201 против 304 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Аустенитные нержавеющие стали 201 и 304 являются одними из наиболее часто рассматриваемых марок, когда проектировщики, команды по закупкам и производители балансируют между коррозионной стойкостью, формуемостью, механическими характеристиками и стоимостью. Типичные контексты принятия решений включают: минимизацию стоимости материала для декоративных или слабо коррозионных сред против обеспечения долговременной коррозионной стойкости в пищевых, химических или наружных приложениях; и выбор между более легким холодным формованием или лучшей долговременной прочностью и характеристиками сварки.
Основное практическое различие заключается в том, что тип 201 намеренно использует сниженное содержание никеля и более высокие добавки марганца/азота в качестве стратегии замещения, ориентированной на снижение затрат, в то время как тип 304 сохраняет более высокие уровни никеля и хрома для максимизации стабильности аустенита и коррозионной стойкости. Из-за этой стратегии замещения 201 и 304 часто сравниваются, когда речь идет о компромиссе между стоимостью, коррозионной стойкостью и формуемостью при выборе компонентов.
1. Стандарты и обозначения
- 304: широко стандартизирован как ASTM/ASME A240 (лист, листовой металл), A312 (трубопровод) и эквиваленты в других системах; европейский номер EN обычно указывается как 1.4301 (часто X5CrNi18-10); обозначение JIS SUS304; китайские эквиваленты GB (обычно перечисляются под сплавами Cr–Ni). Классификация: аустенитная нержавеющая сталь.
- 201: обычно упоминается по UNS S20100 и в некоторых спецификациях продукта как ASTM/AISI Тип 201 или SUS201 в JIS; региональные стандарты и обозначения поставщиков различаются. Классификация: аустенитная нержавеющая сталь (сниженное содержание никеля, стабилизированная марганцем и азотом).
Примечание: обе марки являются нержавеющими (аустенитными) марками, а не углеродными, легированными, инструментальными или HSLA сталями.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица ниже дает типичные диапазоны состава (вес.%) для коммерческих сталей типа 201 и 304. Значения представлены как репрезентативные отраслевые диапазоны; для строгих допусков следует обращаться к конкретным стандартам или сертификатам завода.
| Элемент | Тип 201 (типичный диапазон, вес%) | Тип 304 (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.15 | ≤ 0.08 |
| Mn | 5.5 – 7.5 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.06 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 18.0 – 20.0 |
| Ni | 3.5 – 5.5 | 8.0 – 10.5 |
| Mo | — (обычно 0) | — (обычно 0 для 304; Mo присутствует в 316) |
| N | 0.1 – 0.25 (используется как стабилизатор аустенита) | ≤ 0.10 |
| Прочие (V, Nb, Ti, B) | Обычно не добавляются намеренно | Обычно не добавляются намеренно |
Эффекты легирования (кратко): - Хром (Cr) обеспечивает пассивную оксидную пленку, которая придает нержавеющим сталям их коррозионную стойкость. - Никель (Ni) стабилизирует гранецентрированную кубическую (аустенитную) структуру, улучшая пластичность, прочность и устойчивость к сенсибилизации; более высокий Ni также улучшает прочность при низких температурах. - Марганец (Mn) и азот (N) используются в 201 для замещения части никеля, стабилизируя аустенит, но изменяя механическое поведение и коррозионные характеристики. - Углерод (C) влияет на прочность и восприимчивость к осаждению карбидов (сенсибилизация) во время термического воздействия; более низкие варианты C (например, 304L) уменьшают межкристаллитную коррозию после сварки.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Микроструктура (в исходном состоянии, отожженная): как 201, так и 304 номинально полностью аустенитны при комнатной температуре после отжига. Стабильность аустенита в 201 поддерживается за счет более высокого бюджета Mn + N, а не Ni. В результате 201 более подвержен образованию мартенсита, вызванного деформацией, во время интенсивной холодной обработки, чем 304 в некоторых условиях, поскольку его аустенит может быть менее стабильным под напряжением.
- Термообработка: ни 201, ни 304 не поддаются закалке с помощью традиционной закалки и отпускания (это не термообрабатываемые аустенитные марки). Типичная практика отжига — это растворный отжиг при температуре примерно 1010–1120 °C с последующим быстрым охлаждением (водяная закалка или быстрая воздушная закалка) для растворения карбидов и восстановления коррозионной стойкости и пластичности.
