304 против 202 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения

Введение

Нержавеющие стали 304 и 202 являются распространенными аустенитными марками, используемыми в производстве, архитектуре, переработке пищевых продуктов и потребительских товарах. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто выбирают между ними, балансируя между коррозионной стойкостью, механическими характеристиками, свариваемостью и стоимостью. Типичные контексты принятия решений включают спецификацию материала для оборудования для контакта с пищей в помещениях, архитектурной отделки или конструктивных компонентов, где бюджетные ограничения склоняют выбор к вариантам с низким содержанием никеля.

Основное различие между 304 и 202 заключается в их стратегии легирования: 304 использует более высокое содержание никеля и стандартный хром для обеспечения надежной коррозионной стойкости и стабильной аустенитной микроструктуры, в то время как 202 снижает содержание никеля (и увеличивает содержание марганца и азота), чтобы достичь более дешевой альтернативы с несколько сниженной коррозионной стойкостью, но сопоставимой прочностью. Этот компромисс — стоимость материала против коррозионной производительности и поведения в процессе — определяет большинство прямых сравнений.

1. Стандарты и обозначения

• 304
• Общие обозначения: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301 (и 304L как 1.4306), JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Классификация: Аустенитная нержавеющая сталь (нержавеющая).

• Типичные стандарты: ASTM A240/A480 (пластины и листы), ASME SA240, EN 10088 серии.

• 202

• Общие обозначения: AISI 202, UNS S20200, EN (не широко стандартизирован в Европе, обычно указывается национальными стандартами), JIS SUS202 эквиваленты на некоторых рынках, GB 202.
• Классификация: Аустенитная нержавеющая сталь (нержавеющая), часто рекламируется как низконикелевая аустенитная марка.
• Типичные стандарты: Используется в листах/катушках и формованных продуктах; существуют диапазоны спецификаций, зависящие от региона.

Обе марки являются нержавеющими (коррозионно-стойкими) сталями, а не углеродными, легированными, инструментальными или HSLA сталями.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица ниже показывает обычно цитируемые номинальные или диапазонные составы (в % по массе) для кованых, коммерчески доступных марок. Значения варьируются в зависимости от стандарта и плавки; используйте соответствующий сертификат завода для закупок.

Как легирование влияет на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает пассивную оксидную пленку и общую коррозионную стойкость; обе марки имеют схожее содержание Cr. - Никель (Ni) стабилизирует аустенитную фазу и улучшает формуемость и коррозионную стойкость; 304 имеет значительно больше Ni, чем 202. - Марганец (Mn) и азот (N) в 202 используются для стабилизации аустенита вместо части никеля и для увеличения прочности за счет упрочнения в твердом растворе. - Углерод влияет на прочность и риск сенсибилизации; 202 часто имеет немного более высокий предел углерода. Варианты с низким содержанием углерода (например, 304L) используются для снижения сенсибилизации во время сварки. - Неосновные элементы и примеси (P, S) влияют на обрабатываемость и локализованную коррозию.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

• Типичная микроструктура (в состоянии после обработки)
• Обе марки 304 и 202 в основном аустенитные (кубическая решетка с центром в гранях) в отожженном состоянии. Стабильность аустенита зависит от содержания Ni, Mn и N.
• 202 имеет более высокое соотношение Mn/N и более низкое содержание Ni; его аустенит может быть немного менее стабильным при повышенных температурах и во время интенсивной холодной обработки, но остается аустенитным при комнатной температуре для стандартных составов.

• Дельта-феррит в этих составах минимален при нормальном охлаждении; некоторые технологические процессы могут вводить небольшие доли феррита.

