NAK80 vs P20 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Einführung
NAK80 und P20 sind zwei der am häufigsten spezifizierten Formenstähle in der Spritzguss- und Werkzeugindustrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Vor- und Nachteile zwischen ihnen ab, wenn sie einen Stahl für Kern-/Hohlräume, Heißkanal-Komponenten und Prototyp-Werkzeuge auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen das Abwägen von Oberflächenfinish und Polierbarkeit gegen Kosten und Bearbeitbarkeit oder die Wahl zwischen verbesserter Korrosionsbeständigkeit und standardmäßiger mechanischer Leistung.
Der zentrale praktische Unterschied besteht darin, dass NAK80 ein niedriglegierter, nickelhaltiger, vorgehärteter Formenstahl ist, der für hohe Polierbarkeit und verbesserte Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse optimiert ist, während P20 ein chrom-molybdänlegierter Formenstahl ist, der für gute Bearbeitbarkeit, gleichmäßige Härtbarkeit und breite Verfügbarkeit entwickelt wurde. Dieser Unterschied beeinflusst die Entscheidungen in Bezug auf Oberflächenbearbeitung, Verarbeitung und langfristige Teileleistung.
1. Normen und Bezeichnungen
- P20:
- Übliche Bezeichnungen: AISI/UNS (oft als AISI P20 referenziert), DIN/EN-Äquivalente existieren in Werkzeugstahl-Listen, und verschiedene nationale Spezifikationen (z.B. JIS/GB-Listen, die Formenstähle referenzieren).
- Klassifikation: Legierter Werkzeugstahl / vorgehärteter Formenstahl.
- NAK80:
- Proprietärer/gewerblicher Name, der in der Kunststoffformenindustrie weit verbreitet ist (von mehreren Stahlherstellern unter der Bezeichnung NAK80 verkauft).
- Klassifikation: Vorbehandelter Formen-/Werkzeugstahl mit niedrigem Kohlenstoff- und erhöhtem Nickelgehalt, vermarktet als polierbarer, korrosionsbeständiger Formenstahl.
Hinweis: Keine der beiden Sorten ist eine rostfreie Sorte im strengen Sinne (d.h. beide gehören nicht zur austenitischen rostfreien Familie), aber der Nickelgehalt von NAK80 bietet eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu konventionellem P20.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle listet typische Zusammensetzungsbereiche auf, die in kommerziellen Datenblättern angegeben sind. Die Zusammensetzungen variieren je nach Anbieter; immer mit dem Werkszertifikat für eine bestimmte Charge überprüfen.
| Element | Typische Zusammensetzung (Gew.%) — NAK80 (ca.) | Typische Zusammensetzung (Gew.%) — P20 (ca.) |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 0.25 – 0.35 |
| Mn | 0.20 – 0.80 | 0.40 – 0.80 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 0.8 – 1.6 | 1.2 – 1.8 |
| Ni | 2.5 – 4.5 | 0.2 – 0.8 |
| Mo | 0.2 – 0.6 | 0.1 – 0.4 |
| V | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
| Nb (Cb) | ≤ 0.03 | Spuren/− |
| Ti | Spuren/− | Spuren/− |
| B | Spuren/− | Spuren/− |
| N | Spuren/− | Spuren/− |
Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Kohlenstoff: Höherer Kohlenstoffgehalt in P20 führt zu höherem Festigkeitspotenzial im gehärteten Zustand, verringert jedoch die Polierbarkeit und erhöht das Risiko harter Phasen, die die Oberflächenbearbeitung komplizieren und die Wahrscheinlichkeit von Schweißrissen ohne Vorwärmen/steuerbare Verfahren erhöhen. - Nickel: Der erhöhte Nickelgehalt von NAK80 verbessert die Zähigkeit, Duktilität und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse (und trägt zu einer feinen, stabilen Mikrostruktur bei, die für Hochglanzpolieren günstig ist). - Chrom und Molybdän: Beide Sorten enthalten Cr und Mo, um Härtbarkeit, Anlasstragfähigkeit und Verschleißfestigkeit zu gewährleisten. Das Gleichgewicht von P20 begünstigt die Bearbeitbarkeit und Durchhärtung; NAK80s Cr/Mo ist darauf abgestimmt, Ni für Oberflächenfinish und Korrosionsverhalten zu ergänzen. