904L vs 316L – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
904L und 316L sind zwei weitverbreitete austenitische Edelstahlqualitäten, die häufig bei der Materialauswahl für chemische, maritime und pharmazeutische Prozessanlagen konkurrieren. Ingenieure und Einkäufer wägen oft Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Lebenszykluskosten gegeneinander ab – sie balancieren den Bedarf an überlegener Leistung in aggressiven Umgebungen mit Budget- und Lieferbeschränkungen. Grob gesagt ist 904L eine höherlegierte, korrosionsbeständige austenitische Sorte, die für aggressive chloride- und säurehaltige Anwendungen entwickelt wurde, während 316L ein weitverbreiteter „Arbeitspferd“-Edelstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist, der gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit und wirtschaftliche Verfügbarkeit bietet. Diese Unterschiede erklären, warum sie häufig in Konstruktions- und Fertigungsentscheidungen verglichen werden.
1. Normen und Bezeichnungen
Wichtige Normen und übliche Bezeichnungen für jede Qualität:
- 316L
- ASTM/ASME: UNS S31603, ASTM A240 (Blech/Platte), ASTM A276 (Stäbe), ASTM A479 (geschmiedet/Rohr), etc.
- EN: 1.4404 (häufig auch als X2CrNiMo17‑12‑2 bezeichnet)
- JIS: SUS316L
- GB: 0Cr17Ni12Mo2 (ungefähre chinesische Bezeichnung)
-
Klassifikation: Austenitischer Edelstahl
-
904L
- ASTM/ASME: UNS N08904
- EN: 1.4539 (manchmal verwendet)
- JIS: Nicht als eigenständige JIS-Qualität gebräuchlich; oft durch UNS-Spezifikation angegeben
- GB: Äquivalente Familien unter verschiedenen Bezeichnungen verfügbar
- Klassifikation: Superaustenitischer Edelstahl (hochlegierter Austenit)
Beide sind rostfreie (austenitische) Stähle; keiner wird im traditionellen Sinne als Kohlenstoffstahl, Werkzeugstahl oder HSLA betrachtet.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) für gängige kommerzielle 316L und 904L. Die Werte stellen repräsentative Bereiche dar, wie sie in Industriespezifikationen verwendet werden; für die endgültige Auswahl sollte auf die spezifische Norm oder das Werkszeugnis verwiesen werden.
| Element | 316L (typischer Bereich, Gew.-%) | 904L (typischer Bereich, Gew.-%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0,03 | ≤ 0,02 |
| Mn | ≤ 2,0 | ≤ 2,0 |
| Si | ≤ 0,75 | ≤ 1,0 |
| P | ≤ 0,045 | ≤ 0,045 |
| S | ≤ 0,03 | ≤ 0,035 |
| Cr | 16,0 – 18,0 | 19,0 – 23,0 |
| Ni | 10,0 – 14,0 | 23,0 – 28,0 |
| Mo | 2,0 – 3,0 | 4,0 – 5,0 |
| V | – | Spur/≤ Spezifikation |
| Nb | – | Spur/≤ Spezifikation |
| Ti | – | Spur/≤ Spezifikation |
| Cu | Spur – 0,75 | 1,0 – 2,0 |
| B | – | Spur |
| N | ≤ 0,10 (meist sehr niedrig) | ≤ 0,10 (meist sehr niedrig) |
| Fe | Rest | Rest |
Wie die Legierung die Leistung beeinflusst - Chrom sorgt für allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Stabilität des Oxidfilms (höherer Cr erhöht die Basis-Pittingbeständigkeit). - Nickel stabilisiert die austenitische Phase, verbessert Zähigkeit und Duktilität und erhöht die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion in vielen chloridehaltigen Umgebungen. - Molybdän erhöht die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Medien. - Kupfer in 904L verbessert die Beständigkeit gegen reduzierende Säuren (z. B. Schwefelsäure) und erhöht die Stabilität in bestimmten korrosiven Medien. - Niedriger Kohlenstoffgehalt (das „L“-Kennzeichen) reduziert Sensibilisierung beim Schweißen und begrenzt interkristalline Korrosion.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Sowohl 316L als auch 904L sind im geglühten Zustand im Wesentlichen vollständig austenitisch (flächenzentriert kubisch). Wichtige mikrostrukturelle und wärmebehandlungstechnische Eigenschaften:
- Typische Mikrostruktur
- 316L: Stabile Austenitphase mit möglichem Delta-Ferrit in Schweißnähten oder kaltverformten Bereichen, wenn nicht richtig kontrolliert. Korngröße und Zwillingsbildung variieren je nach thermo-mechanischer Historie.
