420 vs 431 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen AISI 420 und AISI 431 martensitischen Edelstählen, wenn sie Teile spezifizieren, die ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und Kosten erfordern. Das Auswahldilemma konzentriert sich häufig auf Kompromisse wie maximal erreichbare Härte und Verschleißfestigkeit versus Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Umgebungen, sowie Überlegungen zur Schweißbarkeit und Nachbearbeitungskosten.

Der entscheidende Materialunterschied zwischen diesen beiden Werkstoffen ist ihre Legierungsstrategie: 420 basiert hauptsächlich auf höherem Kohlenstoff mit moderatem Chrom für Härte und Verschleißfestigkeit, während 431 signifikantes Nickel sowie höheres Chrom hinzufügt, um Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsverhalten zu verbessern und gleichzeitig die martensitische Härtbarkeit zu erhalten. Da beide martensitische Edelstähle sind, die in ähnlichen Bauteilfamilien (Wellen, Befestigungen, Ventile, Klingen) verwendet werden, vergleichen Ingenieure sie routinemäßig, wenn sie Teile spezifizieren, die gehärtet werden müssen und dennoch korrosionsbeständig sein sollen.

1. Normen und Bezeichnungen

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000 (häufig in ASTM A666 für Blech/Band; ASTM A276 für Stangen referenziert)
• 431: AISI 431 / UNS S43100 (in ASTM A582 für Stangen, ASTM A276 für Stangen/Stäbe zu finden)
• EN / EN-Äquivalente:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13 (ähnliche Familie)
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-? (exakte Querverweise variieren je nach Norm)
• JIS / GB: regionale Bezeichnungen existieren für martensitische Edelstähle mit ähnlichen Chemien.
• Klassifizierung:
• Sowohl 420 als auch 431 sind martensitische Edelstähle. Sie werden nicht als Kohlenstoffstähle, Werkzeugstähle oder HSLA klassifiziert; sie sind legierte Edelstähle, die zum Härten durch Abschrecken und Anlassen ausgelegt sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: typische Zusammensetzung (Gew.-%) — die angegebenen Bereiche sind repräsentativ für gängige Spezifikationen; überprüfen Sie die Einkaufsspezifikation für genaue Grenzen.

Element	420 (typischer Gew.-%)	431 (typischer Gew.-%)
C	0.15 – 0.40	0.15 – 0.25
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	15.0 – 17.0
Ni	≤ 1.0 (oft sehr niedrig)	1.5 – 3.0
Mo	Spuren/keine	typischerweise keine
V	Spuren	Spuren
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	Spuren	Spuren

Hinweise: - Die angegebenen Werte sind indikativ; viele Spezifikationen haben engere Grenzen. 420 ist eine hochkohlenstoffhaltige, moderat-chromhaltige martensitische Sorte; 431 ist eine nickelhaltige martensitische Sorte mit höherem Chrom und kontrolliertem Kohlenstoff, um eine bessere Kombination aus Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu ermöglichen. - Nickel in 431 erhöht die Zugfestigkeit und Zähigkeit und verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen spröde Brüche während der Wärmebehandlung und im Betrieb. Der Chromgehalt steuert die Bildung passiver Filme und die Korrosionsbeständigkeit; das höhere Cr in 431 verbessert das allgemeine Korrosionsverhalten im Vergleich zu 420.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Kohlenstoff: primäre Härtbarkeit und Martensithärte; höherer Kohlenstoff führt zu höherer maximaler Härte, verringert jedoch die Zähigkeit und Schweißbarkeit. - Chrom: Passivierung und Härtbarkeit; mehr Cr verbessert typischerweise die Korrosionsbeständigkeit und die Anlasstemperaturbeständigkeit. - Nickel: stabilisiert die martensitische Matrix in Richtung Zähigkeit, verringert die Anfälligkeit für Anlasseversprödung und verbessert das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit. - Minderbestandteile (Mn, Si, P, S, V) beeinflussen die Entgasung, die Bearbeitbarkeit und das Verhalten von Einschlüsse; Schwefel erhöht die Bearbeitbarkeit, kann jedoch die Korrosionsermüdung beeinträchtigen.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Beide Sorten bilden überwiegend Martensit nach Austenitisierung und Abschrecken. Im geglühten Zustand können sie Ferrit + Perlit oder angelassenen Martensit enthalten, abhängig von Prozess und Legierungsgehalt. - 420: nach Abschrecken und Anlassen ist die Mikrostruktur martensitisch mit Karbidniederschlägen (Chromkarbide). Höherer zurückgehaltener Kohlenstoff führt zu höherer Härte, aber mehr Karbiden, die als Rissinitiierungsstellen wirken können, wenn sie nicht korrekt angelassen werden. - 431: bildet Martensit mit einer feineren Verteilung von Karbiden und etwas zurückgehaltenem Austenit, abhängig von Austenitisierungs-/Abschreckmedium; Nickel fördert eine duktilere, zähere martensitische Matrix.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren: verfeinert die Korngröße und homogenisiert die Mikrostruktur; nützliches Vorbehandeln vor dem endgültigen Abschrecken und Anlassen. - Abschrecken & Anlassen: beide Sorten reagieren gut. 420 erreicht hohe Härte (kann in vielen Wärmebehandlungen ~50 HRC überschreiten), jedoch mit verringerter Zähigkeit bei höheren Härtegraden. 431, mit Nickel und höherem Cr, erreicht ein besseres Verhältnis von Zähigkeit zu Festigkeit nach Abschrecken & Anlassen und hat eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Anlasseweichung. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Vorteile werden hauptsächlich bei Stangen/Wellenprodukten realisiert, bei denen kontrolliertes Walzen vor dem Abschrecken die Kornstruktur verbessert; beide Stähle können durch kontrollierte Verarbeitung mit verbesserter Zähigkeit hergestellt werden, wobei 431 im Allgemeinen mehr Vorteile aufgrund seines Legierungsgehalts erzielt.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: typische mechanische Eigenschaften (repräsentative Bereiche; abhängig von Wärmebehandlung und Querschnittsgröße)

