410 vs 420 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Ingenieure und Beschaffungsexperten wählen häufig zwischen AISI 410 und AISI 420, wenn sie martensitische Edelstähle für Komponenten spezifizieren, die Kosten, Formbarkeit, Festigkeit und moderate Korrosionsbeständigkeit ausbalancieren müssen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl einer Sorte für Ventilkomponenten, Wellen, Befestigungselemente oder Besteck, bei denen Kompromisse zwischen Abriebfestigkeit, Härteverhalten, Schweißbarkeit und Fertigungskosten von Bedeutung sind.
Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, dass 420 eine kohlenstoffreichere Variante im Vergleich zu 410 ist, was 420 nach der Härtung erheblich höhere erreichbare Härte und Abriebfestigkeit verleiht, während 410 in vielen Einsatzbedingungen relativ bessere Duktilität und Zähigkeit behält. Da beide martensitische Edelstahlsorten mit ähnlichen Chromgehalten sind, werden sie häufig für Anwendungen verglichen, die eine martensitische Reaktion (Härten + Anlassen) erfordern, anstatt die überlegene Korrosionsbeständigkeit austenitischer Sorten.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche Normen und Bezeichnungen:
- AISI/SAE/UNS: 410 (UNS S41000), 420 (UNS S42000)
- ASTM/ASME: häufig referenzierte Materialien, die aus AISI-Bezeichnungen für Stangen, Platten und Schmiedeteile abgeleitet sind
- EN: X12Cr13 (vergleichbar mit 410); Varianten von 420 erscheinen als Mitglieder der X20Cr13-Familie oder andere martensitische Codes, abhängig vom Kohlenstoffgehalt
- JIS/GB: vergleichbare martensitische Edelstahlsorten existieren in japanischen und chinesischen Normen (z. B. SUS410-Familie), aber lokale Normen verwenden unterschiedliche Nummerierungen
- Klassifikation: Sowohl 410 als auch 420 sind martensitische Edelstähle (rostfrei, luftgehärtet, wärmebehandelbar). Sie sind keine Werkzeugstähle oder HSLA-Stähle; sie sind rostfreie, wärmebehandelbare Legierungen, die für moderate Korrosionsbeständigkeit und hohe Härtefähigkeit vorgesehen sind.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die Legierungsstrategie für beide Sorten konzentriert sich auf Chrom für Korrosionsbeständigkeit und Kohlenstoff für Härteverhalten und Festigkeit. 420 erhöht den Kohlenstoff im Vergleich zu 410, um eine höhere Härtungsreaktion und Abriebfestigkeit zu ermöglichen, auf Kosten von Duktilität und Schweißbarkeit.
| Element | Typischer Bereich / Anmerkungen — 410 | Typischer Bereich / Anmerkungen — 420 |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | Niedrig–moderat (niedrigerer Kohlenstoff als 420; ausgelegt für ein Gleichgewicht zwischen Duktilität und Härteverhalten) | Höherer Kohlenstoff (absichtlich erhöht, um Härteverhalten und gehärtete Härte zu steigern) |
| Mn (Mangan) | Geringe Zusätze (Entgasung, begrenzte Festigkeitssteigerung durch feste Lösung) | Ähnliche geringe Zusätze |
| Si (Silizium) | Gering, zur Entgasung; geringfügige Festigkeitssteigerung | Ähnlich |
| P (Phosphor) | Kontrollierte niedrige Gehalte (Verunreinigungssteuerung) | Kontrollierte niedrige Gehalte |
| S (Schwefel) | Kontrolliert niedrig (verbessert die Bearbeitbarkeit in einigen Sorten, wenn vorhanden) | Kontrolliert niedrig (kann in bearbeitbaren Varianten vorhanden sein) |
| Cr (Chrom) | ~12% (bietet grundlegende rostfreie/oxidationsbeständige und martensitische Eigenschaften) | ~12–14% (ähnlicher Chromgehalt wie 410) |
| Ni (Nickel) | Typischerweise niedrig bis keiner (hält die Struktur martensitisch) | Typischerweise niedrig bis keiner |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | In der Regel abwesend oder in Spuren; einige kommerzielle Varianten können kleine Legierungszusätze enthalten | In der Regel abwesend oder in Spuren; Spezialvarianten von 420 (z. B. 420HC) können maßgeschneiderten C/S/P für Bearbeitbarkeit/Härte haben |
Hinweise: Exakte Prozentsätze variieren je nach Norm und Produktform (Stange, Band, Platte, Schmiedeteile). Die wichtigsten Legierungshebel sind Chrom (für Korrosionsbeständigkeit) und Kohlenstoff (für Härteverhalten und maximale Härte nach Abschrecken-Anlassen).
