430 vs 201 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Einführung
Die Edelstähle Typ 430 und Typ 201 sind weit verbreitete Alternativen, wenn Designer Materialkosten, Korrosionsbeständigkeit, mechanische Leistung und Verarbeitbarkeit ausbalancieren müssen. Das Auswahldilemma dreht sich oft darum, ob man niedrigere Materialkosten und magnetische Eigenschaften (die häufig mit ferritischen Grades assoziiert werden) oder verbesserte Duktilität, Zähigkeit und Formbarkeit aus einer austenitischen, niedriglegierten Nickellegierung priorisieren sollte.
430 ist ein ferritischer Edelstahl mit guter Oxidationsbeständigkeit und niedrigem Nickelgehalt; 201 ist ein austenitischer, niedriglegierter Nickel (hochmanganhaltiger) Edelstahl, der als kostengünstige Alternative zu höherlegierten austenitischen Stählen entwickelt wurde. Ingenieure vergleichen sie häufig, wenn sie Blech-, Band- oder geformte Teile für Geräte, architektonische Komponenten und leichte Strukturteile spezifizieren, bei denen sowohl Korrosionsanforderungen als auch Produktionsökonomie von Bedeutung sind.
1. Normen und Bezeichnungen
- Allgemeine internationale Bezeichnungen:
- 430: UNS S43000; AISI/SAE 430; EN 1.4016; JIS SUS430; GB 12Cr17.
- 201: UNS S20100; AISI/SAE 201; EN 1.4372 (ungefähre Äquivalente variieren); JIS SUS201; GB 0Cr17Mn6Ni5N (Nomenklatur variiert je nach Norm).
- Klassifizierung:
- 430 — ferritischer Edelstahl (magnetisch).
- 201 — austenitischer Edelstahl (allgemein nicht magnetisch im geglühten Zustand; kann nach starker Kaltbearbeitung leicht magnetisch werden).
- Typische Produktformen in Normen: kaltgewalzte Bleche/Wickel, warmgewalzte Wickel, Bänder, Platten und gezogene Teile.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische nominale Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) zur vergleichenden Spezifikation und Auswahl. Tatsächliche Materialzertifikate oder Normen sollten für präzise Grenzen konsultiert werden.
| Element | 430 (typischer Gew.-%) | 201 (typischer Gew.-%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.12 | ≤ 0.15 |
| Mn | ≤ 1.0 | 5.5 – 7.5 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.06 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | 3.5 – 5.5 |
| Mo | — (Spur) | — (Spur) |
| V, Nb, Ti, B | — (Spur) | — (Spur) |
| N | ≈ 0.01 (Spur) | 0.10 – 0.25 (in einigen Spezifikationen hinzugefügt) |
Legierungsstrategie und -effekte: - 430: Ferritische Struktur wird durch Chrom (Cr) stabilisiert. Niedriger Ni hält die Kosten niedrig; minimales Mn. Cr bietet Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit und eine magnetische ferritische Matrix. Eingeschränkte Legierung bedeutet eingeschränkte Härtbarkeit und relativ geringe Verstärkung durch Lösungshärtung. - 201: Austenit wird durch höheres Mn und hinzugefügtes Ni stabilisiert (obwohl weniger Ni als bei 300er Serien). Mn ersetzt teilweise Ni als Austenitstabilisator; Stickstoff (wo hinzugefügt) erhöht die Festigkeit und trägt zur Lochkorrosionsbeständigkeit bei. Die Legierungsmischung liefert eine austenitische Matrix mit guter Duktilität und Zähigkeit.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- 430:
- Mikrostruktur: überwiegend ferritisch (körperzentriertes kubisches) in der Standardverarbeitung. Korngröße und sekundäre Ausfällungen (Karbid- oder Chi-Phasen unter bestimmten Bedingungen) hängen von der thermischen Geschichte ab.
- Wärmebehandlung: ferritische Edelstähle sind durch Abschrecken nicht härtbar. Glühen (bei etwa 760–820 °C, gefolgt von kontrollierter Abkühlung) stellt die Duktilität wieder her und reduziert Restspannungen. Kornwachstum und Versprödung können bei längerer Exposition im Temperaturbereich von 600–900 °C auftreten.
- 201:
- Mikrostruktur: austenitisch (flächenzentriertes kubisches) stabil bei Raumtemperatur aufgrund von Mn und Ni. Kaltbearbeitung induziert Verfestigung und kann teilweise Umwandlung oder magnetische Reaktion verursachen.
