410 против 420 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры и специалисты по закупкам часто выбирают между AISI 410 и AISI 420 при спецификации мартенситных нержавеющих сталей для компонентов, которые должны сбалансировать стоимость, формуемость, прочность и умеренную коррозионную стойкость. Типичные контексты принятия решений включают выбор сорта для компонентов клапанов, валов, крепежных изделий или столовых приборов, где важны компромиссы между износостойкостью, закаливаемостью, свариваемостью и стоимостью отделки.
Основное техническое различие заключается в том, что 420 является вариантом с более высоким содержанием углерода по сравнению с 410, что дает 420 значительно большую достижимую твердость и износостойкость после закалки, в то время как 410 сохраняет относительно лучшую пластичность и ударную вязкость в многих условиях эксплуатации. Поскольку оба являются мартенситными нержавеющими сортами с аналогичными уровнями хрома, их часто сравнивают для применения, требующего мартенситного ответа (закалка + отпуск), а не превосходной коррозионной стойкости аустенитных сортов.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты и обозначения:
- AISI/SAE/UNS: 410 (UNS S41000), 420 (UNS S42000)
- ASTM/ASME: обычно упоминаемые материалы, производные от обозначений AISI для прутков, плит и ковки
- EN: X12Cr13 (сравнимо с 410); варианты 420 появляются как члены семейства X20Cr13 или другие мартенситные коды в зависимости от углерода
- JIS/GB: сопоставимые мартенситные нержавеющие эквиваленты существуют в японских и китайских стандартах (например, семья SUS410), но местные стандарты используют отличные номера
- Классификация: как 410, так и 420 являются мартенситными нержавеющими сталями (нержавеющие, закаливаемые на воздухе, термообрабатываемые). Они не являются инструментальными сталями или сталями HSLA; это нержавеющие, термообрабатываемые сплавы, предназначенные для умеренной коррозионной стойкости и высокой способности к закалке.
2. Химический состав и стратегия легирования
Стратегия легирования для обоих сортов сосредоточена на хроме для коррозионной стойкости и углероде для закаливаемости и прочности. 420 увеличивает содержание углерода относительно 410, чтобы обеспечить более высокий ответ на закалку и износостойкость за счет пластичности и свариваемости.
| Элемент | Типичный диапазон / примечания — 410 | Типичный диапазон / примечания — 420 |
|---|---|---|
| C (углерод) | Низкий–умеренный (меньше углерода, чем у 420; разработан для баланса пластичности и закаливаемости) | Более высокий углерод (умышленно повышен для увеличения закаливаемости и твердости после закалки) |
| Mn (марганец) | Небольшие добавки (деоксидирование, ограниченное упрочнение твердого раствора) | Аналогичные небольшие добавки |
| Si (кремний) | Небольшой, для деоксидирования; незначительное упрочнение | Аналогично |
| P (фосфор) | Контролируемые низкие уровни (контроль примесей) | Контролируемые низкие уровни |
| S (сера) | Контролируемая низкая (улучшает обрабатываемость в некоторых сортах при наличии) | Контролируемая низкая (может присутствовать в обрабатываемых вариантах) |
| Cr (хром) | ~12% (обеспечивает основную нержавеющую/окислительную стойкость и мартенситные характеристики) | ~12–14% (аналогичный уровень хрома, как у 410) |
| Ni (никель) | Обычно низкий или отсутствует (сохраняет структуру мартенситной) | Обычно низкий или отсутствует |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | Обычно отсутствуют или в следовых количествах; некоторые коммерческие варианты могут включать небольшие легирующие добавки | Обычно отсутствуют или следовые; специальные варианты 420 (например, 420HC) могут иметь адаптированные C/S/P для обрабатываемости/твердости |
Примечания: Точные проценты варьируются в зависимости от стандарта и формы продукта (пруток, лента, лист, ковка). Ключевыми рычагами легирования являются хром (для коррозионной стойкости) и углерод (для закаливаемости и максимальной твердости после закалки-отпуска).
Как легирование влияет на свойства: - Хром создает пассивную оксидную пленку, которая обеспечивает нержавеющее поведение при умеренных концентрациях (~11–14% в этих мартенситных сортах). - Углерод увеличивает твердость и прочность мартенсита после закалки; более высокий углерод снижает ударную вязкость и свариваемость и способствует образованию карбидов при термическом воздействии или сварке. - Низкое содержание Ni и низкое содержание легирующих элементов сохраняют эти стали магнитными и мартенситными, позволяя проходы термообработки, которые аустенитные сорта не могут следовать.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура: - В отожженном состоянии оба сорта обычно являются ферритными/перлитными или частично аустенитными в зависимости от точной химии и термической истории. После аустенитизации и закалки оба производят мартенситные микроструктуры; сохраненный аустенит и распределение карбидов зависят от углерода и скорости охлаждения. - 410: С меньшим содержанием углерода мартенсит менее углеродонасыщен и обычно более мелкий; карбиды присутствуют, но менее многочисленны, чем в 420. - 420: Более высокий углерод создает более жесткую мартенситную матрицу и большую объемную долю хромовых карбидов (карбиды типа M23C6) после определенных термических циклов.