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Chrom erzeugt einen passiven Oxidfilm, der bei moderaten Konzentrationen (~11–14% in diesen martensitischen Sorten) rostfreies Verhalten zeigt. - Kohlenstoff erhöht die Martensithärte und -festigkeit nach dem Abschrecken; höherer Kohlenstoff verringert die Zähigkeit und Schweißbarkeit und fördert die Karbidbildung während der Wärmebehandlung oder beim Schweißen. - Niedriger Ni- und niedriger Legierungsgehalt halten diese Stähle magnetisch und martensitisch, was Wärmebehandlungswege ermöglicht, die austenitische Sorten nicht folgen können.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Mikrostruktur: - Im geglühten Zustand sind beide Sorten im Allgemeinen ferritisch/perlitisch oder teilweise austenitisch, abhängig von der genauen Chemie und der thermischen Vorgeschichte. Nach Austenitisierung und Abschrecken erzeugen beide martensitische Mikrostrukturen; die zurückgehaltene Austenit- und Karbidverteilung hängt von Kohlenstoff und Abkühlrate ab. - 410: Mit niedrigerem Kohlenstoff ist Martensit weniger kohlenstoffübersättigt und typischerweise feiner; Karbide sind vorhanden, aber weniger zahlreich als in 420. - 420: Höherer Kohlenstoff erzeugt eine härtere Martensitmatrix und einen größeren Volumenanteil an Chromkarbiden (Karbide vom Typ M23C6) nach bestimmten thermischen Zyklen.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren (Luftkühlung nach Austenitisierung): verfeinert die Korngröße und kann die Mikrostruktur homogenisieren; wird mehr zur dimensionalen Stabilität und Zähigkeitsverbesserung in 410 verwendet. - Abschrecken und Anlassen: primärer Weg, um eine gehärtete, angelassene martensitische Struktur in beiden Sorten zu erhalten. 420 erreicht bei äquivalenten Anlasstemperaturen eine höhere Härte aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts; es erfordert jedoch auch eine sorgfältige Anlasstemperatur, um die Zähigkeit auszugleichen und die Sprödigkeit zu reduzieren. - Thermomechanische Verarbeitung: Schmieden und kontrolliertes Walzen können die austenitische Korngröße vor dem Abschrecken verfeinern und die Zähigkeit in beiden Sorten erhöhen; die Effekte sind in 410 aufgrund seiner geringeren Härtbarkeit ausgeprägter.
Praktischer Hinweis: 420 ist empfindlicher gegenüber Überhitzung und Karbidniederschlag während langsamer Kühlung oder thermischer Schweißzyklen; dies kann die lokale Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit verringern.
4. Mechanische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften sind von der Wärmebehandlung abhängig. Im Folgenden finden Sie eine vergleichende, anwendungsbereite Zusammenfassung für gängige Bedingungen (geglüht vs. abgeschreckt & angelassen oder gehärtet + angelassen).
| Eigenschaft | 410 (typisches Verhalten) | 420 (typisches Verhalten) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Moderat im geglühten Zustand; steigt mit Abschrecken/Anlassen, aber maximale Zugfestigkeit niedriger als 420 bei äquivalentem Härten | Niedriger im geglühten Zustand, kann jedoch höhere Zugfestigkeit erreichen, wenn gehärtet, aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts |
| Streckgrenze | Moderat; gutes Gleichgewicht zwischen Streckgrenze und Duktilität | Höhere erreichbare Streckgrenze bei Härtung; niedrigere Duktilität bei vergleichbarer Festigkeit |
| Elongation (Duktilität) | Bessere Duktilität und Elongation im geglühten und angelassenen Zustand | Reduzierte Elongation nach dem Härten; niedrigere Duktilität als 410 bei vergleichbarer Festigkeit |
| Schlagzähigkeit | Allgemein bessere Zähigkeit (weniger Sprödigkeit bei moderaten Härtegraden) | Niedrigere Schlagzähigkeit im stark gehärteten Zustand; spröderes Verhalten, wenn auf hohe Härte gedrängt |
| Härte (maximal erreichbar) | Moderat maximale Härte nach dem Härten (geeignet für einige Abrieb) | Höhere maximale Härte (größere Abriebfestigkeit und Kantenhalt), aber auf Kosten der Zähigkeit |
Interpretation: 420 ist die stärkere, härtere Option nach der Wärmebehandlung; 410 ist nachsichtiger — einfacher, um angemessene Zähigkeit und Duktilität zu erreichen, während es dennoch eine bescheidene gehärtete Festigkeit bietet.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit hängen vom Kohlenstoffgehalt und der Härtbarkeit ab. Beide Sorten sind martensitische Edelstähle und stellen im Vergleich zu niedriglegierten Stählen oder austenitischen Edelstählen Schweißherausforderungen dar.