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti): Kommen in geringen Mengen vor, um die Korngröße und das Ausfällungsverhalten zu steuern; beeinflussen die Schleifbarkeit, Zähigkeit und Ansprechverhalten beim Anlassen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - P20: Im vorgehärteten (gelieferten) Zustand enthält P20 üblicherweise vergütetes Martensit und vergütetes Bainit mit einem relativ höheren Anteil an Karbiden (aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts), die gleichmäßig in der Matrix verteilt sind. Nach konventionellen Abschreck- und Anlaszyklen erreicht P20 eine martensitische Mikrostruktur mit Legierungskarbid. - NAK80: Mit niedrigerem Kohlenstoff- und höherem Nickelgehalt zeigt NAK80 im vorgehärteten Zustand eine vergütete martensitische oder bainitische Matrix mit weniger und feineren Karbiden. Das Nickel stabilisiert eine zähere, duktilere Matrix und reduziert die Bildung grober Chromkarbide, die für die Spiegelbearbeitung problematisch sind.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren: Beide Stähle reagieren auf das Normalisieren, um die Korngröße zu verfeinern, aber NAK80 wird typischerweise vakuumbehandelt und vorgehärtet geliefert, um Verformungen nach der Bearbeitung zu minimieren; Normalisieren ist für NAK80-Teile, die für hohe Politur vorgesehen sind, weniger verbreitet. - Härten & Anlassen: P20 ist so konzipiert, dass es auf höhere Härtegrade wärmebehandelt wird (und wird oft in einem vorgehärteten Zustand für Produktionsformen geliefert). Das Härten von P20 erfordert Sorgfalt bei der Austenitisierungstemperatur, um die zurückgehaltene Austenit und die Karbidauflösung zu steuern. Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von NAK80 begrenzt die maximale gehärtete Härte, bietet jedoch eine nachgiebigere Ansprechreaktion und bessere Maßkontrolle für das Polieren. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Wird im Vergleich zu Strukturstählen in Formenstahlkontexten nicht typischerweise angewendet; beide Sorten verlassen sich auf kontrollierte Wärmebehandlung anstelle von Warmwalzverarbeitungswegen für die endgültigen Eigenschaften.
4. Mechanische Eigenschaften
Die Werte variieren erheblich mit der Wärmebehandlung und dem Anbieter. Die Tabelle zeigt repräsentative Lieferzustandsbereiche, die häufig in kommerziellen Daten zu sehen sind.
| Eigenschaft | NAK80 (typischer vorgehärteter Zustand) | P20 (typischer vorgehärteter Zustand) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~800 – 1,200 | ~800 – 1,100 |
| Streckgrenze (0.2% Offset, MPa) | ~600 – 900 | ~550 – 850 |
| Dehnung ( % ) | ~8 – 15 | ~8 – 15 |
| Schlagzähigkeit (J, Charpy V‑Kerbe) | mäßig bis gut (anbieterabhängig) | mäßig (hängt von der Wärmebehandlung ab) |
| Härte (HRC) | ~28 – 36 (vorgehärtet) | ~28 – 34 (vorgehärtet) |
Interpretation: - Festigkeit: In gelieferten Fotos können beide ähnliche Zug-/Streckbereiche bieten; der höhere Kohlenstoffgehalt von P20 gibt ein geringfügig höheres Härtungspotenzial, wenn vollständig abgeschreckt und angelassen, aber die Legierung von NAK80 ergibt vergleichbare Zugwerte in kommerziellen vorgehärteten Zuständen. - Zähigkeit und Duktilität: NAK80 zeigt im Allgemeinen eine bessere Zähigkeit und eine duktilere Bruchneigung bei vergleichbarer Härte aufgrund von Nickel und niedrigerem Kohlenstoff, was spröde Karbide reduziert und die Schlagfestigkeit verbessert. - Härte: Beide werden in ähnlichen vorgehärteten Bereichen angeboten, die für die Formenproduktion optimiert sind; die maximal erreichbare Härte nach vollständiger Härtung ist typischerweise höher für P20 aufgrund seines höheren Kohlenstoffgehalts, aber dies geht mit Kompromissen in der Bearbeitbarkeit einher.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit hängen von dem Kohlenstoffäquivalent und der Mikrolegierung ab.
