304L vs 316L – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
304L und 316L sind zwei der am häufigsten spezifizierten austenitischen Edelstähle. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Kompromisse zwischen Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitungsfreundlichkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Spezifizierung von Rohr- und Behältermaterialien für korrosive Anwendungen, die Auswahl von Blech oder Platten für Lebensmittel- und Pharmaausrüstungen sowie die Auswahl von geschweißten Baugruppen, bei denen ein niedriger Kohlenstoffgehalt bevorzugt wird, um Sensibilisierung zu vermeiden.
Der primäre metallurgische Unterschied zwischen diesen Werkstoffen besteht darin, dass 316L ein zusätzliches Legierungselement enthält, das die Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion, insbesondere Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen, erheblich verbessert. Da ihre Grundmatrix dasselbe 300er austenitische System ist, werden die beiden Werkstoffe häufig verglichen, wenn die Entwurfskriterien die Korrosionsleistung im Vergleich zu Kosten und Formbarkeit betonen.
1. Normen und Bezeichnungen
Übliche Normen und Bezeichnungen für jede Sorte umfassen:
- ASTM/ASME: A240 / SA240 (Platte, Blech); A312 (Rohr) — häufig im US/ASME-Kontext verwendet.
- EN (Europa): EN 10088 Reihe; 304L entspricht X2CrNi18-9 / 1.4306; 316L entspricht X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404.
- JIS (Japan): SUS304L / SUS316L Äquivalente.
- GB (China): GB/T 1220 und GB/T 3280 Äquivalente.
Klassifikation: sowohl 304L als auch 316L sind Edelstähle (austenitisch). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA; sie sind korrosionsbeständige Legierungsstähle mit einer flächenzentrierten kubischen (austenitischen) Kristallstruktur im geglühten Zustand.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle listet typische Zusammensetzungsbereiche für gängige kommerzielle Spezifikationen (ausgedrückt in Gewicht Prozent) auf. Exakte Grenzen hängen von spezifischen Normen (ASTM, EN, JIS, GB) und Produktform ab; die angegebenen Werte sind repräsentativ.
| Element | 304L (typische Bereiche) | 316L (typische Bereiche) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.5–19.5 (≈18–20) | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–12.0 | 10.0–14.0 |
| Mo | — (nur Spuren) | 2.0–3.0 |
| V | — | — |
| Nb (Cb) | — | — (selten in 316L; vorhanden in stabilisierten Sorten) |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Erklärung der Legierungsstrategie: - Chrom (Cr) sorgt für das grundlegende Edelstahlverhalten, indem es einen passiven Chromoxidfilm bildet. Typische Cr-Gehalte in beiden Sorten erzeugen eine stabile austenitische passive Oberfläche. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Phase, verbessert die Zähigkeit und Formbarkeit; 316L hat oft leicht höhere Ni-Gehalte. - Molybdän (Mo), das in 316L vorhanden ist, erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen und verbessert die Beständigkeit gegen bestimmte reduzierende Säuren. - Niedrigkohlenstoff (L) Sorten (≤0.03% C) minimieren das Risiko der interkristallinen Karbidabscheidung (Sensibilisierung) während des Schweißens und erhalten die Korrosionsbeständigkeit in der wärmebeeinflussten Zone.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Sowohl 304L als auch 316L sind im geglühten Zustand bei Raumtemperatur vollständig austenitisch (flächenzentriert kubisch). Sie reagieren nicht auf traditionelle Abschreck- und Anlasstechniken, um martensitische Mikrostrukturen zu entwickeln; stattdessen kann Kaltverformung in 300er Legierungen, insbesondere in 304-Varianten, je nach Zusammensetzung und Verformungsgrad martensitische Strukturen einführen. - Die Mo-Zugabe in 316L verändert die austenitische Matrix nicht, beeinflusst jedoch das Ausfällungsverhalten und die Stabilität des passiven Films.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Glühen: Typisches Lösungsglühen bei 1010–1150 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen, stellt eine vollständig austenitische, korrosionsbeständige Struktur für beide Sorten wieder her. - Sensibilisierung: Beide Sorten sind anfällig für die Ausfällung von Chromkarbid, wenn sie zwischen etwa 450–850 °C gehalten werden, wenn Kohlenstoff vorhanden ist. Die niedrigkohlenstoffhaltigen 'L'-Varianten reduzieren dieses Risiko; 316L und 304L werden für geschweißte Strukturen ausgewählt, um interkristalline Angriffe zu vermeiden. - Normalisieren, Abschrecken & Anlassen: Diese thermischen Verfahren sind nicht anwendbar zur Verstärkung von 300er austenitischen Edelstählen, da sie sich nicht durch martensitische Umwandlungen härten. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Kaltverformung oder spezialisierte thermo-mechanische Verarbeitung angepasst. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Kaltverformung erhöht die Festigkeit auf Kosten der Duktilität; 304L ist während starker Kaltverformung etwas anfälliger für verformungsinduziertes Martensit als 316L aufgrund subtiler Unterschiede in der Stapelfehlerenergie.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften beider Sorten variieren je nach Produktform (Blech, Platte, Stange, Rohr) und Verarbeitungsverlauf. Die folgende Tabelle gibt repräsentative geglühte Bereiche an, die häufig in technischen Spezifikationen vorkommen; tatsächliche Werte müssen aus den Werkszertifikaten des Lieferanten verifiziert werden.
