420 vs 440A – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
AISI 420 und AISI 440A sind martensitische rostfreie Stähle, die häufig in Betracht gezogen werden, wenn ein Gleichgewicht zwischen Korrosionsbeständigkeit, Härte und Kosten erforderlich ist. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen regelmäßig vor einem Kompromiss: niedriglegierte Sorten, die einfacher zu formen und zu schweißen sind, im Vergleich zu höherem Kohlenstoff- und Chromgehalt, die eine größere Härtbarkeit und Kantenhaltbarkeit erreichen. Typische Entscheidungskontexte umfassen Besteck- und Klingenentwurf, Ventil- und Pumpenkomponenten, Wälzlager und Komponenten, die lokale Verschleißbeständigkeit erfordern.
Der wesentliche praktische Unterschied zwischen den beiden besteht in einem Kompromiss zwischen erreichbarer Härte/Verschleißbeständigkeit und erhaltenem Zähigkeit/Dienstduktilität: 440A ist so formuliert, dass es nach der Wärmebehandlung eine höhere Härte und Verschleißbeständigkeit erreicht, während 420 relativ bessere Zähigkeit, einfachere Verarbeitung und verbesserte Schweißbarkeit und Formbarkeit in vielen Produktionswegen bietet. Da beide martensitische rostfreie Sorten sind, werden sie häufig für mittlere rostfreie Werkzeug- und Besteckanwendungen verglichen.
1. Normen und Bezeichnungen
- 420: Häufig unter AISI/ASTM/UNS als AISI 420 (UNS S42000) referenziert; äquivalente Sorten erscheinen in EN- und JIS-Listen (häufig unter martensitischen rostfreien Bezeichnungen). Klassifiziert als martensitischer rostfreier Stahl.
- 440A: Ein Mitglied der 440-Familie (AISI 440A, UNS S44001), auch in verschiedenen nationalen Normen vertreten. Klassifiziert als martensitischer rostfreier Stahl.
Kategoriezusammenfassung: - 420: Martensitischer rostfreier Stahl (rostfreier Werkzeug-/Messerstahl). - 440A: Martensitischer rostfreier Stahl (höherlegierter, höherchromhaltiger rostfreier Werkzeug-/Messerstahl).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche für kommerzielle 420- und 440A-Sorten; die Bereiche variieren je nach Norm und Anbieter. Die Werte sind Gewichtsprozent.
| Element | 420 (typischer Bereich, wt%) | 440A (typischer Bereich, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.15 – 0.40 | 0.60 – 0.75 |
| 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 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | — (in der Regel Spur) | — (in der Regel Spur) |
| Mo | — (typischerweise keiner) | — (typischerweise keiner) |
| V | — (typischerweise keiner) | — (typischerweise keiner) |
| Nb / Ti / B / N | Spur / nicht spezifiziert | Spur / nicht spezifiziert |
Wie die Legierung die Leistung beeinflusst: - Kohlenstoff: Primärer Treiber der Härtbarkeit und erreichbaren martensitischen Härte. Höherer Kohlenstoff (440A) ermöglicht höhere Härte nach dem Abschrecken und überlegene Kantenhaltbarkeit, jedoch auf Kosten der Zähigkeit und Schweißbarkeit. - Chrom: Bietet Korrosionsbeständigkeit und trägt zur Härtbarkeit durch Karbidbildung bei. Der höhere Cr-Gehalt von 440A sorgt in vielen Umgebungen für ein etwas besseres passives Verhalten. - Mn, Si, Spurenelemente: Beeinflussen die Entgasung, das Kornverhalten und die Härtbarkeit, sind jedoch im Vergleich zu C und Cr in diesen Sorten sekundär.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Typische Mikrostrukturen: - Im geglühten Zustand sind beide Sorten weitgehend ferritisch/perlitisch, abhängig von der genauen Chemie und Verarbeitung, aber sie sind am nützlichsten, wenn sie durch Wärmebehandlung in Martensit umgewandelt werden. - Nach Lösungsglühen und Abschrecken bilden beide Martensit plus Chromkarbide. 440A produziert aufgrund des höheren C- und Cr-Gehalts mehr und härtere Karbide, was die Verschleißbeständigkeit erhöht. - Das Anlassen erzeugt angelassenen Martensit mit Karbidverteilung und Ansprechverhalten, das vom Kohlenstoffgehalt abhängt.
