420 против 431 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между мартенситными нержавеющими сталями AISI 420 и AISI 431 при спецификации деталей, которые требуют баланса прочности, твердости, коррозионной стойкости и стоимости. Проблема выбора обычно сосредоточена на компромиссах, таких как максимальная достижимая твердость и стойкость к износу по сравнению с прочностью и коррозионной стойкостью в агрессивных средах, а также с учетом свариваемости и затрат на последующую обработку.

Решающее различие между этими двумя марками заключается в их стратегии легирования: 420 в основном полагается на более высокий углерод с умеренным содержанием хрома для достижения твердости и стойкости к износу, в то время как 431 добавляет значительное количество никеля и более высокий хром для улучшения прочности, вязкости и коррозионных характеристик, сохраняя при этом мартенситную закаливаемость. Поскольку обе марки являются мартенситными нержавеющими сталями, используемыми в схожих семействе компонентов (вала, крепеж, клапаны, лопасти), инженеры регулярно сравнивают их при спецификации деталей, которые должны быть закалены и при этом устойчивы к коррозии.

1. Стандарты и обозначения

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000 (часто упоминается в ASTM A666 для листов/ленты; ASTM A276 для прутков)
• 431: AISI 431 / UNS S43100 (находится в ASTM A582 для прутков, ASTM A276 для прутков/стержней)
• EN / EN эквиваленты:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13 (похожие семейства)
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-? (точные перекрестные ссылки варьируются в зависимости от стандарта)
• JIS / GB: региональные обозначения существуют для мартенситных нержавеющих марок с похожей химией.
• Классификация:
• Обе марки 420 и 431 являются мартенситными нержавеющими сталями. Они не классифицируются как углеродные стали, инструментальные стали или HSLA; это легированные нержавеющие стали, предназначенные для закалки путем закаливания и отпускания.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: типичный состав (вес%) — диапазоны, показанные в таблице, являются представительными для общих спецификаций; проверьте спецификацию на покупку для точных пределов.

Элемент	420 (типичный вес%)	431 (типичный вес%)
C	0.15 – 0.40	0.15 – 0.25
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	15.0 – 17.0
Ni	≤ 1.0 (часто очень низкий)	1.5 – 3.0
Mo	следы/нет	обычно нет
V	следы	следы
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	следы	следы

Примечания: - Показанные значения являются ориентировочными; многие спецификации имеют более узкие пределы. 420 — это мартенситная марка с высоким содержанием углерода и умеренным содержанием хрома; 431 — это мартенситная марка с содержанием никеля, более высоким хромом и контролируемым углеродом, что позволяет достичь лучшего сочетания вязкости и коррозионной стойкости. - Никель в 431 повышает прочность на растяжение и вязкость и улучшает стойкость к хрупкому разрушению во время термообработки и эксплуатации. Содержание хрома контролирует образование пассивной пленки и коррозионную стойкость; более высокий хром в 431 улучшает общее поведение при коррозии по сравнению с 420.

Как легирование влияет на поведение: - Углерод: основная закаливаемость и твердость мартенсита; более высокий углерод дает более высокую максимальную твердость, но снижает вязкость и свариваемость. - Хром: пассивация и закаливаемость; больше хрома обычно улучшает коррозионную стойкость и стойкость к отпуску. - Никель: стабилизирует мартенситную матрицу в сторону вязкости, снижает восприимчивость к хрупкому разрушению при отпуске и улучшает баланс прочности и вязкости. - Микроэлементы (Mn, Si, P, S, V) влияют на декарбонизацию, обрабатываемость и поведение включений; сера увеличивает обрабатываемость, но может ухудшать коррозионную усталость.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - Обе марки в основном образуют мартенсит после аустенитизации и закалки. В отожженном состоянии они могут содержать феррит + перлит или закаленный мартенсит в зависимости от процесса и содержания легирующих элементов. - 420: после закалки и отпуска микроструктура является мартенситной с карбидными осадками (карбиды хрома). Более высокий остаточный углерод приводит к более высокой твердости, но к большему количеству карбидов, которые могут действовать как места инициирования трещин, если не отжигать правильно. - 431: образует мартенсит с более тонким распределением карбидов и некоторым остаточным аустенитом в зависимости от аустенитизации/охлаждающей жидкости; никель способствует более пластичной, прочной мартенситной матрице.