- Wärmebehandlung: vollständig geglühte austenitische Mikrostruktur wird durch Lösungsglühen (~1020–1120 °C) und schnelles Abkühlen erreicht, um Karbide/Nitrate aufzulösen und die Verfestigung zurückzusetzen. Im Gegensatz zu martensitischen oder ferritischen Stählen wird austenitisches 201 nicht durch Abschrecken und Anlassen verstärkt; die Festigkeit wird hauptsächlich durch Kaltbearbeitung oder Verfestigung kontrolliert.
Einfluss der Verarbeitung: - Kaltwalzen erhöht die Festigkeit durch Verfestigung in beiden Grades; der Effekt ist ausgeprägter bei austenitischem 201, das stark verfestigt und nach der Formgebung hohe Festigkeiten erreichen kann. - Schweißwärmezyklen haben unterschiedliche Auswirkungen: 430 ist anfällig für Kornwachstum und Verlust der Zähigkeit im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ), wenn unkontrolliert; 201 behält eine austenitische Matrix durch typische Schweißzyklen, kann jedoch unter Sensibilisierung oder Depletionseffekten leiden, wenn es unsachgemäß legiert ist oder wenn intermetallische Phasen mit ungeeigneten Füllmetallen entstehen.
4. Mechanische Eigenschaften
Die Tabelle gibt typische Bereiche mechanischer Eigenschaften für kommerziell geglühtes Blech/Bandprodukte an; die Werte hängen stark von der Dicke, Kaltbearbeitung und den Spezifikationen des Lieferanten ab.
| Eigenschaft (geglüht, typisch) | 430 (ferritisch) | 201 (austenitisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~400 – 600 | ~500 – 700 |
| Streckgrenze (MPa) | ~150 – 300 | ~250 – 450 |
| Dehnung (%) | ~20 – 30 | ~35 – 60 |
| Schlagzähigkeit (Raumtemp, qualitativ) | Mäßig; reduziert bei niedriger Temperatur | Hoch; ausgezeichnete Duktilität & Zähigkeit |
| Härte (HB oder äquivalent) | Mäßig; steigt mit Kaltbearbeitung | Mäßig bis hoch nach Kaltbearbeitung; verfestigt sich stärker |
Interpretation: - 201 zeigt typischerweise höhere Duktilität und größere erhaltene Zähigkeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, aufgrund seiner austenitischen Matrix. - 430 hat im Allgemeinen eine niedrigere Duktilität und leicht niedrigere Zug-/Streckgrenze im geglühten Zustand, kann jedoch attraktiv sein, wenn niedrigere Festigkeit und magnetische Reaktion akzeptabel sind. - Kaltbearbeitung erhöht die Festigkeit in 201 erheblich aufgrund der schnellen Verfestigung; dieses Verhalten kann in Formgebungsoperationen genutzt werden, um die Festigkeitsanforderungen der Anwendung zu erfüllen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt, der Legierung (Cr, Ni, Mn, Mo) und der Anfälligkeit für HAZ-Härtung oder Versprödung ab. Zwei häufig verwendete empirische Indizes:
- IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (zur Vorhersage von Kaltverzug in Schweiß-HAZs): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 201: Aufgrund seiner austenitischen Zusammensetzung und moderaten Kohlenstoffgehalts schweißt 201 akzeptabel mit standardmäßigen austenitischen Füllmetallen, wenn die Verfahren den Mn- und N-Gehalt berücksichtigen. Hoher Mn und potenzielles N erfordern eine Kontrolle der Füllerauswahl und der Wärmezufuhr, um heiße Risse oder übermäßige Verformung zu vermeiden. Die austenitische Mikrostruktur ist nachsichtig für die Zähigkeit im HAZ. - 430: Ferritische Stähle wie 430 sind empfindlicher gegenüber Kornwachstum und potenzieller Versprödung im HAZ. Das Schweißen von 430 erfordert oft passende oder kompatible ferritische Füller und Aufmerksamkeit für Wärmezufuhr und Interpass-Temperaturen, um den Verlust der Zähigkeit zu vermeiden. Vorwärmen und Nachglühen sind im Allgemeinen nicht effektiv zur Erhöhung der Härtbarkeit (da Ferritiker nicht martensitisch sind), aber kontrollierte niedrige Wärmezufuhr und die Verwendung geeigneter Füller reduzieren HAZ-Probleme. - In der Praxis: 201 bietet normalerweise ein unkomplizierteres Schweißverhalten für Überlappungs- und Stumpfverbindungen in dünnen Abschnitten; 430 erfordert eine genauere Kontrolle und geeignete Füllerauswahl für die strukturelle Integrität.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Allgemein:
- Beide Grades verlassen sich hauptsächlich auf den Chromgehalt (~16–18%) für die Korrosionsbeständigkeit. Keiner enthält signifikantes Mo, sodass ihre Lochkorrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Mo-haltigen Edelstählen (z. B. 316) begrenzt ist.
