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

Einführung

304H und 321H sind zwei austenitische Edelstahlgrade, die häufig für Hochtemperatur- und korrosionsbeständige Anwendungen spezifiziert werden. Ingenieure und Beschaffungsfachleute wägen oft die Kompromisse zwischen Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturleistung, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen Druckbehälter- und Ofenkomponenten, Wärmetauscherrohre und Rohrleitungen in petrochemischen oder energieerzeugenden Anlagen.

Der wesentliche technische Unterschied ist ihr Verhalten bei erhöhten Temperaturen: 321H ist mit Titan stabilisiert, um der Ausfällung von Chromkarbid und der damit verbundenen Korrosion und Oxidation an Korngrenzen während längerer Exposition gegenüber hohen Temperaturen zu widerstehen, während 304H auf höherem Kohlenstoffgehalt beruht, um die Festigkeit bei Temperatur zu erhalten, aber anfälliger für Sensibilisierung ist, es sei denn, es wird sorgfältig verarbeitet. Aus diesem Grund werden die beiden Grade routinemäßig für den Einsatz bei mittleren und hohen Temperaturen verglichen, bei denen Oxidation, Kriechbeständigkeit und Nachschweißkorrosion von Bedeutung sind.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Spezifikationen:
• ASTM/ASME: A240/A312 (Blech, Platte und Rohre für Edelstähle); A358/A213 für einige Hochtemperaturanwendungen.
• EN: EN 10088 Serie (Edelstähle).
• JIS: JIS G4303/G4305 Äquivalente existieren für die 300-Serie.
• GB: GB/T Normen für Edelstähle (nationale Standards der VR China).
• Klassifizierung:
• Sowohl 304H als auch 321H sind Edelstähle (austenitisch).
• Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Grade.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: typische Zusammensetzungsbereiche (Gewichts %) — die Bereiche spiegeln gängige Spezifikationsbänder wider; genaue Grenzen hängen von der Norm und der Produktform ab.

Element	304H (typische Bereiche)	321H (typische Bereiche)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5 – 19.5	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mo	In der Regel ≤ 0.6 (oft abwesend)	In der Regel ≤ 0.6 (oft abwesend)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	≤ 0.7 (typischerweise niedrig bis keiner)	5 × C (min) bis ≈ 0.7
B	Spuren/kontrolliert	Spuren/kontrolliert
N	Spuren; kleine Mengen	Spuren; kleine Mengen

Hinweise: - 304H ist eine höherkohlenstoffhaltige Variante von 304, die entwickelt wurde, um die Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen zu erhalten; stabilisierte Elemente werden nicht absichtlich hinzugefügt. - 321H ist titan-stabilisiert: Titan bindet Kohlenstoff als Titancarbide/Karbonitride während der thermischen Exposition und verhindert die Bildung von Chromkarbid an Korngrenzen. - Das Vorhandensein von Ti in 321H unterscheidet seine Legierungsstrategie: Stabilisierung für den Hochtemperaturbetrieb und Widerstand gegen intergranulare Korrosion nach Sensibilisierungszyklen.

Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Kohlenstoff erhöht die Hochtemperaturfestigkeit, erhöht jedoch das Risiko der Sensibilisierung (Ausfällung von Chromkarbid), die zu intergranularer Korrosion führen kann. - Chrom bietet Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit, indem es eine schützende Oxidschicht bildet. - Nickel stabilisiert die austenitische Phase und verbessert die Zähigkeit und Verformbarkeit. - Titan (in 321H) bindet Kohlenstoff und reduziert die Bildung von Chromkarbid, wodurch der Widerstand gegen Angriffe an Korngrenzen während der Hochtemperaturexposition verbessert wird.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostruktur (geglüht): Beide Grade sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). Karbid- oder Ti-Karbid-Dispersionen können je nach thermischer Vorgeschichte auftreten.
• 304H: Höherer Kohlenstoffgehalt führt zu einer stärkeren Neigung zur Karbidausfällung (Cr23C6) nach Exposition im Sensibilisierungsbereich (~450–850 °C). Eine solche Ausfällung tritt an Korngrenzen auf und kann zu lokalem Chrommangel und intergranularer Korrosion führen. Ohne Stabilisierung kann die Mikrostruktur nach der Exposition kontinuierliche Karbidnetzwerke an den Grenzen zeigen.
• 321H: Titan bildet stabilere Titancarbide/Nitrid bevorzugt über Chromcarbide. Dies führt zu weniger Chrommangel an den Grenzen und einer Mikrostruktur, die widerstandsfähiger gegen Hochtemperatur-Sensibilisierung und intergranularen Angriff ist.

