420 vs 440C – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
420 und 440C sind zwei weit verbreitete martensitische Edelstähle, die häufig in Beschaffungslisten für Teile erscheinen, die ein Gleichgewicht zwischen Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern. Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Kompromiss zwischen Kosten, Bearbeitbarkeit und der für ein Teil erforderlichen Härte/Verschleißfähigkeit: Die richtige Wahl hängt von den Betriebsbelastungen, der Oberflächenbeschaffenheit und der erwarteten korrosiven Umgebung ab.
Der wesentliche praktische Unterschied zwischen diesen Werkstoffen ist ihre Legierungsstrategie: Der eine ist ein martensitischer Edelstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und moderatem Chrom, der Korrosionsbeständigkeit und angemessene Zähigkeit bietet; der andere ist ein hochkohlenstoffhaltiger, hochchromhaltiger martensitischer Edelstahl, der darauf ausgelegt ist, eine signifikante Menge harter Chromkarbide zu bilden, um eine überlegene Verschleißfestigkeit und höhere erreichbare Härte zu erzielen. Dieser Unterschied beeinflusst ihr divergentes Wärmebehandlungsverhalten, ihre mechanischen Eigenschaften, Schweißbarkeit und Anwendungsbereiche.
1. Normen und Bezeichnungen
- 420:
- Übliche Bezeichnungen: UNS S42000, EN X46Cr13 (oder X20Cr13 je nach Variante), JIS SUS420J1 / SUS420J2.
- Typische Normen: ASTM A276 (Edelstahlstangen, Stangen und Formen), ASME, EN, JIS.
- Kategorie: Martensitischer Edelstahl (Edelstahl-Werkzeug-/Messerstahl).
- 440C:
- Übliche Bezeichnungen: UNS S44004, EN X105CrMo17 (historisch), JIS SUS440C.
- Typische Normen: AMS, ASTM A582 / A666 (einige Produktformen), EN, JIS.
- Kategorie: Hochkohlenstoffmartensitischer Edelstahl/Werkzeugstahl.
420 wird allgemein angegeben, wo moderate Korrosionsbeständigkeit und moderate Härte ausreichen; 440C wird angegeben, wo höhere Härte, Verschleißfestigkeit und Schneideneinhaltung erforderlich sind.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | 420 (typische Bereiche, Gew.% ) | 440C (typische Bereiche, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | 0.15 – 0.40 | 0.95 – 1.20 |
| Mn (Mangan) | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| Si (Silizium) | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P (Phosphor) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S (Schwefel) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (Chrom) | 12.0 – 14.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni (Nickel) | ≤ 0.60 | ≤ 0.50 |
| Mo (Molybdän) | Spuren – ≤ 0.60 (Variante) | Spuren – ≤ 0.75 (einige Spezifikationen) |
| V, Nb, Ti, B, N | typischerweise Spuren/keine | typischerweise Spuren/keine |
Hinweise: - Die oben genannten Werte sind repräsentative Bereiche aus gängigen Spezifikationen und Produktdatenblättern; die genaue Zusammensetzung hängt von der Norm und dem Hersteller ab. - Der deutlich höhere Kohlenstoff- und Chromgehalt von 440C fördert einen höheren Volumenanteil harter Chromkarbide (hauptsächlich M23C6/M7C3-Typen in praktischen Mikrostrukturen), was die Verschleißfestigkeit und die erreichbare Härte erhöht. - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von 420 führt zu weniger Karbiden und einer duktileren Martensitmatrix nach Abschrecken und Anlassen, was die Zähigkeit und Bearbeitbarkeit im Vergleich zu 440C verbessert.
Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Kohlenstoff steuert die Härtbarkeit und die maximal erreichbare Härte nach Abschrecken/Anlassen; höherer Kohlenstoff → höhere Härte, aber reduzierte Zähigkeit und Schweißbarkeit. - Chrom bietet Korrosionsbeständigkeit, indem es einen passiven Oxidfilm bildet; höherer Cr verbessert im Allgemeinen die Beständigkeit, aber starke Karbidniederschläge können lokal das Matrixchromium erschöpfen. - Legierungselemente wie Mo (wenn vorhanden) können die Lochkorrosionsbeständigkeit und Härtbarkeit verbessern; Mn und Si sind Verarbeitungselemente und Deoxidationselemente mit bescheidenen mikrostrukturellen Effekten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Beide Werkstoffe sind martensitische Edelstähle in gängigen wärmebehandelten Zuständen, aber ihre Mikrostrukturen unterscheiden sich erheblich:
- 420:
- Mikrostruktur nach dem Abschrecken: überwiegend Martensit mit relativ niedrigem Karbidvolumenanteil; Karbide sind feiner und weniger.
