201 vs 202 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Die Wahl zwischen den rostfreien Stählen 201 und 202 ist eine wiederkehrende Beschaffungs- und Designentscheidung für Ingenieure, Fertigungsplaner und Einkaufsleiter. Typische Abwägungen sind Kosten versus Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit versus Festigkeit und einfache Verarbeitung versus Lebenszyklusleistung. Beide Legierungen gehören zu den austenitischen rostfreien Stählen der 200-Serie, die entwickelt wurden, um den Nickelgehalt durch Mangan und Stickstoff zu reduzieren; sie werden häufig für Bleche, Coils und geformte Komponenten in Verbraucher- und Leichtindustrieanwendungen verwendet.
Der primäre technische Unterschied zwischen 201 und 202 ist ihr Legierungsverhältnis: Die beiden Grade verwenden unterschiedliche Kombinationen und Mengen von Mangan, Nickel und Chrom, um die austenitische Struktur zu stabilisieren. Dieser Legierungsunterschied führt zu moderaten Unterschieden in den mechanischen Eigenschaften, der Kaltverfestigung und der Korrosionsbeständigkeit – wobei 202 typischerweise eine marginal bessere Korrosionsleistung und leicht unterschiedliche Form- und Festigkeitseigenschaften im Vergleich zu 201 bietet.
1. Normen und Bezeichnungen
- AISI / UNS: wird in der Industrie häufig als UNS S20100 (201) und UNS S20200 (202) in Fachliteratur und Materialdatenbanken zitiert.
- ASTM / ASME: Die Grade werden unter breiteren Spezifikationen für rostfreie Bleche/Platten verwendet (zum Beispiel deckt ASTM A240 viele rostfreie Legierungen in Blech-/Plattenform ab), aber spezifische Produktstandards und Lieferpraktiken variieren je nach Land und Werk. Käufer sollten die anwendbare Einkaufsspezifikation für die Produktform (Blech, Coil, Streifen, Draht) bestätigen.
- EN / JIS / GB: Europäische (EN), japanische (JIS) und chinesische (GB) Standards listen nicht immer direkte Eins-zu-eins-Bezeichnungen für 201/202; Äquivalente sind kommerziell erhältlich, müssen jedoch durch chemische und mechanische Anforderungen verifiziert werden.
- Klassifizierung: Sowohl 201 als auch 202 sind austenitische rostfreie Stähle (nicht magnetisch im vollständig geglühten Zustand), keine Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA. Sie gehören zur Untergruppe der austenitischen Stähle mit niedrigem Nickelgehalt, die durch Mangan-Stickstoff stabilisiert sind.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) für kommerzielle 201 und 202. Dies sind repräsentative Bereiche, die in kommerziellen Werkstoffdatenblättern für Blech-/Coil-Produkte vorkommen; Käufer sollten die genauen Zusammensetzungsgrenzen im Werkstoffprüfbericht oder in der Einkaufsspezifikation verwenden.
| Element | 201 (typischer kommerzieller Bereich, Gew.-%) | 202 (typischer kommerzieller Bereich, Gew.-%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.15 | ≤ 0.15 |
| Mn | 5.5 – 7.5 | 6.5 – 9.5 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.06 | ≤ 0.06 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 17.0 – 19.0 |
| Ni | 3.5 – 5.5 | 4.0 – 6.0 |
| N | Spuren – 0.25 (kontrolliert) | Spuren – 0.25 (kontrolliert) |
Hinweise: - Die Strategie der 200-Serie reduziert Nickel im Vergleich zu 300-Serie-Grad und kompensiert dies mit erhöhtem Mangan und kontrolliertem Stickstoff, um die Austenitstabilität aufrechtzuerhalten. - 202 wird typischerweise mit moderat höherem Chrom- und Nickelgehalt (und oft höherem Mangan) im Vergleich zu 201 formuliert. Diese Kombination soll die allgemeine Korrosionsbeständigkeit und Duktilität im Vergleich zu einigen 201-Zusammensetzungen verbessern, während sie wettbewerbsfähig in Bezug auf die Kosten zu 300-Serie-Legierungen bleibt. - Zusammenfassung der Legierungseffekte: Chrom erhöht die allgemeine Oxidation und die Stabilität der Passivschicht; Nickel stabilisiert Austenit und verbessert die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit; Mangan und Stickstoff ersetzen teilweise Nickel, um die austenitische Phase aufrechtzuerhalten und die Festigkeit durch Festkörperlösungen und interstitielle Effekte zu erhöhen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Mikrostruktur (geglüht): Beide Grade sind im geglühten Zustand vollständig austenitisch (flächenzentriertes kubisches Gitter). Sie können je nach Chemie und Erstarrungsweg kleine Mengen Delta-Ferrit oder Karbide enthalten, aber kommerzielle Zusammensetzungen sind so ausgelegt, dass sie bei Raumtemperatur stabilen Austenit aufrechterhalten.
