431 vs 440C – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

AISI/SAE 431 und 440C sind zwei weit verbreitete martensitische Edelstähle, die häufig um Anwendungen konkurrieren, die ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen vor dem Auswahldilemma, ob sie eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit oder ein besseres Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu angemessenen Kosten priorisieren. Typische Entscheidungskontexte umfassen Lager, Ventilkomponenten, Befestigungen, Wellen sowie Anwendungen für Messer oder Werkzeuge, bei denen der Wärmebehandlungsweg, die Oberflächenbeschaffenheit und die Umgebung die optimale Wahl bestimmen.

Der wesentliche Unterschied zwischen diesen Werkstoffen liegt in ihrer Legierungsstrategie: Der eine ist so formuliert, dass er sehr hohe Härte und Verschleißfestigkeit durch erhöhten Kohlenstoff- und Chromgehalt (440C) liefert, während der andere einige potenzielle Spitzenhärten opfert, um verbesserte Zähigkeit und erhöhte Korrosionsbeständigkeit durch zusätzliche Legierung (431) zu erreichen. Dieser Kompromiss liegt den Unterschieden in der Reaktion auf die Wärmebehandlung, der Bearbeitbarkeit, der Schweißbarkeit und den typischen Anwendungen zugrunde.

1. Normen und Bezeichnungen

• Gemeinsame internationale Normen und Bezeichnungen:
• AISI/SAE: 431, 440C
• ASTM/ASME: Verschiedene ASTM-Spezifikationen beziehen sich auf diese Legierungen in Stab-, Draht- oder gezogenen Produkten (konsultieren Sie spezifische ASTM-Produktstandards)
• EN: Nächste Äquivalente werden manchmal den EN-martensitischen Edelstahlkategorien zugeordnet (prüfen Sie die Herstellerdatenblätter)

• JIS/GB: Japanische und chinesische Normen haben ähnliche martensitische Edelstahlsorten; konsultieren Sie Umrechnungstabellen, wenn genaue Äquivalente erforderlich sind.

• Klassifizierung:

• 431: Martensitischer Edelstahl (Edellegierung mit mittlerem bis hohem Chromgehalt, mit Nickel und kleinen Mo-Zugaben) — verwendet, wo höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als bei gewöhnlichen Kohlenstoffstählen erforderlich sind.
• 440C: Hochkohlenstoff-martensitischer Edelstahl / Werkzeugstahl — optimiert für Härte und Verschleißfestigkeit; gilt als rostfreier Werkzeugstahl.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Nachfolgend finden Sie eine prägnante Zusammensetzungstabelle, die typische nominale Bereiche zeigt, die in Lieferantendaten und gängigen Spezifikationen vorkommen. Dies sind ungefähre Bereiche — überprüfen Sie immer anhand des spezifischen Werkszertifikats oder der Norm, die für die beabsichtigte Produktform angegeben ist.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Kohlenstoff: Der entscheidende Unterschied — hoher Kohlenstoffgehalt in 440C erzeugt einen höheren Volumenanteil an Martensit mit Karbiden, was nach dem Härten/Anlassen eine viel höhere Härte und Verschleißfestigkeit ermöglicht. Niedrigerer Kohlenstoff in 431 mäßigt die Spitzenhärte, um die Zähigkeit zu erhalten. - Chrom: Beide Sorten sind martensitische Edelstähle mit vergleichbarem Chromgehalt für Passivität; in Kombination mit Kohlenstoff beeinflusst Cr die Karbidbildung und die Härtbarkeit. - Nickel und Molybdän: In 431 vorhanden, um die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit zu verbessern; 440C verzichtet typischerweise auf signifikante Ni- und Mo-Zugaben, um karbidbildendes Cr und hohen Kohlenstoff für die Verschleißfestigkeit zu begünstigen. - Karbidbildner (Cr, V): Fördern harte Karbide in 440C, verbessern die Verschleißfestigkeit, verringern jedoch die Zähigkeit.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostrukturen:
• 431: Martensitische Matrix mit relativ weniger großen Karbiden. Wenn richtig austenitisiert, gehärtet und angelassen, bietet 431 angelassenen Martensit mit guter Zähigkeit und einer moderaten Menge feiner Karbide. Es reagiert gut auf das Anlassen, um ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität zu erreichen.