- Wärmebehandlung: Austenitisieren (typischer Bereich ~980–1030 °C je nach Spezifikation), Abschrecken (Öl/Luft je nach Querschnittsgröße), Anlassen auf die erforderliche Härte (Anlassen zwischen ~150–600 °C). Die maximal praktische Härte wird durch den Kohlenstoffgehalt begrenzt (oft bis zu ~48–52 HRC für hoch-C-Varianten).
-
Reaktion: gute Reaktion auf konventionelle Abschreck- & Anlaszyklen; geringerer verbleibender Austenitanteil; Anlassen verbessert die Zähigkeit.
-
440C:
- Mikrostruktur nach dem Abschrecken: martensitische Matrix mit einem signifikanten Volumenanteil an chromreichen Karbiden. Die Karbidverteilung ist ein wesentlicher Beitrag zur Verschleißfestigkeit.
- Wärmebehandlung: Austenitisieren typischerweise im Bereich ~1010–1070 °C, Abschrecken (Öl oder Luft für kleine Querschnitte), Anlassen je nach Zielhärte. Kryogene Behandlungen werden manchmal verwendet, um den verbleibenden Austenit zu reduzieren und ihn in Martensit umzuwandeln, gefolgt von einer Niedertemperaturanlassung zur Stabilisierung der Härte.
- Reaktion: hoher Kohlenstoff ermöglicht sehr hohe Härte nach dem Abschrecken, erhöht jedoch auch das Risiko von Verzug und Rissbildung. Anlassen tauscht Härte gegen Zähigkeit; optimales Anlassen balanciert die verbleibende Härte gegen das Risiko spröden Versagens.
Normalisieren, wiederholtes Anlassen oder subzero Behandlungen haben unterschiedliche Ergebnisse: 440C profitiert mehr von Karbidkontrolle und Kryobehandlungen, um Härte und dimensionsstabilität zu maximieren, während 420 in thermischen Zyklen nachsichtiger ist.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | 420 (typisch, zustandsabhängig) | 440C (typisch, zustandsabhängig) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Moderat bis hoch nach der Härtung; steigt mit höherem C- und Martensitanteil | Allgemein höhere maximale Zugfestigkeit nach der Härtung aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts |
| Streckgrenze | Moderat; abhängig von der Wärmebehandlung | Höher, wenn vollständig gehärtet |
| Dehnung (Duktilität) | Höhere Duktilität (geglüht oder angelassen) — bessere Formbarkeit | Geringere Dehnung bei Härtung; kann spröde sein, wenn übergeglüht |
| Schlagzähigkeit | Bessere Zähigkeit im Vergleich zu 440C (gleiche Härteklasse) | Geringere Zähigkeit aufgrund der Karbidpopulation und höheren Härte |
| Härte (HRC) | Typischerweise bis zu ~48–52 HRC (höhere-C-Varianten nähern sich dem oberen Ende) | Typischerweise bis zu ~58–64 HRC im richtig gehärteten und angelassenen Zustand |
Qualitative Erklärung: - 440C erreicht höhere Härte und Verschleißfestigkeit, weil sein höherer Kohlenstoff eine größere Menge harter Chromkarbide in der martensitischen Matrix bildet. Dies erhöht die Zug- und Druckfestigkeit, verringert jedoch die Zähigkeit und Duktilität. - 420, mit niedrigerem Kohlenstoff und weniger Karbiden, bietet bessere Zähigkeit und Bearbeitbarkeit, kann jedoch die Schneideneinhaltung oder Verschleißfestigkeit von 440C nicht erreichen.