- Verwendung von PREN:
- PREN ist nützlich, wo Mo und N die Lochkorrosionsbeständigkeit beeinflussen: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Für 430 und 201 ist Mo effektiv null; 201 kann hinzugefügtes N enthalten, sodass PREN nur einen groben Vergleich bietet und im Vergleich zu Mo-haltigen Grades niedrig sein wird. Für beide Legierungen sind die PREN-Werte bescheiden; sie sind keine Kandidaten für aggressive Chlorid-Anwendungen.
- Praktisches Korrosionsverhalten:
- 201 (austenitisch) zeigt normalerweise eine bessere allgemeine Korrosionsbeständigkeit in vielen milden Umgebungen und zeigt überlegene Zähigkeit bei kaltem Einsatz. Da 201 jedoch weniger Ni und mehr Mn als 300er Serien hat, ist seine Beständigkeit gegen Chlorid-Lochkorrosion und Spaltkorrosion schlechter als die von 304/316 und oft vergleichbar oder leicht schlechter als die von 430, abhängig von der Exposition.
- 430 (ferritisch) bietet gute Beständigkeit gegen atmosphärische Oxidation und milde organische Säuren, aber seine Loch-/Spaltkorrosionsbeständigkeit in Chloridumgebungen ist begrenzt.
- Oberflächenschutz:
- Wo die native Korrosionsbeständigkeit unzureichend ist, sollten Beschichtungen (Verzinkung ist für Formstähle machbar, aber nicht typisch für Edelstahl-Ästhetik), Farbe oder Passivierungsbehandlungen (Säurebeizen und Passivierung mit Salpetersäure) angewendet werden. Für Edelstahl-Anwendungen stellen mechanische Oberflächenbehandlungen und Passivierung den Chromoxid-Oberflächenfilm wieder her.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit:
- 201: überlegene Tiefzieh- und Streckformleistung aufgrund hoher Duktilität und Verfestigung. Geeignet für gezogene Spülen, Kochgeschirr und komplexe Formen.
- 430: begrenztere Formbarkeit; ferritische Struktur führt zu weniger einheitlicher Dehnung und größerem Rückfederungsvermögen. Erfolgreiche Formgebung von 430 erfordert oft größere Biegeradien und Kontrolle der Schmierung.
- Zerspanbarkeit:
- Austenitisches 201 verfestigt sich schnell; dies erhöht den Werkzeugverschleiß und erfordert scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten und möglicherweise Spanbrecher oder spezialisiertes Werkzeug. In geglühtem Zustand mit korrekten Vorschüben und Geschwindigkeiten ist die Zerspanung jedoch handhabbar.
- Ferritisches 430 ist im Allgemeinen einfacher zu bearbeiten als austenitischer Edelstahl, da es sich nicht so stark verfestigt, aber das Werkzeugmaterial und die Schneidparameter erfordern dennoch eine spezifische Praxis für Edelstahl, um Aufbauschneiden und Oberflächenschäden zu vermeiden.
- Oberflächenfinish und Polieren:
- 201 kann auf hervorragende Spiegeloberflächen poliert werden; jedoch können Mangan-Sulfid-Einschlüsse und Verfestigung das Oberflächenfinish beeinträchtigen, wenn nicht korrekt verarbeitet.
- 430 erhält ein gutes Oberflächenpolitur und wird häufig für dekorative Verkleidungen und Gerätepaneele verwendet, wo eine gebürstete Oberfläche gewünscht ist.
