430 против 201 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Нержавеющие стали типа 430 и типа 201 являются широко используемыми альтернативами, когда дизайнерам необходимо сбалансировать стоимость материала, коррозионную стойкость, механические характеристики и обрабатываемость. Проблема выбора часто заключается в том, следует ли отдать предпочтение более низкой стоимости материала и магнитным свойствам (обычно связанным с ферритными марками) или улучшенной пластичности, прочности и формуемости аустенитного сплава с низким содержанием никеля.
430 — это ферритная нержавеющая сталь с хорошей стойкостью к окислению и низким содержанием никеля; 201 — это аустенитная, низконикелевая (высокомарганцевая) нержавеющая сталь, разработанная как экономически эффективная альтернатива аустенитам с высоким содержанием никеля. Инженеры обычно сравнивают их при спецификации листов, полос или формованных деталей для бытовых приборов, архитектурных компонентов и легких конструктивных элементов, где важны как требования к коррозии, так и экономика производства.
1. Стандарты и обозначения
- Общие международные обозначения:
- 430: UNS S43000; AISI/SAE 430; EN 1.4016; JIS SUS430; GB 12Cr17.
- 201: UNS S20100; AISI/SAE 201; EN 1.4372 (приблизительные эквиваленты могут варьироваться); JIS SUS201; GB 0Cr17Mn6Ni5N (номенклатура варьируется в зависимости от стандарта).
- Классификация:
- 430 — ферритная нержавеющая сталь (магнитная).
- 201 — аустенитная нержавеющая сталь (обычно немагнитная в отожженном состоянии; может стать слегка магнитной после сильной холодной обработки).
- Типичные формы продукции в стандартах: холоднокатаный лист/катушка, горячекатаная катушка, полоса, плита и вытянутые детали.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже показаны типичные номинальные диапазоны состава (вес.%) для сравнительной спецификации и выбора. Для точных пределов следует обращаться к сертификатам материалов или стандартам.
| Элемент | 430 (типичный вес%) | 201 (типичный вес%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.12 | ≤ 0.15 |
| Mn | ≤ 1.0 | 5.5 – 7.5 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.06 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | 3.5 – 5.5 |
| Mo | — (следы) | — (следы) |
| V, Nb, Ti, B | — (следы) | — (следы) |
| N | ≈ 0.01 (следы) | 0.10 – 0.25 (добавляется в некоторых спецификациях) |
Стратегия легирования и эффекты: - 430: Ферритная структура стабилизируется хромом (Cr). Низкое содержание Ni снижает стоимость; минимальное содержание Mn. Cr обеспечивает стойкость к окислению/коррозии и магнитную ферритную матрицу. Ограниченное легирование означает ограниченную закаливаемость и относительно низкое упрочнение от растворительного легирования. - 201: Аустенит стабилизируется за счет более высокого содержания Mn и добавленного Ni (хотя Ni меньше, чем в 300 серии). Mn частично заменяет Ni в качестве стабилизатора аустенита; азот (где добавляется) увеличивает прочность и способствует стойкости к образованию ямок. Смесь легирования обеспечивает аустенитную матрицу с хорошей пластичностью и прочностью.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- 430:
- Микроструктура: преимущественно ферритная (объемно-центрированная кубическая) в стандартной обработке. Размер зерна и вторичные осадки (карбиды или фазы хи в некоторых условиях) зависят от термической истории.
- Термообработка: ферритные нержавеющие стали не поддаются закалке при закаливании. Отжиг (около 760–820 °C с последующим контролируемым охлаждением) восстанавливает пластичность и снижает остаточные напряжения. Рост зерна и хрупкость могут возникнуть при длительном воздействии в диапазоне 600–900 °C.
- 201:
- Микроструктура: аустенитная (гранецентрированная кубическая), стабильная при комнатной температуре благодаря Mn и Ni. Холодная обработка вызывает упрочнение за счет деформации и может привести к частичной трансформации или магнитной реакции.
- Термообработка: полностью отожженная аустенитная микроструктура достигается путем растворительного отжига (~1020–1120 °C) и быстрого охлаждения для растворения карбидов/нитридов и сброса упрочнения от деформации. В отличие от мартенситных или ферритных сталей, аустенит 201 не упрочняется закалкой; прочность в основном контролируется холодной обработкой или упрочнением от деформации.
Влияние обработки: - Холодная прокатка увеличивает прочность за счет упрочнения от деформации в обеих марках; эффект более выражен в аустенитной 201, которая сильно упрочняется и может достигать высокой прочности после формовки. - Тепловые циклы сварки имеют разные эффекты: 430 подвержена росту зерна и потере прочности в зоне термического влияния (HAZ), если не контролировать; 201 сохраняет аустенитную матрицу в течение типичных сварочных циклов, но может страдать от сенсибилизации или эффекта истощения, если неправильно легирована или если образуются интерметаллические соединения с неподходящими сварочными металлами.
