304和204次Cu不銹鋼在20世紀(jì)才進(jìn)入合金鋼這個(gè)古老系列中。大約在1910年，在鐵鉻合金中添加鎳，發(fā)明了奧氏體鋼，通用的18-8型奧氏體鋼成分含18%鉻和8%鎳。這種奧氏體鋼除具有良好的延展性、韌性和無磁外，還具有在酸性介質(zhì)中耐腐蝕的特性。 目前18-8型奧氏體鋼已形成了一個(gè)完整的系列，美國鋼鐵協(xié)會頒布的牌號有300多個(gè)。18-8型具有代表性的牌號是304，其他牌號是304成分為基礎(chǔ)上，為改進(jìn)某種性能，如力學(xué)性能、焊接性能、耐腐性能和成型性而開發(fā)的，關(guān)鍵元素是對鋼的性能影響如圖1所示。如加硫改進(jìn)的切削性能、降低碳改進(jìn)焊接性能、加鉬改進(jìn)耐蝕性能、加銅改進(jìn)冷成型性。
到1930年因鎳資源匱乏，德國人研究成功以錳和氮代替部分鎳。朝鮮戰(zhàn)爭期間，美國人因?yàn)橥瑯拥脑颍?jīng)深入研究，開發(fā)出一系列高錳奧氏體不銹鋼，即200系列不銹鋼。韓鮮戰(zhàn)爭后一段時(shí)期，200系列鋼一度陷入困難境地，人們對它能否代替300系列生產(chǎn)懷疑，直到1970年市場才發(fā)生重大變化。關(guān)鍵原因是：盡管200系列材料成本比300系列低，但抗拉強(qiáng)度高。隨著304帶材和絲材的用量迅速猛增，其加工成本低的優(yōu)勢在一定程度上彌補(bǔ)了材料成本偏高的弱點(diǎn)。而200系列鋼由于冷加工硬化率高，加工成本居高難下。新開發(fā)的204Cu鋼在200系列和300系列之間架起橋梁，填補(bǔ)了兩者之間的空白。與304相比，204Cu由于鎳含量低，材料成本低，由于加工硬化相近，加工成本也相近。同時(shí)204Cu成型性比304好，退火后強(qiáng)度高于304，這些特性對某些使用304鋼的行業(yè)很有吸引力。
1、204Cu實(shí)驗(yàn)室研制
實(shí)驗(yàn)方案是以低鎳奧氏體不銹鋼——改型201為基礎(chǔ)開發(fā)研究的，表1列出改型201和304常規(guī)成分，比較兩者成分可以看出：改型201的碳、錳、氮的含量較高，而鉻鎳量較低，盡管改型201和304兩者成分有很大差別，但從舍菲爾（schaeffler）組織結(jié)構(gòu)圖上可以看出，兩者成分當(dāng)量基本相同。
表1304及其試驗(yàn)用基礎(chǔ)合金的化學(xué)成分/%
| 牌號 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Cu | N | Fe |
| 改型201 | 0.09 | 7.8 | 0.6 | 16.5 | 2.5 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 其余 |
| 304 | 0.06 | 1.7 | 0.6 | 18.5 | 8.5 | 0.2 | 0.2 | 0.05 | 其余 |
新試驗(yàn)鋼是基礎(chǔ)鋼加1%、2%和3%的銅。
舍菲爾組織結(jié)構(gòu)圖原先用來判定不銹鋼焊接后的鑄態(tài)相組織，特別是鐵素體的含量。現(xiàn)在依斯皮（espy）對這個(gè)圖做一些改進(jìn)，并用于200系列鋼的研制和開發(fā)。在這個(gè)圖上，元素被分為鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量兩種。鐵素體形成元素分在鉻當(dāng)量中，奧氏體形成元素分在鎳當(dāng)量中。合金的金相組織取決于鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量平衡狀況。304和改型201在組織結(jié)構(gòu)圖上都處于黑色矩形框位置，兩者具有相近的鑄態(tài)鐵素體含量，可鑄造性和焊接性能也基本相當(dāng)。對于絲材產(chǎn)品，由于熱加工過程的擴(kuò)散作用，鋼中鐵素體含量一般都有所減少。
