S136 vs 420 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
S136 und 420 sind beide martensitische rostfreie Stähle, die häufig für Komponenten in Betracht gezogen werden, bei denen Härte, Polierbarkeit und eine gewisse Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Entscheidung zwischen einem spezialisierten Formstahl (S136) und einem allgemeinen martensitischen Edelstahl (420), wenn sie Korrosionsbeständigkeit, Oberflächenfinish, Kosten und Herstellbarkeit abwägen.
Der wesentliche praktische Unterschied zwischen den beiden liegt in ihrer Legierungs- und Verarbeitungsabsicht: S136 ist formuliert und verarbeitet für ein hohes Oberflächenfinish, einen niedrigen Einschlussgehalt und verbesserte Korrosionsbeständigkeit für Formanwendungen, während 420 ein breiterer martensitischer Edelstahl ist, der dort verwendet wird, wo einfache härtbare Edelstahl-Eigenschaften zu niedrigeren Kosten akzeptabel sind. Diese Ähnlichkeiten in der Familie (martensitischer Edelstahl) und die Unterschiede in der Zusammensetzungskontrolle und Verarbeitung bilden die Grundlage für den häufigen Vergleich.
1. Standards und Bezeichnungen
- S136
- Keine einzige internationale ASTM/ISO kanonische Nummer; es handelt sich um eine kommerzielle Bezeichnung für Formstahl, die von europäischen und internationalen Werkzeugstahl-Lieferanten verwendet wird (häufig in Formstahlkatalogen aufgeführt).
- Als korrosionsbeständiger rostfreier Werkzeug-/Formstahl klassifiziert (martensitischer Edelstahl, Werkzeugstahlfamilie).
- Wird häufig als vorgehärtete Platten, Blöcke oder polierte Formkomponenten geliefert und in den Standards der Werkzeugstahl-Lieferanten referenziert (proprietäre Bezeichnungen).
- 420
- In vielen Spezifikationen als AISI/SAE 420 und in ASTM-Produktstandards standardisiert (zum Beispiel ASTM A276 für rostfreie Stangen/Drähte).
- Erscheint auch unter EN und JIS als martensitische Edelstahlgrade mit ähnlicher Chemie.
- Als martensitischer Edelstahl klassifiziert (härtbarer Edelstahl).
Klassifizierungszusammenfassung: - S136: Rostfreier Werkzeugstahl (martensitisch), Werkzeug-/Formgrad, kommerzielle Bezeichnung. - 420: Rostfreier Stahl, martensitisch, standardisierter AISI/ASTM-Grad.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typisches 420 (AISI/ASTM typische Beschreibung) | Typisches S136 (kommerzielle Formstahlcharakterisierung) |
|---|---|---|
| C | 0.15–0.40% (Härtbarkeit, Festigkeit) | Relativ höher kontrolliertes C (optimiert für Härte/Politur)—lieferantenspezifisch |
| Mn | ≤ ~1% (Entgasung und Festigkeit) | Niedriges Mn (minimiert für Sauberkeit und Korrosionsbeständigkeit) |
| Si | ≤ ~1% (Entgasung) | Niedriges Si (kontrolliert zur Unterstützung der Polierbarkeit und Oberflächenqualität) |
| P | ≤ ~0.04% (Verunreinigung) | Sehr niedriges P (kontrolliert für Korrosion und Polierbarkeit) |
| S | ≤ ~0.03–0.04% (Verunreinigung) | Sehr niedriges S (verbesserte Bearbeitungsalternativen können stattdessen Mikrolegierung umfassen) |
| Cr | ~12–14% (rostfreies Verhalten, Härtbarkeit) | Ähnliches Cr (bietet Korrosionsbeständigkeit); Zusammensetzung fein kontrolliert |
| Ni | In der Regel niedrig oder nicht vorhanden (martensitisch) | Typischerweise minimal oder nicht vorhanden (hält martensitische Reaktion); einige kommerzielle Varianten können Spuren von Ni enthalten |
| Mo | Typischerweise in 420 nicht vorhanden | Einige S136-Varianten können kleine Mo-Zugaben enthalten oder mit strengerer Verunreinigungskontrolle produziert werden, um die lokale Korrosionsbeständigkeit zu verbessern |
| V | Spuren bis niedrig (kein primäres Legierungselement in standard 420) | Kann in kleinen Mengen in Werkzeugstahlvarianten vorhanden sein, um Karbide/Kristall zu verfeinern |
| Nb/Ti/B | Typischerweise nicht vorhanden (außer Spuren) | Kann in winzigen Mengen von Lieferanten verwendet werden, um Kristall und Einschlüsse in spezialisierten S136-Schmelzen zu kontrollieren |
| N | Niedrig (martensitischer Edelstahl) | Niedrig; kontrolliert gehalten, um Delta-Eisen/Nitride zu vermeiden, die die Polierbarkeit beeinträchtigen |
Hinweise: - S136 wird mit strengerer Kontrolle der Verunreinigungen (P, S) und nichtmetallischen Einschlüsse produziert und spezifiziert; seine Legierungsstrategie betont eine feine, gleichmäßige Verteilung von Karbiden und niedrige Segregation, um die Polierbarkeit und konsistente Korrosionsbeständigkeit über die Oberfläche zu optimieren. - 420 verwendet ein einfacheres Legierungsverhältnis, um wirtschaftliche Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zu bieten; eine breite Palette von Kohlenstoffgehalten in der 420-Familie ergibt unterschiedliche Untergrade (z. B. 420A, 420B, 420C-Varianten unterscheiden sich historisch durch C).