Hinweis: Exakte mechanische Werte hängen stark von der Produktform (Stange, Platte), der Querschnittsgröße und den genauen Wärmebehandlungsparametern ab. Die Datenblätter der Lieferanten sollten für Konstruktionsberechnungen herangezogen werden.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffäquivalent und die Härtbarkeit beeinflusst. Zwei gängige empirische Indizes:
-
IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Deutsches Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Der deutlich höhere Kohlenstoff- und Chromgehalt von 440C erhöht $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$, was auf eine höhere Neigung hinweist, harte martensitische Mikrostrukturen in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) zu bilden und daher ein höheres Risiko für Kaltverzug und Wasserstoffversprödung darstellt. Vorwärmen, kontrollierte Wärmezufuhr, Verwendung von wasserstoffarmen Verbrauchsmaterialien und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) sind im Allgemeinen erforderlich, um ein problemloses Schweißen von 440C zu gewährleisten. - 420, mit niedrigerem Kohlenstoff, hat im Vergleich eine bessere Schweißbarkeit, erfordert jedoch dennoch Aufmerksamkeit: Vorwärmen und Nachschweißanlassen können für kritische Anwendungen empfohlen werden, um harte martensitische HAZ zu vermeiden und Restspannungen abzubauen. - In der Praxis sind beide Werkstoffe nicht so schweißbar wie austenitische Edelstähle; das Schweißen wird oft für kritische, hochfeste 440C-Komponenten vermieden. Die Fertigung durch Bearbeitung aus Stangenmaterial ist üblich.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- 420:
- Mit einem Chromgehalt von etwa 12–14 % bietet 420 moderate Korrosionsbeständigkeit in milden Atmosphären und gegenüber leichten Chemikalien. Es wird häufig in Besteck und weniger aggressiven Umgebungen verwendet. Die Oberflächenbearbeitung (Polieren, Passivieren) verbessert die Korrosionsbeständigkeit.
- Für aggressive oder marine Umgebungen wird zusätzlicher Schutz wie Beschichtung, Beschichtung oder die Spezifikation eines höherlegierten Edelstahls empfohlen.
- 440C:
- Höherer Chrom verbessert nominal die Korrosionsbeständigkeit, aber der hohe Karbidvolumenanteil und die Karbidniederschläge während der Wärmebehandlung können lokal das Chrom in der Matrix erschöpfen und die Lochkorrosionsbeständigkeit verringern. In neutralen bis leicht korrosiven Umgebungen schneidet 440C ausreichend ab; in stark korrosiven oder chlorhaltigen Umgebungen ist es ohne Oberflächenschutz nicht optimal.
- PREN (nicht normalerweise entscheidend für diese martensitischen Grade, aber informativ für die Lochkorrosionsbeständigkeit): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Für 420 und 440C sind die PREN-Werte bescheiden, da Mo und N niedrig oder nicht vorhanden sind; PREN ist relevanter für austenitische/ferritische Edelstähle mit signifikantem Mo und N.
- Oberflächenschutzoptionen für nicht geeignete Korrosionsumgebungen: chemisch Nickel, Chrombeschichtung, PVD-Beschichtungen, Passivierung, Lackierung oder die Spezifikation einer korrosionsbeständigen Alternativlegierung.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- 420: leichter zu bearbeiten im geglühten Zustand; hochkohlenstoffhaltige 420HC-Varianten sind herausfordernder, aber immer noch einfacher als 440C. Gute Oberflächenqualität ist erreichbar.
- 440C: schwieriger zu bearbeiten aufgrund der hohen Härte und abrasiven Chromkarbide; empfohlen wird, im weicheren geglühten Zustand zu bearbeiten und nach der Härtung zu schleifen. Der Werkzeugverschleiß ist höher; verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge, reduzierte Vorschübe und Kühlmittel.
- Formbarkeit und Biegen:
- 420: bessere Biegbarkeit und Formgebung im geglühten Zustand; angelassene Teile sind weniger duktil.
- 440C: begrenzte Formgebung nach der Härtung; übliche Praxis ist es, die Formgebung und Bearbeitung im geglühten Zustand durchzuführen und dann auf die endgültige Härte zu wärmebehandeln.
- Oberflächenbearbeitung:
- 440C kann auf hohen Glanz poliert werden, erfordert jedoch mehr Schleif-/Polieraufwand nach der Härtung. 420 lässt sich vergleichsweise leicht polieren und nimmt die Passivierung gut an.
