410 против 420 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
410 и 420 — это два широко используемых мартенситных нержавеющих стали, которые часто сравниваются, когда дизайнерам необходимо сбалансировать твердость и износостойкость с прочностью, свариваемостью и стоимостью. Менеджеры по закупкам, планировщики производства и инженеры обычно сталкиваются с выбором между мартенситным сортом с низким содержанием углерода, который легче формовать и сваривать, и вариантом с высоким содержанием углерода, который может достичь значительно большей поверхностной твердости и износостойкости после термообработки.
Основное техническое различие заключается в том, что 420 содержит больше углерода (и, следовательно, большую закаливаемость и потенциальную твердость), чем 410, в то время как 410 разработан для лучшей прочности, пластичности и универсального производства. Это различие определяет, как каждый сорт подвергается термообработке, механической обработке, защите и применению в промышленности.
1. Стандарты и обозначения
- Общие международные обозначения и стандарты:
- ASTM/ASME: ASTM A276 (брусья), номера AISI/UNS (UNS S41000 для 410, UNS S42000 или варианты S42000 для 420).
- EN: Эквиваленты EN обычно выражаются как XxCrNi или XxCr13 и т.д., но прямое соответствие варьируется в зависимости от конкретных пределов состава.
- JIS и GB: Японские и китайские стандарты имеют соответствующие мартенситные нержавеющие сорта с аналогичной химией, но с различными пределами.
- Классификация:
- 410: Мартенситная нержавеющая сталь (нержавеющая углеродная/низколегированная мартенситная).
- 420: Мартенситная нержавеющая сталь с более высоким содержанием углерода (часто называется "высокоуглеродная мартенситная нержавеющая").
- Ни 410, ни 420 не являются HSLA, аустенитными или инструментальными сталями в формальном смысле, хотя 420 обычно используется там, где требуется износостойкость, приближающаяся к инструментальной стали.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: Типичные диапазоны состава (приблизительные; указывайте фактические предельные значения из соответствующего стандарта при спецификации материала)
| Элемент | 410 (типичный диапазон, вес%) | 420 (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.15 | 0.15–0.40 |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 11.5–13.5 | 12.0–14.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | ≤ 0.5 |
| Mo | — (следы) | — (следы до небольших) |
| V, Nb, Ti, B, N | обычно следы или не указаны | обычно следы или не указаны |
Примечания: - Эти диапазоны являются ориентировочными и варьируются в зависимости от формы продукта и стандарта. Спецификации на закупку должны ссылаться на применимый стандарт или номер UNS для пределов приемлемости. - Стратегия легирования: оба сорта полагаются на хром для коррозионной стойкости и образования мартенсита после закалки. Повышенное содержание углерода в 420 увеличивает объемную долю мартенсита и карбидов, доступных для закалки; 410 сохраняет углерод на более низком уровне, чтобы сохранить пластичность и прочность после термообработки.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура: - В закаленном состоянии как 410, так и 420 образуют мартенсит (телоцентрированный тетрагональный мартенсит) при охлаждении с температуры аустенитизации. Осаждение карбидов (преимущественно хромовых карбидов) более выражено в 420 с высоким содержанием углерода, что может привести к более высокому содержанию твердых, хрупких карбидных фаз, распределенных в мартенситной матрице. - В отожженном состоянии оба сорта обычно находятся в виде феррита/перлита или мягкого мартенсита в зависимости от обработки. Термомеханическая история (холодная обработка, предыдущее зерно аустенита) также влияет на конечные свойства.
Поведение при термообработке: - Типичное решение отжига: нагрев до диапазона аустенитизации (примерно 980–1050 °C, в зависимости от спецификации и размера сечения), за которым следует закалка для формирования мартенсита. - Отпуск: используется для регулировки баланса твердости/прочности. Более низкие температуры отпуска (~150–300 °C) сохраняют более высокую твердость, но снижают прочность; более высокие температуры отпуска (~300–600 °C) снижают твердость и увеличивают прочность. - 420 реагирует на закалку более сильно из-за более высокого содержания углерода — он может достичь гораздо более высокой твердости по Роквеллу после закалки и низкотемпературного отпуска; 410 ограничен более низким содержанием углерода и, следовательно, не может достичь такой же пиковой твердости, но сохраняет лучшую пластичность и ударную прочность. - Нормализация или контролируемое охлаждение могут быть использованы для уточнения размера зерна и оптимизации обрабатываемости или прочности перед окончательным отпуском.