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
- Typische Mikrostrukturen:
- Beide Grade sind martensitische rostfreie Stähle nach geeigneter Abschreckung. Die Mikrostruktur besteht hauptsächlich aus Martensit mit variierenden Mengen und Morphologien von Chromkarbiden.
- S136: produziert und wärmebehandelt, um einen feinen, homogenen Martensit mit einem niedrigen Anteil an großen primären Karbiden und kontrollierter sekundärer Karbidverteilung zu erzeugen. Pulvermetallurgie oder verfeinerte Schmelzpraktiken können von Lieferanten verwendet werden, um Segregation zu reduzieren, was zu einem überlegenen Oberflächenfinish nach dem Polieren führt.
-
420: geschmiedet oder konventionell geschmolzen; Martensitmatrix mit Chromkarbiden einer gröberen Verteilung im Vergleich zu hochkontrollierten Formstählen. Die Karbidpopulation hängt stark vom Kohlenstoffgehalt und der thermischen Geschichte ab.
-
Wärmebehandlungsreaktion:
- Beide Grade reagieren auf Austenitisierung, Abschreckung und Anlassen. Härte, Festigkeit und Zähigkeit hängen stark vom Kohlenstoffgehalt, der Austenitisierungstemperatur, dem Abschreckmedium und dem Anlasregime ab.
- S136 wird häufig in einem vorgehärteten und oberflächenfertigen Zustand geliefert; es akzeptiert subzero oder kryogene Behandlungen und Anlaszyklen, die optimiert sind, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten und Verzerrungen für Werkzeuge zu minimieren.
-
420 wird auf eine breite Palette von Härten für verschiedene Anwendungen wärmebehandelt: niedrigere Kohlenstoffvarianten für die Bearbeitung und moderate Härte; höhere Kohlenstoffvarianten für höhere Härte nach Abschreckung und Anlassen.
-
Normalisieren / thermo-mechanische Verarbeitung:
- S136 profitiert von kontrolliertem Normalisieren und potenziell subzero Behandlung, um zurückgehaltenes Austenit zu reduzieren und Karbide zu verfeinern.