Реакция на термообработку: - Нормализация (охлаждение на воздухе после аустенитизации): уточняет размер зерна и может гомогенизировать микроструктуру; используется больше для обеспечения размерной стабильности и улучшения ударной вязкости в 410. - Закалка и отпуск: основной путь для получения закаленной, отпущенной мартенситной структуры в обоих сортах. 420 достигает более высокой твердости при эквивалентных температурах отпуска из-за более высокого углерода; но также требует тщательного отпуска для балансировки прочности и снижения хрупкости. - Термомеханическая обработка: ковка и контролируемая прокатка могут уточнить размер аустенитного зерна перед закалкой и увеличить ударную вязкость в обоих сортах; эффекты более выражены в 410 из-за его более низкой закаливаемости.
Практическое примечание: 420 более чувствителен к перегреву и осаждению карбидов во время медленного охлаждения или термических циклов сварки; это может снизить местную коррозионную стойкость и ударную вязкость.
4. Механические свойства
Механические свойства зависят от термообработки. Ниже приведен сравнительный, готовый к применению обзор для общих условий (отожженный против закаленного и отпущенного или закаленного + отпущенного).
| Свойство | 410 (типичное поведение) | 420 (типичное поведение) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Умеренная в отожженном состоянии; увеличивается с закалкой/отпуском, но максимальная ниже, чем у 420 при эквивалентной закалке | Ниже в отожженном состоянии, но может достичь более высокой предельной прочности при закалке из-за более высокого углерода |
| Устойчивость к текучести | Умеренная; хороший баланс между текучестью и пластичностью | Более высокая достижимая текучесть при закалке; ниже пластичность при эквивалентной прочности |
| Удлинение (пластичность) | Лучшая пластичность и удлинение в отожженном и отпущенном состояниях | Сниженное удлинение после закалки; ниже пластичность, чем у 410 при сопоставимой прочности |
| Ударная вязкость | Как правило, лучшая вязкость (меньше хрупкости при умеренных уровнях твердости) | Ниже ударная вязкость в сильно закаленном состоянии; более хрупкая тенденция при достижении высокой твердости |
| Твердость (максимально достижимая) | Умеренная максимальная твердость после закалки (подходит для некоторого износа) | Более высокая максимальная твердость (большая износостойкость и удержание кромки), но жертвуя прочностью |
Интерпретация: 420 является более прочным, жестким вариантом после термообработки; 410 более прощает — легче достичь разумной прочности и пластичности, обеспечивая при этом скромную закаленную прочность.
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости зависят от содержания углерода и закаливаемости. Оба сорта являются мартенситными нержавеющими сталями и представляют собой проблемы при сварке по сравнению с низкоуглеродистыми сталями или аустенитными нержавеющими сталями.
Полезные индексы (качественная интерпретация): - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (важно для восприимчивости стали к трещинам при сварке): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 420 имеет более высокий углеродный термин в обоих индексах, увеличивая закаливаемость и риск холодной трещиноватости и образования мартенсита в зоне термического влияния. Предварительный подогрев и контроль температуры между проходами, а также отпуск после сварки или PWHT снижают риск водородной хрупкости. - 410, с более низким содержанием углерода, легче сваривать, но все же требует внимания к контролю водорода и предварительному подогреву, когда сварные швы проникают в сильно холоднообработанные участки или толстые участки. - Использование соответствующих filler metals, процессов с низким содержанием водорода, предварительного подогрева и отпуска после сварки помогает обоим сортам; 420, как правило, требует более строгого контроля и более высокой постсварочной термообработки для восстановления прочности.
6. Коррозия и защита поверхности
- Оба 410 и 420 являются мартенситными нержавеющими сталями: они обеспечивают коррозионную стойкость, превосходящую обычную углеродную сталь в сухих атмосферах и мягких условиях, но уступают аустенитным сортам (304/316) при воздействии хлора или кислот.
- Содержание хрома является основным фактором, способствующим коррозионной стойкости в обоих сортах; поскольку оба имеют аналогичное содержание хрома, базовая коррозионная стойкость сопоставима во многих условиях.
- Более высокий углерод в 420 может способствовать осаждению карбидов хрома на границах зерен во время медленного охлаждения или сварки. Это локализованное истощение хрома может снизить стойкость к межзерновой коррозии.
