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

Einführung

304L und 321 sind zwei weit verbreitete austenitische Edelstahllegierungen, deren Auswahl ein häufiges Ingenieurdilemma darstellt. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitungs- und Schweißverhalten, Stabilität bei erhöhten Temperaturen und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, wie jede Legierung Karbide während des Schweißens und im Hochtemperaturbetrieb behandelt: 304L verlässt sich auf einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, um Sensibilisierung zu vermeiden, während 321 auf Titanstabilisierung setzt, um Kohlenstoff zu binden und die Ausfällung von Chromkarbid zu verhindern.

Da beide Legierungen austenitische Edelstähle mit ähnlichen Gehalten an Chrom und Nickel sind, werden sie häufig in Rohrleitungen, Druckbehältern, Wärmetauschern und gefertigten Komponenten verglichen, bei denen Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen die Wahl bestimmen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Allgemeine internationale Normen und Bezeichnungen:
• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403), 321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100).
• EN: 304L entspricht ungefähr EN 1.4307; 321 entspricht EN 1.4541 (oder 1.4541/1.4550 Varianten, abhängig vom Titan-Gehalt).
• JIS, GB: nationale Äquivalente existieren mit ähnlichen Chemien und Eigenschaften (konsultieren Sie spezifische Normen für genaue Grenzwerte).
• Klassifikation: Sowohl 304L als auch 321 sind austenitische Edelstähle (Edelstahlfamilie). Sie sind keine Kohlenstoffstähle, legierten Stähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Grade.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle listet die Schlüsselmikroelemente und typischen Bereiche oder Maximalwerte gemäß gängigen Spezifikationen auf (Bereiche sind typisch und hängen von der Norm/Spezifikation und der Produktform ab).

Element	304L (typische Spezifikationsbereiche)	321 (typische Spezifikationsbereiche)
C (max, Gew.-%)	≤ 0.03	≤ 0.08
Mn (Gew.-%)	≤ 2.00	≤ 2.00
Si (Gew.-%)	≤ 0.75	≤ 0.75
P (Gew.-%)	≤ 0.045	≤ 0.045
S (Gew.-%)	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr (Gew.-%)	17.5–20.0	17.0–19.0
Ni (Gew.-%)	8.0–12.0	9.0–12.0
Mo (Gew.-%)	— (gewöhnlich ≤0.10)	— (gewöhnlich ≤0.10)
V (Gew.-%)	—	—
Nb (Gew.-%)	—	—
Ti (Gew.-%)	—	typischerweise 0.15–0.70 (Stabilisator)
B (Gew.-%)	—	—
N (Gew.-%)	≤ 0.10	≤ 0.10

Legierungsstrategie und -effekte: - Chrom (Cr) bietet allgemeine Korrosionsbeständigkeit durch die Bildung eines passiven Oxidfilms. - Nickel (Ni) stabilisiert die austenitische Struktur und verbessert Zähigkeit und Verformbarkeit. - Der niedrige Kohlenstoffgehalt in 304L verringert die Tendenz zur Ausfällung von Chromkarbid (Sensibilisierung) während des langsamen Abkühlens nach dem Schweißen. - Titan in 321 bildet stabile Titankarbide/Nitride, die die Bildung von Chromkarbid während der Exposition im Sensibilisierungsbereich (~425–850°C) verhindern. Dies gibt 321 einen Vorteil für den Hochtemperaturbetrieb und Anwendungen mit zyklischer Hochtemperaturbelastung. - Das Fehlen von Mo bedeutet, dass keine der Legierungen für die Beständigkeit gegen Lochkorrosion bei hohen Chloridkonzentrationen optimiert ist; Mo-haltige Legierungen (z.B. 316) werden für Chloride bevorzugt.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Mikrostruktur: - Sowohl 304L als auch 321 sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). Sie zeigen gute Zähigkeit und Verformbarkeit bis zu kryogenen Temperaturen. - 304L: austenitische Matrix mit minimaler Karbidausfällung, wenn sie ordnungsgemäß wärmebehandelt wird oder der Kohlenstoffgehalt niedrig gehalten wird. - 321: austenitische Matrix mit dispergierten Ti(C,N)-Ausfällungen, die als Stabilisatoren wirken und die Bildung von Chromkarbid an den Korngrenzen reduzieren.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Austenitische Edelstähle sind nicht wärmebehandelbar, um die Festigkeit durch Abschrecken und Anlassen zu erhöhen, wie ferritische/martensitische Stähle. Mechanische Eigenschaften werden durch Kaltverformung oder durch Stabilisieren/Lösungsglühen erzielt. - Lösungsglühen: Erwärmen auf ~1010–1120°C, gefolgt von schnellem Abkühlen, stellt die duktilen, korrosionsbeständigen Mikrostrukturen für beide Legierungen wieder her. - 304L: Aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts ist es weniger anfällig für interkristalline Korrosion nach dem Schweißen und erfordert keine Stabilisierung. - 321: Titanzusätze machen es toleranter gegenüber langsamen Abkühlungen nach dem Schweißen oder Spannungsabbau-Temperaturen; Ti muss in einer Menge vorhanden sein, die ausreicht, um mit verfügbarem Kohlenstoff zu reagieren (gewöhnlich mindestens 5×C nach Gewicht).