Wärmebehandlung und Verarbeitungswege: - Glühen: Typisches Glühen für austenitische Edelstähle (einschließlich 304H und 321H) liegt bei etwa 1010–1120 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen, um eine homogene austenitische Struktur zu erhalten. Schnelles Abkühlen reduziert die Karbidausfällung. - Normalisieren ist für diese austenitischen Grade nicht üblich, da sie nicht die Ferrit-Perlit-Umwandlung zeigen, die für Kohlenstoffstähle typisch ist. - Abschrecken & Tempern: Nicht anwendbar im Sinne von Kohlenstoffstahl; austenitische Edelstähle werden nicht durch martensitische Umwandlung gehärtet. - Thermo-mechanische Behandlungen: Kaltverformung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung für beide Grade; eine abschließende Glühbehandlung kann je nach erforderlichen Eigenschaften angewendet werden. - Für Anwendungen, die durch Sensibilisierungstemperaturen zirkulieren oder eine langfristige Stabilität bei erhöhten Temperaturen erfordern, benötigt 321H weniger Nachschweißwärmekontrolle, um Sensibilisierung zu vermeiden, als 304H.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Typische Eigenschaften im geglühten Zustand bei Raumtemperatur (indikativ; hängen von Produktform, Dicke und genauer Spezifikation ab)

Eigenschaft	304H (geglüht, typisch)	321H (geglüht, typisch)
Zugfestigkeit (MPa)	480 – 700	480 – 700
Streckgrenze, 0.2% (MPa)	190 – 310	190 – 310
Dehnung (%)	40 – 60	40 – 60
Schlagzähigkeit (Charpy V, Raumtemp)	Hoch; gute Verformbarkeit	Hoch; gute Verformbarkeit
Härte (HB oder HRB, geglüht)	Niedrig–moderat (weich)	Niedrig–moderat (weich)

Interpretation: - Bei Raumtemperatur und im geglühten Zustand haben 304H und 321H sehr ähnliche Zug-, Streck- und Verformungseigenschaften, da beide austenitische Edelstähle mit vergleichbarem Cr- und Ni-Gehalt sind. - Unterschiede werden während längerer Hochtemperaturexposition deutlicher: 304H kann lokale Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit an Korngrenzen verlieren, wenn es sensibilisiert ist; 321H behält eine stabilere Korngrenzenchemie und damit eine bessere Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit in diesen Bereichen. - Die Auswahl der mechanischen Eigenschaften muss die Produktform (Blech, Platte, Rohr), Kaltverformung und die Frage berücksichtigen, ob die Komponente in einem kriechkritischen Hochtemperaturbetrieb eingesetzt wird.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit umfassen den Kohlenstoffgehalt (höherer Kohlenstoff erhöht die Härtbarkeit und das Sensibilisierungsrisiko), das Vorhandensein stabilisierender Elemente und die Kontrolle der Wärmezufuhr.

Übliche Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Äquivalenzzahl für Lochkorrosionsbeständigkeit (wenn relevant für die Bewertung der Lochkorrosion): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Sowohl 304H als auch 321H können problemlos mit Standardverfahren (TIG, MIG, SMAW usw.) geschweißt werden. Da sie austenitisch sind, härten sie nicht martensitisch und sind nicht anfällig für Kaltverzug. - Höherer Kohlenstoff in 304H erhöht das Risiko der Sensibilisierung nach dem Schweißen, wenn langsames Abkühlen erfolgt; dies kann zu intergranularer Korrosion in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) führen. Nachschweißglühen oder schnelle Kühlpraktiken können dies mildern. - 321H, mit Titanstabilisierung, ist weniger anfällig für Nachschweißsensibilisierung; Ti bindet Kohlenstoff während des Heizens/Schweißens und bildet stabile Ti(C,N)-Ausfällungen, wodurch der Chrommangel an Korngrenzen reduziert wird. Dies macht 321H zu einer bevorzugten Wahl für Schweißverbindungen, die längerer Exposition im Sensibilisierungsbereich ausgesetzt sind. - Für beide Grade sorgt eine gute Schweißpraxis — Kontrolle der Wärmezufuhr, Interpass-Temperatur und Verwendung geeigneter Füllmetalle — für eine akzeptable Gelenkleistung. Wenn die Korrosionsbeständigkeit in der HAZ kritisch ist, wählen Sie einen stabilisierten Grad oder niedrigkohlenstoffhaltige L-Grad-Alternativen (z. B. 304L).