Nützliche Indizes (qualitative Interpretation): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (wichtig für die Anfälligkeit von Stahl für Schweißrissbildung): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 420 hat einen höheren Kohlenstoffbegriff in beiden Indizes, was die Härtbarkeit und das Risiko von Kalt- und HAZ-Martensitbildung erhöht. Vorwärmen und Kontrolle der Interpass-Temperatur sowie Nachschweißanlassen oder PWHT reduzieren das Risiko der Wasserstoffsprödigkeit. - 410, mit niedrigerem Kohlenstoff, ist einfacher zu schweißen, erfordert jedoch weiterhin Aufmerksamkeit für die Wasserstoffkontrolle und Vorwärmung, wenn Schweißnähte stark in kaltverformte Bereiche oder dicke Abschnitte eindringen. - Der Einsatz von passenden Füllmetallen, wasserstoffarmen Verfahren, Vorwärmung und Nachschweißanlassen hilft beiden Sorten; 420 erfordert im Allgemeinen strengere Kontrollen und eine höhere Nachschweißwärmebehandlung, um die Zähigkeit wiederherzustellen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 410 als auch 420 sind martensitische Edelstähle: Sie bieten eine Korrosionsbeständigkeit, die der von einfachem Kohlenstoffstahl in trockenen Atmosphären und milden Umgebungen überlegen ist, jedoch der austenitischen Sorten (304/316) bei Chlorid- oder sauren Einflüssen unterlegen ist.
- Der Chromgehalt ist der Hauptbeitrag zur Korrosionsbeständigkeit in beiden Sorten; da beide ähnliche Chromgehalte aufweisen, ist die grundlegende Korrosionsbeständigkeit unter vielen Bedingungen vergleichbar.
- Der höhere Kohlenstoffgehalt in 420 kann die Ausfällung von Chromkarbiden an den Korngrenzen während langsamer Kühlung oder Schweißen fördern. Diese lokale Abnahme von Chrom kann die Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion verringern.
- PREN (nicht häufig für martensitische Sorten verwendete) Formel (nur zur Orientierung in einigen Edelstahlfamilien): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist hauptsächlich für Duplex- und austenitische Edelstähle anwendbar; er ist für martensitische Sorten von begrenztem Nutzen, da Mo und N typischerweise niedrig oder abwesend sind.
Oberflächenschutzoptionen für beide Sorten, wenn die Korrosionsbeständigkeit erhöht werden muss: - Verzinkung (für 410 in einigen Formen) — aber die Verzinkung von Edelstählen ist ungewöhnlich und kann für typische Anwendungen unnötig sein. - Lackierung, Polymerbeschichtungen oder beschichtete Beschichtungen (Nickel/Chrom) — weit verbreitet für Komponenten, bei denen Korrosion oder Aussehen von Bedeutung sind. - Passivierungsbehandlungen und sorgfältige Kontrolle der Wärmebehandlungs-/Schweißzyklen, um Sensibilisierung zu vermeiden.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitung: Beide sollten im weichen/geglühten Zustand bearbeitet werden, um die beste Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten. Der höhere Kohlenstoffgehalt von 420 und die potenziell höhere Härte in einigen Produktzuständen erfordern Vorsicht; bearbeitbare Varianten (z. B. 420 mit kontrolliertem Schwefel) verbessern die Spanbildung.
- Umformen und Biegen: 410, mit niedrigerem Kohlenstoff und höherer Duktilität im geglühten Zustand, ist einfacher kalt zu formen und zu biegen. 420 benötigt aggressivere Umformparameter oder muss im geglühten Zustand geformt werden, und der Rückfederungsgrad kann nach dem Anlassen höher sein.