• 440C: Martensitische Matrix, die stark mit chromreichen Karbiden (M23C6 und ähnlichen Typen) aufgrund des hohen Kohlenstoff- und Chromgehalts bevölkert ist. Nach der Härtung enthält die Mikrostruktur einen hohen Volumenanteil an harten Karbiden, die in Martensit eingebettet sind, was hohe Härte und Verschleißfestigkeit, aber geringere Schlagzähigkeit erzeugt.

• Empfindlichkeit gegenüber Wärmebehandlung:

• Austenitisierungstemperatur und -zeit steuern die Karbidauflösung. 440C erfordert eine sorgfältige Austenitisierungskontrolle, um übermäßiges Kornwachstum oder zurückgehaltene Austenit zu vermeiden. Anschließendes Härten zur Bildung von hartem Martensit, gefolgt von Anlassen bei niedrigen bis mittleren Temperaturen, erreicht die Zielhärte; jedoch verringert Überanlassen die Härte erheblich.
• 431 toleriert ein breiteres Anlasfenster, was das Anlassen auf höhere Temperaturen ermöglicht, um Festigkeit gegen Zähigkeit nach Bedarf zu tauschen.
• Thermomechanische Bearbeitung (kontrolliertes Walzen, kontrollierte Abkühlung) kann die vorherige Austenitkornstruktur verfeinern und die Zähigkeit für beide Sorten verbessern, aber der hohe Kohlenstoffgehalt von 440C begrenzt den Grad der erreichbaren Duktilitätsverbesserung.

4. Mechanische Eigenschaften

Die Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung ab. Typisches vergleichendes Verhalten (qualitative und indikative Bereiche):

Interpretation: - 440C erreicht überlegene Spitzenhärte und Verschleißfestigkeit aufgrund seines hohen Kohlenstoff- und Karbidanteils. Dies führt auch zu höherer Zugfestigkeit im gehärteten Zustand, jedoch auf Kosten der Duktilität und Schlagzähigkeit. - 431 bietet ein besseres Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit sowie eine verbesserte Rissbeständigkeit im dynamischen oder ermüdungsbelasteten Einsatz im Vergleich zu vollständig gehärtetem 440C.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffäquivalent, die Härtbarkeit und die Mikrolegierung beeinflusst.