-
904L: Ebenfalls vollständig austenitisch, jedoch mit höheren Anteilen an Ni, Mo und Cu, die Austenit stabilisieren und die Neigung zu Ferrit- oder Martensitbildung reduzieren. 904L zeigt eine robuste Beständigkeit gegen Karbidabscheidungen (Sensibilisierung).
-
Wärmebehandlung und Verarbeitung
- Beide Qualitäten härten nicht durch konventionelle Anlassen & Vergüten Verfahren. Das Glühen (Lösungsglühen) ist der Standardprozess zur Wiederherstellung von Duktilität und Korrosionsbeständigkeit: typischerweise Lösungsglühen bei ca. 1.040–1.120 °C, gefolgt von schnellem Abschrecken (Wasserabschreckung), um die austenitische Struktur zu erhalten und Karbide aufzulösen.
- Thermo-mechanische Bearbeitung (Kaltverformung) erhöht die Festigkeit durch Kaltverfestigung. Keine der Qualitäten kann signifikant durch konventionelle Wärmebehandlung verstärkt werden; Festigkeitssteigerung erfolgt über Kaltverfestigung oder Kaltumformung mit möglicher nachfolgender Stabilisierung (z. B. bei 316Ti).
- Längere Einwirkung im Temperaturbereich 450–870 °C kann bei hochlegierten Austeniten Sigma-Phase oder Chromkarbidablagerungen fördern; die höhere Ni- und Cu-Anteile in 904L verringern, aber eliminieren nicht die Risiken bei extremen Einsatzbedingungen.
4. Mechanische Eigenschaften
Typische mechanische Eigenschaften im geglühten Zustand hängen von Produktform (Blech, Platte, Stab) und spezifischer Norm ab. Die Tabelle zeigt repräsentative, geglühte Werte, die häufig für Vergleichszwecke herangezogen werden; für projektspezifische Daten sind Werkstoffzeugnisse zu konsultieren.
| Eigenschaft (geglüht) | 316L (repräsentativ) | 904L (repräsentativ) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | ~480–620 MPa | ~500–650 MPa |
| Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze) | ~170–310 MPa | ~200–350 MPa |
| Bruchdehnung (A%) | ≥ 35–50 % | ≥ 30–50 % |
| Kerbschlagarbeit (Raumtemperatur, typisch) | Hoch (gute Kerbschlagzähigkeit) | Hoch (exzellente Kerbschlagzähigkeit) |
| Härte (HB/HRB typisch geglüht) | ~90 HRB (bzw. ≤ 200 HB) | ähnlich bis etwas höher, abhängig von der Legierung |
Interpretation - Festigkeit: Beide Qualitäten zeigen im geglühten Zustand vergleichbare Zugfestigkeit; Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit jeweils zusätzlich. 904L kann in einigen Produktformen aufgrund der Legierung etwas höhere Festigkeiten aufweisen, aber Unterschiede sind meist gering gegenüber den Bemessungsmargen. - Zähigkeit und Duktilität: Beide sind bei Raumtemperatur aufgrund der vollständig austenitischen Mikrostruktur hoch duktil und zäh. Der hohe Nickelgehalt in 904L verbessert typischerweise die Tieftemperaturzähigkeit und verringert die Neigung zur Versprödung. - Die mechanischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch Kaltverfestigung und Kaltumformung gesteuert, nicht durch Wärmebehandlung; bei der Konstruktion sollte auf spezifische Werkstoffzeugnisse Bezug genommen werden.
5. Schweißbarkeit
Aspekte der Schweißbarkeit umfassen Kohlenstoffgehalt, Legierungsanteile und Härtbarkeitsindizes.
- Sowohl 316L als auch 904L weisen niedrige Kohlenstoffgehalte auf (die „L“-Qualitäten), was das Risiko der Sensibilisierung und interkristalliner Korrosion nach dem Schweißen reduziert und die Schweißbarkeit verbessert.
- Üblich ist der Einsatz von Standard-Austenitschweißzusätzen (z. B. Nickel passend oder höher, Ni-basiert wenn erforderlich) und angepassten Schweißverfahren. Eine nachträgliche Lösungsglühbehandlung nach dem Schweißen ist für Standardanwendungen selten erforderlich, kann aber für kritische Korrosionsbeständigkeit eingesetzt werden.