- Schleifen, Polieren und Finishing: 420 wird für Anwendungen bevorzugt, die Kantenhalt und eine polierte Schneide (Besteck, Klingen) erfordern, da es gut auf Härten und Polieren reagiert; 410 nimmt Politur und Oberflächen ausreichend auf, jedoch mit niedrigerer erreichbarer Härte.
8. Typische Anwendungen
| 410 — Typische Anwendungen | 420 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Befestigungselemente, Schrauben, Wellen, Ventilkomponenten, Pumpenteile, wo moderate Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit erforderlich sind | Besteck, chirurgische Instrumente, Rasierer, Lager, Verschleißteile, Ventilsitze, wo höhere Härte und Kantenhalt benötigt werden |
| Strukturelle Komponenten in der Energieerzeugung, petrochemischen nicht schweren Umgebungen | Werkzeuge und Komponenten, die höhere Oberflächenhärte oder Abriebfestigkeit nach dem Härten erfordern |
| Allzweck-martensitischer Edelstahl, wo Schweiß-/Verarbeitungsfreundlichkeit von Bedeutung ist | Komponenten, die Abriebfestigkeit und hohe Härte priorisieren; ausgewählt für Finishing/Polieren |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 410, wenn die Anwendung Duktilität, einfache Schweiß-/Verarbeitungsfreundlichkeit und moderate Korrosionsbeständigkeit zu niedrigeren Kosten schätzt. - Wählen Sie 420, wenn die Anwendung höhere gehärtete Härte und Abriebfestigkeit (Kanten, Dichtungen, Verschleißflächen) erfordert und das Design reduzierte Zähigkeit und strengere Schweiß-/Wärmebehandlungsanforderungen tolerieren kann.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 410 ist in vielen Produktformen im Allgemeinen günstiger als 420 aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts und breiteren Rohstoffeinsatzes; 420-Varianten (insbesondere hochlegierte oder „HC“-Sorten) können teurer sein aufgrund der Verarbeitung für erhöhte Härte und spezifisches Finishing.
- Verfügbarkeit: Beide Sorten sind in gängigen Formen (Stange, Platte, Band, Schmiedeteile) weit verbreitet, obwohl Spezialvarianten von 420 (z. B. 420HC, 420J2) häufig für Besteck und chirurgische Anwendungen vermarktet werden. Die Lieferzeiten sind für Standard-Mill-Produkte typischerweise kurz; geben Sie die genaue Variante (geglüht, härtbar, schwefelhaltig für Bearbeitbarkeit) frühzeitig in der Beschaffung an, um Substitutionen zu vermeiden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 410 | 420 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedrigerer Kohlenstoff) | Herausfordernder (höherer Kohlenstoff) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Kompromiss | Ausgewogene Zähigkeit bei moderater Festigkeit | Höhere erreichbare Festigkeit/Härte, aber niedrigere Zähigkeit |
| Kosten | Allgemein niedriger | Allgemein höher für hochlegierte/hochfeste Varianten |
Schlussfolgerungen: - Wählen Sie 410, wenn Sie einen martensitischen Edelstahl mit relativ besserer Duktilität und Zähigkeit, einfacher Verarbeitung und Schweißbarkeit sowie moderater Korrosionsbeständigkeit benötigen — zum Beispiel Wellen, Ventile, Befestigungselemente und Komponenten, bei denen Schweißbarkeit und Zähigkeit Priorität haben. - Wählen Sie 420, wenn Sie höhere gehärtete Härte und Abriebfestigkeit (Schneidkanten, Dichtungen, Verschleißflächen, Präzisionsklingen) benötigen und das Design strengere Schweißkontrollen und Nachschweißwärmebehandlungen zulässt, um Sprödigkeit und Korrosionsrisiken zu mindern.
Praktischer abschließender Rat: Geben Sie den genauen Produktzustand und den Wärmebehandlungsplan nach der Verarbeitung in den Beschaffungsunterlagen an (z. B. „420, abgeschreckt und angelassen auf X HRC mit abschließendem Anlassen bei Y°C“ oder „410, normalisiert für verbesserte Zähigkeit“), und fordern Sie chemische und mechanische Zertifikate an, um sicherzustellen, dass die ausgewählte Sorte das beabsichtigte Gleichgewicht zwischen Härte, Zähigkeit und Korrosionsleistung erfüllt.