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für Edelstahl (sowohl 304H als auch 321H): Eine passive Chromoxid-Schicht bietet allgemeine Korrosionsbeständigkeit. Keiner der Grade enthält signifikante Mengen an Molybdän, sodass die lokale Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit in Chloridumgebungen im Vergleich zu Mo-haltigen Graden (z. B. 316) begrenzt ist.
• PREN (für die Äquivalenz der Lochkorrosionsbeständigkeit, wo Mo und N von Bedeutung sind): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Da Mo in 304H/321H typischerweise abwesend oder niedrig ist und N niedrig ist, werden die PREN-Werte bescheiden sein; PREN ist eher für Duplex- und Mo-haltige austenitische Stähle anwendbar.
• Korrosion/Oxidation bei erhöhten Temperaturen:
• 321H zeigt eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen sensibilisierungsbedingte intergranulare Korrosion und Skalierung während längerer Exposition im Temperaturbereich von 500–800 °C aufgrund der Titanstabilisierung.
• 304H, obwohl es entwickelt wurde, um die Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen aufrechtzuerhalten, kann an Korngrenzen Chromkarbide bilden, was zu lokalem Chrommangel und reduzierter intergranularer Korrosionsbeständigkeit führen kann, es sei denn, die Wärmezufuhr und Kühlung werden kontrolliert.
• Nicht-Edelstahlmaterialien (hier nicht anwendbar): Wo nicht-Edelstähle verwendet werden, umfassen die Schutzoptionen Verzinkung, Farbsysteme oder Hochtemperaturbeschichtungen; für Hochtemperatur-Edelstähle dominieren die Eigenschaften der schützenden Oxidschicht und die Legierungswahl.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit: Beide Grade sind typisch für austenitische Edelstähle — die Verfestigung und das klebrige Verhalten erfordern starre Werkzeuge, angemessene Geschwindigkeiten und scharfe Einsätze. Die Zerspanbarkeit ist moderat und ähnlich für 304H und 321H; 321H kann aufgrund der Anwesenheit von Ti-Karbiden, die den Werkzeugverschleiß beeinflussen, geringfügig schwieriger sein.
• Formbarkeit: Beide Grade sind im geglühten Zustand hoch duktil und formbar. Kaltverformung erhöht die Festigkeit durch Verfestigung, verringert jedoch die Verformbarkeit.
• Oberflächenveredelung: Beide nehmen gängige Edelstahlveredelungsmethoden (Schleifen, Polieren, Elektrolyse) an und reagieren ähnlich, obwohl Ti-haltige Einschlüsse in 321H das Mikroätzverhalten beeinflussen können.
• Schweißen und Nachschweißoperationen: Wie bereits erwähnt, reduziert 321H die Notwendigkeit für Nachschweißglühen, wenn der Betrieb längere Hochtemperaturexpositionen umfasst; 304H kann mehr Sorgfalt erfordern, um Sensibilisierung zu vermeiden.