- Холодная обработка и термомеханическая обработка: прочность в обеих марках в основном увеличивается за счет холодной обработки. Увеличение холодной обработки повышает предел текучести и прочность на разрыв и снижает удлинение; 201 обычно упрочняется быстрее.
- Сенсибилизация: обе марки могут страдать от осаждения карбидов хрома, если они подвергаются воздействию в диапазоне температур сенсибилизации (примерно 500–800 °C) в течение длительного времени, что приводит к межкристаллитной коррозии. Низкоуглеродные варианты (например, 304L) или стабилизированные марки (с добавками Ti или Nb) используются, когда сварка или воздействие высоких температур вызывает беспокойство.
4. Механические свойства
Таблица сравнивает механическое поведение качественно (типичные, отожженные формы продукта). Точные значения зависят от формы продукта (лист, плита, труба), состояния закалки и данных поставщика.
| Свойство | Тип 201 | Тип 304 |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв | Немного выше (из-за Mn/N и обычной холодной обработки) | Умеренная (хороший баланс прочности и пластичности) |
| Предел текучести | Выше (обычно имеет более высокий предел текучести в сопоставимых состояниях) | Ниже (большая пластичность при текучести) |
| Удлинение (пластичность) | Ниже (уменьшенное удлинение по сравнению с 304 в отожженном состоянии) | Выше (лучшая пластичность и формуемость) |
| Ударная прочность | Хорошая при комнатной температуре; ниже, чем у 304 в некоторых состояниях | Отличная ударная прочность при комнатной и низких температурах |
| Твердость | Немного выше (и увеличивается больше при холодной обработке) | Ниже в отожженном состоянии; увеличивается при холодной обработке |
Интерпретация: тип 201 часто дает более высокую прочность и твердость в исходном состоянии для одного и того же технологического процесса, но за счет пластичности и иногда прочности. Тип 304 обеспечивает лучший баланс пластичности и прочности, что полезно для формования и надежности в эксплуатации во многих коррозионных и конструктивных приложениях.
5. Сварка
Сварка обеих марок в целом хороша по сравнению с углеродными сталями, поскольку аустенитные нержавеющие стали не закаливаются при мартенситной трансформации при охлаждении. Условия:
- Эквиваленты углерода и риск трещинообразования при сварке могут быть оценены с помощью принятых эмпирических формул. Два часто используемых индекса:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Интерпретация (качественная): более низкий никель в 201 снижает стабильность аустенита по сравнению с 304, что может повлиять на режим кристаллизации, восприимчивость к горячим трещинам и степень мартенсита, вызванного деформацией, в зоне термического влияния (HAZ) при некоторых условиях. Более высокий Mn и N в 201 также могут изменить выбор filler metal и состав сварочного металла.
- Практические рекомендации:
- Используйте подходящие filler metals. Для основного металла 304, сваренного с 304, обычно используются filler 308/308L. Для 201 многие производители выбирают filler, который восстанавливает более высокое содержание Ni в сварочном металле для улучшения коррозионной стойкости и пластичности.
- Предварительный подогрев обычно не требуется; постсварочный отжиг обычно не используется для аустенитов в обычных приложениях.
- Для критически коррозионно-стойких соединений выбирайте химию filler, чтобы гарантировать, что сварочный металл и HAZ соответствуют требованиям коррозионной стойкости.
6. Коррозия и защита поверхности
- Нержавеющее поведение: обе марки образуют пассивную пленку, богатую хромом; однако общая коррозионная стойкость различается.
- PREN (полезен в основном для оценки устойчивости к коррозии в хлоридных средах, когда присутствуют Mo и N) рассчитывается как:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Примечание: для типа 304 (Mo ≈ 0) PREN определяется Cr и N; для типа 201 более низкий Cr и другой N приводят к более низкому PREN, чем у 304, поэтому устойчивость к коррозии в хлоридах обычно хуже.
- Практические аспекты:
- Тип 304 имеет превосходную общую коррозионную стойкость во многих водных и атмосферных средах и является предпочтительным минимумом для контакта с пищей, медицинским оборудованием и многими химическими воздействиями.
- Тип 201 показывает адекватные результаты в помещениях, слабо коррозионных средах (декоративные панели, кухонное оборудование в условиях низкого хлора, бытовые приборы), но не рекомендуется для приложений с значительным воздействием хлора (прибрежные районы, соли для размораживания) или там, где требуется долговременная пассивная стабильность.
