NAK80 vs S136 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

NAK80 und S136 sind zwei weit verbreitete Formenstähle in der Spritzguss- und Werkzeugindustrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Entscheidung zwischen diesen Stählen, wenn sie Formen für korrosive Umgebungen, hochglänzende Oberflächen oder Teile entwerfen, die eine lange Lebensdauer erfordern. Die Wahl balanciert oft Korrosionsbeständigkeit, Polierbarkeit, Härte, Zähigkeit, Kosten und nachgelagerte Fertigungsbedürfnisse.

Der wesentliche praktische Unterschied zwischen den beiden liegt in ihrem Legierungs- und Verarbeitungsfokus: Der eine ist hauptsächlich für eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen korrosiven Angriff und überlegene Polierbarkeit in geformten Kunststoffen optimiert, während der andere ein anderes Gleichgewicht zwischen Korrosionsbeständigkeit und verbesserter mechanischer Festigkeit und Zähigkeit für schwerere Werkzeuganwendungen bietet. Beide werden hier in Bezug auf Standards, Chemie, Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion, mechanisches Verhalten, Schweißbarkeit, Korrosionsmerkmale, Fertigungseigenschaften, Anwendungen und Einkaufsüberlegungen diskutiert.

1. Standards und Bezeichnungen

• Häufige Standards und Handelsbezeichnungen:
• S136: oft als martensitischer rostfreier Formenstahl bezeichnet, der in Europa und weltweit verwendet wird (häufig von mehreren Herstellern unter der Bezeichnung S136 oder Äquivalenten verkauft).
• NAK80: eine kommerzielle Bezeichnung für rostfreien Formenstahl, die hauptsächlich in Asien und international von bestimmten Herstellern verwendet wird; manchmal in Produktliteratur aufgeführt, anstatt als eine einzige internationale Standardbezeichnung.
• Typische Standardfamilien, die für Äquivalente und Spezifikationen konsultiert werden sollten, umfassen:
• ASTM / ASME (Spezifikationen für Werkzeugstahl und rostfreien Werkzeugstahl)
• EN (europäische Stahlstandardnomenklatur und Äquivalente)
• JIS (Japanische Industrie Standards; einige kommerzielle Stähle stammen aus Japan)
• GB (Chinesische nationale Standards können äquivalente rostfreie Formenstähle auflisten)
• Klassifizierung:
• Sowohl NAK80 als auch S136 sind rostfreie Werkzeug-/Formstähle (martensitische rostfreie Formenstähle), d.h. sie sind Werkzeugstähle mit einer korrosionsbeständigen Chemie anstelle von einfachem Kohlenstoff- oder HSLA-Stahl.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Hinweise: - Exakte quantitative Zusammensetzungen variieren je nach Hersteller und sollten im Werkzeugzertifikat für jede Charge überprüft werden. Die Tabelle berichtet über typische Anwesenheit und Legierungsstrategie anstelle spezifischer Gewichtszusammensetzungen. - Zusammenfassung der Legierungsstrategie: Beide Stähle verlassen sich überwiegend auf Chrom, um Korrosionsbeständigkeit zu bieten. NAK80-Varianten von einigen Herstellern betonen Stickstoff und sorgfältig ausgewogene Legierungen, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, während die Bearbeitbarkeit und Durchhärtung erhalten bleibt. S136 ist für hohe Korrosionsbeständigkeit und Polierbarkeit ausgelegt, oft optimiert für Formumgebungen, in denen Flecken oder Rost minimiert werden müssen.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