• Ответ на общие термические/механические обработки

• Отжиг (растворная термическая обработка): Типичен для обеих марок при ~1000–1150 °C с последующим быстрым охлаждением для растворения карбидов и восстановления микроструктуры. Обе марки восстанавливают пластичность и коррозионную стойкость после растворного отжига.
• Холодная обработка (прокатка, вытяжка, изгиб): Обе марки упрочняются при холодной обработке; 202, благодаря более высокому содержанию Mn и N, часто достигает более высоких уровней прочности после холодной обработки при одинаковой деформации.
• Старение/осаждение: Аустенитные нержавеющие стали не упрочняются традиционным закаливанием и отпуском; длительное воздействие в диапазоне 400–850 °C может вызвать образование хрупких фаз (карбидов, сигма-фазы), которые снижают прочность и коррозионную стойкость — 304 более устойчива к межметаллическому осаждению благодаря более высокому содержанию Ni.
• Нормализация/закалка и отпуск: Не применимо как пути упрочнения для аустенитных нержавеющих марок; они не реагируют на мартенситное упрочнение, как углеродные стали.

4. Механические свойства

Следующая таблица предоставляет представительные диапазоны для кованых, отожженных форм продуктов (листы, пластины или холоднокатаные катушки). Фактические свойства зависят от холодной обработки, толщины и термической обработки.

Интерпретация: - 202, как правило, достигает более высокой прочности — особенно после холодной обработки — из-за более высокого упрочнения в твердом растворе от Mn и N. Предел текучести и прочность на растяжение часто выше для 202 в сопоставимых условиях. - 304 обычно демонстрирует более высокую пластичность и лучшую сохраненную вязкость после термического воздействия или сварки благодаря более высокому содержанию Ni и большей стабильности аустенита. - Выбор должен учитывать состояние поставки: холоднокатаная 304 может превзойти отожженную 202 по прочности, но холоднокатаная 202, как правило, будет прочнее аналогично обработанной 304.

5. Свариваемость

Свариваемость аустенитных нержавеющих сталей, как правило, хорошая, но чувствительность зависит от уровня углерода, легирования, которое влияет на закаливаемость, и восприимчивости к межкристаллитной коррозии.

Ключевые формулы, используемые для оценки риска свариваемости (интерпретировать качественно):

• Эквивалент углерода (метод IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Более высокий $CE_{IIW}$ указывает на повышенную закаливаемость и потенциальный риск трещин в некоторых сталях; для аустенитных нержавеющих сталей эти элементы используются иначе, но формула дает сравнительное представление.

• Эквивалентный номер сопротивления к питтингу (для коррозии, а не для трещин при сварке): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Pcm (индекс свариваемости, используемый больше для углеродных сталей, но полезная концепция): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация для 304 против 202: - 304, как правило, демонстрирует очень хорошую свариваемость с стандартными присадочными металлами (например, 308L для 304) и низкий риск горячих трещин и постсварочной хрупкости при соблюдении правильных процедур. Контроль углерода (304L) используется там, где есть опасения по поводу сенсибилизации. - 202 сваривается приемлемо с обычными методами, но сниженное содержание Ni увеличивает риск определенных проблем, связанных со сваркой, таких как немного сниженная пластичность в зоне термического влияния и потенциально более высокая восприимчивость к определенным формам локализованной коррозии в агрессивных средах. - Предварительная и последующая очистка сварных швов, правильный выбор присадок и избегание длительного воздействия на температуры сенсибилизации являются стандартными мерами контроля. Для критических применений проводите квалификацию сварочных процедур и испытания на коррозию сварных конструкций.

6. Коррозия и защита поверхности

• Нержавеющее поведение
• Обе марки 304 и 202 полагаются на богатую хромом пассивную оксидную пленку для коррозионной стойкости. 304, с более высоким содержанием никеля, как правило, обеспечивает превосходную общую коррозионную стойкость, лучшую производительность в средах, содержащих хлориды, и лучшую формуемость без поверхностных трещин, которые могут нарушить пассивность.

• 202 имеет приемлемую коррозионную стойкость для многих внутренних и слабо коррозионных сред (декоративная отделка, бытовые приборы, компоненты HVAC), но не рекомендуется для сред, богатых хлоридами (прибрежные, морские, хлорированные технологические потоки), где предпочтительнее 304 или стали с более высоким содержанием легирующих элементов.

• Использование PREN (где применимо)

• Для оценки коррозии от питтинга используйте: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$

• PREN чаще применяется к дуплексным и аустенитным маркам, содержащим Mo и повышенное содержание N; это покажет, почему 304 (низкий Mo, низкий N) и 202 (низкий Mo, умеренный N) ограничены в условиях жесткой хлоридной среды.

