301 против 304 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между двумя очень распространенными аустенитными нержавеющими сталями: 301 и 304. Решение обычно основывается на компромиссах между стоимостью, коррозионной стойкостью, формуемостью и достигаемой прочностью после обработки (например, желательна ли высокая работа по упрочнению). В многих производственных контекстах — формование листового металла, конструктивные компоненты и потребительские товары — выбор определяется тем, как материал реагирует на холодную обработку по сравнению с тем, как он сопротивляется коррозионным средам.

Фундаментальное различие между этими марками заключается в их балансе легирующих элементов и в результате механической реакции на деформацию: 301 разработан для демонстрации более высокой способности к упрочнению (он может значительно увеличивать прочность за счет холодной обработки), в то время как 304 оптимизирован для стабильного аустенитного поведения, максимизируя коррозионную стойкость и пластичность в отожженном состоянии. Поскольку обе марки широко доступны и экономичны, их часто сравнивают при проектировании деталей, которые требуют сочетания формуемости, сварки, коррозионной стойкости и контроля затрат.

1. Стандарты и обозначения

• ASTM/ASME:
• 301: AISI 301 (ссылки ASTM A240/A666 для листа/трубки/плиты)
• 304: AISI 304 (ASTM A240/A666)
• EN (Европейский):
• 301 обычно соответствует EN 1.4310 / 1.4311 иногда; существуют варианты
• 304 соответствует EN 1.4301 (304)
• JIS (Японский): существуют эквиваленты (например, SUS301 / SUS304)
• GB (Китай): существуют эквиваленты (например, марки 301, 304 в стандартах GB/T)

Классификация: обе марки являются аустенитными нержавеющими сталями. Они не являются углеродными, легированными, инструментальными или HSLA сталями — они принадлежат к семейству нержавеющих (аустенитных) сталей.

2. Химический состав и стратегия легирования

Составные различия скромные, но целенаправленные: 304 богаче никелем и немного выше по содержанию хрома, что способствует коррозионной стойкости и стабилизирует аустенитную фазу; 301 снижает содержание никеля и поддерживает адекватное содержание хрома, что увеличивает тенденцию к образованию мартенсита под воздействием деформации и более высокому упрочнению.

Как легирование влияет на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает пассивную оксидную пленку, которая придает коррозионную стойкость; более высокий Cr улучшает коррозионные характеристики во многих средах. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу, улучшает прочность и пластичность и снижает тенденцию к образованию мартенсита под воздействием деформации. - Углерод увеличивает прочность, но может снизить коррозионную стойкость (риск сенсибилизации) и немного увеличивает закаливаемость. - Марганец и кремний являются деоксидантами и могут умеренно влиять на прочностные характеристики; марганец также иногда способствует стабильности аустенита. Поскольку 301 содержит меньше Ni и аналогичное количество Cr, он более подвержен мартенситной трансформации, вызванной деформацией, и более сильному упрочнению по сравнению с 304.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Обе марки 301 и 304 являются аустенитными при комнатной температуре в отожженном состоянии (кубическая решетка с центром на грани, FCC). Ключевые микроструктурные поведения и их реакции на обработку:

• Отожженное состояние:
• 301: полностью аустенитный (но с составом, который делает его более метастабильным). Структура зерна типична для холоднокатаного и растворительно-отожженного нержавеющего листа.

• 304: стабильный аустенит с отличной пластичностью и прочностью.

• Холодная обработка и трансформация, вызванная деформацией:

• 301: разработан для демонстрации значительной трансформации, вызванной деформацией, в мартенсит (α′) во время пластической деформации (формование, изгиб, штамповка). Эта трансформация повышает прочность и твердость локально и в целом (работа по упрочнению), но снижает пластичность и может повлиять на коррозионное поведение, когда мартенсит подвергается воздействию.

• 304: гораздо меньшая тенденция к мартенситу, вызванному деформацией; сохраняет аустенитную структуру и пластичность после аналогичной холодной обработки, с более низкой скоростью упрочнения, чем 301.

• Термообработка:

• Ни одна из марок не поддается закалке с помощью термообработки с закалкой и отпуском (они аустенитные, а не мартенситные нержавеющие стали). Растворительное отжиг (например, нагрев до примерно 1000–1100 °C с последующим быстрым охлаждением) используется для растворения карбидов и восстановления пластичности. Постобработка отжиг восстанавливает формуемость и снимает работу по упрочнению.
• Термо-механические обработки (контролируемая прокатка, холодная обработка плюс отжиг) используются в промышленности для производства листов или полос с заданными сочетаниями прочности/пластичности; варианты 301 могут быть холоднокатанными до более высоких прочностей, чем 304, перед отжигом.

4. Механические свойства

Таблица ниже сравнивает типичное механическое поведение качественно (в состоянии после производства, отожженное и после холодной обработки). Точные значения зависят от формы продукта (лист, полоса, пруток), обработки и спецификации; обратитесь к данным завода для критически важных чисел проекта.

Почему: более низкое содержание Ni в 301 делает аустенит менее стабильным под нагрузкой; механическая деформация преобразует часть аустенита в мартенсит, увеличивая прочность и твердость (что полезно для деталей, требующих более высокой прочности без термообработки). Более высокий Ni в 304 стабилизирует аустенит, сохраняя пластичность и прочность за счет величины упрочнения.