8. Typische Anwendungen
| 420 — Typische Anwendungen | 440C — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Besteck und Küchenmesser (Einsteiger- bis Mittelklasse) | Hochwertiges Besteck und Messer, die eine überlegene Schneideneinhaltung erfordern |
| Chirurgische Instrumente und zahnärztliche Werkzeuge (einige Typen) | Verschleißteile: Ventilkugeln, Sitze, Lager, Buchsen |
| Wellen, Spindeln, Pumpenkomponenten in mäßig korrosiven Medien | Präzisionskugellager, Rollen, Nocken, Verschleißplatten |
| Dekorative Beschläge, Befestigungen, Verkleidungen | Schneidwerkzeuge und Matrizen, bei denen sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch Verschleißfestigkeit erforderlich sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 420 für Anwendungen, die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit zu niedrigeren Kosten priorisieren und bei denen extreme Härte nicht erforderlich ist. - Wählen Sie 440C für Anwendungen, bei denen Verschleißfestigkeit, Schneideneinhaltung und die Fähigkeit, sehr hohe Härte zu erreichen, die Hauptanforderungen sind und bei denen eine Nachbehandlung (Schleifen, Polieren) akzeptabel ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: 440C ist typischerweise teurer pro Kilogramm als 420 aufgrund des höheren Legierungsgehalts, strengerer Prozesskontrolle und der Nachfrage in Werkzeug-/Verschleißmärkten. Spezialisierte Produktformen (präzisionsgeschliffene Stangen, vorgehärtetes Material) für 440C können einen weiteren Aufpreis haben.
- Verfügbarkeit: Beide Werkstoffe sind weit verbreitet in Stangen, Platten und Stäben, aber die Produktformen unterscheiden sich. 420 ist allgegenwärtig in Besteck und allgemeinen Edelstahlmärkten. 440C ist leicht verfügbar in präzisen Stangen und Rundmaterial für Werkzeug- und Lageranwendungen, ist jedoch weniger verbreitet in großen Plattengrößen.
- Beschaffungstipp: Der Kauf in gängigen Produktgrößen und vorgehärteten Zuständen kann die Lieferzeit und die Kosten reduzieren; maßgeschneiderte Wärmebehandlungen oder zusätzliche Bearbeitungen (Schleifen/Kryobehandlungen) erhöhen den Kaufpreis und die Lieferzeit.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 420 | 440C |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedriger C) — erfordert dennoch Kontrollen | Schlechter (hoher C & Cr) — Vorwärmen/PWHT oft erforderlich |
| Stärke-Zähigkeit-Kompromiss | Bessere Zähigkeit bei moderater Stärke | Höhere maximale Härte & Verschleißfestigkeit, geringere Zähigkeit |
| Kosten | Niedriger | Höher |
Empfehlungen: - Wählen Sie 420, wenn: - Sie moderate Korrosionsbeständigkeit mit angemessener Zähigkeit und Bearbeitbarkeit benötigen. - Kosten, Formbarkeit und einfachere Fertigung/Schweißung Priorität haben. - Die Anwendung moderate Verschleiß- oder Schlagbelastungen umfasst, bei denen extrem hohe Härte nicht erforderlich ist. - Wählen Sie 440C, wenn: - Maximale Härte, Verschleißfestigkeit und Schneideneinhaltung entscheidend sind (Lagerläufe, Ventilsitze, hochwertige Messer). - Sie komplexere Wärmebehandlungen, Nachbearbeitungen (Schleifen, Polieren) und strengere Schweißvorkehrungen akzeptieren können oder die Bearbeitung aus vorgehärtetem Material bevorzugen. - Die Betriebsumgebung nicht hochkorrosiv ist oder Sie planen, Oberflächenschutz anzuwenden.
Abschließende Anmerkung: Sowohl 420 als auch 440C sind nützliche martensitische Edelstahloptionen; die Wahl sollte durch das Gleichgewicht zwischen erforderlicher Härte/Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, Bearbeitungsfreundlichkeit und Korrosionsumgebung bestimmt werden. Für kritische Komponenten sollten der Wärmebehandlungszustand spezifiziert und die mechanischen Prüfdaten des Lieferanten angefordert werden, um sicherzustellen, dass die gelieferte Mikrostruktur und die Eigenschaften den Konstruktionsanforderungen entsprechen.