- Kaltverformung und durch Dehnung induzierte Effekte: Sowohl 201 als auch 202 zeigen eine erhebliche Kaltverfestigung, wenn sie kalt geformt werden; große Grade der Kaltverformung können in einigen Chargen je nach Zusammensetzung und Verformungstemperatur dehnungsinduzierte Martensit einführen.
- Wärmebehandlung:
- Glühen (Rekristallisation) bei typischen Glühtemperaturen für rostfreie Stähle (ca. 1000–1100 °C) stellt die Duktilität wieder her und erzeugt eine spannungsfreie austenitische Mikrostruktur.
- Die Lösungsglühung und das schnelle Abschrecken werden allgemein verwendet, um Ausscheidungen aufzulösen und eine optimale Korrosionsbeständigkeit zu erzielen.
- Abschrecken und Anlassen oder konventionelle Härtungsverfahren, die für ferritische/gehärtete Stähle verwendet werden, sind nicht anwendbar – die austenitischen rostfreien Grade härten sich nicht durch martensitische Umwandlungen auf die gleiche Weise wie abgeschreckte Kohlenstoffstähle.
- Thermo-mechanische Verarbeitung (Kaltwalzen + Glühen) kontrolliert die Korngröße und Textur; beide Legierungen reagieren gut auf Walzen plus Glühen, um Bleche/Coils mit guter Formbarkeit und Oberflächenqualität zu erzeugen.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische mechanische Eigenschaften – identifizieren Sie diese als typische geglühte Werte für kommerzielle Blech-/Coil-Produkte (Werte variieren je nach Produktform, Kaltverformung und Anbieter).
| Eigenschaft (geglüht) | 201 (typisch) | 202 (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~480 – 620 | ~500 – 640 |
| 0.2% Nachweis / Streckgrenze (MPa) | ~205 – 310 | ~215 – 330 |
| Dehnung (A%) | ~35 – 50 | ~30 – 45 |
| Charpy-Schlag (qualitativ) | Gute Zähigkeit bei Raumtemperatur | Gute Zähigkeit bei Raumtemperatur |
| Härte (HRB / HV-Bereiche) | Moderat (verfestigt sich schnell) | Moderat (in einigen Chargen leicht höher als geliefert) |
Interpretation: - Beide Grade zeigen ähnliche mechanische Hüllen im geglühten Zustand; 202 weist oft marginal höhere Zug- und Streckwerte aufgrund seines Legierungsverhältnisses (höherer Ni/Cr/Mn) auf, während die Dehnung je nach genauer Chemie und Verarbeitung leicht niedriger sein kann. - Beide verhärten sich während der Formgebung erheblich; die endgültigen Eigenschaften für kaltverformte Teile müssen unter Berücksichtigung des erwarteten Kaltverformungsgrads bewertet werden. - Die Schlagzähigkeit bei Raumtemperatur ist im Allgemeinen ausreichend für gängige strukturelle und Verbraucheranwendungen; keiner der Grade wird für Anwendungen gewählt, bei denen die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen kritisch ist und spezialisierte Legierungen erforderlich sind.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von niedriglegierten austenitischen Stählen ist im Allgemeinen gut, aber die Legierung und der Stickstoffgehalt beeinflussen die Anfälligkeit für Heißrissbildung sowie die mechanischen und korrosiven Eigenschaften nach dem Schweißen.