| Eigenschaft (geglüht, typisch) | 304L | 316L |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ≈ 480–620 | ≈ 480–620 |
| Streckgrenze, 0.2% (MPa) | ≈ 170–300 | ≈ 170–300 |
| Dehnung (%), typisch | ≥ 40 | ≥ 40 |
| Schlagzähigkeit (Charpy, J, Raumtemperatur) | Hoch, kerbempfindlich | Hoch, kerbempfindlich |
| Härte (HRC/HV) | Moderat (z.B. HB ~120–200) | Moderat (ähnlich wie 304L) |
Interpretation: - Festigkeit: Beide Sorten zeigen ähnliche Grundwerte für Zug- und Streckgrenze im geglühten Zustand; Unterschiede sind in der Regel gering und hängen vom Ni-Gehalt und der Kaltverfestigung ab. Kaltverformung erhöht die Festigkeit vergleichbar in beiden Sorten. - Zähigkeit und Duktilität: Beide bleiben bei Raumtemperatur hoch duktil und zäh; 316L kann in einigen Produktformen aufgrund des höheren Ni- und Mo-Einflusses auf die Stapelfehlerenergie leicht bessere Zähigkeit aufweisen, aber die Unterschiede sind für die meisten technischen Anwendungen marginal. - Härte: Vergleichbar im geglühten Zustand; Kaltverformung erhöht die Härte in beiden.
5. Schweißbarkeit
Sowohl 304L als auch 316L sind hoch schweißbar durch gängige Schmelz- und Widerstandsschweißverfahren, teilweise aufgrund ihrer niedrigen Kohlenstoffgehalte, die die Sensibilisierung reduzieren.
Schweißbarkeitsindizes (qualitative Nutzung): - Der IIW-Kohlenstoffäquivalent bietet eine schnelle qualitative Perspektive auf die Schweißbarkeit: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Ein detaillierterer Parameter, der manchmal in Europa verwendet wird, ist $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Da 304L und 316L sehr wenig Kohlenstoff, moderates Mn und keine starken Mikrolegierungszusätze haben, erzeugen beide niedrige $CE_{IIW}$/$P_{cm}$-Zahlen im Vergleich zu hochfesten Stählen; dies impliziert eine ausgezeichnete Schweißbarkeit, eine geringe Anfälligkeit für Kaltreiß und wenig Bedarf an Vorwärmung in den meisten Fällen. - Das Mo in 316L trägt leicht zu diesen Begriffen in den $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Ausdrücken bei, aber der Einfluss auf die Schweißbarkeit ist gering; die Auswahl des Zusatzmaterials ist jedoch wichtig, um eine übereinstimmende Korrosionsbeständigkeit im Schweißmetall sicherzustellen (z.B. Auswahl von 316L oder passenden 316-Verbrauchsmaterialien für das Schweißen von 316L-Basismetall). - Eine Nachschweißwärmebehandlung (Spannungsabbau) ist bei austenitischen Edelstählen selten erforderlich und wird nur für die dimensionsstabilität oder spezifische Serviceanforderungen verwendet.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Edelstahl: Beide Sorten verlassen sich auf den passiven Cr-Oxidfilm. Das Vorhandensein von Molybdän in 316L verbessert erheblich die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen wie Meerwasser oder chloridreichen Prozessströmen.
Verwendung von PREN zur Veranschaulichung der lokalen Korrosionsbeständigkeit: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Interpretation: - Da 316L Mo enthält und 304L nicht, ist der PREN von 316L höher, was auf eine überlegene Lochkorrosionsbeständigkeit hinweist. Stickstoffzusätze erhöhen ebenfalls den PREN, wenn sie vorhanden sind. - PREN ist am nützlichsten für den Vergleich von Edelstahllegierungen, bei denen die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion ein Entwurfsfaktor ist; es ist kein universeller Korrosionsvorhersager für alle Umgebungen.
Nicht-Edelstähle: - Bei Stählen, die nicht Edelstahl sind (hier nicht anwendbar), beruht der Korrosionsschutz häufig auf Beschichtungen wie Feuerverzinkung, organischen Farben oder Beschichtungen. Bei 304L und 316L werden Beschichtungen in der Regel für ästhetische Zwecke oder Abriebschutz und nicht für den primären Korrosionsschutz verwendet.