Eigenschaft (typisch)	420 (Q&T/angelassen)	431 (Q&T/angelassen)
Zugfestigkeit (MPa)	600 – 1200	700 – 1300
Streckgrenze (0.2% Rp0.2, MPa)	450 – 1000	600 – 1100
Dehnung (%)	8 – 20	8 – 18
Schlagzähigkeit (Charpy J)	niedrig bis moderat (abhängig von der Anlasstemperatur)	moderat bis hoch (besser als 420 bei ähnlicher Härte)
Härte (HRC)	Geglühte ~20; Q&T bis ~55+	Geglühte ~20–30; Q&T bis ~50–55

Interpretation: - 431 bietet im Allgemeinen eine höhere Streckgrenze und bessere Schlagzähigkeit bei vergleichbaren Zugfestigkeitsniveaus aufgrund von Ni und höherem Cr. Bei der gleichen Zielhärte zeigt 431 typischerweise weniger Versprödung und bessere Ermüdungsleistung. - 420 erreicht hohe Härte und Verschleißfestigkeit mit relativ einfacher Chemie und wird oft gewählt, wenn maximale Kantenhaltbarkeit oder Verschleißfestigkeit erforderlich sind und Zähigkeit/Korrosion sekundär sind.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit konzentrieren sich auf den Kohlenstoffäquivalent und das Vorhandensein von Legierungselementen, die die Härtbarkeit erhöhen und das Risiko von martensitischen Kaltverzügen erhöhen.

Nützliche Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Internationaler Parameter $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Höherer Kohlenstoff und höheres Cr/Mo/V erhöhen $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ — erhöhtes Risiko der Bildung von martensitischem HAZ und Kaltverzügen. Der höhere Kohlenstoffgehalt von 420 macht es tendenziell anfälliger für HAZ-Härtung und Rissbildung ohne Vorwärmung oder Nachschweißwärmebehandlung. - Der Nickelgehalt von 431 verringert die Schwere der Martensithärte in der schweißbetroffenen Zone und verbessert die Duktilität; daher zeigt 431 typischerweise eine bessere Lichtbogenschweißbarkeit als 420 bei ähnlichen Querschnittsdicken und Schweißprozessen. - Praktische Hinweise: Beide Sorten erfordern häufig Vorwärmung und kontrollierte Zwischentemperaturen für zuverlässiges Schweißen. Nachschweißanlassen oder PWHT ist für kritische Komponenten ratsam, um Restspannungen abzubauen und die HAZ-Härte zu reduzieren.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl 420 als auch 431 sind martensitische Edelstähle und sind nicht so korrosionsbeständig wie austenitische Sorten (z. B. 304/316). Sie verlassen sich auf ihren Chromgehalt zur Bildung passiver Filme.
• Die Verwendung von PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist für martensitische Stähle weniger verbreitet, aber die Formel lautet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index betont Mo und N für die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion; da weder 420 noch 431 signifikantes Mo oder N enthalten, ist PREN von begrenzter Anwendbarkeit.
• Praktisches Korrosionsverhalten:
• 420: moderate Korrosionsbeständigkeit in milden Umgebungen; anfällig für Loch- und Spaltkorrosion in Chloriden und für allgemeine Korrosion, wenn nicht ordnungsgemäß bearbeitet oder geschützt.
• 431: verbesserte allgemeine Korrosionsbeständigkeit gegenüber 420 aufgrund von höherem Chrom und Nickel; weit verbreitet in Meerwasser- und petrochemischen Anwendungen, wo bessere Widerstandsfähigkeit gegen Chlorstress und Korrosionsermüdung erforderlich ist.
• Nicht-eisenhaltige Oberflächenschutzmaßnahmen (für beide Sorten, wenn zusätzlicher Schutz erforderlich ist): Verzinkung ist für einige Formen möglich, kann jedoch für hochfeste Teile eingeschränkt sein; Lackierung, Umwandlungsbeschichtungen, Galvanisierung oder Passivierungsbehandlungen werden je nach Einsatz häufig angewendet.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• 420: gute Bearbeitbarkeit im geglühten Zustand; hohe Härte nach der Wärmebehandlung verringert die Bearbeitbarkeit und die Werkzeuglebensdauer. Schwefelhaltige Varianten oder zerspanbare Untergrade können verfügbar sein.
• 431: moderate Bearbeitbarkeit; zähere Matrix kann Werkzeugkräfte erhöhen, produziert jedoch bei kontrollierter Bearbeitung eine gute Oberflächenqualität. Die Bearbeitung erfolgt häufig im geglühten oder spannungsfreien Zustand vor der Härtung.
• Umformen und Biegen:
• Beide sind im geglühten Zustand formbar; Rückfederung und Verfestigungsverhalten erfordern Prozesskontrolle. Tiefziehen ist für dünne Abschnitte im geglühten Zustand möglich.
• Schleifen und Finishing:
• 420 im gehärteten Zustand wird häufig für Klingen und Verschleißteile verwendet; Schleifen und Polieren sind Standard-Finishing-Operationen.
• 431 lässt sich gut bearbeiten und kann auf eine glänzende Oberfläche poliert werden; seine bessere Zähigkeit reduziert Rissbildung während des Schleifens und aggressiven Finishings.