- Формула PREN (не часто используемая для мартенситных сортов) (только для справки в некоторых нержавеющих семьях): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс в основном применим к дуплексным и аустенитным нержавеющим сталям; его ограниченное применение для мартенситных сортов, поскольку Mo и N обычно низкие или отсутствуют.
Опции защиты поверхности для обоих сортов, когда требуется увеличение коррозионной стойкости: - Гальванизация (для 410 в некоторых формах) — но гальванизация нержавеющей стали является редкостью и может быть ненужной для типичного обслуживания. - Покраска, полимерные покрытия или покрытие с никелем/хромом — широко используется для компонентов, где важны коррозия или внешний вид. - Обработки пассивации и тщательный контроль термообработки/сварочных циклов, чтобы избежать сенсибилизации.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обработка: Оба сорта следует обрабатывать в мягком/отожженном состоянии для лучшего срока службы инструмента. Более высокий углерод 420 и потенциально более высокая твердость в некоторых условиях продукта требуют осторожности; обрабатываемые варианты (например, 420 с контролируемой серой) улучшают образование стружки.
- Формование и изгиб: 410, с более низким содержанием углерода и более высокой пластичностью в отожженном состоянии, легче холодноформовать и изгибать. 420 требует более агрессивных параметров формования или должен формоваться в отожженном состоянии, а возврат может быть выше после отпуска.
- Шлифовка, полировка и отделка: 420 предпочтителен для приложений, требующих удержания кромки и полированной режущей кромки (столовые приборы, лезвия), поскольку он хорошо реагирует на закалку и полировку; 410 принимает полировку и отделку адекватно, но с более низкой достижимой твердостью.
8. Типичные применения
| 410 — Типичные применения | 420 — Типичные применения |
|---|---|
| Крепежные изделия, болты, валы, компоненты клапанов, детали насосов, где требуются умеренная коррозионная стойкость и прочность | Столовые приборы, хирургические инструменты, бритвы, подшипники, износостойкие детали, седла клапанов, где требуется более высокая твердость и удержание кромки |
| Структурные компоненты в энергетике, нефтехимии в нестрогих условиях | Инструменты и компоненты, требующие более высокой поверхностной твердости или износостойкости после закалки |
| Универсальные мартенситные нержавеющие стали, где важна легкость сварки/обработки | Компоненты, придающие приоритет износостойкости и высокой твердости; выбраны для отделки/полировки |
Обоснование выбора: - Выберите 410, если приложение ценит пластичность, легкость сварки/обработки и умеренную коррозионную стойкость по более низкой цене. - Выберите 420, если приложение требует более высокой закаленной твердости и износостойкости (кромки, уплотнения, износостойкие поверхности) и конструкция может допустить снижение прочности и более строгие требования к сварке/термообработке.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 410, как правило, дешевле, чем 420 во многих формах продукта из-за более низкого содержания углерода и более широкого использования в товарных целях; варианты 420 (особенно высокоуглеродные или “HC” сорта) могут стоить дороже из-за обработки для повышения твердости и специфической отделки.
- Доступность: Оба сорта широко доступны в обычных формах (пруток, плита, лента, ковка), хотя специальные варианты 420 (например, 420HC, 420J2) часто рекламируются для столовых приборов и хирургического использования. Время выполнения обычно короткое для стандартных продуктов; указывайте точный вариант (отожженный, закаливаемый, сернистый для обрабатываемости) на ранних этапах закупки, чтобы избежать замен.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 410 | 420 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкий углерод) | Сложнее (высокий углерод) |
| Компромисс прочности и прочности | Сбалансированная прочность с умеренной прочностью | Более высокая достижимая прочность/твердость, но ниже прочность |
| Стоимость | Как правило, ниже | Как правило, выше для высокоуглеродных/высокотвердых вариантов |
Выводы: - Выберите 410, если вам нужна мартенситная нержавеющая сталь с относительно лучшей пластичностью и прочностью, легкостью обработки и сварки, а также умеренной коррозионной стойкостью — например, валы, клапаны, крепежные изделия и компоненты, где приоритетами являются свариваемость и прочность. - Выберите 420, если вам нужна более высокая закаленная твердость и износостойкость (режущие кромки, уплотнения, износостойкие поверхности, прецизионные лезвия), и конструкция допускает более строгий контроль сварки и постсварочную термообработку для снижения хрупкости и рисков коррозии.
Заключительный практический совет: указывайте точное состояние продукта и план термообработки после обработки в документах на закупку (например, “420, закаленный и отпущенный до X HRC с финальным отпуском при Y°C” или “410, нормализованный для улучшения прочности”), и требуйте химическую и механическую сертификацию, чтобы гарантировать, что выбранный сорт соответствует предполагаемому балансу твердости, прочности и коррозионной стойкости.