4. Механические свойства
Таблица дает типичные диапазоны механических свойств для коммерческих отожженных листовых/полосовых изделий; значения сильно зависят от толщины, холодной обработки и спецификаций поставщика.
| Свойство (отожженное, типичное) | 430 (ферритная) | 201 (аустенитная) |
|---|---|---|
| Предельная прочность (МПа) | ~400 – 600 | ~500 – 700 |
| Предел текучести (МПа) | ~150 – 300 | ~250 – 450 |
| Удлинение (%) | ~20 – 30 | ~35 – 60 |
| Ударная вязкость (комнатная температура, качественная) | Умеренная; снижена при низкой температуре | Высокая; отличная пластичность и прочность |
| Твердость (HB или эквивалент) | Умеренная; увеличивается с холодной обработкой | Умеренная до высокой после холодной обработки; упрочняется больше |
Интерпретация: - 201 обычно демонстрирует более высокую пластичность и большую сохраненную прочность, особенно при низкой температуре, благодаря своей аустенитной матрице. - 430, как правило, имеет более низкую пластичность и немного более низкие значения предельной прочности/предела текучести в отожженном состоянии, но может быть привлекательной, когда более низкая прочность и магнитная реакция приемлемы. - Холодная обработка значительно повышает прочность в 201 благодаря быстрому упрочнению от деформации; это поведение может быть использовано в операциях формовки для удовлетворения требований к прочности применения.
5. Сварка
Сварка зависит от содержания углерода, легирования (Cr, Ni, Mn, Mo) и восприимчивости к закалке HAZ или хрупкости. Два широко используемых эмпирических индекса:
- Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (для прогнозирования холодного растрескивания в HAZ сварки): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 201: Благодаря своей аустенитной структуре и умеренному содержанию углерода, 201 хорошо сваривается со стандартными аустенитными сварочными металлами, когда процедуры учитывают содержание Mn и N. Высокое содержание Mn и потенциальный N требуют контроля выбора присадок и теплового ввода, чтобы избежать горячего растрескивания или чрезмерной деформации. Аустенитная микроструктура прощает недостатки в прочности HAZ. - 430: Ферритные стали, такие как 430, более чувствительны к росту зерна HAZ и потенциальной хрупкости. Сварка 430 часто требует соответствующих или совместимых ферритных присадок и внимания к тепловому вводу и межпроходным температурам, чтобы избежать потери прочности. Предварительный нагрев и отжиг после сварки, как правило, неэффективны для увеличения закаливаемости (поскольку ферритные стали не мартенситные), но контролируемый низкий тепловой ввод и использование подходящих присадок уменьшают проблемы HAZ. - На практике: 201 обычно обеспечивает более простое поведение при сварке для нахлесточных и стыковых соединений в тонких секциях; 430 требует более строгого контроля и соответствующего выбора присадок для обеспечения структурной целостности.
6. Коррозия и защита поверхности
- Общее:
- Обе марки в основном полагаются на содержание хрома (~16–18%) для коррозионной стойкости. Ни одна из них не содержит значительного Mo, поэтому их стойкость к образованию ямок ограничена по сравнению с нержавеющими сталями, содержащими Mo (например, 316).
- Использование PREN:
- PREN полезен, когда Mo и N влияют на стойкость к образованию ямок: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Для 430 и 201 Mo фактически равен нулю; 201 может содержать добавленный N, поэтому PREN дает лишь грубое сравнение и будет низким по сравнению с марками, содержащими Mo. Для обоих сплавов значения PREN скромные; они не являются кандидатами для агрессивного хлоридного обслуживания.
- Практическое поведение при коррозии:
- 201 (аустенитная) обычно демонстрирует лучшую общую коррозионную стойкость во многих мягких средах и показывает превосходную прочность при холодной эксплуатации. Однако, поскольку 201 имеет меньше Ni и больше Mn, чем стали 300 серии, его стойкость к образованию ямок и коррозии в трещинах хуже, чем у 304/316, и часто сопоставима или немного хуже, чем у 430 в зависимости от воздействия.
- 430 (ферритная) обеспечивает хорошую стойкость к атмосферному окислению и мягким органическим кислотам, но его стойкость к образованию ямок/трещин в хлоридных средах ограничена.
- Защита поверхности:
- Где естественная коррозионная стойкость недостаточна, применяйте покрытия (оцинковка возможна для формовочных сталей, но не типична для эстетики нержавеющей стали), краску или используйте методы пассивации (кислотное травление и пассивация азотной кислотой). Для использования нержавеющей стали механическая отделка и пассивация восстанавливают хромоксидную пленку на поверхности.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость:
- 201: превосходные характеристики глубокого вытягивания и растяжки благодаря высокой пластичности и упрочнению от деформации. Подходит для вытянутых раковин, посуды и сложных форм.