Relevante Indizes:
- Der IIW-Kohlenstoffäquivalent:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Der detailliertere Pcm-Index für die Neigung zu Kaltverriss:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Niedriger Kohlenstoff (≤ 0.15 Gew.-%) reduziert das Risiko der Karbidabscheidung und interkristallinen Angriffe nach dem Schweißen. Das ist für beide Grade vorteilhaft. - Erhöhtes Mangan und Stickstoff können die Härtbarkeit und die Neigung zu lokalisierter Härtung in der Nähe von Schweißnähten erhöhen; jedoch erfordern austenitische rostfreie Stähle typischerweise keine Vorwärmung und sind weniger anfällig für durch Wasserstoff induzierte Kaltverrisse als Kohlenstoffstähle. - Verwendung von Füllmetallen: Schweißzusätze, die ausgewählt werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu entsprechen (z. B. konventionelle austenitische rostfreie Füller), erhalten die Leistung der Verbindung. Für kritische Korrosionsumgebungen sollte ein Füller mit mindestens gleichwertigem Nickel-/Chromverhältnis ausgewählt werden. - Nach dem Schweißen kann eine Beiz- und Passivierungsbehandlung erforderlich sein, um die Oberflächenkorrosionsbeständigkeit in geschweißten Baugruppen wiederherzustellen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Allgemeine Korrosion: 202 bietet im Allgemeinen eine leicht bessere allgemeine Korrosionsbeständigkeit als 201 aufgrund seines moderat höheren Chrom- und Nickelgehalts. Beide sind weniger korrosionsbeständig als 300-Serie (z. B. 304) in chloridhaltigen oder aggressiven Umgebungen.
- Lokalisierte Korrosion: Weder 201 noch 202 werden für längere Exposition gegenüber marinen oder chloridreichen Bedingungen ohne Schutzmaßnahmen empfohlen; die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion ist im Vergleich zu molybdänhaltigen Grades begrenzt.
- Wann Korrosionsindizes verwenden: PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist nützlich, wenn Mo- und N-Gehalt signifikant sind:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Für 201/202 ist Mo typischerweise abwesend oder vernachlässigbar, und N ist kontrolliert; PREN hat eine begrenzte Nützlichkeit, da diese Legierungen nicht für Lochkorrosionsbeständigkeit formuliert sind. - Oberflächenschutz für nicht-rostfreie Anwendungen (hier nicht relevant): Für Komponenten, bei denen eine höhere Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, aber kein rostfreies Material gewählt wird, sind Verzinkung, Lackierung oder Schutzbeschichtungen die Alternativen.
- Praktische Hinweise: Wählen Sie 202 gegenüber 201, wenn der Einsatz mild korrosive Atmosphären oder gelegentliches Nassen umfasst; wählen Sie 304 oder höher, wenn eine anhaltende Chloridexposition oder langfristiger Außeneinsatz zu erwarten ist.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Beide Grade haben eine gute Formbarkeit im geglühten Zustand. Die 200-Serie wird häufig für Tiefziehen und geformte Konsumgüter spezifiziert. 201 und 202 haben hohe Kaltverfestigungsraten; Designer müssen mit Rückfederung rechnen und Zwischenanlösungen für starke Formgebung in Betracht ziehen.
- Bearbeitbarkeit: Austenitische rostfreie Stähle sind im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als ferritische oder Kohlenstoffstähle aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Kaltverfestigung. 201 und 202 haben eine ähnliche Bearbeitbarkeit zueinander; einige im Werk geglühten Chargen können leichter bearbeitet werden als stark legierte Varianten. Verwenden Sie scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten und kontrollierte Vorschübe/Geschwindigkeiten.
- Oberflächenbehandlung: Beide lassen sich gut polieren und ätzen; die Auswahl der Oberflächenbeschaffenheit (Walzoberfläche, 2B, No. 4) beeinflusst das Korrosionsverhalten und die Ästhetik. Elektrolysepolieren und Passivierung verbessern die Korrosionsbeständigkeit nach der Verarbeitung.