- 420 kann normalisiert/glühen werden, um die Bearbeitbarkeit vor der endgültigen Härtung zu verbessern.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | S136 (typisches Verhalten) | 420 (typisches Verhalten) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Hoch, wenn vollständig wärmebehandelt (für hohe Härte und Druckfestigkeit in Formen ausgelegt) | Moderat bis hoch, abhängig vom Kohlenstoffgehalt und der Wärmebehandlung |
| Streckgrenze | Hoch im gehärteten Zustand | Moderat bis hoch |
| Dehnung (%) | Niedriger im gehärteten Zustand (spröde bei sehr hoher Härte) | Vergleichbare oder leicht höhere Duktilität bei gleicher Härte, wenn niedrigere Kohlenstoffvariante |
| Schlagzähigkeit | Moderat bis niedrig bei hoher Härte; optimierte Varianten und Anlassen verbessern die Zähigkeit | Variabel; niedrig-kohlenstoff 420 hat tendenziell eine bessere Zähigkeit als hoch-C hoch-Härte-Varianten |
| Härte (HRC) | Für hohe Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit ausgelegt (häufig im gehärteten, angelassenen Zustand für Werkzeuge geliefert) | Breite Härtebereich; kann erheblich gehärtet werden, abhängig vom Kohlenstoff |
Erklärung: - S136 erreicht typischerweise hohe Oberflächenhärte und Oberflächenintegrität mit sorgfältig kontrollierten Karbiden, was die Verschleißfestigkeit und Polierbarkeit verbessert, aber die Bulk-Zähigkeit reduzieren kann, wenn sie auf extreme Härte gedrängt wird. - Die Eigenschaften von 420 variieren stärker mit dem Kohlenstoffgrad. Niedrig-kohlenstoff 420 ist duktiler und zäher bei moderater Härte; hoch-kohlenstoff 420 nähert sich S136 in der Härte, kann jedoch größere Karbide und weniger vorhersehbares Oberflächenfinish aufweisen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt, der Härtbarkeit (Cr und Legierung) und dem Verunreinigungs-/Mikrolegierungsgehalt ab. Zwei gängige empirische Indizes sind hilfreich für die qualitative Interpretation:
-
Internationales Institut für Schweißen Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Dearden und O’Neill-Typ Parameter ($P_{cm}$): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Höherer Kohlenstoff und höheres Chrom erhöhen die Härtbarkeit und das Risiko von Rissen in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ). S136, da es für hohe Härte optimiert ist und oft höhere effektive Kohlenstoff- und feine Karbidpopulationen aufweist, wird im Allgemeinen schwieriger zu schweißen sein als niedrig-kohlenstoff 420-Varianten. - Die Schweißbarkeit von 420 variiert über die Untergrade: niedrig-kohlenstoff 420 ist relativ besser schweißbar; hoch-kohlenstoff 420 und S136 erfordern Vorwärmung, kontrollierte Zwischenpass-Temperatur und Nachschweißwärmebehandlung, um Rissbildung in der HAZ und übermäßige Martensitbildung zu vermeiden. - Darüber hinaus bedeutet die strenge Sauberkeit und die Strategie mit niedrigem Verunreinigungsgehalt von S136, dass das Schweißen die Oberflächenbedingungen lokal verändern kann, was die Korrosionsbeständigkeit in der Nähe von Schweißnähten beeinträchtigen kann, es sei denn, es wird sorgfältig geschweißt und nachbehandelt.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Für rostfreie Martensite stammt die allgemeine Korrosionsbeständigkeit hauptsächlich aus dem Chromgehalt und dem Oberflächenzustand. Weder S136 noch 420 bieten den Lochkorrosionswiderstand von austenitischen oder duplex rostfreien Stählen, wenn sie chloridreichen Umgebungen ausgesetzt sind.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) wird häufig zur Bewertung des Lochkorrosionswiderstands in rostfreien Graden verwendet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Anwendung von PREN:
- Für sowohl S136 als auch 420 sind die PREN-Werte bescheiden, da die Mo- und N-Gehalte niedrig sind; die sauberere Oberfläche von S136 und die kontrollierte Chemie führen oft zu einer besseren lokalen Korrosionsleistung als generisches 420 nach dem Polieren und in weniger aggressiven Medien.
- Nicht-rostfreie Alternativen / Schutz:
- Wenn ein erhöhter Korrosionsschutz für einen der Grade erforderlich ist, sollten Oberflächenbehandlungen in Betracht gezogen werden: chemisch Nickel, Hartverchromung (unter Berücksichtigung von Umwelt-/Regulierungsbeschränkungen), Nitrieren (für Verschleiß, begrenzter Korrosionsnutzen), Passivierung oder Barriereschichten (Farben, Polymerbeschichtungen).
- Für Umweltschutz über das hinaus, was diese Martensite bieten, sollten austenitische rostfreie Stähle, Duplex- oder Ni-Basislegierungen in Betracht gezogen werden.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- Niedrig-kohlenstoff 420-Varianten sind in geglühtem Zustand einfacher zu bearbeiten. S136 kann aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und der härtbaren Natur sowie der potenziell hohen Härte, wie geliefert, schwieriger zu bearbeiten sein; viele S136-Platten werden vorgehärtet geliefert und erfordern möglicherweise EDM oder Schleifen anstelle von konventioneller Bearbeitung.