8. Typische Anwendungen

420 – Typische Anwendungen	431 – Typische Anwendungen
Besteck und Messer (Klingen, bei denen die Kantenhaltbarkeit im Vordergrund steht)	Luft- und Raumfahrt sowie hochfeste Befestigungen (Schrauben, Bolzen)
Chirurgische Instrumente und zahnärztliche Werkzeuge (häufig im gehärteten Zustand)	Pumpenwellen, Ventilkomponenten im petrochemischen und maritimen Einsatz
Wellenkäfige, Buchsen, kleine Verschleißteile	Wellen, Kupplungen, Torsionsstäbe, die eine Kombination aus Korrosions- und Festigkeitsanforderungen erfordern
Dekorative Verkleidungen, Beschläge, bei denen moderate Korrosionsbeständigkeit akzeptabel ist	Hochbelastete, korrosionsanfällige Komponenten (maritime Verschraubungen, hydraulische Kolben)

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 420 für Anwendungen, die Verschleißfestigkeit, Kantenhaltbarkeit, einfache Wärmebehandlung und niedrigere Materialkosten priorisieren, wenn die Korrosion im Einsatz begrenzt ist. - Wählen Sie 431 für Komponenten, die hohe Festigkeit, Zähigkeit und verbesserte Korrosionsbeständigkeit (insbesondere in chloridhaltigen oder dynamisch belasteten Umgebungen) kombinieren müssen, wo die zusätzlichen Materialkosten gerechtfertigt sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: 420 ist typischerweise günstiger als 431, da es wenig oder kein Nickel enthält; Nickel ist eines der kostspieligeren Legierungselemente. Der Nickel- und höhere Chromgehalt von 431 führt zu höheren Rohmaterialkosten.
• Verfügbarkeit: Beide sind gängige Industriequalitäten und sind weit verbreitet in Stangen-, Draht-, Flach- und Befestigungsformen erhältlich. Spezialgrößen oder Oberflächenbehandlungen können längere Lieferzeiten haben, und 431 kann in Rohstoffmärkten etwas weniger vorrätig sein als 420.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle, die die wichtigsten Kompromisse zusammenfasst:

Merkmal	420	431
Schweißbarkeit	Moderat–herausfordernd (hoher C)	Besser (Ni verbessert die Zähigkeit)
Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit	Hohe Härte, geringere Zähigkeit bei gleicher Härte	Bessere Zähigkeit bei vergleichbarer Festigkeit
Korrosionsbeständigkeit	Moderat	Besser (höheres Cr + Ni)
Kosten	Niedriger	Höher

Wählen Sie 420, wenn: - Die Hauptanforderung hohe Härte und Verschleiß- oder Kantenhaltbarkeit zu niedrigen bis moderaten Kosten ist. - Das Bauteil in einer relativ milden Umgebung arbeitet oder Schutzbeschichtungen erhält. - Bearbeitungs-/Finishing- und Härtungsverfahren gut kontrolliert sind und Schweißnähte minimal sind.

Wählen Sie 431, wenn: - Die Anwendung ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit, verbesserte Korrosionsbeständigkeit (insbesondere in chloridhaltigen Umgebungen) und bessere Widerstandsfähigkeit gegen Anlasseversprödung und Ermüdung erfordert. - Schweißbarkeit und Schlagfestigkeit wichtig sind und das Projektbudget höhere Materialkosten zulässt. - Das Bauteil dynamischen Belastungen, Meerwassereinwirkung oder Anforderungen an höhere Bruchzähigkeit ausgesetzt ist.

Letzter Hinweis: Überprüfen Sie immer die genauen chemischen und mechanischen Grenzen in Ihrer Einkaufsspezifikation und wählen Sie Wärmebehandlungspraktiken (Austenitisierungstemperatur, Abschreckmedium, Anlasstemperatur und eventuelle PWHT), um die Konstruktionsanforderungen für Härte, Zähigkeit und Korrosionsverhalten zu erfüllen.