生產(chǎn)試驗(yàn)證明：204cu可以按304工藝路線拉拔出成品鋼絲，因?yàn)?04cu鎳的含量較低（僅為6%），其終生產(chǎn)成本比304低。鎳的價(jià)格按3美元/磅計(jì)算，每磅204cu可節(jié)約材料成本約10美元分。如果鎳的價(jià)格按4.5美元/磅計(jì)算，材料節(jié)約費(fèi)用更多。3美元/磅到4.5美元磅是近4年來鎳價(jià)正常波動的范圍。
表2性能對比數(shù)據(jù)
| 鋼號 | 屈服強(qiáng)度σ0.2/ksi | 抗拉強(qiáng)度σb/ksi | 鹽霧試驗(yàn) | 冷鐓試驗(yàn)零件裂紋率/% |
| 304 | 38 | 91 | 無腐蝕 | 37、35、40（平均37） |
| 204cu | 53 | 104 | 無銹蝕 | 3、1、2（平均2） |
| 改型201 | 69 | 129 | 40%-60%銹蝕 | 72、93、68（美元78） |
注：在冷鍛機(jī)上將頭部鐓扁（厚0.093英寸，2.36mm），鐓到鋼絲直徑的1/3.5。
開發(fā)方案的另一項(xiàng)內(nèi)容是比較204cu與304的變形能力和耐蝕性能。將340fq（高鎳）、改型201和204cu三個(gè)鋼號的熱軋退火5.6mm的盤條，拉拔成3.53mm的鋼絲，再進(jìn)行成品退火，并對三種鋼絲進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、冷頂鍛和鹽霧腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2。其中，改型201退火鋼絲抗拉強(qiáng)度高，204cu次之，304低。冷頂鍛試驗(yàn)是用來比較三種鋼的變形能力的，選用制作緊固件的模鍛機(jī)，經(jīng)兩個(gè)道次頂鍛成形，如圖8所示。每鋼號都頂鍛出數(shù)百個(gè)零件，檢驗(yàn)這些零件的裂紋狀況，裂紋百分比小的，冷變形能力較好。結(jié)果顯示：改型201冷頂鍛裂紋率高，變形能力差。204cu制作的零件裂紋率遠(yuǎn)低于成形能力較好的304，裂紋率之比為2:37。上述結(jié)果出乎意料，但充分證明204cu是介于300系列和200系列之間，具有較高變形能力的奧氏體不銹鋼。鹽霧試驗(yàn)是將試樣存放在95℃，氣氛中含有5%nacl的密封室內(nèi)，存放時(shí)間為96小時(shí)，經(jīng)肉眼觀察，只有改型201表面有銹蝕，204cu具有與304試樣相同的抗鹽圖腐蝕性能。此外，還用熔鑄的204cu和304試樣進(jìn)行耐腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。腐蝕實(shí)驗(yàn)選用幾種常規(guī)酸性氣氛，包括硫酸、鹽酸、醋酸、甲酸和硝酸。硝酸氣氛通常用來檢驗(yàn)鋼的耐晶間腐蝕性能，耐氯化物縫隙腐蝕性能通常用在臨界溫度下縫隙尺寸大小來衡量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在含氯氣氛中，204cu具有與304相同的耐縫隙腐蝕性能。由于對合金元素鉻、鉬、氮和鎳進(jìn)行了仔細(xì)的平均計(jì)算，204cu在酸性溶液和氯離子氣氛中都具有良好的抗腐蝕性能。
表3204cu和304的各種耐蝕性能比較
| 環(huán)境氣氛 | 試驗(yàn)時(shí)間 | 平均腐蝕率/mpv |
| 204cu | 304 |
| 5%h2so4 | 3-48h周期 | 0 | 12 |
| 5%的醋酸溶液（沸騰） | 3-48h周期 | 0 | 0 |
| 1%的鹽酸（室溫） | 3-48h周期 | 3 | 7 |
| 5%甲酸176°f（80℃） | 3-48h周期 | 0 | 0 |
| 65% hno3（沸騰） | 5-45h周期范圍 | 33 | 59 |