Реакция на термообработку: - Нормализация: уточняет размер зерна и гомогенизирует микроструктуру; полезная предварительная обработка перед окончательной закалкой и отпуском. - Закалка и отпуск: обе марки хорошо реагируют. 420 достигает высокой твердости (может превышать ~50 HRC во многих термообработках), но с уменьшенной вязкостью на более высоких уровнях твердости. 431, с никелем и более высоким хромом, достигает лучшего соотношения вязкости к прочности после закалки и отпуска и имеет улучшенную стойкость к отпускному размягчению. - Термомеханическая обработка: преимущества в основном реализуются в продуктах из прутков/валов, где контролируемая прокатка перед закалкой улучшает структуру зерна; обе стали могут быть произведены с повышенной вязкостью благодаря контролируемой обработке, при этом 431 обычно получает больше преимуществ из-за своего баланса легирования.

4. Механические свойства

Таблица: типичные механические свойства (представительные диапазоны; зависят от термообработки и размера сечения)

Свойство (типичное)	420 (Q&T/отпущенный)	431 (Q&T/отпущенный)
Прочность на растяжение (МПа)	600 – 1200	700 – 1300
Предельная прочность (0.2% Rp0.2, МПа)	450 – 1000	600 – 1100
Удлинение (%)	8 – 20	8 – 18
Ударная вязкость (Charpy J)	низкая до умеренной (зависит от отпуска)	умеренная до высокой (лучше, чем 420 при аналогичной твердости)
Твердость (HRC)	Отожженная ~20; Q&T до ~55+	Отожженная ~20–30; Q&T до ~50–55

Интерпретация: - 431 обычно предлагает более высокую предельную прочность и лучшую ударную вязкость при сопоставимых уровнях прочности на растяжение благодаря Ni и более высокому Cr. Для той же целевой твердости 431 обычно показывает меньшее хрупкость и лучшую усталостную прочность. - 420 достигает высокой твердости и стойкости к износу с относительно простой химией и часто выбирается, когда требуется максимальная стойкость к износу или удержание кромки, а вязкость/коррозия являются второстепенными.

5. Свариваемость

Вопросы свариваемости сосредоточены на эквиваленте углерода и наличии легирующих элементов, которые увеличивают закаливаемость и риск мартенситного холодного растрескивания.

Полезные индексы свариваемости: - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Международный параметр $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Более высокий углерод и более высокий Cr/Mo/V повышают $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ — увеличенный риск образования мартенсита в зоне термического влияния и холодного растрескивания. Более высокое содержание углерода в 420, как правило, делает его более восприимчивым к закаливанию и растрескиванию в зоне термического влияния без предварительного нагрева или термообработки после сварки. - Содержание никеля в 431 снижает серьезность твердости мартенсита в зоне термического влияния сварки и улучшает пластичность; поэтому 431 обычно демонстрирует лучшую свариваемость дуговой сваркой, чем 420 при аналогичных толщине сечения и процессах сварки. - Практическое руководство: обе марки часто требуют предварительного нагрева и контролируемых температур межпрохода для надежной сварки. Отпуск после сварки или PWHT рекомендуется для критических компонентов, чтобы снять остаточные напряжения и снизить твердость в зоне термического влияния.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе марки 420 и 431 являются мартенситными нержавеющими сталями и не так коррозионно стойки, как аустенитные марки (например, 304/316). Они полагаются на свое содержание хрома для образования пассивной пленки.
• Использование PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) менее распространено для мартенситных сталей, но формула такова: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс подчеркивает Mo и N для стойкости к питтингу; поскольку ни 420, ни 431 не содержат значительного количества Mo или N, PREN имеет ограниченное применение.
• Практическое поведение при коррозии:
• 420: умеренная коррозионная стойкость в мягких средах; подвержен питтингу и коррозии в трещинах в хлоридах и общей коррозии, если не обработан или не защищен должным образом.
• 431: улучшенная общая коррозионная стойкость по сравнению с 420 благодаря более высокому содержанию хрома и никеля; широко используется в морской воде и нефтехимических приложениях, где требуется лучшая стойкость к хлоридному стрессу и коррозионной усталости.
• Несамостоятельные защиты поверхности (для любой марки, когда требуется дополнительная защита): оцинковка возможна для некоторых форм, но может быть ограничена для деталей с высокой твердостью; покраска, конверсионные покрытия, гальванизация или пассивирующие обработки обычно применяются в зависимости от условий эксплуатации.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• 420: хорошая обрабатываемость в отожженном состоянии; высокая твердость после термообработки снижает обрабатываемость и срок службы инструмента. Модифицированные варианты или подкатегории с хорошей обрабатываемостью могут быть доступны.
• 431: умеренная обрабатываемость; более прочная матрица может увеличить силы инструмента, но обеспечивает хорошую отделку поверхности при контроле. Обработка часто выполняется в отожженном или снятом напряжении состоянии перед закалкой.
• Формование и изгиб:
• Обе марки формуемы в отожженном состоянии; обратная пружинная деформация и работа по упрочнению требуют контроля процесса. Глубокая вытяжка возможна для тонких сечений в отожженном состоянии.
• Шлифовка и отделка:
• 420 в закаленном состоянии часто используется для лопастей и износостойких деталей; шлифовка и полировка являются стандартными операциями отделки.
• 431 хорошо отделывается и может быть отполирован до блестящей поверхности; его лучшая вязкость снижает растрескивание во время шлифовки и агрессивной отделки.

