202 против 204 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Аустенитные нержавеющие сплавы серии 200, такие как «202» и «204», часто предлагаются в качестве более экономичных альтернатив маркам серии 300, когда необходимо сбалансировать стоимость, свариваемость и коррозионную стойкость. Инженеры и закупочные отделы часто оказываются перед дилеммой выбора: использовать состав с высоким содержанием марганца и пониженным содержанием никеля, который снижает стоимость материала, но может быть сложен в обработке (202), или выбрать более новый, оптимизированный по стоимости сплав, уменьшающий содержание никеля без потери свариваемости за счёт добавления меди или корректировки других легирующих элементов (часто обозначаемый как 204 или 204Cu).

Основное принципиальное отличие между этими двумя семействами заключается в компромиссе между стоимостью и эксплуатационными характеристиками, обусловленном стратегией легирования: 202 снижает никель преимущественно за счёт высокого содержания марганца, тогда как варианты 204 стремятся сохранить или улучшить свариваемость и коррозионные свойства, используя другой баланс Ni, Cr, Mn и контролируемые добавки меди. Поскольку оба представляют собой аустенитные нержавеющие стали, предназначенные в качестве экономичных замен 304 в большинстве применений, они часто сравниваются в процессе проектирования, производства и закупок.

1. Стандарты и обозначения

• 202: обычно обозначается как AISI/UNS S20200 (иногда сокращённо SS202). Встречается в ассортименте коммерческих листов и лент, упоминается в спецификациях плоской прокатной продукции из нержавейки (например, ASTM A240 для листа/плиты в некоторых регионах) и в различных национальных каталогах.
• 204: обычно обозначается как 204Cu (UNS S20430) или коммерческими наименованиями, подчёркивающими низкое содержание никеля и наличие меди в аустенитной нержавейке. Не для каждого национального стандарта имеется прямой аналог EN/JIS/GB; производители публикуют заводские спецификации или номера UNS.
• Стандарты для проверки точных пределов состава и свойств: ASTM/ASME (A240, A480 для листов/плит), списки UNS (S20200, S20430) и заводские сертификаты поставщика. Региональные европейские EN или GB/JIS аналоги могут отличаться и должны быть проверены для критериев приемки.

Классификация: и 202, и 204 являются аустенитными нержавеющими сталями (немагнитны в полностью отожженном состоянии), не относятся к углеродистым, инструментальным или высокопрочным низколегированным сталям (HSLA).

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: типичные диапазоны состава (мас. %). Значения представляют усреднённые данные из коммерческих технических описаний; всегда уточняйте по заводскому сертификату или спецификации партии, которую приобретаете.

Элемент	202 (типично, мас. %)	204 / 204Cu (типично, мас. %)
C	≤ 0.15 (низкое)	≤ 0.08–0.10 (низкое)
Mn	Относительно высокое (например, несколько мас. % для замены Ni)	Умеренное (ниже, чем в 202)
Si	≤ ~1.0 (незначительный раскислитель)	≤ ~0.8–1.0
P	≤ 0.03–0.05 (лимит примеси)	≤ 0.03–0.045
S	≤ 0.03 (лимит примеси)	≤ 0.03
Cr	~17–19	~18–20
Ni	Умеренное (снижено по сравнению с 304, но выше, чем у некоторых вариантов 204)	Ниже, чем в 304; близко или немного ниже, чем в 202, в зависимости от подтипа
Mo	Обычно отсутствует или в следовых количествах	Обычно отсутствует или в следовых количествах
Cu	Следы до ~0.5–1.0 (обычно низкое)	Целенаправленное добавление (примерно 0.5–1.5) в 204Cu
N	Низкое до умеренного (малые количества для стабилизации аустенита)	Низкое (контролируемое)
V, Nb, Ti, B	Не типичные легирующие добавки	Не типично

Влияние стратегии легирования на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает формирование пассивной плёнки и базовую коррозионную стойкость, характерную для аустенитных нержавеющих сталей. - Никель (Ni) стабилизирует аустенит и улучшает вязкость и свариваемость; уменьшение Ni снижает стоимость, но может повлиять на вязкость и коррозионные характеристики без корректирующих мер. - Марганец (Mn) используется для стабилизации аустенита при снижении Ni — он дешевле никеля, но усиливает наклёп и может влиять на пластичность и обрабатываемость. - Медь (Cu) в вариантах 204 применяется для повышения прочности и свариваемости, а также для частичной компенсации снижения Ni в коррозионной стойкости; медь также улучшает сопротивление к определённым кислотам и улучшает качество поверхности. - Углерод и азот контролируются для баланса прочности (за счёт твердения раствора и межузельного упрочнения) и предотвращения сенситизации или чрезмерной твёрдости.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Обе марки 202 и 204 являются полностью аустенитными в исходном и отожженном состоянии. Основные моменты:

