304L vs 304H – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Die Varianten 304L gehören zu den am häufigsten verwendeten austenitischen Edelstählen in der Industrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner müssen häufig zwischen dem niedriglegierten 304L und dem höherlegierten 304H entscheiden, wenn sie Materialien für Druckgeräte, Rohrleitungen, Wärmetauscher oder gefertigte Komponenten spezifizieren. Die Entscheidung balanciert typischerweise Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit gegen Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Kriechbeständigkeit.
Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass 304L optimiert ist, um die Karbidabscheidung während des Schweißens und des Betriebs zu minimieren (was die interkristalline Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit verbessert), während 304H absichtlich einen höheren Kohlenstoffgehalt enthält, um eine höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zu erhalten. Da beide Werkstoffe die gleiche grundlegende Chrom-Nickel-austenitische Matrix teilen, werden sie häufig in Konstruktionen verglichen, bei denen Temperaturbelastung, Fertigungsweg und Nachschweißeigenschaften die entscheidenden Faktoren sind.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM/ASME: 304L — ASTM A240/A240M (Blech/Platte), A312 (Rohre) als UNS S30403; 304H — ASTM A240 (A240M) als UNS S30409 oder gleichwertig.
- EN (Europäisch): EN 1.4306 (304L), EN 1.4948 wird manchmal für 304H-äquivalente oder andere hochlegierte austenitische Edelstähle verwendet; nationale EN-Varianten beziehen sich auf Zusammensetzungsbänder.
- JIS (Japan): SUS304L und SUS304H Nomenklatur in JIS G4303/G4312-Typ Standards.
- GB (China): 06Cr19Ni10/06Cr19Ni10-2L Äquivalente für 304/304L; lokale Bezeichnungen existieren für 304H.
- Klassifikation: Beide sind Edelstähle (austenitisch). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typisch 304L (Gew.-%) | Typisch 304H (Gew.-%) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | 0.04 – 0.10 | 304L niedrig gehalten, um Karbidabscheidung zu vermeiden; 304H erhöht, um die Hochtemperaturfestigkeit zu verbessern. |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 | Mangan ist ein Austenitstabilisator; ähnliche Grenzen. |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 | Silizium zur Entgasung; leicht höhere Zulassung für 304H. |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 | Verunreinigungsgrenze; niedrig gehalten. |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 | Verunreinigung; beeinflusst die Bearbeitbarkeit. |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 18.0 – 20.0 | Wichtigstes korrosionsbeständiges Element. |
| Ni | 8.0 – 12.0 | 8.0 – 11.0 | Stabilisiert Austenit, verbessert Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. |
| Mo | — / Spur | — / Spur | Typische 304-Varianten enthalten kein Mo. |
| V, Nb, Ti, B | — | — | Nicht standardmäßig für 304/304L/304H; spezielle stabilisierte Grade (z. B. 321, 347) enthalten Ti oder Nb. |
| N | ≤ 0.1 (Spur) | ≤ 0.1 (Spur) | Stickstoff kann in geringen Mengen vorhanden sein; erhöht die Festigkeit und beeinflusst PREN. |
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Chrom (Cr) liefert das passive Oxid, das für die Korrosionsbeständigkeit verantwortlich ist. Beide Grade haben ähnliches Cr, sodass das grundlegende Korrosionsverhalten ähnlich ist. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase und verbessert Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit; ähnliche Gehalte bedeuten ähnliche Duktilität. - Kohlenstoff (C) beeinflusst die Karbidbildung: höherer C erhöht die Festigkeit (insbesondere bei erhöhten Temperaturen), fördert jedoch die Karbidabscheidung von Chromkarbid und mögliche interkristalline Korrosion, wenn nicht richtig kontrolliert. - Minderbestandteile (Mn, Si, N) beeinflussen die mechanische Festigkeit und die Kaltverfestigung; Stickstoff erhöht die Festigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion, Mo würde die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion erhöhen, ist jedoch nicht vorhanden.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Die typische Mikrostruktur für sowohl 304L als auch 304H ist im geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). Da Austenit in diesen Zusammensetzungen bei Raumtemperatur stabil ist, gibt es während des Abkühlens keine martensitische Umwandlung bei der Standardverarbeitung.