Wärmebehandlungswege und -effekte: - Glühen: Weicher, zerspanbarer Zustand zum Formen und Bearbeiten (Ferrit/Perlit). - Härten (Austenitisieren → Abschrecken → Anlassen): Austenitisierungstemperatur und Abschreckmedium steuern die Menge an retained Austenit, Karbidauflösung und endgültige Härte. 440A erreicht mit seinem höheren Kohlenstoff eine höhere Härte für einen gegebenen Austenitisierungs-/Anlasszeitplan, ist jedoch anfälliger für Rissbildung durch Abschreckspannungen. - Normalisieren: Wird verwendet, um die Korngröße vor der endgültigen Härtung zu verfeinern; vorteilhaft für die Zähigkeit. - Thermomechanische Verarbeitung: Weniger häufig angewendet als bei Baustählen, aber kontrolliertes Schmieden und kontrolliertes Abkühlen können die Eigenschaften durch Steuerung der Korngröße und Karbidverteilung verbessern.
Praktischer Hinweis: Präzise Anlasstemperaturen müssen ausgewählt werden, um ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit zu gewährleisten; der höherlegierte 440A erfordert eine sorgfältige Anlasstemperatur, um Versprödung zu vermeiden und gleichzeitig die Härte zu erhalten.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgende Tabelle gibt qualitative bis typische Vergleiche. Tatsächliche Werte hängen stark von der Wärmebehandlung und der Produktform ab.
| Eigenschaft | 420 (typisch) | 440A (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | Mäßig — hängt vom Anlassen ab; typischerweise niedriger als 440A | Höher — erreichbare Maximalwerte übersteigen 420, wenn vollständig gehärtet |
| Streckgrenze (MPa) | Mäßig | Höher in hochharten Bedingungen |
| Dehnung (%) | Höher (bessere Duktilität im äquivalenten Zustand) | Niedriger (reduzierte Duktilität bei gehärtetem Zustand) |
| Schlagzähigkeit | Bessere erhaltene Zähigkeit bei vergleichbarer Härte | Niedrigere Zähigkeit bei vergleichbarer Härte; spröder, wenn vollständig gehärtet |
| Härte (HRC, angelassen) | Typischerweise bis ~48–52 HRC, abhängig von C und Prozess | Typischerweise höher; mittlere 50er HRC mit korrekter Wärmebehandlung erreichbar |
Interpretation: - 440A erreicht im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit und höhere maximale Härte aufgrund des höheren Kohlenstoff- und Chromgehalts. Dies verbessert die Verschleiß- und Kantenhaltungsleistung. - 420 behält relativ bessere Duktilität und Schlagfestigkeit bei moderaten Härtegraden, was es weniger wahrscheinlich macht, dass es unter Stoß- oder Biegebelastungen katastrophal versagt.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit von martensitischen rostfreien Stählen konzentrieren sich auf den Kohlenstoffgehalt, die Härtbarkeit und die Mikrolegierung.
