201 vs 202 – 組成、熱処理、特性、および用途
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はじめに
ステンレス鋼のグレード201と202の選択は、エンジニア、製造プランナー、調達マネージャーにとって繰り返し行われる調達および設計の決定です。一般的なトレードオフは、コスト対腐食抵抗、成形性対強度、製造の容易さ対ライフサイクル性能です。両方の合金は、マンガンと窒素を代替することでニッケル含有量を減少させるために開発された200シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼に属し、消費者および軽工業用途のシート、コイル、成形部品に広く使用されています。
201と202の主な技術的な違いは、合金バランスです。2つのグレードは、オーステナイト構造を安定させるために異なる組み合わせと量のマンガン、ニッケル、クロムを使用しています。その合金の違いは、機械的特性、加工硬化挙動、腐食抵抗において控えめな違いを生じさせます。202は通常、201と比較してわずかに優れた腐食性能と異なる成形および強度特性を提供します。
1. 規格と指定
- AISI / UNS: 業界文献および材料データベースでは、一般的にUNS S20100（201）およびUNS S20200（202）として参照されます。
- ASTM / ASME: グレードは、より広範なステンレスシート/プレート仕様の下で使用されます（例えば、ASTM A240はシート/プレート形状の多くのステンレス合金をカバーします）が、特定の製品標準および供給慣行は国や製鋼所によって異なります。購入者は、製品形状（シート、コイル、ストリップ、ワイヤ）の適用される購入仕様を確認する必要があります。
- EN / JIS / GB: 欧州（EN）、日本（JIS）、中国（GB）の規格は、201/202の直接的な1対1の指定を常にリストしているわけではありません。商業的に利用可能な同等品がありますが、化学的および機械的要件によって確認する必要があります。
- 分類: 201と202はどちらもオーステナイト系ステンレス鋼（完全に焼鈍された状態では非磁性）であり、炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。彼らはオーステナイトの低ニッケル、マンガン-窒素安定化サブセットに属します。
2. 化学組成と合金戦略
表: 商業用201および202の典型的な組成範囲（wt%）。これらは、シート/コイル製品の商業製鋼所データシートで遭遇する代表的な範囲です。購入者は、製鋼所の試験報告書または購入仕様における正確な組成限界を使用する必要があります。
| 元素 | 201（典型的な商業範囲、wt%） | 202（典型的な商業範囲、wt%） |
|---|---|---|
| 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 | 微量 – 0.25（制御済み） | 微量 – 0.25（制御済み） |
注意: - 200シリーズの戦略は、300シリーズのグレードに対してニッケルを減少させ、マンガンと制御された窒素を増加させてオーステナイトの安定性を維持します。 - 202は通常、201と比較して控えめに高いクロムとニッケル（しばしば高いマンガン）で調合されています。その組み合わせは、いくつかの201の組成に対して一般的な腐食抵抗と延性を改善することを目的としながら、300シリーズの合金と競争力を保つことを意図しています。 - 合金効果の概要: クロムは一般的な酸化およびパッシブフィルムの安定性を高め、ニッケルはオーステナイトを安定させ、腐食抵抗と靭性を改善します。マンガンと窒素は、オーステナイト相を維持し、固体溶液および間隙効果を通じて強度を増加させるためにニッケルの一部を代替します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 微細構造（焼鈍状態）: 両方のグレードは、焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。化学組成や凝固経路に応じて、微量のデルタフェライトや炭化物を含むことがありますが、商業的な組成は室温で安定したオーステナイトを維持するように設計されています。
- 冷間加工およびひずみ誘発効果: 201と202の両方は、冷間成形時にかなりの加工硬化を示します。大きな冷間加工は、組成や変形温度に応じて一部のロットでひずみ誘発マルテンサイトを導入する可能性があります。
- 熱処理:
- 典型的なステンレス焼鈍温度（約1000–1100 °C）での焼鈍（再結晶化）は、延性を回復し、応力のないオーステナイト微細構造を生成します。