8. Typische Anwendungen
Tabelle: Häufige Verwendungen für jeden Grad und warum sie ausgewählt werden.
| 201 — Typische Anwendungen | 202 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Kostensensible Innenanwendungen (Spritzschutz, Verkleidung) | Verbraucheranwendungen mit leicht höheren Korrosionsanforderungen (Küchenspülen, Kochgeschirr) |
| Dekorative Verkleidungen und architektonische Elemente (innen) | Automobilverkleidungen und Innenbeschläge |
| Kochgeschirr und Utensilien in Budgetproduktlinien | Befestigungen und geformte Beschläge, bei denen leicht höhere Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit gewünscht ist |
| HVAC-Kanäle und Innenkanäle | Leichte Strukturkomponenten und Baugruppen für milde Außenanwendungen (mit Konstruktionsvorsicht) |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 201 für großvolumige, kostengetriebene, innere, nicht kritische Korrosionsanwendungen, bei denen maximale Formbarkeit erforderlich ist und eine sehr langfristige Korrosionsbeständigkeit nicht erforderlich ist. - Wählen Sie 202, wenn eine leicht bessere Korrosionsbeständigkeit, leicht höhere Festigkeit oder eine spezifische Lieferantenspezifikation dies erfordert, aber die höheren Kosten im Vergleich zu 201 akzeptabel sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Sowohl 201 als auch 202 sind als kostengünstigere Alternativen zu 300-Serie-Austeniten positioniert, da der Nickelgehalt reduziert ist; 201 ist oft die kostengünstigere Option. 202 hat typischerweise einen kleinen Aufpreis gegenüber 201 aufgrund seines höheren Nickel-/Chromgehalts.
- Verfügbarkeit: Gängige Produktformen (kaltgewalzte Bleche, Coils, Streifen und einige Draht-/Befestigungsprodukte) sind weltweit leicht verfügbar. Die Verfügbarkeit von schweren Abschnitten, Platten oder speziellen Legierungen ist begrenzter als bei Mainstream-Grad wie 304.
- Beschaffungsnotiz: Marktpreise für Nickel und die lokale Produktionskapazität beeinflussen die Preisunterschiede zwischen 201 und 202; berücksichtigen Sie die Gesamtkosten des Eigentums (Verarbeitung, erwartete Lebensdauer, Wartung) und nicht nur die anfänglichen Materialkosten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: prägnanter Vergleich (qualitative Bewertungen)
| Merkmal | 201 | 202 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (standard austenitische Praktiken) | Gut (standard austenitische Praktiken) |
| Festigkeit–Zähigkeit (geglüht) | Moderat fest, hohe Duktilität | Leicht höhere Festigkeit, vergleichbare Zähigkeit |
| Korrosionsbeständigkeit | Gut für Innen-/milde Anwendungen | Leicht besser für mild korrosive Umgebungen |
| Formbarkeit | Sehr gut (hohe Kaltverfestigung) | Sehr gut (leicht unterschiedliches Rückfederungsverhalten) |
| Kosten | Niedriger | Leicht höher |
Empfehlungen: - Wählen Sie 201, wenn Sie die kostengünstigste austenitische Option für großvolumige, innere oder leicht exponierte Komponenten benötigen, bei denen Tiefziehen/Formbarkeit und Kosten die Hauptfaktoren sind. 201 eignet sich gut für dekorative Verkleidungen, innere architektonische Elemente und viele Konsumgüter. - Wählen Sie 202, wenn Ihre Anwendung einen moderaten Anstieg der allgemeinen Korrosionsbeständigkeit und/oder Festigkeit erfordert, während sie weiterhin unter den typischen Preisen der 300-Serie bleibt. Verwenden Sie 202, wenn die Exposition intermittierend ist, der Dienst mild korrosiv ist oder wenn ein spezifiziertes Produkt eine 202-Zusammensetzung erfordert.
Abschließende betriebliche Hinweise: - Bestätigen Sie für jede kritische Komponente den Werkstoffprüfbericht des Lieferanten für chemische und mechanische Ergebnisse und fordern Sie geeignete Oberflächenbehandlungen und Passivierungsbehandlungen für korrosionskritische Baugruppen an. - Befolgen Sie beim Schweißen und der Verarbeitung die besten Praktiken für austenitische rostfreie Stähle: Kontrollieren Sie die Wärmeaufnahme, verwenden Sie passende Füllmetalle und führen Sie nach der Verarbeitung Reinigungs- und Passivierungsmaßnahmen durch, wenn Ästhetik oder Korrosionsleistung wichtig sind.