- 304L: Niedriger Kohlenstoff minimiert die Karbidabscheidung von Chromkarbid ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) an den Korngrenzen während des Schweißkühlens oder der sensitiven Wärmebelastung (ca. 450–850 °C). Infolgedessen bleibt die Mikrostruktur nach der üblichen Verarbeitung frei von signifikanten Korngrenzenkarbiden und bewahrt die interkristalline Korrosionsbeständigkeit.
- 304H: Höherer Kohlenstoff erhöht die treibende Kraft für die Karbidabscheidung während der thermischen Belastung. Bei erhöhten Temperaturen kann sich etwas $\text{Cr}_{23}\text{C}_6$ an den Korngrenzen bilden, was die Korrosionsbeständigkeit lokal verringern kann, es sei denn, Stabilisatoren oder Nachschweißwärmebehandlungen werden angewendet. Der höhere Kohlenstoffgehalt erhöht jedoch auch die Festigkeit durch Festkörperlösung und die Kriechbeständigkeit bei Temperaturen, die typischerweise über 500–600 °C liegen.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Glühen (vollständiges Lösungsglühen gefolgt von schnellem Abschrecken) stellt die Duktilität wieder her und löst die meisten Karbide in beiden Graden auf. Für 304H sind die Auflösungstemperatur und die Kinetik ähnlich, aber die Wiederabscheidung bei langsamer Abkühlung ist wahrscheinlicher. - Normalisieren wird für austenitische Edelstähle normalerweise nicht verwendet, da die austenitische Phase stabil ist; die mechanischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch Kaltverformung und Lösungsglühen kontrolliert. - Thermomechanische Verarbeitung (Kaltverformung gefolgt von Glühen) verändert das Fließ- und Zugverhalten in beiden Graden ähnlich, aber 304H wird bei erhöhten Temperaturen etwas höhere Fließ-/Zugwerte beibehalten.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft (typisch, geglüht) | 304L | 304H | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | Ungefähr moderat; typischer geglüht Bereich | Etwas höher als 304L bei Raum- und erhöhten Temperaturen | Der höhere C-Gehalt von 304H erhöht die UTS, insbesondere bei hohen Temperaturen. |
| Streckgrenze (0,2% Offset) | Moderat | Etwas höher | 304H gewinnt an Streckgrenze durch C und mögliche Festkörperhärtung. |
| Dehnung (Duktilität) | Hoch (gute Formbarkeit) | Vergleichbar oder leicht reduziert | Höherer C kann die Duktilität nach einer Hochtemperaturbelastung geringfügig reduzieren. |
| Schlagzähigkeit | Hoch bei Raumtemperatur | Hoch bei Raumtemperatur; kann bei erhöhten Temperaturen sinken | Austenitische Edelstähle behalten eine gute Zähigkeit; das Risiko der Sprödigkeit steigt mit langfristiger thermischer Alterung. |
| Härte | Relativ niedrig (geglüht) | Etwas höher | Die Unterschiede sind im geglühten Zustand moderat; die Kaltverfestigungsrate ist ähnlich. |
Hinweise: Exakte numerische Werte hängen von der Produktform (Blech, Platte, Rohr), der Wärmebehandlung und der Kaltverformung ab. Die wichtigste Erkenntnis: 304H bietet typischerweise eine höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen auf Kosten einer etwas reduzierten Widerstandsfähigkeit gegen Karbidabscheidung und leicht geringeren Verarbeitungsmargen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von austenitischen Edelstählen ist aufgrund ihrer austenitischen Matrix und der geringen Neigung zur Bildung von Martensit im Allgemeinen ausgezeichnet.