4. Механические свойства
Таблица: Типичные диапазоны механических свойств (зависит от термообработки; значения ориентировочные)
| Свойство | 410 (отожженный / диапазон термообработки) | 420 (отожженный / диапазон термообработки) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ≈ 450–800 (отожженный до отпущенного) | ≈ 600–1200 (в зависимости от закалки) |
| Предельная прочность (МПа) | ≈ 200–600 | ≈ 400–1100 |
| Удлинение (%) | ≈ 15–30 (отожженный) | ≈ 8–25 (отожженный до отпущенного) |
| Ударная прочность (Дж, Шарпи) | Как правило, выше (лучшая прочность) | Ниже при закалке; переменная с отпуском |
| Твердость (HRC) | ≈ 16–28 (отожженный/смягченный) до ≈ 35–40 (закаленный/отпущенный) | ≈ 18–30 (отожженный) до ≈ 45–60+ HRC (закаленный/отпущенный) |
Интерпретация: - 420 может быть закален до значительно более высокой твердости и прочности на растяжение из-за более высокого содержания углерода; это делает его превосходным для износостойких компонентов и режущих кромок. - 410 предлагает лучшую прочность и удлинение в сопоставимых условиях и, как правило, является более пластичным и ударопрочным выбором. - Точные свойства сильно зависят от выбранного цикла термообработки и толщины сечения; указание проектного значения требует спецификации твердости или состояния термообработки.
5. Свариваемость
Свариваемость контролируется содержанием углерода, другими элементами закаливаемости (Cr, Mo, V) и ограничением/вводом тепла. Более высокое содержание углерода увеличивает риск образования мартенсита и холодных трещин в зоне термического воздействия.
Полезные формулы для качественной оценки: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более полное Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 410, с более низким содержанием углерода, как правило, будет иметь более низкий углеродный эквивалент, чем 420, и, следовательно, лучшую свариваемость (меньший риск закалки и трещин в HAZ). - 420, особенно высокоуглеродные варианты, часто требуют специальных сварочных процедур: предварительный подогрев, контролируемые межпроходные температуры, низкогидрогеновые сварочные материалы и отпуск или снятие напряжений после сварки, чтобы избежать трещин в HAZ. - Использование соответствующих расходных материалов важно для избежания чрезмерной твердости в сварном металле. Если свариваемость является приоритетом, указывайте более низкие пределы углерода или выбирайте filler metals, предназначенные для мартенситных нержавеющих сварок.
6. Коррозия и защита поверхности
- Обе стали 410 и 420 являются мартенситными нержавеющими сталями со средней коррозионной стойкостью благодаря содержанию хрома (≈12–14%). Они не так коррозионно стойки, как аустенитные сорта (304, 316) и подвержены образованию коррозии, коррозии в трещинах и общей коррозии в агрессивных средах.
- Для коррозионных сред стратегии защиты поверхности включают пассивацию, покраску, покрытие или оцинковку (если основная металлургия и условия эксплуатации это позволяют). Обратите внимание, что оцинковка обычно применяется для углеродных сталей и может быть неуместной, когда требуется целостность нержавеющей поверхности; проконсультируйтесь о совместимости покрытий.
- PREN (число эквивалента коррозионной стойкости) в основном используется для аустенитных/ферритных нержавеющих сталей с Mo и N: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN имеет ограниченное значение для 410/420, поскольку их коррозионные характеристики определяются содержанием хрома и микроструктурными факторами, и оба сорта обычно имеют низкое содержание Mo и N.
- Практическое руководство: выбирайте 410 или 420 только для слабо коррозионных сред или когда контроль коррозии с помощью покрытий/покрытий приемлем. Для сред, богатых хлором, выбирайте более легированную нержавеющую сталь.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- В отожженном состоянии оба сорта обрабатываются достаточно хорошо. Обрабатываемость резко снижается с увеличением твердости.
- 420 в закаленном состоянии абразивен для инструмента и может быть труден в обработке; материалы инструмента и подачи должны быть выбраны соответственно.
- Формуемость и изгиб:
- 410 в отожженном состоянии имеет лучшую формуемость и может быть холодно сформован с соответствующими допусками на пружинистость.