- Formbarkeit:
- Beide Legierungen sind im gehärteten Zustand in der Kaltformbarkeit eingeschränkt. Im geglühten Zustand kann 420 recht gut geformt werden; die Formbarkeit von S136 hängt vom Lieferantenanlassen ab, ist jedoch hauptsächlich auf die Formfertigung ausgerichtet und nicht auf die Blechformung.
- Oberflächenveredelung:
- S136 ist für Polieren und hochglänzende Oberflächenveredelungen optimiert, mit Augenmerk auf niedrigem Einschlussgehalt und feiner Karbidverteilung.
- 420 kann poliert werden, erzeugt jedoch oft ein weniger konsistentes Spiegel-Finish im Vergleich zu S136, es sei denn, es wird speziell verarbeitet.
8. Typische Anwendungen
| S136 (Formstahl) | 420 (Martensitischer Edelstahl) |
|---|---|
| Hochwertige Kunststoffspritzgussformen mit spiegelpolierten Hohlräumen | Besteck, chirurgische Instrumente (einige Varianten), Wellen, Ventilkomponenten |
| Formen, die eine anhaltende Politur und moderate Korrosionsbeständigkeit erfordern | Befestigungen, Pumpenkomponenten, Strukturteile, wo Edelstahl und Härte benötigt werden |
| Druckguss-Einsätze, Kaltarbeitswerkzeuge, wo Oberflächenfinish und Korrosionsbeständigkeit entscheidend sind | Allzweck-härtbare Komponenten, wo Kosten und Verfügbarkeit die Auswahl bestimmen |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie S136, wenn Oberflächenfinish, Polierhaltung und konsistente Korrosionsbeständigkeit in Formhohlräumen von größter Bedeutung sind. - Wählen Sie 420 für kosteneffektive, gehärtete Edelstahlteile, wo hervorragende Polierbarkeit weniger kritisch ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- 420: Weltweit weit verbreitet in Stangen, Drähten, Platten und Blechen; in der Regel niedrigere Kosten aufgrund standardisierter Metallurgie und breiter Lieferbasis.
- S136: Spezieller Formstahl, erhältlich von Werkzeugstahl-Lieferanten und -Händlern; typischerweise höhere Kosten pro kg und manchmal längere Lieferzeiten für große Dimensionen oder spezifische Oberflächenveredelungen. S136 wird häufig in vorgehärteten und vorpolierten Formaten angeboten, die einen Mehrwert für Werkzeuganwendungen bieten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | S136 | 420 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Moderat bis schwierig (erfordert Kontrollen) | Variabel — einfacher für niedrig-C Varianten |
| Festigkeit–Zähigkeit (wie geliefert) | Hohe Härte und Festigkeit; Zähigkeit hängt vom Anlassen ab | Variabel; niedrig-C Grade bieten bessere Zähigkeit bei moderater Festigkeit |
| Kosten | Höher (spezialisiert, kontrollierte Verarbeitung) | Niedriger (standardisiert, breit verfügbar) |
Schlussfolgerungen und Empfehlungen: - Wählen Sie S136, wenn: - Ihre Anwendung eine spiegelglatte Politur, konsistente Oberflächenintegrität und verbesserte lokale Korrosionsbeständigkeit für Werkzeuge oder Formen erfordert. - Sie höhere Materialkosten und potenziell restriktivere Verarbeitung (EDM, Schleifen, spezialisiertes Schweißen/Nachbehandlung) akzeptieren. - Wählen Sie 420, wenn: - Sie einen kosteneffektiven, härtbaren Edelstahl für allgemeine Komponenten benötigen, wo hervorragende Polierbarkeit und erstklassige Korrosionsbeständigkeit in Formen nicht erforderlich sind. - Sie eine breite Verfügbarkeit in vielen Produktformen und einfachere konventionelle Bearbeitung (für niedrig-kohlenstoff Varianten) benötigen.
Letzte Anmerkung: Beide Grade müssen unter Berücksichtigung des spezifischen Untergrades, der Lieferantenverarbeitung (z. B. vorgehärtet vs. geglüht) und des vorgesehenen Wärmebehandlungsplans ausgewählt werden. Für kritische Werkzeuge oder Komponenten mit hohem Oberflächenfinish konsultieren Sie den Stahl-Lieferanten für Wärmebehandlungsrezepte, Lieferzustand und Schweiß-/Reparaturempfehlungen, die auf die gewählte Legierungsvariante zugeschnitten sind.