• Защита поверхности для не нержавеющих сталей (не применимо здесь)

• Если спецификация проекта требует оцинковки или покраски, обратите внимание, что это отдельные стратегии, используемые для не нержавеющих сталей; для нержавеющих марок отделка поверхности и пассивация являются основными методами защиты.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость и изгиб:
• 304 обладает отличной формуемостью, глубокой вытяжкой и характеристиками упругости благодаря более высокому содержанию Ni и стабильному аустениту — предпочтительна там, где требуется сложная формовка.

• 202 можно формовать, но у нее более высокая скорость упрочнения; штампы и инструменты должны учитывать увеличенные силы формовки, и могут потребоваться более частые циклы отжига для формовки с малым радиусом.

• Обрабатываемость:

• Аустенитные нержавеющие стали, как правило, менее обрабатываемы, чем углеродные стали. Более высокая прочность и тенденция к упрочнению при работе у 202 делают обработку немного более сложной, чем у 304; однако, поскольку 202 часто содержит более высокие пределы серы в некоторых коммерческих вариантах (улучшающих обрабатываемость), реальные результаты зависят от спецификации продукта.

• Используйте соответствующие инструменты (карбидные вставки, высокий положительный угол резания), охлаждающую жидкость и консервативные подачи/скорости для стабильных результатов.

• Отделка поверхности:

• Обе марки подвергаются полировке, травлению и пассивации. 304 принимает обычные отделки (2B, BA, No.4) с предсказуемыми результатами; 202 может демонстрировать немного другое поведение при травлении и требует внимания для поддержания однородного внешнего вида в декоративных приложениях.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 304, когда требуется коррозионная стойкость, долговечность в условиях повышенной влажности или слабо агрессивной среды, или обширные формованные/сварные конструкции. - Выбирайте 202, когда начальная стоимость материала является доминирующим ограничением, а среда неагрессивная (в помещении, контролируемая атмосфера) и более высокая прочность при более низкой стоимости приемлема.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость
• 202, как правило, дешевле за килограмм, чем 304, поскольку он заменяет марганец и азот на часть никеля. Никель является дорогостоящим легирующим элементом, поэтому марки с низким содержанием никеля, как правило, рекламируются как экономичные альтернативы.

• Рыночные цены колеблются в зависимости от цен на никель и нержавеющую сталь; относительная премия за 304 может значительно увеличиться в периоды высокой цены на никель.

• Доступность

• 304 широко доступна в виде листов, катушек, пластин, прутков, трубок и крепежей. Время поставки, как правило, короткое для стандартных форм продуктов.
• 202 широко доступна на многих рынках для листов и катушек, но может быть менее распространена в специализированных формах продуктов или конкретных международных стандартах. Подтвердите доступность для крупных заказов или специализированных размеров.

10. Резюме и рекомендации

Заключительные рекомендации: - Выбирайте 304, если критически важны коррозионная стойкость, превосходная формуемость, установленная глобальная доступность и долговечность в слабо агрессивных средах. Это более безопасный выбор для применения в контакте с пищей, гигиеничных и прибрежных/морских условиях. - Выбирайте 202, если начальная стоимость материала является основным фактором, среда обслуживания благоприятная (в помещении, без хлоридов), и более высокая прочность в обработанном состоянии или более низкое содержание никеля приемлемы. Проверьте через специфические испытания на коррозию и подтвердите спецификации поставщика для N, Mn и S, чтобы обеспечить требуемую обрабатываемость и отделку поверхности.

Заключительная заметка: Всегда указывайте требуемую форму продукта, отделку поверхности, состояние механических свойств (отожженное или холоднокатаное) и применимый стандарт в заказах на покупку. Для сварных конструкций и критических компонентов проводите квалификацию сварочных процедур и, где коррозионная стойкость является вопросом безопасности или жизненного цикла, проводите специфические испытания на коррозию, а не полагайтесь исключительно на общие сравнения марок.