P20 vs NAK80 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

P20 und NAK80 sind zwei weit verbreitete Formen- und Werkzeugstähle für Kunststoffspritzguss und Druckgusswerkzeuge. Ingenieure, Beschaffungsteams und Fertigungsplaner wägen häufig Kompromisse zwischen Gesamtkosten des Teils, Werkzeuglebensdauer, Oberflächenfinish und Wartung ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Auswahlkontexte umfassen: die Wahl eines kosteneffektiven Materials für Werkzeuge mit großem Volumen (wo Zähigkeit und Bearbeitbarkeit dominieren) versus die Wahl eines rostfreien Formenstahls für hochglänzende oder korrosionsanfällige Teile (wo Oberflächenfinish und Passivierung wichtig sind).

Der wesentliche praktische Unterschied, der viele Designentscheidungen beeinflusst, ist das Oberflächenverhalten: NAK80 ist so konzipiert, dass es eine überlegene Oberflächenfinish-Retention, Korrosionsbeständigkeit und polierte Erscheinung für hochglänzende Kunststoffteile bietet, während P20 ein konventioneller, vorgehärteter Formenstahl ist, der auf Wirtschaftlichkeit, Bearbeitbarkeit und allgemeine Zähigkeit optimiert ist. Da sie sich in überlappenden Anwendungsbereichen (Formenbasen, Hohlräume, Kern-Einsätze) befinden, vergleichen Designer sie routinemäßig hinsichtlich der Ästhetik des Endteils, der Wartung der Formen und der Einschränkungen der Produktionsumgebung.

1. Standards und Bezeichnungen

• P20
• Übliche Bezeichnungen: AISI/SAE P20, DIN 1.2312 (nahe Äquivalente), verschiedene Handelsnamen von Lieferanten (vorgehärteter Formenstahl).
• Klassifizierung: Legierter Werkzeugstahl, typischerweise im vorgehärteten Zustand geliefert.
• NAK80
• Übliche Bezeichnungen: Handelsname (NAK80), der von mehreren japanischen und globalen Lieferanten verwendet wird; manchmal als martensitische rostfreie Formenstahlgüte bezeichnet.
• Klassifizierung: Martensitischer rostfreier Werkzeug-/Formenstahl (rostfreier Formenstahl).

Anwendbare Standards, die auf den Werkszertifikaten und Bestellungen überprüft werden sollten, umfassen ASTM/ASME-Spezifikationen für Formenstähle und die relevanten nationalen Standards (EN, JIS, GB) für Werkzeuge und rostfreie Werkzeugstähle. Bestätigen Sie immer die lieferantenspezifischen Bezeichnungen und Zertifikate, da Handelsnamen zwischen den Herstellern unterschiedlich zugeordnet sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle gibt repräsentative nominale Zusammensetzungsbereiche an, die häufig in den Datenblättern der Lieferanten zitiert werden. Diese Werte sind als typische Bereiche gedacht – überprüfen Sie immer die spezifischen Werkszertifikate für die Beschaffung.

Element	P20 (typischer nominaler Bereich, Gew.% )	NAK80 (typischer nominaler Bereich, Gew.% )
C	0.25–0.35	0.03–0.12
Mn	0.35–0.60	0.10–0.60
Si	0.20–0.35	0.10–0.80
P	≤0.03	≤0.025
S	≤0.03	≤0.020
Cr	1.30–1.60	11.0–13.5
Ni	0.30–0.60	1.0–4.0
Mo	0.30–0.50	0.30–0.60
V	Spuren–gering	Spuren
Nb (Cb)	—	Spuren
Ti	—	Spuren
B	—	Spuren
N	—	Spuren (in rostfreien Varianten)