• Типичная микроструктура: стабильный гранецентрированный кубический (FCC) аустенит с равномерно распределёнными аустенитными зернами; отсутствие феррита или мартенсита при правильной термообработке и полной отжиге.
• Реакция на холодную деформацию: обе марки легко упрочняются деформацией (аустенитные стали упрочняются наклёпом), но 202 с более высоким содержанием Mn упрочняется быстрее, что может снижать предел свариваемости при глубокой вытяжке и усложнять штамповку без промежуточной отжиги.
• Термообработка: Аустенитные нержавеющие стали нельзя закаливать традиционным способом (закалка и отпуск). Отжиг (обычно в диапазоне 1000–1150 °C с последующим охлаждением в воде) восстанавливает пластичность и вязкость. 204Cu может проявлять легкое старение при определённых температурах и временах из-за выделения меди, но это не сопоставимо с упрочнением осадками и обычно не используется для придания высокой прочности.
• Термо-механическая обработка: горячая прокатка с последующим контролируемым отжигом формирует размер зерна и конечные свойства; контроль остаточных напряжений и предотвращение образования мартенсита при холодной деформации (если он есть) улучшают вязкость.

4. Механические свойства

Таблица — качественное сравнение (отожжённое состояние, если не указано иное). Точные значения зависят от формы продукции, толщины, термического состояния и конкретных данных поставщика.

Свойство	202	204 / 204Cu
Временное сопротивление разрыву (приблизительно, отожжённое)	Умеренное — сопоставимо с другими марками серии 200; выше, чем у некоторых низконикелевых вариантов за счёт Mn	Сопоставимо с 202; может иметь слегка улучшенный баланс прочности и пластичности за счёт Cu
Предел текучести	Умеренный	Умеренный; близок или немного ниже, чем у 202 в отожженном состоянии
Относительное удлинение (пластичность)	Хорошее, но сниженное по сравнению с 204 после холодной деформации (уклёп развивается быстрее)	Как правило, немного лучше свариваемость и удлинение у многих поставщиков
Ударная вязкость	Хорошая при комнатной температуре; может снижаться при криогенных температурах при очень низком Ni	Хорошая при комнатной температуре; медь и контролируемый Ni поддерживают вязкость
Твёрдость (отожжённая)	Низкая до умеренной (быстро упрочняется при деформации)	Низкая до умеренной (обычно сохраняет мягкость лучше при формовке)

Причина: более высокое содержание Mn и пониженный Ni у 202 повышают стабильность аустенита, но также усиливают упрочнение наклёпом; это приводит к повышению мгновенной прочности во время формовки, но снижает максимальную возможную пластичность перед разрывом. Сплавы 204Cu разрабатываются так, чтобы сохранить пластичность и вязкость, одновременно снижая содержание никеля и стоимость.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от углеродного эквивалента, склонности к закалке и микроэлементов. Полезные формулы для предварительной оценки:

• Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (европейский индекс свариваемости): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация (качественная): - Оба сплава, 202 и 204, хорошо свариваются стандартными методами для аустенитной нержавеющей стали (GMAW, TIG и др.) с низким риском холодных трещин, так как аустенит сохраняет пластичность в сварном шве. - Повышенное содержание Mn (202) умеренно увеличивает показатели $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, что требует несколько более тщательного контроля тепловложения и температуры между проходами, чтобы избежать локального упрочнения или нежелательных микроструктур в термообработанной зоне. - 204Cu с добавкой меди обычно сваривается сопоставимо с другими аустенитными марками; медь может слегка влиять на выбор сварочного материала — подбор соответствующих аустенитных присадок (например, аналоги серии 308/309 или специальные низконикелевые присадки) предотвращает микросегрегацию. - После сварки отжиг требуется редко для типовых условий эксплуатации, но для снятия внутренних напряжений и снижения риска межкристаллитной коррозии рекомендуется рассматривать мероприятия по снятию напряжений, особенно для конструкций, подверженных сенситизации или высоким температурам эксплуатации.