8. Типичные применения

420 – Типичные применения	431 – Типичные применения
Столовые приборы и ножи (лезвия, где удержание кромки является основным)	Аэрокосмические и высокопрочные крепежи (болты, шпильки)
Хирургические инструменты и стоматологические инструменты (часто в закаленном состоянии)	Валы насосов, компоненты клапанов в нефтехимической и морской службе
Корпуса подшипников, втулки, мелкие износостойкие детали	Валы, муфты, торсионные балки, требующие сочетания коррозионной стойкости и прочности
Декоративные отделки, фурнитура, где приемлема умеренная коррозионная стойкость	Компоненты, подверженные высокому коррозионному стрессу (морская болтовня, гидравлические поршни)

Обоснование выбора: - Выберите 420 для приложений, приоритизирующих стойкость к износу, удержание кромки, простую термообработку и более низкую стоимость материала, когда коррозия в условиях эксплуатации ограничена. - Выберите 431 для компонентов, которые должны сочетать высокую прочность, вязкость и улучшенную коррозионную стойкость (особенно в средах с хлоридами или динамическими нагрузками), где дополнительная стоимость материала оправдана.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: 420 обычно дешевле, чем 431, потому что содержит мало или совсем не содержит никеля; никель является одним из более дорогих легирующих элементов. Содержание никеля и более высокий хром в 431 приводят к более высокой стоимости сырья.
• Доступность: обе марки являются распространенными промышленными марками и широко доступны в виде прутков, стержней, плоских и крепежных форм. Специальные размеры или отделки поверхности могут иметь более длительные сроки поставки, а 431 может быть немного менее доступен, чем 420 на товарных рынках.

10. Резюме и рекомендации

Таблица, обобщающая ключевые компромиссы:

Характеристика	420	431
Свариваемость	Умеренная–сложная (высокий C)	Лучше (Ni улучшает вязкость)
Баланс прочности и вязкости	Высокая твердость, низкая вязкость при той же твердости	Лучшая вязкость при сопоставимой прочности
Коррозионная стойкость	Умеренная	Лучше (более высокий Cr + Ni)
Стоимость	Ниже	Выше

Выберите 420, если: - Основное требование — высокая твердость и стойкость к износу или удержание кромки при низкой или умеренной стоимости. - Компонент работает в относительно благоприятной среде или будет получать защитные покрытия. - Практики обработки/отделки и закалки хорошо контролируются, а сварные швы минимальны.

Выберите 431, если: - Приложение требует более высокого соотношения прочности к вязкости, улучшенной коррозионной стойкости (особенно в средах с хлоридами) и лучшей стойкости к хрупкому разрушению и усталости. - Важны свариваемость и ударная стойкость, и бюджет проекта может учесть более высокую стоимость материала. - Часть будет подвергаться динамическим нагрузкам, воздействию морской воды или требованиям к более высокой прочности на разрушение.

Заключительная заметка: всегда проверяйте точные химические и механические пределы в вашей спецификации на покупку и выбирайте практики термообработки (температура аустенитизации, охлаждающая среда, цикл отпуска и любые PWHT), чтобы соответствовать требованиям дизайна по твердости, вязкости и коррозионной стойкости.