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff: Hauptbeitrag zur Härtbarkeit und Festigkeit. Der höhere Kohlenstoffgehalt von P20 (im Vergleich zu rostfreien, niedriglegierten Varianten) unterstützt eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit nach Abschrecken/Anlassen, erhöht jedoch das Risiko von Rissbildung im HAZ beim Schweißen. NAK80 wird oft mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt gehalten, um die Korrosionsbeständigkeit auszugleichen und übermäßige Sprödigkeit zu vermeiden. - Chrom und Nickel: In NAK80 sorgen erhöhte Cr- und Ni-Werte für rostfreies/passives Verhalten und verbessern die Korrosionsbeständigkeit und Polierbarkeit. In P20 verbessern moderate Cr- und Ni-Werte die Härtbarkeit und Festigkeit, verleihen jedoch keine rostfreien Eigenschaften. - Molybdän und Vanadium: Verbessern die Härtbarkeit, sekundäre Härtung, Kriechbeständigkeit und Karbidstabilität – vorteilhaft für beide Güten zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit. - Andere Mikrolegierungen (Nb, Ti, B): Verfeinern die Korngröße und kontrollieren die Ausscheidung; in rostfreien Werkzeugstählen sind diese oft in Spuren vorhanden, um die Eigenschaften zu steuern.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Mikrostruktur (typisch): - P20: Anlasmartensit mit feinen Legierungskarbid (Cr/Mo-Karbid). Oft im vorgehärteten Zustand geliefert (z. B. ~28–32 HRC) in einem normalisierten und angelassenen Zustand; Mikrostruktur optimiert für Bearbeitbarkeit und Zähigkeit. - NAK80: Martensitische rostfreie Matrix mit chromreichen Karbiden und einer passiven Chromoxid-Oberflächenbeschichtung, wenn poliert; oft in einem vorgehärteten Zustand produziert, der für Polieren und Korrosionsbeständigkeit geeignet ist.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - P20: - Kann vorgehärtet geliefert werden; wenn gehärtet und angelassen, erzeugen Abschreck- und Anlaszyklen Anlasmartensit. Normalisieren verfeinert die Korngröße. - Nitrieren wird häufig für Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit angewendet; das Nitrierverhalten hängt von legierten nitrierenden Elementen ab (z. B. V, Cr). - NAK80: - Die Wärmebehandlung zielt darauf ab, Härte mit rostfreien Eigenschaften in Einklang zu bringen. Typische Verfahren umfassen Lösungsglühen und Abschrecken, gefolgt von Anlassen; sorgfältige Kontrolle ist erforderlich, um Sensibilisierung zu vermeiden und die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. - Das rostfreie Verhalten kompliziert Hochtemperaturbehandlungen; die Wärmebehandlungsfenster unterscheiden sich von kohlenstofflegierten Stählen und erfordern möglicherweise Vakuum oder kontrollierte Atmosphäre, um Entkohlen und Oxidation zu vermeiden.

Thermomechanische Verarbeitung kann die Korngröße und Verteilung der Karbide beeinflussen; für beide Stähle führt eine engere Prozesskontrolle zu besserer Polierbarkeit und gleichmäßigerer Härte.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle listet typische Eigenschaftsbereiche für häufig gelieferte vorgehärtete Zustände und wärmebehandelte Zustände auf. Überprüfen Sie die genauen Werte mit den Zertifikaten des Lieferanten.

Eigenschaft	P20 (typisch)	NAK80 (typisch)
Zugfestigkeit (MPa)	800–1100	700–1000
Streckgrenze (0.2% Offset, MPa)	600–900	500–850
Dehnung (%)	10–18	8–18
Schlagzähigkeit (Charpy, J)	moderat (hängt vom Anlassen ab)	moderat bis gut (hängt vom Zustand ab)
Härte (HRC)	28–32 (vorgehärtet), kann höher wärmebehandelt werden	30–36 (vorgehärtete rostfreie Varianten)

Interpretation: - Festigkeit: P20 bietet in vergleichbaren vorgehärteten Zuständen typischerweise eine leicht höhere nominale Festigkeit, die auf den höheren Kohlenstoffgehalt und seine Legierungsmischung zurückzuführen ist; jedoch kann die Wärmebehandlung die Unterschiede verringern. - Zähigkeit/Dehnbarkeit: Beide Güten tauschen Härte gegen Zähigkeit; P20-Formulierungen neigen dazu, allgemeine Zähigkeit und Bearbeitbarkeit zu priorisieren, während NAK80 auf Polierbarkeit und Korrosionsbeständigkeit mit angemessener Zähigkeit ausbalanciert ist. - Die Härtebereiche überschneiden sich; die gewählte Güte sollte mit den erforderlichen Verschleißfestigkeits- und Oberflächenfinish-Zielen übereinstimmen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffäquivalent und dem Legierungsgehalt ab. Die Verwendung von Kohlenstoffäquivalent-Formeln hilft, die Anfälligkeit für Rissbildung im HAZ und die Anforderungen an Vorwärmen/Nachwärmen zu bewerten.