Wichtige prädiktive Formeln, die häufig verwendet werden (hier qualitativ interpretieren): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Schweißbarkeitsparameter): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Höhere $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ impliziert eine größere Neigung zu harten, spröden wärmebeeinflussten Zonen und Rissrisiko nach dem Schweißen. - 420 hat einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt und einen niedrigeren Härtbarkeitsindex als 440A, sodass 420 im Allgemeinen einfacher zu schweißen ist (mit Vorwärmung und Nachbehandlung nach dem Schweißen, wie erforderlich). Der höhere Kohlenstoff- und Chromgehalt von 440A erhöht das Risiko der Bildung von HAZ-Martensit und Rissbildung, sodass das Schweißen von 440A strenge Kontrollen erfordert: Vorwärmung, Interpass-Temperaturkontrolle, Niedrigwasserstoffpraxis und Nachbehandlung, um spröden Martensit zu erweichen. - Die Verwendung von passenden Füllmetallen ist wichtig; in vielen Fällen wird ein Füllmaterial mit niedrigerem Kohlenstoff- oder nickelbasiertem Schweißmetall gewählt, um das Rissrisiko zu verringern.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 420 als auch 440A sind aufgrund des Chromgehalts rostfrei, aber ihre Korrosionsbeständigkeit ist im Vergleich zu austenitischen Sorten (304/316) mäßig. 420 (12–14% Cr) bietet akzeptable Beständigkeit in leicht korrosiven Umgebungen; 440A (16–18% Cr) bietet typischerweise eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufgrund des höheren Chromgehalts und einer stabileren passiven Schicht in vielen wässrigen Umgebungen.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) kann für rostfreie Legierungen, die Mo und N enthalten, berechnet werden mit: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$. Für 420 und 440A sind Mo und N typischerweise vernachlässigbar, sodass PREN von begrenztem Nutzen ist.
- Nicht-rostfreier Schutz: Wenn eine höhere Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, sind Oberflächenbehandlungen (Galvanisieren, Lackieren, Beschichten) und kathodischer Schutz oder Verzinkung Optionen für nicht-rostfreie Äquivalente — aber für diese martensitischen Stähle ist der übliche Ansatz, eine korrosionsbeständigere rostfreie Sorte auszuwählen oder schützende Beschichtungen aufzubringen, da das Verzinken auf martensitischen rostfreien Stählen für Präzisionsteile unüblich ist.
- Praktischer Hinweis: Polieren und Passivieren beeinflussen die Leistung erheblich; 440A mit gut polierten Oberflächen und Passivierung kann eine bessere lokale Korrosionsbeständigkeit als 420 erreichen.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Zerspanbarkeit: Im geglühten Zustand sind beide Sorten zerspanbar. 420, mit niedrigerem Kohlenstoff und weniger Karbidniederschlag, ist im Allgemeinen einfacher auf Maß zu bearbeiten im geglühten Zustand. Der höhere Kohlenstoff und die Karbidbildungstendenz von 440A verringern die Zerspanbarkeit, insbesondere im gehärteten Zustand.
- Formbarkeit und Biegen: Beide sind im kalten Formen im gehärteten Zustand eingeschränkt. Im geglühten Zustand ist 420 einfacher zu formen. 440A erfordert aggressivere Formparameter oder muss in weicherem, lösungsgeglühten Zustand zur Verfügung gestellt werden, um geformt zu werden.
- Schleifen und Finishing: 440A kann aufgrund der härteren Karbidpartikel nach der Wärmebehandlung abrasiver für Werkzeuge sein; beide können auf die hohen Oberflächenfinishs geschliffen und poliert werden, die für Besteck und chirurgische Instrumente erforderlich sind.
- Oberflächenfinish: Beide reagieren gut auf mechanisches Polieren und elektrochemisches Polieren. Beachten Sie, dass die Karbidverteilung die Qualität des Kantenpolierens beeinflusst.