• Typische Mikrostrukturen nach der Verarbeitung:
• Beide Stähle sind martensitische rostfreie Stähle nach geeigneter Wärmebehandlung. Im geglühten Zustand sind sie allgemein weich, ferritische/teilweise geglühten Mikrostrukturen, die sich zum Bearbeiten eignen.
• Wärmebehandlungsrouten und -reaktionen:
• Glühen: Wird durchgeführt, um die Zusammensetzung für die Bearbeitung zu erweichen und zu stabilisieren; produziert relativ weichen Ferrit/Perlit oder temperiertes Martensit, abhängig von der Sorte und dem genauen Glühzyklus.
• Härten (Lösungsbehandlung / Austenitisieren und Abschrecken): Beide Stähle werden bei stahlspezifischen Temperaturen austenitisiert, um Karbide aufzulösen, und dann abgeschreckt, um Martensit zu bilden. Die Karbidverteilung und der verbleibende Austenit werden durch die Legierung (Cr, Mo, N) beeinflusst.
• Tempern: Mehrere Temperzyklen werden verwendet, um die Zielhärte und Zähigkeit zu erreichen; das Tempern reduziert innere Spannungen und passt die Zähigkeit auf Kosten einer gewissen Härte an.
• Einfluss der Legierung:
• Chrom und Molybdän stabilisieren Karbide und beeinflussen die Temperwiderstandsfähigkeit; ein höherer Cr-Gehalt unterstützt die Korrosionsbeständigkeit, kann jedoch die Größe und Verteilung der Karbide beeinflussen, was die Polierbarkeit betrifft.
• Stickstoff (wenn vorhanden) kann die Härte und Korrosionsbeständigkeit durch Festkörperlösungsstärkung und Nitrideausfällung erhöhen; er kann auch den verbleibenden Austenit reduzieren, wenn er sorgfältig verwendet wird.
• Verarbeitungsüberlegungen:
• Die Kontrolle der Austenitisierungstemperatur, der Abschreckschwere und des Temperplans ist entscheidend, um die erforderliche Kombination aus Härte, Gleichmäßigkeit und Polierbarkeit zu erzeugen.
• Elektroschlack-Umschmelzverfahren (ESR) oder Vakuumschmelzverfahren werden häufig für S136 und hochwertige NAK80 verwendet, um Sauberkeit und feine Karbidverteilung sicherzustellen, die für Polier- und Korrosionseigenschaften entscheidend sind.

4. Mechanische Eigenschaften

Interpretation: - Beide Stähle können auf ähnliche Härtebereiche wärmebehandelt werden, die für Spritzgussformen geeignet sind; jedoch bedeuten subtile Unterschiede in der Legierung, dass NAK80-Varianten unter bestimmten Temperbedingungen eine leicht höhere Zähigkeit bieten können, während S136 häufig verwendet wird, wenn Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenfinish von größter Bedeutung sind. - Die genauen mechanischen Kennzahlen hängen von der Chemie des Werkstoffs und dem gewählten Wärmebehandlungsplan ab; konsultieren Sie die Datenblätter der Lieferanten für spezifische Zug-, Streck- und Schlagwerte.

5. Schweißbarkeit

• Faktoren, die die Schweißbarkeit beeinflussen: Kohlenstoffäquivalent, Legierungselemente, die die Härtbarkeit erhöhen (Cr, Mo, V) und das Vorhandensein von Stickstoff oder Karbidbildnern.
• Nützliche Formeln zur Bewertung der Schweißbarkeit (qualitativ und nicht numerisch interpretieren):
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Qualitative Interpretation:
• Sowohl NAK80 als auch S136 sind rostfreie Werkzeugstähle mit einer Legierung, die die Härtbarkeit im Vergleich zu einfachem Kohlenstoffstahl erhöht; daher sind Vorwärmen, Kontrolle der Zwischenschichttemperatur und Nachschweißtempern typischerweise erforderlich, um Rissbildung zu vermeiden.
• Stickstoff in einigen NAK80-Varianten kann das Schweißen komplizieren, indem es das Erstarrungsverhalten verändert und Porosität fördert; S136 mit hohem Cr- und Mo-Gehalt kann in der wärmebeeinflussten Zone anfällig für martensitische Härtung sein.
• Für kritische Formen wird das Schweißen oft minimiert; wenn notwendig, verwenden Sie passende Füllmetalle, die für martensitische rostfreie Werkzeugstähle ausgelegt sind, und befolgen Sie die vom Lieferanten empfohlenen Vorwärm- und Nachschweißwärmebehandlungsverfahren.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für rostfreie Formenstähle stammt die inhärente Korrosionsbeständigkeit von Chrom (und manchmal Mo, N). Verwendung von Indizes:
• Der Äquivalenzwert für Ausfällungsbeständigkeit (PREN) ist nützlich für austenitische rostfreie Stähle, kann aber verwendet werden, um eine Richtungshinweis zu geben: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Interpretation: PREN ist am anwendbarsten für austenitische Grade; für martensitische rostfreie Formenstähle bietet die Formel eine Richtungshinweisung, ist jedoch kein definitiver Prädiktor für das Korrosionsverhalten im Einsatz.
• Nicht-rostfreie Alternativen:
• Wenn ein nicht-rostfreier Werkzeugstahl ausgewählt wird, umfassen die Standardkorrosionsschutzmaßnahmen Verzinkung, Lackierung, Beschichtung oder lokale Beschichtungen. Für rostfreie Formenstähle wie NAK80 und S136 reduziert die Oberflächenpassivität die Notwendigkeit für opferanodischen Schutz in vielen Formumgebungen.
• Praktische Hinweise:
• S136 wird oft gewählt, wenn langfristige Widerstandsfähigkeit gegen Flecken und milde korrosive Umgebungen erforderlich ist, insbesondere für wassergekühlte Formen oder Formen, die korrosive Kunststoffe oder korrosive geformte Medien produzieren.
• Oberflächenfinish und mikrostrukturelle Sauberkeit (wenig nichtmetallische Einschlüsse) sind entscheidend für Korrosionsbeständigkeit und Glanz; ESR- oder vakuumverarbeitete Stähle schneiden hier gut ab.