Übliche Formeln: - IIW-Kohlenstoffäquivalent (qualitativer Leitfaden): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Internationales Schweißelektrotechnisches Kohlenstoffäquivalent (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: Der höhere Kohlenstoffgehalt und die Anwesenheit von Mo/Cr erhöhen die Kohlenstoffäquivalentzahlen im Vergleich zu niedriglegierten Stählen, was die Anfälligkeit für HAZ-Härtung und Kaltverzug erhöht, es sei denn, es werden geeignete Vorwärm- und Nachschweißanlassverfahren verwendet. P20 erfordert oft kontrollierte Schweißverfahren oder die Verwendung von kompatiblen, wasserstoffarmen Füllmetallen. - NAK80: Als martensitischer rostfreier Stahl verändert der Cr- und Ni-Gehalt von NAK80 das Schweißverhalten; rostfreie Martensite können anfällig für Rissbildung im HAZ und Schweißmetall sein, wenn sie nicht vorgewärmt werden und wenn die Interpass-Temperaturen und Abkühlraten nicht kontrolliert werden. Nickel verbessert die Schweißbarkeit bis zu einem gewissen Grad, aber die rostfreie Matrix erfordert eine sorgfältige Auswahl des Füllmaterials und oft eine Nachschweißwärmebehandlung, um Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen. - In der Praxis: Beide Güten können geschweißt werden, aber Schweißpläne (Vorwärmen, Interpass-Temperatur, Nachschweißanlassen) und qualifizierte Füllmetalle sind unerlässlich. Für kosmetisch kritische Oberflächen sollten geschweißte Bereiche vermieden oder geschliffen und neu poliert werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• P20: Nicht rostfrei. Oberflächenschutz gegen Korrosion ist typischerweise erforderlich, wenn Feuchtigkeit oder korrosive Umgebungen vorhanden sind. Übliche Schutzmaßnahmen umfassen:
• Beschichtung, Verchromung oder lokale Beschichtungen (PVD/CVD) auf fertigen Oberflächen.
• Galvanisieren ist für Werkzeuge nicht typisch; stattdessen werden Nitrieren oder Oberflächenbeschichtungen (TiN, CrN) verwendet, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen und die Korrosionspitting-Initiierung zu reduzieren.
• NAK80: Martensitischer rostfreier Stahl, der Passivität und verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu P20 bietet, wenn er poliert und gewartet wird. Für die rostfreie Charakterisierung werden Korrosionsindizes wie PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) häufig für austenitische und Duplexgüten verwendet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Hinweis: PREN ist weniger direkt auf martensitische rostfreie Formenstähle wie NAK80 anwendbar, aber die Formel veranschaulicht, wie Cr/Mo/N-Gehalt mit der Pitting-Beständigkeit korreliert. Der Chromgehalt und das Oberflächenfinish von NAK80 sind die Hauptbeiträge zu seiner überlegenen Beständigkeit gegen Fleckenbildung und Korrosion im Einsatz.
• Praktische Konsequenz: Für hochglänzende Kunststoffteile und Formen, die in feuchten oder korrosiven Umgebungen betrieben werden, reduziert NAK80 Fleckenbildung und Wartungsbedarf; P20 erfordert Schutzstrategien (Beschichtungen, kontrollierte Umgebung), um die Oberflächenqualität zu erhalten.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• P20: Gute Bearbeitbarkeit im vorgehärteten Zustand; weit verbreitet, da es sich leicht auf enge Toleranzen bearbeiten lässt und gut EDM-fähig ist. Hartmetallwerkzeuge und Standard-Kühlmittelpraktiken genügen.
• NAK80: Allgemein gute Bearbeitbarkeit für rostfreie Werkzeugstähle, aber die Neigung zur Kaltverfestigung und das Verhalten der rostfreien Legierung erfordern optimierte Werkzeuggeometrie, Schnittgeschwindigkeiten und Kühlmittel. Das erreichbare Oberflächenfinish ist mit den richtigen Werkzeugen ausgezeichnet.
• Formbarkeit und Biegen: Beide sind Werkzeugstähle – begrenzte Dehnbarkeit im Vergleich zu unlegierten Stählen. Das Formen erfolgt typischerweise vor der endgültigen Härtung/Anlassung. Schweres Formen nach der Härtung sollte vermieden werden.
• Oberflächenveredelung und Polieren:
• Dies ist ein entscheidender Unterschied. NAK80 lässt sich leichter auf Hochglanz polieren und behält aufgrund seiner rostfreien Matrix und feinen Karbidverteilung ein hochglänzendes Erscheinungsbild. P20 kann auf ein gutes Finish poliert werden, ist jedoch anfälliger für Fleckenbildung, Oxidation und erfordert zusätzliche Beschichtungen oder Wartung, um hochglänzende Oberflächen zu erhalten.

