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

Введение

301 и 304 — это два наиболее часто указываемых аустенитных нержавеющих стали в производстве, автомобилестроении, бытовой технике и архитектурных работах. Инженеры и команды по закупкам регулярно взвешивают компромиссы между коррозионной стойкостью, формуемостью, свариваемостью и стоимостью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают выбор марки для холодноформованных компонентов, где важен прирост прочности за счет упрочнения, или выбор материала для контакта с пищей, химическими веществами или в архитектуре, где коррозионная стойкость и долговечность имеют первостепенное значение.

Основное функциональное различие между 301 и 304 заключается в том, как они реагируют на холодную деформацию: 301 упрочняется легче, чем 304, что позволяет достичь значительно большей прочности после холодной обработки, но за счет пластичности и иногда размерной стабильности. Это поведение — вместе с различиями в содержании хрома и никеля — определяет их сравнительную производительность в формовании, усталостной прочности и критически важных для коррозии приложениях.

1. Стандарты и обозначения

• Общие международные стандарты:
• ASTM/ASME: A240/A666 (лист/плита/катушки), A276 (брусья), часто ссылаются как на 301, так и на 304.
• EN: серия EN 10088 для нержавеющих сталей (например, семейные номера EN 1.4310/1.4301).
• JIS: JIS G4303 / G4305 и связанные стандарты продукции в Японии.
• GB: стандарты GB/T для нержавеющих сталей в Китае.
• Классификация:
• Обе марки 301 и 304 являются аустенитными нержавеющими сталями.
• Они не являются углеродными сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA; они принадлежат к семейству нержавеющих сталей, характеризующемуся высоким содержанием хрома и значительным содержанием никеля.
• Существуют варианты (например, 301LN, 301Ti, 304L, 304H), которые вводят азот, титан или более низкий углерод для контроля специфических свойств.

2. Химический состав и стратегия легирования

Примечания: - 301 использует стратегию с более низким содержанием никеля и немного более низким содержанием хрома по сравнению с 304; это снижает стоимость и увеличивает восприимчивость к трансформации при холодной обработке, что используется, когда требуется более высокая прочность после формования. - Легирующие элементы влияют на три основных поведения: коррозионная стойкость (определяется Cr и Ni), стабильность аустенита и прочность (Ni стабилизирует аустенит) и поведение при упрочнении (состав и энергия дислокационных дефектов влияют на мартенситную трансформацию, вызванную деформацией).

3. Микроструктура и реакция на термообработку

• Микроструктура в состоянии производства:
• Обе марки 301 и 304 в основном аустенитные при комнатной температуре в состоянии растворного отжига.
• 301 имеет более низкую стабильность аустенита, чем 304; при значительной холодной обработке 301 может частично трансформироваться в мартенсит, вызванный деформацией, или проявлять более высокую плотность дислокаций и деформационное двойникование в зависимости от варианта сплава и температуры.
• Реакция на холодную обработку и термообработку:
• Отжиг (растворная термообработка) возвращает обе марки к пластичной, полностью аустенитной структуре.
• Нет традиционного упрочнения закалкой и отпуском для этих аустенитных нержавеющих сталей, как для ферритных/мартенситных сталей; термообработки используются в основном для снятия напряжений, растворного отжига или стабилизации карбидов (с добавками Ti или Nb).
• Термо-механическая обработка: 301 часто холоднокатится для достижения более высокой прочности на текучесть и прочности на разрыв за счет упрочнения; 304 также упрочняется, но в меньшей степени и сохраняет более высокую пластичность в состоянии отжига.
• Практическое применение: склонность 301 к упрочнению (и образованию мартенсита в некоторых условиях) используется для пружинных полос, каркасов сидений и высокопрочных формованных деталей; 304 предпочитается там, где требуется размерная стабильность и постоянная коррозионная стойкость.

4. Механические свойства

Объяснение: - 301 может достигать более высоких прочностей, чем 304, за счет холодной деформации, потому что его баланс легирующих элементов (низкий Ni, немного другая энергия дислокационных дефектов) способствует более быстрому накоплению дислокаций и, в некоторых случаях, мартенсита, вызванного деформацией. Это приводит к более высоким прочностям на разрыв и текучесть после формования, что является преимуществом для пружин и высокопрочных формованных компонентов. - 304 сохраняет превосходную равномерную пластичность и более стабильную вязкость в приложениях, где присутствует минимальная холодная обработка или где деформационные напряжения должны оставаться низкими для сохранения коррозионной стойкости или качества поверхности.