- 溶解処理と急冷は、沈殿物を溶解し、最適な腐食抵抗を生成するために一般的に使用されます。
- フェリティック/テンパー鋼に使用される急冷およびテンパリングまたは従来の硬化ルートは適用できません。オーステナイト系ステンレスグレードは、急冷された炭素鋼と同じ方法でマルテンサイト変態によって硬化しません。
- 熱機械処理（冷間圧延 + 焼鈍）は、粒子サイズとテクスチャを制御します。両方の合金は、良好な成形性と表面品質を持つシート/コイルを生成するために圧延と焼鈍に良く反応します。
4. 機械的特性
表: 典型的な機械的特性 — 商業用シート/コイルの典型的な焼鈍値として特定します（値は製品形状、冷間加工、供給者によって異なります）。
| 特性（焼鈍状態） | 201（典型的） | 202（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~480 – 620 | ~500 – 640 |
| 0.2% 限界 / 降伏（MPa） | ~205 – 310 | ~215 – 330 |
| 伸び（A%） | ~35 – 50 | ~30 – 45 |
| シャルピー衝撃（定性的） | 常温での良好な靭性 | 常温での良好な靭性 |
| 硬度（HRB / HV範囲） | 中程度（急速に加工硬化） | 中程度（いくつかのロットでわずかに高い供給状態） |
解釈: - 両方のグレードは、焼鈍状態で類似の機械的エンベロープを示します。202は、合金バランス（高いNi/Cr/Mn）により、引張強度と降伏値がわずかに高くなることが多く、伸びは正確な化学組成と処理に応じてわずかに低くなる場合があります。 - 両方とも成形中に大きく加工硬化します。冷間加工部品の最終特性は、期待される冷間加工レベルを考慮して評価する必要があります。 - 常温での衝撃靭性は、一般的に一般的な構造および消費者用途に対して十分です。どちらのグレードも、特殊な合金が必要な低温靭性が重要な用途には選ばれません。
5. 溶接性
低ニッケルオーステナイト系の溶接性は一般的に良好ですが、合金および窒素含有量は熱亀裂の感受性および溶接後の機械的/腐食性能に影響を与えます。
関連指標:
- IIW炭素当量:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- 冷間亀裂傾向のためのより詳細なPcm指標:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - 低炭素（≤ 0.15 wt%）は、溶接後の炭化物沈殿および粒界攻撃のリスクを減少させます。これは両方のグレードにとって有益です。 - 高いマンガンおよび窒素は、硬化性および溶接に隣接する局所的な硬化の傾向を増加させる可能性があります。ただし、オーステナイト系ステンレス鋼は通常、予熱を必要とせず、炭素鋼よりも水素誘発冷間亀裂に対して少ない傾向があります。 - フィラー金属の使用: 腐食抵抗に合わせて選択された溶接消耗品（例えば、従来のオーステナイト系ステンレスフィラー）は、接合部の性能を保持します。重要な腐食環境では、少なくとも同等のニッケル/クロムバランスを持つフィラーを選択してください。 - 溶接後の酸洗いおよびパッシベーションが、溶接されたアセンブリの表面腐食抵抗を回復するために必要な場合があります。
6. 腐食および表面保護
- 一般的な腐食: 202は、控えめに高いクロムおよびニッケル含有量により、一般的に201よりもわずかに優れた一般的な腐食抵抗を提供します。両方とも、塩素を含むまたは攻撃的な環境では300シリーズ（例えば、304）よりも腐食抵抗が低いです。
- 局所腐食: 201も202も、保護措置なしで海洋または塩素が豊富な条件に長期間さらされることは推奨されません。ピッティングおよびクレバス腐食抵抗は、モリブデン含有グレードに対して制限されています。
- 腐食指標の使用時期: PREN（ピッティング抵抗等価数）は、MoおよびN含有量が重要な場合に有用です:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
201/202の場合、Moは通常存在しないか無視でき、Nは制御されています。これらの合金はピッティング抵抗のために調合されていないため、PRENの有用性は限られています。 - 非ステンレス用途の表面保護（ここでは関連性がありません）: より高い腐食抵抗が必要ですがステンレスが選ばれない部品には、亜鉛メッキ、塗装、または保護コーティングが代替手段です。