8. Typische Anwendungen

P20 — Typische Anwendungen	NAK80 — Typische Anwendungen
Allzweck-Spritzguss-Hohlräume und Kerne für nicht kritische Oberflächenerscheinung	Hochglänzende Spritzguss-Hohlräume für optische, medizinische und Konsumgüter
Große Formenbasen und Strukturkomponenten, wo Kosten und Bearbeitbarkeit dominieren	Korrosionsanfällige Werkzeuge (feuchte Umgebungen) oder Formen, die eine langfristige Polierretention erfordern
Prototypen und Produktion in niedrigen bis mittleren Volumina, wo zügige Bearbeitung und EDM erforderlich sind	Mehrkomponentenformen, bei denen Oberflächenfinish und Teileästhetik Priorität haben
Werkzeuge, die nachfolgendes Nitrieren oder PVD-Beschichtungen zur Verschleißfestigkeit erfordern	Präzisionsformen, bei denen die rostfreie Leistung Wartung und Fleckenbildung reduziert

Auswahlbegründung: - Wählen Sie P20 für ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Verfügbarkeit und Bearbeitbarkeit, wenn das endgültige Erscheinungsbild des Teils nicht kritisch ist oder wenn Beschichtungen/Nitrieren angewendet werden können. - Wählen Sie NAK80 für hochglänzende Teile, reduzierte Fleckenbildung und wo Korrosionsbeständigkeit im Werkzeug erforderlich ist, um das Erscheinungsbild zu erhalten und die Wartungszeiten zu reduzieren.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• P20 ist typischerweise pro Kilogramm günstiger als NAK80 aufgrund des niedrigeren Legierungsgehalts und der breiten Commodity-Versorgung. Es ist eine kosteneffektive Wahl für große Formen und wo Budgetbeschränkungen bestehen.
• NAK80 hat einen Aufpreis aufgrund des höheren Legierungsgehalts (Cr, Ni) und der Verarbeitung für rostfreie Eigenschaften; erwarten Sie höhere Materialkosten und manchmal höhere Verarbeitungskosten für Wärmebehandlung und Finish.
• Verfügbarkeit:
• P20 ist weit verbreitet in vorgehärteten Platten, Blöcken und Stangen von vielen Lieferanten und ist in Formenwerkstätten üblich.
• NAK80 wird weit produziert, aber die Verfügbarkeit in sehr großen Plattengrößen oder nicht standardisierten Abmessungen kann eingeschränkter sein als bei P20; die Lieferzeiten können je nach Dicke und Finish-Anforderungen länger sein.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Attribut	P20	NAK80
Schweißbarkeit	Gut mit Kontrollen; höheres CE erfordert Vorsicht	Herausfordernd; rostfreies Schweißverfahren und PWHT oft erforderlich
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Stark und zäh im vorgehärteten Zustand	Gute Balance, aber optimiert für Politur und Korrosionsbeständigkeit
Kosten	Niedriger (wirtschaftlicher)	Höher (Premium rostfreie Legierung)

Empfehlungen: - Wählen Sie P20, wenn: - Budget und schnelle Bearbeitung/EDM-Durchlaufzeiten Priorität haben. - Das Teil kein hochglänzendes Finish erfordert oder geschützt/beschichtet ist. - Große Formenbasen oder Komponenten mit intensiver Bearbeitung erforderlich sind. - Wählen Sie NAK80, wenn: - Hohe Oberflächenqualität, Polierretention und Korrosionsbeständigkeit kritisch sind (Optik, Medizin, hochglänzende Konsumteile). - Sie eine reduzierte Werkzeugwartung für fleckenanfällige Materialien oder feuchte Produktionsumgebungen wünschen. - Die Premiumkosten durch reduzierte Nachbearbeitung, längere Polierlebensdauer oder verbesserte kosmetische Qualität der geformten Teile gerechtfertigt sind.

Letzter Hinweis: Die Materialauswahl sollte validiert werden, indem die Datenblätter der Lieferanten verglichen, Musterpoliertests unter den erwarteten Prozessbedingungen durchgeführt und Schweiß-/Reparaturverfahren sowie Oberflächenbehandlungen berücksichtigt werden. Wenn das Oberflächenfinish oder die Korrosionsbeständigkeit die Akzeptanz des Teils bestimmt, wird dringend empfohlen, Versuchswerkzeuge mit dem endgültigen Material und dem Polierregime zu verwenden.