8. Typische Anwendungen
| 420 — Typische Anwendungen | 440A — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Besteck und Küchenmesser, wo Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu moderaten Kosten benötigt werden | Besteck und Klingen, wo überlegene Kantenhaltbarkeit und höhere Härte priorisiert werden |
| Chirurgische Instrumente (bestimmte Typen) und zahnärztliche Werkzeuge, wo Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit wichtig sind | Wälzlager, Ventilkomponenten und Verschleißteile, die höhere Oberflächenhärte erfordern |
| Wellen, Befestigungen und Pumpenkomponenten in mäßig korrosiven Umgebungen | Kleine Verschleißkomponenten und hochverschleißfeste Hardware, wo häufiges Nachschleifen akzeptabel ist |
| Dekorative Hardware und Beschläge | Präzisionsbesteck, kleine Klingen, Uhrenfedern (ausgewählte Anwendungen) |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 420, wenn Zähigkeit im Einsatz, Formbarkeit und Schweißbarkeit Prioritäten sind und wenn eine moderate Korrosionsbeständigkeit ausreicht. - Wählen Sie 440A, wenn höhere Härte und Kantenhaltbarkeit die primären Entwurfsfaktoren sind und wenn ein höherer Chromgehalt vorteilhaft für die lokale Korrosionsbeständigkeit ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 420 hat typischerweise einen niedrigeren Legierungsgehalt (weniger Chrom) und ist im Allgemeinen günstiger pro Kilogramm als 440A. Der höhere Chromgehalt und die strengere Kontrolle über den Kohlenstoff von 440A erhöhen die Kosten etwas.
- Verfügbarkeit: Beide sind weit verbreitet in Stab, Platte, Band und Draht von rostfreien Lieferanten; 420 wird häufig für Besteck und Hardware vorrätig gehalten, 440A ist ein Standard-Besteck-/Wälzlagerrostfrei und ebenfalls häufig verfügbar. Bestimmte Produktformen (dünnes Band, poliert auf Besteckfinish, Präzisionsstäbe oder Spezialschmiedeteile) können Lieferzeiten haben, die je nach Anbieter variieren.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Merkmal | 420 | 440A |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedrigerer C, weniger Härtbarkeit) | Niedriger (höherer C, Vorwärmung/PWHT oft erforderlich) |
| Stärke-Zähigkeit-Balance | Bessere Zähigkeit bei vergleichbarer Härte; moderate Stärke | Höhere maximale Härte und Stärke; niedrigere Zähigkeit bei gehärtetem Zustand |
| Kosten | Niedriger | Höher |
| Korrosionsbeständigkeit | Mäßig (12–14% Cr) | Bessere lokale Korrosionsbeständigkeit (16–18% Cr) |
| Zerspanbarkeit (geglüht) | Gut | Mäßig bis weniger (aufgrund der Karbidbildung) |
Schlussfolgerung mit direkten Empfehlungen: - Wählen Sie 420, wenn Sie einen martensitischen Rostfreien benötigen, der einfacher zu formen und zu schweißen ist, ein gutes Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu niedrigeren Kosten bietet oder wenn Teile Stoß- oder Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind (zum Beispiel: Allzweckbesteck, mäßig belastbare Wellen, Befestigungen und chirurgische Instrumente, bei denen extreme Kantenhärte nicht erforderlich ist). - Wählen Sie 440A, wenn Ihr Design höhere Härte, Kantenhaltbarkeit und Verschleißbeständigkeit mit verbesserter lokaler Korrosionsbeständigkeit priorisiert (zum Beispiel: Messer, bei denen die Lebensdauer der Kante entscheidend ist, kleine Wälzlagerkomponenten oder Verschleißteile), und Sie die Notwendigkeit für strengere Wärmebehandlungssteuerungen, reduzierte Zähigkeit und kontrolliertere Schweißverfahren akzeptieren können.
Abschließende praktische Hinweise: - Geben Sie immer den erforderlichen Wärmebehandlungszustand und die Härte in den Beschaffungsunterlagen an. Bewerten Sie den gesamten Fertigungsfluss (Formen, Schweißen, Wärmebehandlung, Finishing), bevor Sie die Sorte auswählen. Im Zweifelsfall über Stoßbelastungen im Einsatz oder Schweißanforderungen ziehen Sie die Sorte mit größerer Duktilität (420) vor oder konsultieren Sie einen Metallurgen für angepasste Chemie/Verarbeitung, um konkurrierende Anforderungen zu erfüllen.