Nützliche Indizes: - International Institute of Welding Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Beliebte Pcm-Formel für Schweißrisiko: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 440C: Hoher Kohlenstoff führt zu hohen $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werten — erhöhtes Risiko der Martensitbildung, Rissbildung und wasserstoffunterstützter Kaltverformung in der wärmebeeinflussten Zone. Vorwärmen, Nachschweißwärmebehandlung und wasserstoffarme Verfahren sind typischerweise erforderlich; das Schweißen wird im Allgemeinen für Teile, die volle Härte erfordern, nicht empfohlen, es sei denn, es wird eine erhebliche Nachschweißwärmebehandlung angewendet. - 431: Niedrigerer Kohlenstoff und das Vorhandensein von Ni/Mo mäßigen die Härtbarkeit und verringern die Rissanfälligkeit im Vergleich zu 440C. Dennoch ist es nicht so schweißbar wie niedriglegierte austenitische Edelstähle; Vorwärmen und kontrollierte Abkühlung werden empfohlen, und ein Nachschweißanlassen kann je nach Anwendung erforderlich sein.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Edelstahlverhalten:
• Beide Sorten sind martensitische Edelstähle und können passive Filme aufgrund von Chrom bilden. Die Korrosionsbeständigkeit hängt jedoch von der Mikrostruktur, der Karbidniederschlagung und den Legierungszusätzen ab.
• Der Ni- und bescheidene Mo-Gehalt von 431 verleiht ihm in vielen Umgebungen eine bescheiden bessere Korrosionsbeständigkeit als 440C, insbesondere wenn das Chrom von 440C in Karbiden gebunden ist.
• Verwendung von PREN:
• PREN wird häufig für austenitische/ferritische Edelstähle verwendet; es ist weniger aussagekräftig für martensitische, niedrigstickstoffhaltige Legierungen. Dennoch lautet die Formel: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Für diese Sorten ist der Stickstoff typischerweise niedrig, und die PREN-Berechnung erfasst keine martensit-spezifischen Phänomene (z. B. Karbidniederschlag).
• Oberflächenschutz für nicht ideale Umgebungen:
• 440C erfordert häufig zusätzlichen Oberflächenschutz oder Passivierung, insbesondere wenn es in chlorhaltigen oder feuchten Umgebungen verwendet wird; Beschichtungen, Passivierungen, Beschichtungen oder geplante Korrosionszulagen sollten in Betracht gezogen werden.
• Wo höhere Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, sollten austenitische Edelstähle oder Duplexfamilien anstelle von martensitischen Sorten in Betracht gezogen werden.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• 440C: Schwieriger zu bearbeiten im geglühten Zustand (aufgrund des hohen Karbidgehalts) und wird nach der Härtung schwieriger. Schleifen ist üblich für die Endbearbeitung; der Werkzeugverschleiß ist größer. Der Einsatz von Hartmetallwerkzeugen und geeigneten Schnittgeschwindigkeiten ist Standard.
• 431: Bessere Bearbeitbarkeit als 440C, insbesondere im geglühten oder weicher angelassenen Zustand. Werkzeuglebensdauer und Schnittparameter sind nachsichtiger.
• Formbarkeit:
• 440C hat eine begrenzte Kaltformbarkeit; die Formgebung erfolgt normalerweise im geglühten Zustand oder durch Bearbeitung.
• 431 ist im geglühten Zustand besser formbar; kann geformt und dann wärmebehandelt werden.
• Oberflächenbearbeitung:
• Beide können polierte Oberflächen akzeptieren; 440C kann aufgrund der harten Karbide, die die Verschleißfestigkeit unterstützen, eine hohe Politur für Lager-/Messeroberflächen erreichen, aber das Polieren ist zeitaufwändiger.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Bei zyklischer Belastung, Aufprall oder mäßiger korrosiver Exposition wird häufig 431 aufgrund seiner Zähigkeit und Korrosionsbalance gewählt. - Wo Verschleißfestigkeit, Schnittfestigkeit und hohe Härte die Designanforderungen dominieren, ist 440C die bevorzugte Wahl, trotz schwierigerer Verarbeitung und geringerer Zähigkeit.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• 440C ist in fertigen gehärteten/geschliffenen Formen aufgrund des höheren Legierungsgehalts, strengerer Anforderungen an Wärmebehandlung und Schleifen sowie erhöhtem Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung tendenziell teurer.
• 431 ist typischerweise kostengünstiger in der Produktion und Bearbeitung, insbesondere wenn die Produktionswege eine vollständige Härtung vermeiden und nur mäßiges Anlassen erfordern.
• Verfügbarkeit:
• Beide Sorten sind in Stab-, Platten- und Drahtformen von spezialisierten Edelstahl- und Werkzeugstahl-Lieferanten weit verbreitet. 440C in kleinen Durchmessern für Lager und Messer ist sehr häufig; 431 ist häufig für Stab- und geschmiedete Komponenten.
• Formüberlegungen:
• Fertige, gehärtete Teile in 440C können geschliffen und poliert geliefert werden — diese wertschöpfenden Formen erhöhen die Kosten und die Lieferzeit.
• Große Schmiedeteile oder dickwandige Komponenten in 440C sind aufgrund der Herausforderungen bei der Erreichung einheitlicher Eigenschaften weniger verbreitet; 431 ist anpassungsfähiger an größere Querschnitte.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Fazit — wählen Sie basierend auf funktionalen Prioritäten: - Wählen Sie 431, wenn Sie eine ausgewogene Legierung benötigen, die bessere Zähigkeit, verbesserte Korrosionsbeständigkeit in vielen Einsatzumgebungen und einfachere Verarbeitung/Schweißbarkeit bietet — für rotierende Wellen, Ventilkomponenten, Befestigungen und Teile, die Stößen oder Ermüdung ausgesetzt sind. - Wählen Sie 440C, wenn maximale Härte, Verschleißfestigkeit und Schnittfestigkeit die Haupttreiber sind und Sie mit Beschichtungen, Oberflächenbearbeitung und strengeren Anforderungen an Wärmebehandlung und Schweißen umgehen können — für Lager, Schneidkanten, Verschleißkomponenten und Präzisionswerkzeuge.

Letzte Anmerkung: Beide Legierungen erfordern eine sorgfältige Abstimmung von Wärmebehandlung, Nachbearbeitung und Oberflächenvorbereitung, um die beabsichtigte Kombination aus mechanischen Eigenschaften und Korrosionsleistung zu erreichen. Konsultieren Sie immer die Werkszertifikate, die Lieferantendatenblätter und führen Sie anwendungsspezifische Tests (Ermüdung, Verschleiß, Korrosion) durch, bevor Sie die endgültige Auswahl treffen.