201 vs 202 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

ステンレス鋼のグレード201と202の選択は、腐食抵抗、機械的性能、コストのバランスを取るエンジニア、製造プランナー、バイヤーにとって、頻繁に行われる調達および設計の決定です。典型的な決定の文脈には、消費者用機器、建築トリム、ファスナー、および300シリーズのオーステナイト合金がコスト的に不利な場合に使用される引き抜き部品のためのシートやストリップが含まれます。

2つのグレードの重要な組成上の違いは、オーステナイトの安定性を達成するためにニッケルとマンガンがどのように配置されているかに集中しています。2つの合金は異なるニッケル対マンガンのバランスを使用しています。そのバランスはオーステナイトの安定性、冷間加工応答、腐食抵抗、およびコストに影響を与えます。その結果、ニッケル価格の感度と性能のトレードオフを考慮する必要がある場合、201と202はしばしば比較されます。

1. 標準と指定

• 一般的な国際的指定：
• AISI/UNS: 201 = UNS S20100; 202 = UNS S20200。
• ASTM/ASME: 両方とも冷間圧延または熱間圧延されたステンレスストリップ/シートのいくつかのASTM製品標準に登場します。特定の製品仕様を参照してください。
• EN / EN ISO: これらのグレードは300シリーズのEN番号と1:1ではありませんが、同等品はしばしば供給者のクロスリファレンステーブルにリストされています。

• JIS / GB: 地域の同等品が存在します。調達のために地元の標準に対して正確な化学的限界を確認してください。

• 分類: 201と202はどちらもオーステナイト系ステンレス鋼（焼鈍状態では非磁性）です。HSLA、炭素鋼、または工具鋼ではありません。これらは「200シリーズ」のオーステナイト系に属し、300シリーズのステンレス鋼の低ニッケル代替品として設計されています。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、典型的で一般的に引用される組成範囲を示しています。実際の限界は仕様や製鋼所によって異なるため、調達のためには常に製鋼所の証明書を確認してください。

注意: - 重要な違いは、ニッケルとマンガンのバランスの取り方にあります。グレード202は通常、より高いマンガンとわずかに高いクロムを含み、ニッケルは201よりもわずかに高いだけです。最終的な効果は、201と比較して202のニッケル対マンガン比が低くなり、オーステナイトの安定性と冷間加工応答に影響を与えます。 - 両方のグレードは、フェライト系またはマルテンサイト系のステンレスグレードで一般的に使用されるモリブデン（Mo）および微合金元素を大幅に省略しています。

合金戦略が特性に与える影響: - クロムはステンレス鋼に腐食抵抗を与える不活性膜を提供します。両方のグレードは中程度のクロムを含み、一般的な大気および軽度の化学的腐食抵抗を提供します。 - ニッケルはオーステナイト相を安定化させ、低温での延性と靭性を改善します。 - マンガンと窒素は、ニッケルの需要を減らすために安価なオーステナイト安定剤として使用されます。高いMnは加工硬化率を増加させ、成形性や加工性に影響を与える可能性があります。 - Moの不在は、300シリーズまたはMoを含む合金と比較して塩化物ピッティングおよび隙間腐食に対する抵抗を制限します。

3. 微細構造と熱処理応答

• 微細構造（焼鈍状態として）: 201と202は、仕様に従って処理された場合、常温で主に完全にオーステナイトです。正確な組成と熱履歴によっては、微量のデルタフェライトや他の微相が現れることがありますが、これらのグレードは焼鈍状態でオーステナイトになるように設計されています。
• 熱処理応答:
• オーステナイト系ステンレス鋼は、従来の焼入れおよび焼戻しプロセスによって硬化しません。201も202も熱処理によってマルテンサイトにはなりません。
• 溶体焼鈍（約1010–1120 °Cでの典型的な焼鈍の後、急冷）は延性を回復し、冷間加工中に形成されたひずみ誘発相を溶解します。
• 冷間加工（圧延、引き抜き）は、これらの合金の強度を増加させる主な方法です。加工硬化は降伏強度と引張強度を上昇させ、伸びと靭性を低下させます。
• 熱機械処理（制御された冷間変形 + 再結晶焼鈍）は、粒子サイズとテクスチャを設定し、最終的な成形性と表面仕上げに影響を与えます。
• 実際の意味: 設計と加工は、特性が冷間加工と焼鈍の履歴によって支配され、焼入れ可能な硬化性によって支配されないと仮定する必要があります。

4. 機械的特性

絶対的な機械的特性は、製品形状（冷間圧延シート、ストリップ、コイル、または冷間引き抜きバー）および状態（完全に焼鈍された状態対さまざまな冷間加工レベル）に強く依存します。以下の表は、特定の製鋼所の値ではなく、比較行動を要約しています。

どちらが強い/靭性がある/延性があるか、そしてその理由: - 強度: 両方のグレードは焼鈍状態で類似しています。違いは主にプロセスによるもので、マンガンと窒素が加工硬化に影響を与えるため、201は時々、正確な組成と冷間減少の履歴に応じてより高い加工硬化強度を示すことがありますが、これは普遍的ではありません。 - 靭性と延性: 両方ともオーステナイトマトリックスのおかげで焼鈍状態で高い靭性と良好な延性を維持します。違いは小さく、用途に依存します。