- 430: более ограниченная формуемость; ферритная структура дает менее равномерное удлинение и большую упругость. Успешная формовка 430 часто требует больших радиусов изгиба и контроля смазки.
- Обрабатываемость:
- Аустенитная 201 быстро упрочняется от деформации; это увеличивает износ инструмента и требует острого инструмента, жестких установок и, возможно, стружкоотводчиков или специализированного инструмента. Однако в отожженном состоянии с правильными подачами и скоростями обработка управляемая.
- Ферритная 430, как правило, легче обрабатывается, чем аустенитная нержавеющая сталь, поскольку она не упрочняется так сильно, но материал инструмента и параметры резания все равно требуют специфической практики для нержавеющей стали, чтобы избежать накапливания кромки и повреждения поверхности.
- Отделка поверхности и полировка:
- 201 может быть отполирована до отличных зеркальных поверхностей; однако включения сульфида марганца и упрочнение от деформации могут повлиять на отделку поверхности, если не обработаны должным образом.
- 430 хорошо полируется и часто используется для декоративных отделок и панелей бытовых приборов, где требуется шлифованная отделка.
8. Типичные применения
| 430 — Типичные применения | 201 — Типичные применения |
|---|---|
| Панели и отделка бытовых приборов (фронты духовок, вытяжки), декоративные архитектурные панели, автомобильные отделки, термостойкие декоративные элементы, некоторые кухонные принадлежности, где магнитные свойства приемлемы | Кухонные принадлежности, раковины, посуда (недорогие аустенитные применения), крепеж, холодноформованные компоненты, архитектурные интерьеры, трубы и трубы для низкой и умеренной коррозионной службы |
| Части печей, внутренние покрытия духовок и компоненты, подверженные окислению при высокой температуре | Вытянутые и формованные компоненты, требующие хорошей пластичности и прочности; недорогая альтернатива 304 в ограниченных средах |
Обоснование выбора: - Выбирайте 430, если магнитные свойства, умеренная коррозионная стойкость в атмосферных/мягких средах и более низкая стоимость материала являются основными факторами. - Выбирайте 201, когда требуются высокая пластичность, превосходная прочность (особенно для глубокого вытягивания или эксплуатации при низкой температуре) и немагнитное поведение, при этом достигая более низкой стоимости, чем у аустенитов 300 серии.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость:
- 430 обычно относится к более дешевым маркам нержавеющей стали, поскольку содержит незначительное количество никеля; стоимость хрома все еще актуальна, но сложность легирования низка.
- 201 содержит измеримое количество никеля и более высокий марганец; хотя он был разработан для снижения зависимости от Ni, его производственная стоимость может быть выше, чем у 430, но ниже, чем у марок 300 серии на многих рынках.
- Доступность:
- Обе марки широко доступны в виде листов, катушек и полос. Региональная доступность зависит от рыночного спроса — 430 распространена в цепочках поставок бытовых приборов и архитектуры; 201 распространена там, где специфицируются низконикелевые аустенитные листы.
- Соображения по форме продукции:
- Для вытянутых и глубоко формованных компонентов лист 201 в отожженном состоянии обычно имеется в наличии. Для декоративных магнитных панелей и отделки 430 широко доступна в шлифованной и зеркальной отделке.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 430 (ферритная) | 201 (аустенитная, низконикелевая) |
|---|---|---|
| Сварка | Умеренная — требует внимания к HAZ и выбору присадок | Хорошая — аустенитное поведение; следите за рисками Mn/N и горячего растрескивания |
| Прочность – прочность | Умеренная прочность; низкая прочность и пластичность (особенно при низкой температуре) | Более высокая пластичность и прочность; упрочняется до более высоких значений |
| Стоимость | Ниже (обычно более дешевый вариант) | Умеренная (выше, чем у 430, но ниже, чем у многих марок 300 серии) |
Рекомендация: - Выбирайте 430, если вам нужна недорогая, магнитная нержавеющая сталь с адекватной коррозионной стойкостью в мягких атмосферных или умеренно окисляющих средах, и когда сложность формы ограничена (например, панели бытовых приборов, декоративные отделки, термостойкие косметические детали). - Выбирайте 201, если ваша деталь требует глубокого вытягивания, высокой прочности, отличной формуемости и немагнитного поведения, и вы хотите более дешевую аустенитную альтернативу сталям 300 серии для эксплуатации в неагрессивных коррозионных средах.
Заключительные практические замечания: - Всегда подтверждайте точный химический состав и механические свойства из сертификатов завода для закупок и сварочных процедур. - Для хлоридных или агрессивных сред рассмотрите возможность использования более легированных марок (нержавеющие стали с содержанием Mo), а не полагайтесь на 430 или 201. - Для обработки и сварки разработайте процедуры, касающиеся контроля теплового ввода, выбора присадок и любых необходимых постсварочных обработок для сохранения коррозионной стойкости и прочности.