7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• Beide Stähle im geglühten Zustand lassen sich vernünftig gut bearbeiten; jedoch können rostfreie martensitische Werkzeugstähle verfestigen und erfordern angemessenes Werkzeug, Vorschübe und Geschwindigkeiten.
• Karbide Werkzeuge und stabile Maschinenaufstellungen werden für hochpräzise Bearbeitung empfohlen.
• Formbarkeit:
• Diese Stähle werden typischerweise nicht für umfangreiche Formgebung verwendet; Biegen ist im geglühten Zustand möglich, erfordert jedoch Aufmerksamkeit für Rückfederung und Randrissbildung.
• Oberflächenbehandlung:
• Polieren auf Hochglanz ist eine gängige Anforderung; S136 wird oft für seine überlegene Polierbarkeit ausgewählt, wenn er mit sauberer Mikrostruktur und feiner Karbidgröße produziert wird.
• Oberflächenbehandlungen (Nitrieren, Verchromen) werden manchmal je nach Verschleiß- und Korrosionsbedürfnissen verwendet; das Nitrierverhalten hängt von der Grundchemie (Vorhandensein von N und Diffusionsverhalten) ab.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: Wählen Sie basierend auf dem dominierenden Bedarf – Belastungs- und Verschleißbeständigkeit versus maximale Korrosionsbeständigkeit und Polierbarkeit.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• Beide sind Spezial-Rostwerkzeugstähle und kosten im Allgemeinen mehr als herkömmliche Formenstähle (z.B. P20). Die relativen Kosten hängen vom Markt, dem Werk und der Verarbeitung ab (ESR/Vakuumschmelzen erhöhen die Kosten).
• S136, insbesondere wenn als ESR- oder vakuumverfeinertes Material geliefert, liegt oft am oberen Ende des Preisspektrums im Vergleich zu gängigen rostfreien Werkzeugstählen.
• Die Preisgestaltung von NAK80 hängt vom Hersteller, der Stickstoffzugabe und der Verarbeitung ab; sie kann wettbewerbsfähig mit anderen rostfreien Formenstählen sein, aber die genauen Kosten müssen bei den Lieferanten überprüft werden.
• Verfügbarkeit nach Produktform:
• Beide sind in Block-, Platten-, Stangen- und vorgehärteten Platten von großen Werkzeugstahl-Lieferanten erhältlich; die Lieferzeiten variieren je nach Werk und ob das Produkt ESR oder speziell behandelt ist.
• Die globale Verfügbarkeit ist im Allgemeinen gut, aber die Beschaffung großer Abschnitte oder spezifisch verarbeiteter Bedingungen (vorgehärtete & polierte Platten) kann längere Lieferzeiten erfordern.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie NAK80, wenn Sie einen rostfreien Formenstahl benötigen, der ein Gleichgewicht zwischen Korrosionsbeständigkeit und verbesserter mechanischer Festigkeit und Zähigkeit für Formen bietet, die höheren Belastungen, wiederholtem mechanischen Stress ausgesetzt sind oder wo stickstoffverstärkte Metallurgie Vorteile in der Leistung bietet. - Wählen Sie S136, wenn die Priorität maximale Widerstandsfähigkeit gegen Flecken, überlegene Polierbarkeit und eine nachgewiesene Erfolgsbilanz für hochglänzende, korrosionsanfällige Formanwendungen (z.B. kosmetische, medizinische oder wassergekühlte Formen, bei denen das Oberflächenbild und die langfristige Korrosionsbeständigkeit entscheidend sind) ist.

Abschließende Anmerkung: NAK80 und S136 sind beide starke Kandidaten für korrosionsbeständige Formanwendungen. Der richtige Stahl hängt vom spezifischen Zusammenspiel der Einsatzumgebung (korrosive Exposition, Kühlmittel), erforderlichem Oberflächenfinish, Belastungs- und Verschleißbedingungen sowie Fertigungsbeschränkungen ab. Überprüfen Sie immer die Werkzertifikate, die Empfehlungen zur Wärmebehandlung des Lieferanten und führen Sie Testverarbeitungen durch, wenn kritische Leistung oder Qualifikation erforderlich sind.