5. 溶接性

• 一般的な見通し: オーステナイト系200シリーズステンレス鋼は、一般的な溶接および抵抗溶接プロセスによって容易に溶接されます。熱処理によって硬化せず、溶接部は延性と靭性を保持します。
• 影響要因: 炭素含有量、マンガン、窒素、および残留元素は、熱亀裂感受性、溶接ゾーンのフェライト含有量、および溶接後の機械的特性に影響を与えます。
• 有用な溶接性指数（定性的解釈のために）:
• 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm（ピッティング/亀裂感受性指数）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• 解釈（定性的）:
• 201と202はどちらも低炭素で中程度の合金化されており、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$は一般的に高炭素鋼に対して低く、良好な溶接性を示します。
• 高いマンガンおよび窒素含有量（オーステナイト安定剤として使用）は、特定の溶接状況で熱亀裂を促進したり、溶接金属のフェライト含有量を変化させたりする可能性があります。適切なフィラー金属（しばしば互換性のある300シリーズフィラー）を使用し、熱入力を制御することで欠陥を軽減します。
• 腐食または水素制御のために前加熱および溶接後の熱処理は通常不要ですが、厚い部品や異種金属の溶接は適格な手順に従うべきです。

6. 腐食と表面保護

• クロムが約16–19 wt%のステンレス合金として、両方のグレードは大気腐食、食品、および多くの軽度の化学物質に対して一般的な抵抗を提供します。塩化物を含む環境では300シリーズ（304/316）よりも腐食抵抗が低くなります。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、Mo/Nおよび他のピッティング抑制剤が存在する場合の塩化物ピッティング抵抗を評価するために使用されます: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 201と202の場合、Moは約0でNは低いため、PREN値はMoを含む合金と比較して低くなります。MoとNが重要でない限り、PRENを使用するとこれらのグレードが攻撃的な塩化物環境を意図していないことを示します。
• 表面保護:
• ほとんどの用途では、これらはステンレスとして使用され（追加のコーティングなし）、非常に攻撃的な環境では、パッシベーション、エレクトロポリッシング、または保護コーティングなどの表面保護が必要になる場合があります。
• 要求の厳しい屋外または沿岸サービスの場合は、より高合金のグレードまたは保護コーティングを検討してください（固有のステンレス特性が必要な場合、熱浸漬亜鉛メッキは通常ステンレスには使用されません）。

7. 加工、加工性、および成形性

• 成形: 両方のグレードは焼鈍状態で成形可能です。深絞りや複雑な成形が可能ですが、300シリーズ合金と比較して高い加工硬化率に合わせて工具を調整する必要があります。
• 加工性: 200シリーズ合金は一般的に自由切削炭素鋼よりも加工しにくいです。高い加工硬化と工具インターフェースでの加工硬化の傾向により、工具とフィードが最適化されない限り、より高い切削力と迅速な工具摩耗が発生します。202は加工性において201と類似と見なされることが多いですが、特定の加工性は製品形状とテンパーに依存します。
• 仕上げ: 磨き、ブラッシング、表面仕上げが一般的です。溶接による熱変色の制御と適切なパッシベーションが、加工後の腐食抵抗を回復するために推奨されます。

8. 典型的な用途

選択の理由: - 腐食環境（軽度対中程度）、必要な成形性（深絞り対単純な曲げ）、表面仕上げの期待、および材料コストに基づいて選択してください。塩化物に強くさらされるサービスの場合は、より高合金のグレードを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト: 201と202は、ニッケル含有量を減らし、ニッケル価格が高いときに300シリーズ合金に対してコストを下げるために開発されました。201と202の相対コストは、合金元素市場（Ni、Mn、Cr）によって変動します。歴史的に、201は202よりもわずかに安価であることが多いですが、地域の供給と需要、およびニッケル/マンガンの価格差が実際の調達コストを決定します。
• 入手可能性: 201は広く生産され、シート、ストリップ、コイル、および一部の引き抜き製品で一般的に入手可能です。202の入手可能性は地域や製品形状によって異なり、一部の市場では性能や供給者の好みに応じて201の代替品として提供されます。

10. 要約と推奨

要約表（定性的）

推奨事項: - コストが主な要因で、サービス条件が一般的（屋内、家庭用機器、装飾トリム）である場合は201を選択してください。 - 軽度の環境に対して良好な靭性と許容できる腐食抵抗を持つコスト効果の高いオーステナイト系ステンレスが必要な場合は201を選択してください。 - 一般的な腐食抵抗がわずかに改善されるか、変更されたNi/Mnバランスによって提供されるわずかに異なる成形性特性が必要な場合は202を選択してください。 - 調達市場が202の必要な製品形状に対して有利な価格設定またはより良い入手可能性を示している場合は202を選択してください。

最終的な注意: - 両方のグレードはオーステナイト系ステンレス鋼として機能し、コストに敏感な一般サービス用途に選択されます。決定的な技術的違いは、オーステナイトを安定化させるためのニッケル対マンガンの戦略です。その組成の調整は、加工硬化、腐食性能、および価格感度を変化させます。重要な部品については、常に必要な製鋼所の証明書、製品形状とテンパーを指定し、適格な手順で溶接されたアセンブリを検証してください。