Wichtige Schweißüberlegungen: - Der Kohlenstoffgehalt ist entscheidend: niedriger Kohlenstoff in 304L verringert das Risiko der Sensibilisierung (interkristalline Korrosion) nach dem Schweißen und ermöglicht in vielen Anwendungen den Verzicht auf Nachschweißlösungsglühen. - Der höhere Kohlenstoffgehalt von 304H erhöht das Risiko der Sensibilisierung; Schweißverfahrenkontrollen (Wahl des Zusatzwerkstoffs, schnelles Abkühlen oder Nachschweißlösungsglühen) können für korrosive Umgebungen oder die Einhaltung von Vorschriften erforderlich sein. - Die Härtbarkeit ist für beide niedrig; die Rissanfälligkeit durch harte Mikrostrukturen ist begrenzt.
Nützliche empirische Formeln zur Bewertung der Schweißbarkeit/Härtbarkeit: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Abnehmende Schweißbarkeit korreliert mit höherem $CE_{IIW}$. - Chromäquivalent oder Pcm für Edelstähle: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ - Höhere $P_{cm}$ deuten auf eine größere Neigung hin, Probleme mit dem Gleichgewicht von Ferrit/Austenit zu bilden, und können Anforderungen an Vorwärmung/Nachschweißen informieren.
Interpretation: - 304L schneidet typischerweise bei kohlenstoffsensitiven Indizes niedriger ab und wird bevorzugt, wenn die Schweißintegrität ohne Nachschweißwärmebehandlung erforderlich ist. - 304H kann in korrosiven oder vorschriftengebundenen Anwendungen strengere Schweißkontrollen erfordern, bietet jedoch eine bessere Festigkeit für hochtemperaturgeschweißte Baugruppen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 304L als auch 304H sind rostfrei (enthalten ~18% Cr) und verlassen sich auf einen passiven Cr2O3-Film für die allgemeine Korrosionsbeständigkeit in vielen Umgebungen.
- Die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion ist moderat, da Mo nicht vorhanden ist. Zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion ist PREN ein gängiger Index: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Für 304-Varianten (Mo ≈ 0) wird PREN von Cr und N bestimmt; bei ähnlichem Cr und niedrigem N haben beide Grade vergleichbare allgemeine und Lochkorrosionsbeständigkeit.
- Risiko der Sensibilisierung: Der höhere Kohlenstoffgehalt von 304H fördert die Bildung von Chromkarbid an den Korngrenzen, wenn sie Temperaturen ausgesetzt sind, die zur Sensibilisierung führen, was die Korrosionsbeständigkeit lokal verringern kann (interkristalliner Angriff). 304L wird gewählt, um dieses Risiko zu mindern.
- Oberflächenschutz für nicht rostfreie Stähle (hier nicht anwendbar) würde Verzinkung oder Beschichtungen umfassen; für diese rostfreien Grade sind Reinigung, Passivierung und Vermeidung von chloridhaltigen Umgebungen die wichtigsten Maßnahmen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit/Biegen: 304L hat aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und der höheren Duktilität im geglühten Zustand eine ausgezeichnete Formbarkeit und Tiefzieheigenschaften. 304H ist weiterhin bearbeitbar, kann jedoch geringfügig reduzierte Formgrenzen aufweisen.
- Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle sind kaltverfestigend und haben eine geringere Bearbeitbarkeit als Kohlenstoffstähle. Der höhere Kohlenstoffgehalt von 304H und die potenziell erhöhte Festigkeit können die Werkzeuglebensdauer leicht reduzieren und robusteres Werkzeug oder langsame Vorschübe erfordern; freischnittrige Versionen oder zugesetzter Schwefel verbessern die Bearbeitbarkeit, verringern jedoch die Korrosionsbeständigkeit.
- Oberflächenveredelung: Beide Grade lassen sich gut polieren und passivieren; jedoch könnte Schleifen oder aggressives Finish, das die Oberfläche erhitzt, 304H leichter als 304L lokal sensibilisieren.
- Schweißverarbeitung: 304L ist im Allgemeinen die bevorzugte Wahl für geschweißte Strukturen, es sei denn, die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen ist erforderlich.