Zwei gängige Maße: - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden–Bennett / Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - P20 hat typischerweise einen höheren Kohlenstoffgehalt, was $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ erhöht, das Risiko von wasserstoffinduzierten Kaltbrüchen erhöht und Vorwärmen, Temperaturkontrolle zwischen den Schweißvorgängen und Nachbehandlung für kritische Werkzeugreparaturen oder dicke Abschnitte erfordert. - Der niedrige Kohlenstoffgehalt und das höhere Nickel von NAK80 reduzieren die Neigung zu harten, spröden schweißbeeinflussten Zonen; Nickel verbessert die Zähigkeit und die Toleranz gegenüber thermischen Gradienten, was NAK80 beim Schweißen und bei lokalen Reparaturen nachsichtiger macht. Dennoch sollte das Schweißen aufgrund der Anforderungen an die Formgenauigkeit und der möglichen Sensibilisierung/Kontamination geplant und validiert werden (einschließlich der Auswahl des Schweißzusatzes und PWHT, wo erforderlich). - Beide Sorten profitieren von wasserstoffarmen Verbrauchsmaterialien, Vorwärmen, wo empfohlen, und Probe-Schweißungen zur Festlegung der Parameter. Für hochpräzise Formen wird das Schweißen auf fertigen Oberflächen oft vermieden oder gefolgt von Nachbearbeitung/Polieren.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder NAK80 noch P20 sind eine rostfreie Stahlreihe, die für langfristige Eintauchkorrosionsbeständigkeit ausgelegt ist. NAK80s erhöhter Nickelgehalt bietet jedoch deutlich bessere Beständigkeit gegen milde korrosive Umgebungen (feucht, leicht aggressive Spritzgussatmosphären und wiederholte Reinigung) im Vergleich zu P20.
- Wenn Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, werden beide Stähle typischerweise mit Oberflächenmaßnahmen geschützt:
- Elektroplattierung (Nickel, Hartchrom) für Verschleiß- und Korrosionsschutz.
- Chemische oder physikalische Passivierung ist nicht anwendbar wie bei rostfreien Stählen.
- Regelmäßige Wartung und Trocknung/Desinfektionsmittelkontrolle in der Werkzeuglagerung mindern Rostbildung.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist nur für rostfreie Sorten relevant; zur Information: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist nicht anwendbar auf NAK80 oder P20 als vermarktete Formenstähle (sie sind keine chromreichen rostfreien Sorten mit signifikantem Stickstoffgehalt).
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- P20: Historisch bevorzugt wegen der Bearbeitbarkeit. Höherer Kohlenstoffgehalt, vorhersehbare Karbidverteilung und etablierte Werkzeugparameter machen P20 einfach zu fräsen, bohren und EDM vor der endgültigen Wärmebehandlung. Karbidbildende Elemente und Mikrostruktur sind mit standardisierten Hochgeschwindigkeitswerkzeugen kompatibel.
- NAK80: In einigen Fällen etwas schwieriger zu bearbeiten als P20 aufgrund der Verfestigungstendenzen von Nickel und der zäheren Matrix; moderne Werkzeuge und Schneidparameter mildern jedoch die Unterschiede. NAK80 lässt sich gut bearbeiten, wenn hochwertige Hartmetallwerkzeuge und angepasste Vorschübe verwendet werden.
- EDM und Oberflächenbearbeitung:
- Beide Stähle sind EDM-freundlich. NAK80 liefert oft eine überlegene Spiegelpolitur und Kantenintegrität aufgrund weniger grober Karbide und einer feinen Matrix – wichtig für optische Oberflächen und glänzende Kunststoffteile.
- Formbarkeit/Biegen:
- Als Formenstähle in Blockform ist die Formgebung kein primäres Anliegen; jedoch toleriert NAK80 bei dicken Abschnitten und Schweißverbindungen Deformation und Reparaturschweißen besser als hochlegierte Alternativen.
- Oberflächenbearbeitung:
- NAK80 ist für hohe Poliergrade (RA und Spiegeloberfläche) ausgelegt mit geringerer Neigung zu Mikropitting und „Orangenhaut“ nach wiederholten Zyklen. P20 kann auf Hochglanz poliert werden, erfordert jedoch möglicherweise mehr Korrekturschleifen und Passivierung.
