegründung - Wählen Sie 304H, wenn erhöhte Temperaturfestigkeit erforderlich ist und der thermische Zyklus oder der Fertigungsweg eine längere Sensibilisierung vermeidet oder wenn nach dem Schweißen Lösungsglühen möglich ist. - Wählen Sie 321H, wenn thermische Zyklen oder Schweißen in dienstlich exponierten Komponenten den Schutz gegen Sensibilisierung unerlässlich machen und wenn langfristige Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion eine Priorität hat.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: Beide Grade werden häufig produziert und sind weit verbreitet erhältlich. 321H hat typischerweise einen moderaten Aufpreis gegenüber 304H aufgrund der Zugabe von Titan und der strengen Kontrolle, die für die Stabilisatorwerte erforderlich ist. Die Preise hängen vom Ni-Gehalt, den Marktbedingungen und der Form (Platte, Rohr, Stange) ab.
• Verfügbarkeit nach Produktform: Beide Grade sind weit verbreitet in Platten, Blechen, Rohren und Rohren erhältlich; spezielle nahtlose oder hochfeste Schmiedestücke können längere Lieferzeiten haben. 304H wird häufig für Druckbehälterstähle spezifiziert; 321H wird oft für Hochtemperatur- und stabilisierte Anwendungen vorrätig gehalten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Schneller Vergleich (qualitativ)

Attribut	304H	321H
Schweißbarkeit	Gut mit Vorsicht; höherer C erhöht das Sensibilisierungsrisiko	Sehr gut für geschweißte, thermisch zyklierte Baugruppen (stabilisiert)
Festigkeit–Zähigkeit (hohe Temp)	Gute Festigkeit bei erhöhten Temperaturen aufgrund höherer C	Gute Festigkeit bei erhöhten Temperaturen; Stabilisierung erhält die Zähigkeit nach dem Zyklus
Kosten	Niedrig bis moderat	Moderat (etwas höher)

Empfehlungen - Wählen Sie 304H, wenn: Sie verbesserte Hochtemperaturfestigkeit von einem hochlegierten austenitischen Edelstahl in Anwendungen benötigen, bei denen entweder thermische Exposition lange Zeiten im Sensibilisierungsbereich vermeidet oder wo nach der Verarbeitung Lösungsglühen und sorgfältige Schweißpraktiken angewendet werden können. Es ist geeignet, wenn Kostenempfindlichkeit ein Faktor ist und die Vorteile des Stabilisators nicht erforderlich sind. - Wählen Sie 321H, wenn: das Teil geschweißt wird, wiederholten thermischen Zyklen unterliegt oder langfristig im Sensibilisierungsbereich betrieben wird und Widerstand gegen interkristalline Korrosion entscheidend ist. 321H wird bevorzugt, wenn die Minimierung der Nachbehandlung nach dem Schweißen oder die Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit nach der Verarbeitung eine primäre Anforderung ist.

Letzte Anmerkung: Die Wahl zwischen 304H und 321H sollte unter Berücksichtigung der spezifischen Betriebstemperatur, des thermischen Zyklus, der Korrosionsumgebung und der regulatorischen/standardmäßigen Anforderungen für das Bauteil getroffen werden. Konsultieren Sie die Werksprüfzertifikate, Kriech-/Bruchdaten für die vorgesehenen Betriebstemperaturen und die Qualifikationen der Schweißverfahren, wenn Sie einen der Grade spezifizieren.