8. Typische Anwendungen
| 304L — Typische Anwendungen | 304H — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Lebensmittelverarbeitungsanlagen, Komponenten für Molkereien und Brauereien, pharmazeutische Behälter, bei denen Nachschweißglühen unpraktisch ist und Korrosionsbeständigkeit von größter Bedeutung ist | Kesselrohre, Ofenteile, Wärmetauscher und Komponenten, die einer dauerhaften Nutzung bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, wo zusätzliche Festigkeit/Kriechbeständigkeit erforderlich ist |
| Chemische Prozessbehälter, Rohrleitungen und Armaturen in leicht korrosiven Umgebungen | Druckhalteteile für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen und einige petrochemische Wärmeübertragungsgeräte |
| Architektonische Verkleidungen, Spülen und Haushaltsgeräte | Hochtemperaturgeschweißte Baugruppen, bei denen Vorschriften höhere zulässige Spannungen bei Temperatur vorschreiben |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 304L, wenn die Schweißsimpelheit, die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion und die Formbarkeit höhere Prioritäten haben. - Wählen Sie 304H, wenn eine dauerhafte Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit erforderlich sind und wenn Nachschweiß- oder Fertigungsmaßnahmen das Risiko der Sensibilisierung kontrollieren können.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 304L wird breit produziert und gelagert; die relativen Kosten sind ähnlich wie bei Standard 304, jedoch leicht höher aufgrund der kontrollierten Niedrigkohlenstoffverarbeitung. 304H ist eine spezialisiertere Sorte – die Materialkosten können vergleichbar oder leicht höher sein aufgrund der strengeren Kohlenstoffspezifikation und möglicherweise geringerer Produktionsmengen.
- Verfügbarkeit: 304L ist in vielen Produktformen (Blech, Platte, Coil, Rohr, Stange, Schmiedeteile) weit verbreitet. 304H ist verfügbar, aber in einigen Märkten und Produktformen weniger verbreitet; die Lieferzeiten für Spezialformen oder große Mengen können länger sein.
- Einkaufsnotiz: Bei der Spezifikation die korrekte ASTM/EN/JIS-Bezeichnung und die gewünschte Produktform angeben, um die Substitution von Standard 304 oder stabilisierten Graden zu vermeiden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 304L | 304H |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet (geringeres Sensibilisierungsrisiko) | Gut, aber höheres Sensibilisierungsrisiko – erfordert Kontrolle |
| Festigkeit–Zähigkeit (Raumtemperatur) | Gute Zähigkeit; moderate Festigkeit | Etwas höhere Festigkeit; vergleichbare Zähigkeit bei Raumtemperatur |
| Festigkeit/Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen | Moderat | Überlegen bei erhöhten Temperaturen |
| Korrosionsbeständigkeit im sensitiven Einsatz | Besser (widersteht interkristallinem Angriff) | Geringer, es sei denn, durch Wärmebehandlung/Zusatzwerkstoffwahl gemildert |
| Kosten/Verfügbarkeit | Weit verbreitet; kosteneffektiv | Spezialisiert; potenziell höhere Kosten/Lieferzeit |
Wählen Sie 304L, wenn: - Das Bauteil umfangreich geschweißt wird und eine Nachschweißwärmebehandlung unpraktisch ist. - Die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion (z. B. Rohrleitungen für Lebensmittel, pharmazeutische Produkte oder Trinkwasser) eine Priorität hat. - Gute Formbarkeit und Tiefziehen erforderlich sind.
Wählen Sie 304H, wenn: - Die Anwendung eine dauerhafte Hochtemperaturnutzung umfasst, bei der eine höhere Zugfestigkeit oder Kriechbeständigkeit erforderlich ist (z. B. Wärmetauscher, Kessel, Ofenteile). - Der Beschaffungs- und Fertigungsplan Schweißkontrollen, die Auswahl kompatibler Zusatzwerkstoffe und, falls erforderlich, Nachschweißlösungsglühen oder alternative Maßnahmen zur Steuerung der Sensibilisierung zulässt.
Letzte Anmerkung: Sowohl 304L als auch 304H sind innerhalb ihrer Entwurfsgrenzen gültige Optionen. Geben Sie die beabsichtigte Betriebstemperatur, die korrosive Umgebung (Chlorexposition, Säuregehalt), die Fertigungsfolge und die geltenden Vorschriften/Normen an, wenn Sie zwischen ihnen auswählen, um das richtige Gleichgewicht zwischen Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung sicherzustellen.