- Не нержавеющая защита: если сравнивается не нержавеющая сталь, общие способы защиты поверхности включают оцинковку, покраску или покрытие — но они не заменяют нержавеющее поведение. Для 201 и 304 отделка поверхности (электрохимическая полировка, пассивация) может значительно повлиять на коррозионные характеристики.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формование и глубокая вытяжка: тип 304 обычно предлагает лучшую формуемость и растяжимость в отожженном состоянии благодаря более высокому содержанию никеля и большей пластичности. Тип 201 можно формовать, но возврат пружины больше, и металл упрочняется быстрее; инструменты и параметры процесса должны учитывать это.
- Сгибание и искажение при сварке: лучшая пластичность 304 снижает риск трещинообразования при интенсивном формовании; 201 может требовать больше усилий и более строгого контроля процесса.
- Обрабатываемость: аустенитные нержавеющие стали обычно сложнее обрабатывать, чем углеродные стали. Тип 201, как правило, быстро упрочняется, что может снизить обрабатываемость; обычно используются инструменты с более высокими углами резания, жесткие установки и более медленные скорости подачи. 304 также вязкая и требует правильного инструмента, но многие токари находят 304 немного легче обрабатываемой в сопоставимых состояниях.
- Отделка поверхности: обе марки могут быть полированы до высоких отделок. Из-за своей большей восприимчивости к локализованной коррозии в агрессивных средах 201 может проявлять пятна раньше, если отделка поверхности и пассивация недостаточны.
8. Типичные применения
| Тип 201 | Тип 304 |
|---|---|
| Декоративные отделки, внутренние архитектурные панели, панели бытовых приборов, отделка недорогой посуды, трубы легкой нагрузки в неагрессивных средах | Оборудование для переработки пищи, кухонные раковины и столешницы, компоненты химических процессов (без Mo), трубопроводы, теплообменники, медицинские устройства (не имплантируемые), крепежи в наружных и морских условиях |
| Обоснование выбора: | |
| - Выбирайте 201, когда бюджетные ограничения преобладают, а среда эксплуатации мягкая (внутри, низкий хлор), или когда приоритетом являются более высокая прочность в исходном состоянии и яркая отделка поверхности. | |
| - Выбирайте 304, когда требуется коррозионная стойкость, гигиеничность, свариваемость с широкой поддержкой отрасли и долговременная надежность в различных средах. |
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: тип 201 обычно дешевле, чем тип 304, из-за значительно более низкого содержания никеля. Никель является основным фактором стоимости в нержавеющих сталях; замена Ni на Mn и N снижает чувствительность стоимости материала к рынкам никеля.
- Доступность: тип 304 широко распространен по всему миру в формах листа, плиты, катушки, трубы и прутка и, как правило, легче доступен в сертифицированных условиях для критических приложений. Тип 201 распространен в регионах и широко доступен для товарных форм продуктов, но сертифицированные данные завода и определенные формы продуктов могут быть менее доступны, чем 304 на некоторых рынках.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Атрибут | Тип 201 | Тип 304 |
|---|---|---|
| Сварка | Хорошая, но выбор filler может потребовать корректировки | Очень хорошая, широко стандартизированные практики filler |
| Баланс прочности и прочности | Более высокая прочность, меньшая пластичность/прочность | Сбалансированная прочность с превосходной пластичностью и прочностью |
| Стоимость | Ниже (сниженное содержание никеля) | Выше (стандартное содержание никеля) |
Рекомендации: - Выбирайте тип 201, если: - Проект чувствителен к стоимости, а воздействие ограничено мягкими, внутренними или низкохлоридными средами. - Более высокая прочность в исходном состоянии и экономия затрат перевешивают необходимость в максимальной коррозионной стойкости. - Внешний вид и низкая стоимость в потребительских продуктах имеют приоритет. - Выбирайте тип 304, если: - Ожидается долговременная коррозионная стойкость, гигиеничное обслуживание или воздействие хлоридов. - Важны формуемость, свариваемость и установленная сертификация материала. - Приложение должно соответствовать общим отраслевым стандартам для контакта с пищей, фармацевтикой или наружным воздействием.
Заключительная заметка: выбор материала всегда должен быть подтвержден с учетом конкретных условий окружающей среды, механических нагрузок, последовательностей сварки и формования, а также ограничений по закупкам/поставкам проекта. Для критических приложений проконсультируйтесь с сертификатами завода и проведите испытания на коррозию или инженерные оценки, чтобы подтвердить пригодность 201 по сравнению с 304 для предполагаемой службы.