Praktische Implikationen: - Wählen Sie 316L für chloridexponierte Anwendungen (marine, chemische Verarbeitung, biomedizinische Implantate in bestimmten Fällen), bei denen Loch- und Spaltkorrosion Bedenken aufwirft. - Wählen Sie 304L für allgemeine Korrosionsbeständigkeit (Lebensmittelserviceausrüstung, architektonische Verkleidungen, wässrige korrosive Umgebungen ohne Chloride), bei denen kein Mo-Schutz erforderlich ist.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Beide Sorten lassen sich aufgrund ihrer hohen Duktilität gut formen; 304L ist oft etwas leichter zu formen aufgrund seiner Zusammensetzung und der marginal höheren Neigung zur Kaltverfestigung; Werkzeugmanagement und Rückfederung sind ähnlich.
- Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle sind im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. 316L ist aufgrund der höheren Zähigkeit und der Neigung zur Kaltverfestigung tendenziell etwas schwieriger zu bearbeiten als 304L; die Verwendung geeigneter Werkzeuge, Vorschübe und Kühlmittel mildert Probleme.
- Oberflächenfinish und Polieren: Beide können auf hohe Oberflächenqualität bearbeitet werden. 316L wird oft bevorzugt, wenn die endgültige Oberflächenintegrität gegen Lochkorrosion resistent sein muss (z.B. polierte Oberflächen für Lebensmittel/Pharma oder marine Fittings).
- Formen und Schweißen: Niedrigkohlenstoffsorten reduzieren nach dem Schweißen Korrosionsprobleme; 316L-Schweißungen erfordern passendes Zusatzmaterial, um die Korrosionsleistung in aggressiven Umgebungen aufrechtzuerhalten.
8. Typische Anwendungen
| 304L — Typische Anwendungen | 316L — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Küchenausrüstung, Spülen, Lebensmittelservice, architektonische Verkleidungen | Marine Fittings, Wärmetauscher, Meerwasserrohre |
| Pharmazeutische und Laborgeräte (nicht-chloridhaltig) | Chemische Prozessausrüstung, die Chloride verarbeitet |
| Wärmetauscher, Tanks (allgemeine wässrige Anwendungen) | Biomedizinische Geräte, chirurgische Instrumente (in bestimmten Fällen) |
| Dekorative und strukturelle Komponenten | Offshore- und Küstenschutzbauten, Entsalzungsanlagen |
Auswahlbegründung: - 304L wird ausgewählt, wenn allgemeine Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und niedrigere Kosten Prioritäten sind und die Umgebung keine aggressiven Chloride aufweist. - 316L wird ausgewählt, wenn Widerstand gegen lokale Korrosion (Loch-/Spaltkorrosion) erforderlich ist — insbesondere in chloridhaltigen Medien — oder wenn leicht verbesserte Hochtemperatur- und chemische Beständigkeit den Aufpreis rechtfertigt.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 316L ist in der Regel teurer als 304L aufgrund der Zugabe von Molybdän und typischerweise etwas höherem Nickelgehalt. Die Preisunterschiede variieren mit den globalen Rohstoffmärkten für Ni und Mo.
- Verfügbarkeit: Beide Sorten sind weltweit in Platten, Blechen, Stangen, Rohren und Fittings weit verbreitet. 304L ist der am häufigsten vorkommende austenitische Edelstahl und hat typischerweise die breiteste Verfügbarkeit und die kürzesten Lieferzeiten. 316L ist ebenfalls weit verbreitet, aber bestimmte Produktformen (nahtlose Rohre mit großem Durchmesser, Spezialfittings) können längere Lieferzeiten und höhere Aufpreise haben.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Attribut | 304L | 316L |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet |
| Festigkeit–Zähigkeit | Vergleichbar (ähnliche Bereiche) | Vergleichbar (ähnliche Bereiche) |
| Widerstand gegen Loch-/Spaltkorrosion | Gut (allgemein) | Überlegen (insbesondere in Chloriden) |
| Kosten | Niedriger | Höher |
Empfehlungen: - Wählen Sie 304L, wenn: die Anwendung gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit, hervorragende Formbarkeit und Schweißbarkeit erfordert und Kosten oder breite Verfügbarkeit die primären Einschränkungen sind — zum Beispiel bei Lebensmittelserviceausrüstung, HVAC-Kanälen oder architektonischen Komponenten, die nicht Chloriden ausgesetzt sind. - Wählen Sie 316L, wenn: der Service Chloride, Meerwasser oder aggressive chemische Umgebungen umfasst, bei denen lokale Korrosion (Loch-/Spaltkorrosion) ein Anliegen ist, oder wenn eine leicht bessere Hochtemperatur-/chemische Beständigkeit erforderlich ist — zum Beispiel bei maritimen Hardware, chemischer Verarbeitung, Entsalzung und vielen biomedizinischen oder pharmazeutischen Komponenten, bei denen überlegene Korrosionsbeständigkeit gefordert ist.
Abschließende Anmerkung: Für kritische Anwendungen spezifizieren Sie genaue Legierungs- und Oberflächenanforderungen und fordern Sie Werkszertifikate und Korrosionstestdaten für die gewählte Produktform an. Bei Zweifeln über Chloridbelastung wählen Sie die Mo-haltigen 316L oder höher legierte Sorten, um das Risiko lokaler Korrosion zu reduzieren.