- 実用的なガイダンス: サービスが軽度の腐食性雰囲気や時折の湿潤を伴う場合は202を選択し、持続的な塩素曝露や長期の屋外サービスが予想される場合は304以上を選択してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 成形性: 両方のグレードは、焼鈍状態で良好な成形性を持っています。200シリーズは、深絞りや成形された消費財にしばしば指定されます。201と202は高い加工硬化率を持ち、設計者はスプリングバックを考慮し、厳しい成形のために中間焼鈍を考慮する必要があります。
- 加工性: オーステナイト系ステンレス鋼は、低い熱伝導率と高い加工硬化のため、一般的にフェリティックまたは炭素鋼よりも加工が難しいです。201と202は互いに類似の加工性を持ち、一部の製鋼所焼鈍ロットは重合金バリアントよりも加工しやすい場合があります。鋭い工具、剛性のあるセットアップ、および制御されたフィード/スピードを使用してください。
- 仕上げ: 両方とも良好に研磨およびエッチングされます。表面仕上げの選択（ミル仕上げ、2B、No. 4）は、腐食挙動および美観に影響を与えます。電解研磨およびパッシベーションは、製造後の腐食抵抗を改善します。
8. 典型的な用途
表: 各グレードの一般的な用途とその選択理由。
| 201 — 典型的な用途 | 202 — 典型的な用途 |
|---|---|
| コストに敏感な内部機器（バックスプラッシュ、トリム） | やや高い腐食ニーズを持つ消費者機器（キッチンシンク、調理器具パネル） |
| 装飾的なトリムおよび建築要素（屋内） | 自動車のトリムおよび内部ハードウェア |
| 予算製品ラインの調理器具および器具 | わずかに高い強度または腐食が望まれるファスナーおよび成形ハードウェア |
| HVACダクトおよび屋内ダクトワーク | 軽構造部品および組立品（設計上の注意を要する） |
選択の理由: - 最大の成形性が必要で、非常に長期の腐食抵抗が要求されない大規模、コスト駆動の屋内非重要腐食用途には201を選択してください。 - わずかに優れた腐食抵抗、わずかに高い強度、または特定の供給者仕様が要求される場合は202を選択してくださいが、201に対する高いコストが許容される場合に限ります。
9. コストと入手可能性
- コスト: 201と202は、ニッケル含有量が減少しているため、300シリーズのオーステナイト系の低コスト代替品として位置付けられています。201はしばしば低コストの選択肢です。202は通常、ニッケル/クロム含有量が高いため、201に対して小さなプレミアムを要求します。
- 入手可能性: 一般的な製品形状（冷間圧延シート、コイル、ストリップ、および一部のワイヤ/ファスナー製品）は、世界中で容易に入手可能です。重いセクション、プレート、または特殊なテンパーの入手可能性は、304のような主流のグレードよりも制限されています。
- 調達ノート: 市場のニッケル価格および地元の製鋼所の生産は、201と202の価格差に影響を与えます。初期の材料コストだけでなく、総所有コスト（製造、期待寿命、メンテナンス）を考慮してください。
10. 概要と推奨
表: 簡潔な比較（定性的評価）
| 特性 | 201 | 202 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（標準的なオーステナイトの実践） | 良好（標準的なオーステナイトの実践） |
| 強度–靭性（焼鈍状態） | 中程度の強度、高い延性 | わずかに高い強度、比較可能な靭性 |
| 腐食抵抗 | 屋内/軽度のサービスに良好 | 軽度の腐食環境に対してわずかに優れた |
| 成形性 | 非常に良好（高い加工硬化） | 非常に良好（わずかに異なるスプリングバック挙動） |
| コスト | 低い | わずかに高い |
推奨事項: - 大規模、屋内、または軽度に露出した部品に対して、深絞り/成形性とコストが主な要因である場合は、最も低コストのオーステナイトオプションとして201を選択してください。201は装飾的なトリム、内部の建築要素、および多くの消費財に適しています。 - 一般的な腐食抵抗および/または強度のわずかな向上が必要な場合は202を選択してくださいが、300シリーズの価格を下回る範囲であることを確認してください。露出が断続的で、サービスが軽度に腐食性である場合、または指定された製品が202の組成を要求する場合は202を使用してください。
最終的な運用ノート: - 重要な部品については、化学的および機械的結果のために供給者の製鋼所試験報告書を確認し、腐食が重要なアセンブリに対して適切な表面仕上げおよびパッシベーション処理を要求してください。 - 溶接および製造については、オーステナイト系ステンレス鋼のベストプラクティスに従ってください: 熱入力を制御し、マッチングフィラー金属を使用し、美観や腐食性能が重要な場合は製造後の清掃およびパッシベーションを行ってください。