5. Сварка

Сварка обеих марок в целом хороша для аустенитных нержавеющих сталей, но есть некоторые соображения:

• Содержание углерода: более высокий углерод повышает риск сенсибилизации (осаждение карбида хрома) при медленном охлаждении, особенно для 304 с более высокими углеродными вариантами (304H). Существуют варианты с низким содержанием углерода (304L, 301L), чтобы снизить риск сенсибилизации.
• Закаливаемость и трансформация: более высокая тенденция 301 к мартенситу, вызванному деформацией, не влияет напрямую на зоны сварного соединения (которые являются повторно нагретым/затвердевшим аустенитом), но соседние области, подвергшиеся холодной обработке, могут иметь смешанные микроструктуры, которые влияют на остаточные напряжения и деформацию.
• Совместимость присадок и контроль температуры между проходами являются типичными проблемами для обеих марок.
• Использование стабилизированных или низкоуглеродных вариантов (например, 304L) является типичным, когда сварка без постсварочного отжига необходима.

Общие индексы свариваемости (качественная интерпретация; числовые данные здесь не приведены): - Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Немецкая формула Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация: - Более высокий $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ указывает на повышенный риск закалки, трещинообразования или снижения свариваемости в сталях, где возможно образование мартенсита. Для 301 по сравнению с 304 числовые различия в этих индексах малы, поскольку обе имеют низкий углерод и схожее содержание легирующих элементов; 301 может иметь немного более высокий углерод или более низкий никель в некоторых слитках, что незначительно влияет на индексы. В целом обе марки считаются легко свариваемыми по стандартным практикам сварки нержавеющей стали.

6. Коррозия и защита поверхности

• Нержавеющее поведение: обе марки 301 и 304 образуют пассивные пленки, богатые хромом. Поскольку 304 обычно содержит немного больше хрома и никеля, он предлагает немного лучшую общую коррозионную стойкость и является более распространенным выбором, когда коррозионные проблемы имеют приоритет (переработка пищи, кухонное оборудование, архитектурные приложения).
• Локализованная коррозия (питтинг/щелевые коррозии): ни одна из марок не содержит Mo; для сред, богатых хлором, ни 301, ни 304 не так устойчивы, как марки с содержанием Mo (например, 316). Использование защитного дизайна и отделки поверхности критично в агрессивных средах.
• PREN (для оценки устойчивости к питтингу в нержавеющих сталях с Mo и N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Интерпретация:
• PREN не является полезным дифференциатором между 301 и 304, поскольку обе имеют практически нулевое содержание Mo и низкое содержание N; следовательно, значения PREN низкие и схожие.
• Защита поверхности для не нержавеющих сталей (не применимо здесь) будет включать оцинковку или покрытия; для 301/304 пассивация, электрохимическая полировка и механическая полировка улучшают коррозионную стойкость.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формование и штамповка:
• 301: Отличная формуемость в отожженном состоянии; поскольку он быстро упрочняется, его можно использовать для производства деталей, которые получают прочность во время формования (необходимо учитывать поведение пружинного возврата).
• 304: Высокая формуемость и большая толерантность к глубоким вытяжкам; меньшее упрочнение упрощает прогнозирование формования.
• Обрабатываемость:
• Обе марки имеют худшие показатели, чем углеродные стали; аустенитные нержавеющие стали прилипают и упрочняются на резе. 301, как правило, упрочняется быстрее, что усложняет обработку (требует острых инструментов, жестких установок, стружкоотводов и умеренных скоростей резания). 304 немного легче обрабатывается в многих условиях, но все равно требует оптимизированного инструмента и охлаждающей жидкости.
• Отделка:
• Отделка поверхности, пассивация и полировка схожи для обеих марок. Обратите внимание, что холоднокатаный 301 может иметь мартенситные области, которые реагируют иначе на травление/полировку.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 301, когда детали будут сильно холоднообрабатываться, и проектировщики хотят использовать упрочнение для достижения более высокой прочности в эксплуатации без термообработки. - Выбирайте 304, когда коррозионная стойкость, пластичность и свариваемость в отожженном состоянии являются более приоритетными.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: 304 обычно немного дороже, чем 301 из-за более высокого содержания никеля. Рыночные цены варьируются в зависимости от спотовых цен на Ni и регионального предложения; 301 часто выбирается как экономически эффективная альтернатива, когда полная коррозионная стойкость 304 не требуется.
• Доступность: 304 является самой распространенной аустенитной нержавеющей сплавом в мире и доступен в самом широком диапазоне форм продуктов (лист, плита, пруток, трубка, крепежи). 301 широко доступен, но менее распространен; он часто встречается в полосах, листах и некоторых конструктивных формах.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендация: - Выбирайте 301, если вам нужны детали, которые будут холодно формоваться, а затем полагаться на упрочнение для увеличения прочности в эксплуатации (зажимы, пружины, формованные конструктивные части), или когда приемлема нержавеющая сталь по более низкой цене с разумной коррозионной стойкостью. - Выбирайте 304, если вашим приоритетом является постоянная коррозионная стойкость, высокая пластичность и прочность в отожженном состоянии, широкая доступность и более простое поведение при формовании/сварке для производственных условий, где необходимы предсказуемые, стабильные аустенитные свойства.

Заключительная заметка: для любой критической спецификации запрашивайте сертификаты испытаний завода и листы данных поставщика для точной формы продукта и учитывайте низкоуглеродные или стабилизированные варианты (304L, 301L, 301LN), когда сварка, график отжига или содержание азота критичны для производительности.