- Schweißbarkeitsindizes (zur qualitativen Vergleichbarkeit):
- Kohlenstoffäquivalent (IIW-Formel): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- Pitting-Korrosionswiderstandsäquivalent für Schweißempfindlichkeit: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- Qualitative Bewertung
- 316L: Gute Schweißbarkeit, weit verbreitet und gut erforscht. Niedriger Kohlenstoff minimiert Sensibilisierung; Auswahl des Schweißzusatzes ist unkompliziert.
- 904L: Ebenfalls schweißbar, aber erfordert sorgfältige Beachtung. Höhere Anteile an Mo und Cr erhöhen die CE- und Pcm-Werte gegenüber 316L; höherer Ni-Gehalt mindert die Härtbarkeit, kann aber bei falscher Auswahl von Zusatz- oder Schweißparametern die Anfälligkeit für Heißrisse erhöhen. 904L erfordert oft einen passenden Schweißzusatz mit ausreichendem Nickelgehalt und kann empfindlicher gegenüber Schweißwärmeeintrag und Verdünnung sein. Vorwärmen ist üblicherweise nicht erforderlich; Kontrolle der Zwischenlagentemperatur und Reinigung ist wichtig.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
-
Für unlegierte Stähle: Standard-Schutzmaßnahmen sind Verzinken, Lackieren, kathodischer Schutz und Beschichtungen. (Nicht anwendbar auf diese beiden Edelstahlsorten, die auf passive Filme setzen.)
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Korrosionskennwerte für Edelstahl
- Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) wird häufig zur Bewertung der Lochkorrosionsbeständigkeit verwendet: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Ungefähre PREN-Werte (unter Verwendung repräsentativer mittlerer Zusammensetzungen):
- 316L: mit Cr ≈ 17% und Mo ≈ 2,5% → PREN ≈ 17 + 3,3×2,5 ≈ 25,25
- 904L: mit Cr ≈ 20% und Mo ≈ 4,5% → PREN ≈ 20 + 3,3×4,5 ≈ 34,85
-
Interpretation: Ein höherer PREN-Wert weist auf eine größere Beständigkeit gegen lokalisierten Angriff (Loch‑/Spaltkorrosion) in chloridhaltigen Umgebungen hin. Der deutlich höhere PREN-Wert von 904L und der Kupferzusatz verleihen eine überlegene Beständigkeit in vielen aggressiven Chlorid- und reduzierenden Säureumgebungen (z. B. Schwefelsäure), während 316L eine gute allgemeine Lochkorrosionsbeständigkeit für moderate Chloridexposition bietet.
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Wann PREN nicht anwendbar ist
- PREN ist ein vereinfachter Index, der sich auf Lochkorrosion konzentriert; er erfasst nicht vollständig das Verhalten in stark oxidierenden Umgebungen, die allgemeine Korrosion in Schwefelsäure oder die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion. Die tatsächliche Anwendungsbewertung erfordert Prüfungen oder erfahrenes Korrosionsfachwissen.
7. Fertigung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit
- Zerspanbarkeit
- 316L: Mäßige bis schlechte Zerspanbarkeit im Vergleich zu Kohlenstoffstählen; aufgrund der Kaltverfestigung während des Schneidprozesses sind steife Werkzeuge und passende Vorschübe notwendig. Die Leistung verbessert sich durch beschichtete Hartmetallwerkzeuge und optimierte Parameter.
- 904L: Allgemein schwieriger zu bearbeiten als 316L aufgrund des höheren Nickelgehalts und verstärkter Kaltverfestigung; Werkzeugverschleiß und Schnittkräfte sind erhöht. Nickelreiche Legierungen erfordern oft niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und robuste Werkzeuge.
- Umformbarkeit und Biegen
- Beide Werkstoffe weisen im geglühten Zustand eine gute Umformbarkeit auf; 316L wird häufig für Tiefziehen und komplexe Formen eingesetzt. 904L lässt sich auch umformen, benötigt jedoch oft höhere Umformkräfte und erfordert Beachtung des Rückfederns; Glühen nach starker Umformung ist üblich.
- Oberflächenbearbeitung
- Polieren und Passivieren sind für beide Werkstoffe wirksam; 904L kann aufgrund des Kupfer- und Molybdängehalts eine leicht abweichende Beiz-/Reinigungstechnik erfordern. Eine korrekte Beizung und Passivierung stellt den passiven Film wieder her und optimiert die Korrosionsbeständigkeit.