8. Typische Anwendungen
| 430 — Typische Anwendungen | 201 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Gerätepaneele und Verkleidungen (Backofenfronten, Dunstabzugshauben), dekorative architektonische Paneele, Automobilverkleidungen, hitzebeständige dekorative Elemente, einige Küchenutensilien, bei denen Magnetismus akzeptabel ist | Küchenwaren, Spülen, Kochgeschirr (kostengünstigere austenitische Anwendungen), Befestigungen, kaltgeformte Komponenten, architektonische Innenräume, Rohre und Leitungen für niedrige bis moderate Korrosionsanwendungen |
| Ofenteile, Ofenauskleidungen und Komponenten, die hohen Temperaturen und Oxidation ausgesetzt sind | Gezogene und geformte Komponenten, die gute Duktilität und Zähigkeit erfordern; kostengünstige Alternative zu 304 in eingeschränkten Umgebungen |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 430, wenn magnetische Eigenschaften, moderate Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen/milden Umgebungen und niedrigere Materialkosten die Hauptfaktoren sind. - Wählen Sie 201, wenn höhere Duktilität, überlegene Zähigkeit (insbesondere für Tiefziehen oder Niedertemperaturbetrieb) und nicht-magnetisches Verhalten erforderlich sind, während Sie dennoch niedrigere Kosten als bei 300er austenitischen Stählen erreichen möchten.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relative Kosten:
- 430 gehört typischerweise zu den kostengünstigeren Edelstahlgrades, da es vernachlässigbaren Nickelgehalt enthält; die Kosten für Chrom gelten weiterhin, aber die Legierungscomplexität ist gering.
- 201 enthält messbares Nickel und höheren Mangan; während es entwickelt wurde, um die Abhängigkeit von Ni zu reduzieren, können die Produktionskosten höher sein als die von 430, aber niedriger als die von 300er Grades in vielen Märkten.
- Verfügbarkeit:
- Beide Grades sind weit verbreitet in Blech, Wickel und Band. Die regionale Verfügbarkeit hängt von der Marktnachfrage ab – 430 ist in Geräte- und Architekturversorgungsketten üblich; 201 ist dort verbreitet, wo niedriglegierte austenitische Bleche spezifiziert sind.
- Überlegungen zur Produktform:
- Für gezogene und tiefgeformte Komponenten wird 201-Blech in geglühtem Zustand häufig vorrätig gehalten. Für dekorative magnetische Paneele und Verkleidungen ist 430 weit verbreitet in gebürsteten und spiegelnden Oberflächen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 430 (ferritisch) | 201 (austenitisch, niedriglegiert) |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Mäßig — erfordert Aufmerksamkeit für HAZ und Füllerauswahl | Gut — austenitisches Verhalten; auf Mn/N und heiße Rissrisiken achten |
| Festigkeit – Zähigkeit | Mäßige Festigkeit; niedrigere Zähigkeit und Duktilität (insbesondere bei niedriger Temperatur) | Höhere Duktilität und Zähigkeit; verfestigt sich zu höheren Festigkeiten |
| Kosten | Niedriger (generell die günstigere Option) | Mäßig (höher als 430, aber niedriger als viele 300er) |
Empfehlung: - Wählen Sie 430, wenn Sie einen kostengünstigen, magnetischen Edelstahl mit angemessener Korrosionsbeständigkeit in milden atmosphärischen oder mäßig oxidierenden Umgebungen benötigen und wenn die Formkomplexität begrenzt ist (z. B. Gerätepaneele, dekorative Verkleidungen, hitzebeständige kosmetische Teile). - Wählen Sie 201, wenn Ihr Teil Tiefziehen, hohe Zähigkeit, hervorragende Formbarkeit und nicht-magnetisches Verhalten erfordert und Sie eine kostengünstigere austenitische Alternative zu 300er Edelstählen für den Einsatz in nicht-aggressiven korrosiven Umgebungen wünschen.
Abschließende praktische Hinweise: - Bestätigen Sie immer die genaue Chemie und die mechanischen Eigenschaften anhand der Werkstoffzertifikate für Beschaffung und Schweißverfahren. - Für Chlorid- oder aggressive Umgebungen sollten höherlegierte Grades (Mo-haltige Edelstähle) in Betracht gezogen werden, anstatt sich auf 430 oder 201 zu verlassen. - Entwickeln Sie für die Verarbeitung und das Schweißen Werkstattverfahren, die die Kontrolle der Wärmezufuhr, die Füllerauswahl und alle notwendigen Nachbehandlungen nach dem Schweißen berücksichtigen, um die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit zu erhalten.