Thermo-mechanische Verarbeitung: - Kaltverformung erhöht die Festigkeit und Härte für beide Legierungen durch Verfestigung; Rekristallisation tritt nur nach dem Lösungsglühen auf. - Exposition bei erhöhten Temperaturen: 321 schneidet besser ab als unstabilisierte Legierungen im Temperaturbereich von 400–900°C, da Ti die Ausfällung von Chromkarbid verhindert, die Sensibilisierung verursacht.

4. Mechanische Eigenschaften

Typische Bereiche mechanischer Eigenschaften (geglühter Zustand) hängen von der Produktform (Blech, Platte, Stange) und der Norm ab – die unten angegebenen Werte sind repräsentative Bereiche für den ingenieurtechnischen Vergleich.

Eigenschaft	304L (geglüht, typisch)	321 (geglüht, typisch)
Zugfestigkeit (UTS)	~480–700 MPa	~480–700 MPa
Streckgrenze (0.2% Offset)	~170–300 MPa	~170–300 MPa
Dehnung (in 50 mm)	≥40% (typisch)	≥40% (typisch)
Schlagzähigkeit (qualitativ)	Gut, behält Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen	Gut, ähnlich wie 304L
Härte (HRB/HV)	Mäßig (geglüht)	Mäßig (geglüht)

Interpretation: - Im geglühten Zustand haben 304L und 321 sehr ähnliche Festigkeit, Verformbarkeit und Zähigkeit. - Unterschiede in der mechanischen Leistung sind typischerweise gering bei Raumtemperatur; der Hauptvorteil von 321 zeigt sich in der Stabilität bei hohen Temperaturen und der Kriech-/Oxidationsbeständigkeit, wo die Titanstabilisierung hilft, die Eigenschaften nach längerer Exposition aufrechtzuerhalten.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt von Kohlenstoff, Legierungselementen und der Anfälligkeit für Erstarrungsrisse oder Sensibilisierung ab.

Relevante Schweißbarkeitsindizes: - Der Kohlenstoffäquivalent (IIW) ist ein weit verbreiteter Index zur Bewertung der Schweißbarkeit und der Einfluss auf die Härtbarkeit: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Der Pcm-Index ist ein weiteres Maß, das mit der Neigung zu Kaltverriss und Schweißbarkeit zusammenhängt: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 304L: Der absichtlich niedrige Kohlenstoffgehalt reduziert die Beiträge von $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ aus Kohlenstoff, wodurch das Risiko interkristalliner Korrosion (Sensibilisierung) nach dem Schweißen verringert wird. Daher wird 304L allgemein als leicht schweißbar mit herkömmlichen Füllmetallen (übereinstimmende Zusammensetzung oder 308L-Füller) angesehen, und viele Fertigungsbetriebe bevorzugen es für geschweißte Konstruktionen, die keinen schweren Hochtemperaturbetrieb sehen werden. - 321: Die Titanstabilisierung reduziert die Empfindlichkeit gegenüber Karbidausfällungen in der wärmebeeinflussten Zone; daher kann 321 ohne die gleiche Niedrigkohlenstoffbeschränkung geschweißt werden und dennoch interkristalline Korrosion beim langsamen Abkühlen widerstehen. Die Schweißpraxis sollte jedoch weiterhin Verdünnung und Füllerauswahl kontrollieren; übereinstimmender 321-Füller oder ein stabilisierter Füller wird oft für kritische Hochtemperaturanwendungen empfohlen. - Erstarrungsrisse und Heißrisse sind im Allgemeinen kein Problem für diese austenitischen Edelstähle in der normalen Fertigung. Vorwärmen und Nachbehandlung sind für strukturelle Dicken normalerweise nicht erforderlich, aber die Parameter hängen vom Fugenentwurf und dem Einsatz ab.