8. Typische Anwendungen
| 316L – Typische Anwendungen | 904L – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungsanlagen, pharmazeutische und medizinische Bauteile, Meerwasserarmaturen, Wärmetauscher, allgemeine Chemieanlagenrohre (moderate Chloridexposition) | Chemieanlagen für den Umgang mit starken Säuren (insbesondere Schwefelsäure), Meerwasser-Kühlsysteme mit hohem Chlorid- und Temperaturgehalt, Abluftreinigungsanlagen, Offshore- und Unterwasserkomponenten mit erhöhtem Bedarf an Loch‑/Spaltkorrosionsbeständigkeit |
| Architektur- und Gestaltungselemente, Lager- und Behälter für milde Umgebungen | Esterreaktoren, Säurebeizanlagen, Systeme für hochreine Medien in reduzierenden Umgebungen |
Auswahlbegründung - 316L wird für kostenempfindliche Projekte gewählt, die zuverlässige allgemeine Korrosionsbeständigkeit, gute Umformbarkeit und breite Verfügbarkeit erfordern. - 904L wird verwendet, wenn die Einsatzbedingungen aggressive Chloride, hohe Konzentrationen reduzierender Säuren oder eine lange Lebensdauer mit minimalem Korrosionsaufwand trotz höherer Erstkosten verlangen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten
- 904L verlangt typischerweise einen deutlichen Aufpreis gegenüber 316L aufgrund des höheren Nickel- und Molybdängehalts sowie des Kupferzusatzes. Preisunterschiede können erheblich sein und schwanken mit den Metallmärkten.
- Verfügbarkeit
- 316L: Weltweit sehr verbreitet in vielen Produktformen (Blech, Platte, Rohr, Tube, Stab, Schmiedeteile).
- 904L: Verfügbar bei Spezialanbietern und größeren Walzwerken, jedoch mit begrenzterem Produktsortiment und längeren Lieferzeiten als 316L; für größere Mengen sind häufig maßgeschneiderte Fertigungen und Beschaffungsplanung notwendig.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ)
| Eigenschaft | 316L | 904L |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Sehr gut (Standardverfahren) | Gut, erfordert abgestimmte Zusatzwerkstoffe und Schweißkontrolle |
| Festigkeit–Zähigkeit | Gute Duktilität und Zähigkeit; mittlere Festigkeit | Ähnliche Zähigkeit; oft vergleichbare oder leicht höhere Festigkeit in einigen Produktformen |
| Korrosionsbeständigkeit (allgemein/Lochkorrosion) | Gut (moderate Chloridbelastung) | Überlegen (hohe Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit; gut für reduzierende Säuren) |
| Kosten | Niedrig (wirtschaftlich) | Hoch (teure Legierungsbestandteile) |
| Verfügbarkeit | Ausgezeichnet | Gut (weniger verbreitet als 316L) |
Empfehlungen - Wählen Sie 316L, wenn: - Die Anwendung eine zuverlässige allgemeine Korrosionsbeständigkeit bei moderater Chlorid- oder atmosphärischer Belastung erfordert, verbunden mit guter Umformbarkeit und wirtschaftlichen Kosten. - Einfachheit in der Lieferkette und umfangreiche Material- und Fertigungsoptionen Priorität haben. - Das System keiner längeren hohen Chloridexposition, starken reduzierenden Säuren oder sehr hohen PREN-Anforderungen ausgesetzt ist.
- Wählen Sie 904L, wenn:
- Die Einsatzumgebung aggressive Chloride, Schwefelsäure oder andere reduzierende Säuren sowie Bedingungen mit hoher Anfälligkeit für starke Loch- und Spaltkorrosion umfasst.
- Eine lange Lebensdauer mit minimalem Korrosionsaufwand wichtiger ist und höhere Materialkosten gerechtfertigt sind.
- Schweiß- und Fertigungsexpertise vorhanden ist, um Verfahren zu kontrollieren und geeignete Zusatzwerkstoffe zu spezifizieren.
Abschließende Bemerkung: Die Werkstoffauswahl muss das gesamte System berücksichtigen – Temperatur, Chloridkonzentration, Durchfluss, Spalte, Spannungszustand, Fertigungsverfahren und Lebenszykluskosten. Für kritische Anwendungen werden Labor-Tauchversuche, elektochemische Daten oder Felderfahrungen mit dem spezifischen Prozessmedium empfohlen.