5. Свариваемость

• Обе марки 301 и 304 хорошо свариваются с использованием общих процессов сварки нержавеющей стали (TIG, MIG, контактная сварка). Основные соображения по свариваемости — это содержание углерода (риск сенсибилизации), наличие стабилизаторов (Ti/Nb) и остаточные напряжения.
• Углерод и закаливаемость: более высокий углерод повышает риск сенсибилизации (осаждение карбида хрома) в зоне термического влияния при медленном охлаждении, особенно для марок с более высоким C. Низкоуглеродные варианты (например, 304L, 301L) снижают этот риск.
• Использование индексов свариваемости:
• IIW эквивалент углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Интерпретация $CE_{IIW}$ качественно: более высокие значения указывают на больший риск трещинообразования, связанного с закаливаемостью в сталях; для аустенитных нержавеющих сталей индекс помогает определить восприимчивость, хотя аустениты обычно ведут себя иначе, чем ферритные стали.
• 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 $P_{cm}$ качественно: более высокие значения указывают на большую обеспокоенность по поводу холодного трещинообразования и поведения зоны термического влияния сварки; для 301 и 304 значения обычно низкие по сравнению с высоколегированными сталями, но контроль углерода и выбор присадок остаются важными.
• Практические рекомендации по сварке:
• Используйте низкоуглеродные или стабилизированные марки для критической сварки в условиях коррозии или для тяжелых секций, где происходит медленное охлаждение.
• Используйте присадки с соответствующим или немного более высоким содержанием никеля для коррозионно-критических соединений; для 301 выбирайте присадки, которые сохраняют пластичность и коррозионную стойкость после холодной обработки и сварки.

6. Коррозия и защита поверхности

• Нержавеющее поведение:
• Хром обеспечивает пассивную пленку; никель стабилизирует аустенитную структуру и способствует стойкости к хлоридному коррозионному трещинообразованию в некоторых условиях.
• Используйте индекс PREN для оценки стойкости к образованию ям, где это применимо: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Примечание: PREN наиболее применим для оценки стойкости к образованию ям более высоколегированных нержавеющих марок (например, дуплексные, супер-аустенитные); 301 и 304 обычно имеют сопоставимо низкие значения PREN, поскольку ни одна из них не содержит Mo.
• Сравнительная коррозионная стойкость:
• 304, как правило, предлагает лучшую общую коррозионную стойкость, чем 301, благодаря более высокому содержанию хрома и никеля.
• Где существует риск серьезного хлоридного коррозионного трещинообразования или коррозии в трещинах, ни 301, ни 304 не являются идеальными; предпочтительны марки с содержанием Mo (например, 316) или дуплексные марки.
• Нержавеющие альтернативы и защита поверхности:
• Для углеродных сталей используются методы, такие как оцинковка, покраска или покрытие; они выходят за рамки 301/304, но актуальны, когда стоимость требует замены.
• Качество поверхности, холодная обработка и остаточные напряжения влияют на коррозионные характеристики. Сильная холодная обработка в 301 может вызвать локальные изменения в электрохимическом поведении; пассивация или отжиг после формования могут использоваться для восстановления коррозионной стойкости.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость:
• 301 часто указывается для приложений, требующих высокого контроля упругости и увеличенной прочности после формования, поскольку он сильно упрочняется; однако сильное формование может привести к снижению пластичности и риску трещинообразования при чрезмерной обработке.
• 304 предлагает отличную формуемость в состоянии отжига, с отличными характеристиками растяжения, глубокого вытягивания и гибки.
• Обрабатываемость:
• Обе марки имеют относительно низкую обрабатываемость по сравнению с углеродными сталями; 301 может быть более трудным для обработки в холоднокатаном состоянии из-за повышенной твердости.
• Выбор инструмента, скорости резания и стратегии охлаждения важен.
• Качество поверхности и отделка:
• Холодная обработка в 301 может вызвать искажения поверхности или следы деформации; полировка и пассивация являются обычными для восстановления внешнего вида и коррозионной стойкости.
• 304, как правило, легче отделать до косметической поверхности в состоянии отжига.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 301, когда важна высокая прочность после холодного формования и чувствительность к стоимости (низкий Ni), и когда приложение допускает несколько более низкую коррозионную стойкость или когда детали будут подвергаться постобработке. - Выбирайте 304, когда постоянная коррозионная производительность, формуемость и широкая применимость в гигиеническом или архитектурном обслуживании преобладают в спецификации.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость:
• 301, как правило, имеет более низкую стоимость легирования, чем 304, из-за более низкого содержания никеля; это делает его привлекательным, когда чувствительность к цене никеля и прочность за счет формования являются приоритетами.
• 304 дороже, чем 301 на основе содержания легирующих элементов, но остается одной из наиболее часто запасаемых нержавеющих марок в мире.
• Доступность:
• Обе марки широко доступны в виде листов, катушек, полос, брусьев и сварных труб. 304, как правило, имеет более широкий ассортимент форм продукции и большую глубину запасов из-за своего универсального статуса.
• Специальные варианты или продукты с жесткими допусками могут иметь сроки поставки; указывайте сертификаты завода и форму продукции на ранних этапах закупки.

10. Резюме и рекомендации

Заключение: - Выбирайте 301, если вам нужна более высокая прочность от холодного формования (например, пружины, высокопрочные штампованные детали), хотите снизить стоимость материала, используя более низкое содержание никеля, и можете управлять любыми необходимыми постформенными обработками для поддержания коррозионной производительности. - Выбирайте 304, если коррозионная стойкость, постоянная пластичность, широкая свариваемость и универсальная применимость являются основными требованиями — особенно для пищевой, фармацевтической, архитектурной и многих химических приложений.

Если требования проекта включают серьезное воздействие хлоридов, работу при повышенных температурах или строгую стойкость к образованию ям, рассмотрите более высоколегированные марки (например, 316, дуплексные нержавеющие стали), а не выбирайте между 301 и 304.