8. Typische Anwendungen

304H — Typische Anwendungen	321H — Typische Anwendungen
Druckbehälter und Rohrleitungen für Hochtemperatur-Dampfsysteme, bei denen höhere Kohlenstofffestigkeit erforderlich ist, aber die Sensibilisierung kontrolliert werden kann	Flugzeugauspuffkomponenten, Ofenteile und Wärmetauscherrohre, die zyklischen hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wo Stabilisierung erforderlich ist
Wärmetauscherrohre und -sammler in Kesseln, wo höhere Zugfestigkeit bei höheren Temperaturen benötigt wird	Chemische und petrochemische Prozessanlagen, die sensibilisierenden Temperaturbereichen oder wiederholtem thermischen Zyklus ausgesetzt sind
Allgemeine Hochtemperatur-Strukturkomponenten und -fittings, bei denen die Korrosionsbeständigkeit der 304-Familie akzeptabel ist	Auspuffstapel, Gehäuse von Katalysatoren und Ofenmuffen, die stabile Korngrenzenchemie bei Temperatur erfordern

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304H, wenn die Zähigkeit bei Raumtemperatur und eine etwas höhere Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen die Hauptbedürfnisse sind und wenn Schweiß- und Kühlpraktiken kontrolliert werden können, um die Sensibilisierung zu begrenzen. - Wählen Sie 321H, wenn der Betrieb längere Expositionen im Sensibilisierungs-Temperaturbereich, wiederholte thermische Zyklen oder Situationen umfasst, in denen Nachschweißsensibilisierung und intergranulare Korrosion ein Anliegen sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: 321H ist typischerweise moderat teurer als 304H aufgrund der Zugabe von Titan und seiner Nischenverwendung bei hohen Temperaturen. Die Marktpreise schwanken mit den Ni- und Legierungselementmärkten.
• Verfügbarkeit: 304H ist weit verbreitet in Platte, Blech, Rohr und Stange. 321H ist ebenfalls in gängigen Produktformen erhältlich, kann jedoch längere Lieferzeiten für einige Spezialgrößen oder -oberflächen je nach Region haben.
• Beschaffungstipp: Geben Sie die Produktform, die erforderliche Wärmebehandlung und alle Anforderungen an das Nachschweißglühen ausdrücklich an, um Versorgungsengpässe oder unerwartete Fertigungskosten zu vermeiden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Schneller Vergleich

Kriterium	304H	321H
Schweißbarkeit	Gut, aber Risiko der Sensibilisierung in der HAZ bei langsamer Kühlung	Sehr gut; Ti-Stabilisierung reduziert das Risiko der Sensibilisierung in der HAZ
Festigkeit–Zähigkeit	Ähnlich bei Raumtemp; gute Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen	Ähnlich bei Raumtemp; behält intergranulare Zähigkeit im Hochtemperaturbetrieb
Widerstand gegen Hochtemperatur-Sensibilisierung/Oxidation	Niedriger (anfälliger für Karbidausfällung)	Höher (Ti-Stabilisierung verbessert die Hochtemperaturstabilität)
Kosten	Niedriger	Höher (moderat)

Fazit — Wählen Sie 304H, wenn: - Die Komponente einen höheren Kohlenstoffgehalt für die Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen benötigt, aber der Betrieb oder die Schweißpraktiken die Zeit im Sensibilisierungsfenster von 450–850 °C minimieren. - Kosten und breite Verfügbarkeit die Hauptüberlegungen sind und die Exposition gegenüber Loch-/Korrosion moderat ist.

Fazit — Wählen Sie 321H, wenn: - Der Betrieb längere Expositionen bei erhöhten Temperaturen, wiederholte thermische Zyklen oder Situationen umfasst, in denen Nachschweißsensibilisierung und intergranulare Korrosion ein Anliegen sind. - Sie eine stabilisierte austenitische Legierung benötigen, die besser die Korrosionsbeständigkeit und den Widerstand gegen Oxidation an Korngrenzen in der HAZ und im Langzeitbetrieb bei hohen Temperaturen bewahrt.

Abschließende Empfehlung: - Für allgemeine Hochtemperatur-Struktur- oder Druckanwendungen, bei denen die Fertigung die Kühlung kontrollieren kann und die Korrosionsbelastung nicht extrem ist, ist 304H eine wirtschaftliche Wahl. Für Komponenten, die hohen Temperaturen, zyklischer Wärme oder schweißsensiblen Umgebungen ausgesetzt sind, bietet 321H eine robustere, risikoärmere Option, trotz eines moderaten Aufpreises. Validieren Sie die spezifische Legierungswahl mit tatsächlichen Betriebs-Temperaturprofilen, Schweißverfahren und Korrosionsdaten für die beabsichtigte Umgebung.