6. Коррозионная стойкость и защита поверхности

• Обе марки являются аустенитными нержавеющими сталями с хромовой пассивацией. Обе не содержат значительного количества молибдена, поэтому сопротивляемость коррозионному точечному растрескиванию в хлоридных средах ниже, чем у сталей серии 300 с содержанием Mo (например, 316).
• Показатель PREN обычно не применяется для этих марок (он имеет смысл для нержавеющих сталей с Mo). Для справки, формула PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Поскольку Mo ≈ 0 для 202/204, PREN не отражает высокую стойкость к точечной коррозии.
• Практические рекомендации:
• 202: подходит для слабоагрессивных коррозионных условий (внутренние помещения, контакт с пищей, декоративные элементы), но менее устойчива к хлоридам и кислотным средам по сравнению с 304/316. Подвержена поверхностным пятнам и точечной коррозии в агрессивных хлоридных средах.
• 204/204Cu: разработана как более надёжная низкономиковая альтернатива 304; медь незначительно повышает устойчивость к некоторым кислотам и подавляет инициирование щелевой коррозии в ряде условий эксплуатации, но не заменяет молибден при сильном хлоридном воздействии.
• Для нелегированных сталей (не относится к этим маркам): рекомендуется оцинковка, покраска или нанесение защитных покрытий. Для этих нержавеющих сталей рекомендуется электрополировка, пассивация или защитные покрытия при агрессивных условиях эксплуатации.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Холодная деформация: 202 быстрее упрочняется при работе — конструкторам следует учитывать отдачу пружины и, возможно, предусмотреть промежуточный отжиг; глубокая вытяжка может быть более сложной. 204Cu обычно обладает лучшей формуемостью и часто предпочтительнее при необходимости выполнения узких изгибов и сложной штамповки.
• Обрабатываемость резанием: ни одна марка не обрабатывается так легко, как легированные углеродистые стали с улучшенной резанием. Высокое содержание Mn в 202 снижает обрабатываемость; 204Cu обычно обрабатывается так же или немного лучше, а контролируемое содержание Cu улучшает формирование стружки и качество поверхности.
• Поверхностная отделка: обе марки хорошо поддаются полировке и обработке поверхности; 204Cu может обеспечивать чуть лучший внешний вид поверхности сразу после обработки в некоторых операциях.
• Сварка и послеобработка: важны правильная подгонка и выбор сварочного материала; нужно избегать быстрого охлаждения, которое может фиксировать напряжения; рекомендуется травление и пассивация после сварки для восстановления коррозионной стойкости.

8. Типичные области применения

202 — типичные применения	204 / 204Cu — типичные применения
Потребительские товары, кухонная посуда, лёгкие архитектурные элементы, декоративные панели, бытовая техника для внутреннего применения, где важна цена	Бытовые приборы (стиральные и сушильные машины), кухонные мойки, декоративные архитектурные панели, санитарная арматура, где требуется улучшенная формуемость и качество поверхности
Автомобильные декоративные элементы и небольшие конструкционные детали с ограниченным воздействием хлоридов	Трубы и формованные детали, требующие хорошей вытяжности и контроля геометрии
Листовая конструкционная сталь для условий с низкой коррозионной нагрузкой	Применения, заменяющие 304, при необходимости снижения содержания никеля при сохранении формуемости и прочностных характеристик

Выбор: 202 используется, когда первоочередной фактор — стоимость материала, а коррозионные условия умеренные; 204/204Cu выбирается при оправданности более высокой стоимости за счёт улучшенной формуемости, более однородной отделки поверхности и сохранения вязкости при снижении Ni.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: обе марки позиционируются как более дешёвые альтернативы 304. 202 традиционно имеет самый низкий уровень никеля (компенсируемый повышенным содержанием Mn), что исторически даёт экономию, однако сезонные цены на сырьё (Mn, Ni, Cu) могут менять соотношение затрат. 204/204Cu разработана для баланса снижения никеля и сохранения свойств и может быть более конкурентоспособной, особенно при высокой цене на Ni и доступной цене Cu.
• Доступность: 202 широко доступна по всему миру в виде стандартного листа и ленты. Наличие 204/204Cu зависит от региона и производителя; эта марка становится всё более распространённой, но может быть менее повсеместной, чем 202, в некоторых рынках и формах выпуска (например, определённые рулоны и предварительно обработанные листы).

10. Итог и рекомендации

Таблица — краткое сравнение (качественно):

Характеристика	202	204 / 204Cu
Свариваемость	Хорошая; необходимо контролировать тепловложение (укапливание)	Хорошая; медь практически не влияет на стандартные методы сварки
Баланс прочности и вязкости	Средняя прочность, высокая упрочняемость; вязкость достаточна при комнатной температуре	Схожая прочность, чуть лучшая пластичность/формуемость и сохранённая вязкость
Стоимость (материал)	Как правило, ниже во многих регионах (зависит от цен Mn и Ni)	Оптимизирована для снижения Ni при сохранении формуемости; может быть близка или немного выше стоимости 202

Выбирайте 202 если: - Основной приоритет — минимизация стоимости материала и условия эксплуатации с мягкой коррозией, а также простые операции формовки и наличие поставщиков с нужными рулонными/листовыми формами. - Есть возможность проектировать технологический процесс с учётом сильного упрочнения (промежуточные отжиги, допуски инструмента).

Выбирайте 204 (204Cu) если: - Требуется лучшая формуемость, более качественная отделка поверхности после формовки или более близкий к 304 механический баланс при снижении содержания никеля. - Применение требует стабильной вязкости и снижения риска проблем технологического процесса из-за быстрой упрочняемости (сложная штамповка, глубокая вытяжка, массовое производство бытовой техники).

Заключение: обе марки представляют собой экономичные аустенитные нержавеющие стали. Окончательный выбор должен базироваться на проверенных сертификатах производителя, форме выпуска (рулон, лист, труба), необходимой термообработке/отделке и анализе стоимости жизненного цикла с учётом волатильности цен на материалы, времени производственного цикла (например, необходимости отжигов) и долгосрочного коррозионного воздействия.