Praktische Hinweise: - Wählen Sie einen niedrigkohlenstoffhaltigen Füller (z.B. 308L) für das 304L-Grundmaterial, um den Kohlenstoffgehalt im Schweißmetall niedrig zu halten und Sensibilisierung zu vermeiden. - Für 321 ist übereinstimmender stabilisierter Füller oder herkömmlicher austenitischer Füller akzeptabel, wenn die Schweiß- und Betriebstemperaturen berücksichtigt werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl 304L als auch 321 sind rostfrei und verlassen sich auf ein passives, Cr-reiches Oxid für Korrosionsbeständigkeit. Keiner hat signifikantes Mo; daher ist keiner optimal für chloridreiche, zur Lochkorrosion neigende Umgebungen (316/316L oder Duplexlegierungen wären bevorzugt).
• Verwendung von Indizes:
• Der Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) wird normalerweise verwendet, um die Lochkorrosionsbeständigkeit in Mo-haltigen Edelstählen zu vergleichen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Für 304L und 321 ist Mo ≈ 0, sodass PREN auf ungefähr $\text{Cr} + 16\times\text{N}$ reduziert wird; jedoch ist das PREN-Konzept relevanter, wenn Mo und höherer Stickstoff messbare Unterschiede erzeugen.
• Sensibilisierung:
• 304L: Niedriger Kohlenstoff minimiert die Ausfällung von Chromkarbid während des Schweißens – gute Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion nach dem Schweißen.
• 321: Ti bindet Kohlenstoff und bietet Widerstand gegen Sensibilisierung, selbst wenn der Kohlenstoffgehalt höher ist, was für anhaltende Hochtemperaturanwendungen vorteilhaft ist.
• Nicht-rostfreie Schutzmethoden (für nicht-rostfreie Stähle) wie Verzinkung oder Lackierung gelten nicht für diese Edelstahllegierungen zur allgemeinen Korrosionskontrolle, können jedoch für ästhetische oder zusätzliche Schutzmaßnahmen verwendet werden, wenn dies angemessen ist.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit: Sowohl 304L als auch 321 zeichnen sich in der Kaltumformung und im Tiefziehen aufgrund der austenitischen Verformbarkeit aus. 304L ist aufgrund der weit verbreiteten Verfügbarkeit und der konsistenten Niedrigkohlenstoffchemie etwas beliebter für komplexe Formen.
• Bearbeitbarkeit: Austenitische Edelstähle haben im Vergleich zu Kohlenstoffstählen eine schlechte Bearbeitbarkeit aufgrund der hohen Verfestigung; 321 kann eine ähnliche Bearbeitbarkeit wie 304L aufweisen, mit leichten Unterschieden, die von der endgültigen Mikrostruktur und dem Einschlussgehalt abhängen. Verwenden Sie scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten und geeignete Schnittgeschwindigkeiten und -vorschübe.
• Oberflächenveredelung: Beide reagieren gut auf Polier- und Passivierungsbehandlungen. Elektropolieren verbessert die Korrosionsbeständigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit.
• Schweißverarbeitung: 304L erfordert häufig L-Grad-Füller für das Schweißmetall mit niedrigem Kohlenstoffgehalt; 321 kann stabilisierte Füller verwenden, insbesondere wenn die Struktur bei erhöhten Temperaturen verbleibt.