| 5﨏l3 1%nano3 | 24h周期直到產(chǎn)生侵蝕裂紋 | 20℃* | 20℃* |
注：從0℃開始試驗(yàn)，然后每次升高5℃，一直上升到所有鋼號都產(chǎn)生侵蝕裂紋，25℃為止。
*表示不產(chǎn)生侵蝕裂紋的高溫度。
綜上所述，204Cu鋼絲的研制獲得成功，從冶煉到成品鋼絲的生產(chǎn)成本都比較低。與304相比，204Cu退火后強(qiáng)度高，冷加工硬化率低，在各種腐蝕介質(zhì)中耐蝕性能基本與304相同，變形能力比304更好。良好的性能使204Cu很快進(jìn)入商業(yè)化的批量生產(chǎn)階段，并以204Cu的牌號納入新標(biāo)準(zhǔn)（ASTMA313-1998）中，美國鋼鐵協(xié)會uns系統(tǒng)定名為S20430。
4、實(shí)際應(yīng)用
由于304是通用鋼號，能替代304的204Cu也具有潛在的廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。在計(jì)算機(jī)、通訊、**防護(hù)、食品制作、能源和**加工業(yè)都具有大量使用的可能性。例如，計(jì)算機(jī)需要高強(qiáng)度、無磁性、冷成形、抗磨損的傳動軸，選用300系列的302hq無法滿足抗磨損的要求，而且要達(dá)到需要的高強(qiáng)度必須經(jīng)大減面率拉拔。選用200系列鋼，如改型201，制作無裂紋的傳動軸，成形困難。204Cu填補(bǔ)了這個(gè)空白，將高強(qiáng)度與良好的成型性能**地結(jié)合在一起，是優(yōu)良的材料。
在電話通訊行業(yè)，架空的電話線需要用架空線固定，多年來考慮到防銹、耐潮濕和耐鹽霧腐蝕，一直選用304鋼絲。204Cu應(yīng)該是好的替代材料，用204Cu生產(chǎn)架空線的試驗(yàn)也獲得成功，生產(chǎn)工人認(rèn)為：204Cu減面率比較小，相對304來說，更容易拉直。此外，204Cu生產(chǎn)成本低，耐鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)證明，架空線不容易生銹。
工業(yè)上常用的緊固件是梯形絲扣的螺栓，這種緊固件多用來固定房屋面板及地下污水管，螺栓成形及螺紋軋制一直是緊固件生產(chǎn)難關(guān)，但使用204Cu來制作沒有遇到什么困難。
在**防護(hù)行業(yè)，常見的產(chǎn)品是刺鋼絲，該產(chǎn)品由帶刺部件和加強(qiáng)鋼絲組成，加強(qiáng)鋼絲具有很高的抗拉強(qiáng)度（大于200ksi），還必須保持良好的成型性能，要耐大氣腐蝕，采用204Cu大減面率拉拔，已成功地生產(chǎn)出直徑2.5mm盤卷鋼絲，其生產(chǎn)成本低于304，204Cu已經(jīng)被納入ASTM313《不銹彈簧鋼絲》標(biāo)準(zhǔn)中。
大量的304鋼絲用于制作各種傳輸網(wǎng)帶，各種傳輸網(wǎng)帶制作工藝不同，但基本要**鋼絲必需具有良好的彎曲性能，能軋扁，并具有良好的焊接性能。由于鋼絲常被用作強(qiáng)化筋，所以必須具有很高的抗拉強(qiáng)度。不銹鋼傳送帶在食品制作業(yè)廣泛應(yīng)用，如粉碎機(jī)傳送帶，將餅干和其他食品送入烤爐中的傳送帶等。用204cu鋼絲制作的食品用傳送帶，其化學(xué)成分獲得了fda（美元教育和福利部，糧食和**管理局）的認(rèn)可。
篩網(wǎng)鋼絲通常用在煤的分選設(shè)備上，從泥漿中篩出煤粉。泥將腐蝕性強(qiáng)，而且煤礦粉對篩網(wǎng)的磨損很厲害，腐蝕和磨損的雙重作用使環(huán)境變得很惡劣，如用碳鋼和410型不銹鋼根本承受不了這種腐蝕，不得不采用壽命更長的304鋼，204Cu的價(jià)格優(yōu)勢對篩網(wǎng)業(yè)很有吸引力，現(xiàn)在204Cu已廣泛用于這個(gè)行業(yè)。