8. Typische Anwendungen
| NAK80 | P20 |
|---|---|
| Hochglanz-Spritzgussformen und -kerne, bei denen Spiegeloberfläche und Korrosionsbeständigkeit (feuchte/reinigende Einwirkung) Priorität haben | Allzweck-Spritzgussformen, Einsätze und Kern/Hohlräume, bei denen Kosten und breite Bearbeitbarkeit Priorität haben |
| Klein- bis mittelgroße Produktionsformen, bei denen häufiges Polieren und kosmetische Oberflächenqualität erforderlich sind | Große Produktionsformen, Prototypen und Formen, bei denen standardmäßige Leistung und breite Verfügbarkeit benötigt werden |
| Heißkanal-Komponenten, empfindliche optische Teile und dünnwandige Spritzguss-Einsätze, bei denen die Oberflächenbeständigkeit gegen Korrosion/Mängel wichtig ist | Strukturelle Formenkomponenten, Stützen und Teile, die nach der Fertigung stark bearbeitet/wärmebehandelt werden müssen |
| Formen, die häufige Wartungszyklen mit wiederholtem Oberflächenpolieren erfordern | Formen, bei denen eine höhere Endhärte nach Abschreckung/Anlassen erforderlich ist und eine Nachbearbeitung nach der Wärmebehandlung geplant ist |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie NAK80, wenn Oberflächenfinish, Korrosionsbeständigkeit und minimaler Polieraufwand über den Lebenszyklus der Form primäre Anforderungen sind. - Wählen Sie P20, wenn Kosten, standardisierte Verarbeitung und maximale Härtbarkeit oder höhere Endhärte wichtiger sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: P20 ist in der Regel kostengünstiger pro kg aufgrund der einfacheren Legierung und des breiten Produktionsvolumens. NAK80 hat typischerweise einen Aufpreis für den Legierungsgehalt (insbesondere Nickel), Vakuumschmelzen und Vermarktung als polierbarer Formenstahl.
- Verfügbarkeit: P20 ist in vielen Walzgrößen und -formen (Blöcke, Platten, vorgehärtete Platten) weit verbreitet. NAK80 ist breit verfügbar, kann jedoch längere Lieferzeiten oder eine begrenzte Verfügbarkeit in sehr großen Abschnitten je nach Anbieter und regionalem Inventar haben.
- Produktformen: Beide sind als vorgehärtete Platten, Blöcke und manchmal durchgehärtete Stangen erhältlich; NAK80 wird häufiger im vorgehärteten Zustand spezifiziert, um die Oberflächenqualität zu erhalten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | NAK80 | P20 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (qualitativ) | Besser (niedriger C, höher Ni) | Gut bis mäßig (höher C → mehr Schweißvorkehrungen) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Ausgezeichnete Zähigkeit bei vergleichbarer Härte | Gutes Festigkeitspotenzial; Zähigkeit hängt von der Wärmebehandlung ab |
| Kosten | Höher (Premium-Legierung, fertiger Lagerbestand) | Niedriger (Commodity-Formenstahl) |
Wählen Sie NAK80, wenn: - Spiegeloberfläche/Polierbarkeit und kosmetische Teilequalität entscheidend sind. - Die Form Feuchtigkeit, regelmäßiger Reinigung oder milden korrosiven Umgebungen ausgesetzt wird und Sie eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit ohne Beschichtung benötigen. - Häufiges Nachpolieren der Form und eine lange kosmetische Lebensdauer erwartet werden und Sie die Anzahl der Bearbeitungszyklen minimieren möchten.
Wählen Sie P20, wenn: - Budget und Materialverfügbarkeit primäre Einschränkungen sind. - Sie einen gut verstandenen, leicht zu bearbeitenden Formenstahl benötigen, der für eine breite Palette von Spritzgussanwendungen geeignet ist. - Höhere Härtbarkeit oder die Möglichkeit, auf höhere Härte abzuschrecken/anlassen, erforderlich ist und die kosmetischen Anforderungen moderat sind oder durch Beschichtungen/Beschichtungen angesprochen werden.
Letzter Hinweis: Für Produktionsentscheidungen beschaffen und vergleichen Sie die Werkszertifikate, bestätigen Sie die empfohlenen Bearbeitungs- und Wärmebehandlungspraktiken des Anbieters und führen Sie Probe-Bearbeitungen/Polierungen und, wo anwendbar, Schweißversuche durch. Die tatsächliche Teileleistung hängt von der spezifischen Legierungswärme, der Abschnittsgröße und den angewandten thermischen und mechanischen Verarbeitungsstufen ab.