- 420 (с высоким содержанием углерода) имеет сниженное удлинение и становится подверженным трещинам при формовании, если не находится в отожженном состоянии.
- Обработка поверхности:
- Оба сорта хорошо принимают отделку в отожженном состоянии; полировка закаленного 420 до зеркального блеска является обычной практикой для столовых приборов и медицинских инструментов.
- Учет термообработки в планировании производства: планируйте формование и сварку в отожженном состоянии, где это возможно, затем выполняйте окончательную закалку/отпуск как отдельную операцию для достижения требуемых свойств.
8. Типичные применения
Таблица: Типичные применения по сортам
| 410 — Типичные применения | 420 — Типичные применения |
|---|---|
| Валы насосов, компоненты клапанов, крепежные элементы, конструктивные части, где необходима умеренная коррозионная стойкость и прочность | Лезвия столовых приборов, хирургические инструменты (некоторые типы), подшипники, износостойкие пластины, маленькие ножи, лезвия бритв, где требуется высокая твердость и удержание кромки |
| Автомобильные отделки, компоненты паровых и газовых турбин, не критичные детали нефтехимической промышленности | Детали, требующие высокой поверхностной твердости после термообработки: ножи для резки, формы для низкосерийных инструментов, детали с высоким износом |
| Общие механические компоненты с простой термообработкой и хорошей свариваемостью | Применения, акцентирующие внимание на износостойкости и удержании кромки; часто закаленные и отшлифованные после термообработки |
Обоснование выбора: - Выбирайте 410, когда основными проблемами являются обработка, сварка, ударная прочность и стоимость, и требуется только умеренная коррозионная стойкость. - Выбирайте 420, когда требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость и удержание кромки, и когда возможна более строгая сварка и процедуры обработки, а также специализированный маршрут термообработки. 420 является лучшим выбором, когда твердость после отпуска и удержание кромки доминируют в критериях проектирования.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость:
- 410, как правило, дешевле, чем 420 из-за более низкого содержания углерода и более простой обработки во многих формах продукта.
- 420 имеет более высокую цену, когда поставляется в высокоуглеродных, прецизионно закаленных и тщательно отделанных формах (например, для столовых приборов).
- Доступность:
- Оба сорта широко доступны в виде брусьев, плит и кованых форм продуктов, но конкретные отпуски (предварительно закаленные, тонко отшлифованные брусья для столовых приборов) могут быть более ограничены для определенных уровней углерода 420.
- Сроки поставки могут варьироваться в зависимости от отделки поверхности и состояния твердости — закаленные и отшлифованные компоненты 420 часто имеют более длительные сроки поставки и более высокие затраты на обработку.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: Быстрое сравнение (качественное)
| Характеристика | 410 | 420 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая (лучше) | Умеренная до плохой (требует предварительного подогрева/после сварочной термообработки) |
| Баланс прочности и прочности | Лучшая прочность, умеренная прочность | Более высокая достижимая твердость/прочность, меньшая прочность при закалке |
| Износостойкость / Удержание кромки | Умеренная | Высокая (при закалке) |
| Стоимость | Ниже | Выше (особенно для высокоуглеродных, закаленных форм) |
Выводы и рекомендации: - Выбирайте 410, если вам нужна сбалансированная мартенситная нержавеющая сталь, которую легче сваривать и обрабатывать, которая предлагает разумную коррозионную стойкость для мягких сред и приоритизирует прочность и более низкую стоимость. Типичные случаи использования: валы, крепежные элементы, клапаны и детали, требующие рутинной обработки и послесварочного обслуживания. - Выбирайте 420, если ваш проект требует высокой поверхностной твердости, превосходной износостойкости или острых кромок (резательные инструменты, лезвия, износостойкие поверхности), и вы можете учесть более строгие сварочные и обработочные процедуры, а также специализированный маршрут термообработки. 420 является лучшим выбором, когда твердость после отпуска и удержание кромки доминируют в критериях проектирования.
Заключительная заметка: всегда указывайте требуемое состояние термообработки, максимальную твердость и применимый стандарт в документах на закупку. Механические и коррозионные характеристики в эксплуатации будут определяться в первую очередь термообработкой и состоянием поверхности, а не только номинальным сортом.