8. Typische Anwendungen

304L — Typische Anwendungen	321 — Typische Anwendungen
Chemische Prozessanlagen für mäßig korrosive Umgebungen (keine schweren Chloride)	Flugzeugabgassysteme und Hochtemperaturkrümmer
Lebensmittelverarbeitungsanlagen, Molkereien, Brautanks und Küchengeräte	Wärmetauscher und Ofenkomponenten, die zyklischen Hochtemperaturbetrieb ausgesetzt sind
Rohrleitungen, Tanks und geschweißte Baugruppen, bei denen die Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen wichtig ist	Automobil- und petrochemische Komponenten, die im Temperaturbereich von 400–900°C betrieben werden
Architektonische und strukturelle Anwendungen, bei denen Schweißbarkeit und Formbarkeit Priorität haben	Komponenten, die Stabilisierung gegen Sensibilisierung während längerer Hochtemperaturexposition erfordern

Auswahlbegründung: - Verwenden Sie 304L, wenn Wirtschaftlichkeit der Fertigung, Schweißbarkeit mit minimaler spezieller Handhabung und allgemeine Korrosionsbeständigkeit die Prioritäten sind. - Verwenden Sie 321, wenn der Betrieb wiederholte Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen, thermischen Zyklen oder die Stabilisierung gegen Karbidausfällung erfordert.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: 304L ist im Allgemeinen kostengünstiger als 321, da es in höheren Volumina produziert wird und nicht die teuren Stabilisierungselemente in der Lagerhaltung und Verarbeitung erfordert. Die Marktpreise variieren mit den Nickel- und Chrommarktbedingungen.
• Verfügbarkeit: 304L ist häufiger in einer Vielzahl von Formen (Blech, Platte, Rohr, Stange, Draht) und Oberflächenveredelungen vorrätig. 321 ist weit verbreitet, kann jedoch in einigen Spezialprodukten oder dicken Abschnitten weniger häufig sein.
• Einkaufsnotiz: Bestätigen Sie für große Projekte die Mill-Zertifikate und die Verfügbarkeitsvorlaufzeit; stabilisierte Grade wie 321 können längere Vorlaufzeiten für bestimmte Produktformen haben.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ)

Attribut	304L	321
Schweißbarkeit	Ausgezeichnet für allgemeine Fertigung (niedriger C reduziert Sensibilisierung)	Sehr gut; überlegen für Hochtemperatur-Stabilität nach dem Schweißen aufgrund der Ti-Stabilisierung
Festigkeit–Zähigkeit (Raumtemperatur)	Ähnlich, gute Verformbarkeit und Zähigkeit	Ähnlich, gute Verformbarkeit und Zähigkeit
Hochtemperaturstabilität	Mäßig (kann sensibilisieren, wenn Kohlenstoff nicht kontrolliert wird)	Überlegen für zyklische/Hochtemperaturbelastung (Ti-Stabilisierung)
Kosten	Allgemein niedriger	Allgemein höher
Verfügbarkeit	Sehr hoch	Hoch, aber manchmal weniger in Spezialformen

Empfehlung: - Wählen Sie 304L, wenn: Ihre Anwendung hervorragende allgemeine Korrosionsbeständigkeit, häufiges Schweißen mit normaler Fertigungspraxis, gute Formbarkeit und niedrigere Materialkosten erfordert. 304L ist der Standard für viele Lebensmittel-, Pharma-, Architektur- und allgemeine chemische Verarbeitungsbauteile, bei denen die Chloridbelastung begrenzt ist. - Wählen Sie 321, wenn: Komponenten längerer oder zyklischer Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen (typischerweise im Bereich von 400–900°C) ausgesetzt sind oder wenn die Hochtemperaturstabilität nach dem Schweißen und der Widerstand gegen Karbidausfällung kritisch sind. 321 wird für Abgas-, Ofen- und bestimmte Wärmetauscheranwendungen bevorzugt, bei denen die Titanstabilisierung Sensibilisierung verhindert, ohne strenge Niedrigkohlenstoffkontrolle.

Letzte Anmerkung: Beide Legierungen sind ausgereifte, breit spezifizierte austenitische Edelstähle. Die optimale Auswahl hängt vom Gleichgewicht zwischen Fertigungspraktiken (insbesondere Schweißverfahren), Temperaturprofil, Korrosionsbelastung (Chloride vs. allgemein) und Lebenszykluskosten ab. Für kritische geschweißte Strukturen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, konsultieren Sie Materialnormen und Schweißingenieure, um das geeignete Füllmetall, Vor-/Nachbehandlungen und Qualitätskontrolltests zu spezifizieren.