420 против 440A – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
AISI 420 и AISI 440A — это мартенситные нержавеющие стали, которые обычно рассматриваются там, где требуется баланс между коррозионной стойкостью, твердостью и стоимостью. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно сталкиваются с компромиссом: менее легированные марки, которые легче формовать и сваривать, против более углеродистых и хромистых марок, которые достигают большей закаливаемости и удержания кромки. Типичные контексты принятия решений включают дизайн столовых приборов и лезвий, компоненты клапанов и насосов, кольца подшипников и компоненты, требующие локализованной стойкости к износу.
Основное практическое различие между ними заключается в компромиссе между достижимой твердостью/стойкостью к износу и сохраненной прочностью/долговечностью: 440A разработана для достижения большей твердости и стойкости к износу после термообработки, в то время как 420 обеспечивает относительно лучшую прочность, более простую обработку и улучшенную свариваемость и формуемость во многих производственных процессах. Поскольку обе марки являются мартенситными нержавеющими сталями, их часто сравнивают для применения в среднеценовом сегменте нержавеющих инструментов и столовых приборов.
1. Стандарты и обозначения
- 420: Обычно упоминается под AISI/ASTM/UNS как AISI 420 (UNS S42000); эквивалентные марки появляются в списках EN и JIS (часто под мартенситными нержавеющими обозначениями). Классифицируется как мартенситная нержавеющая сталь.
- 440A: Член семейства 440 (AISI 440A, UNS S44001), также представлена в различных национальных стандартах. Классифицируется как мартенситная нержавеющая сталь.
Сводка по категориям: - 420: Мартенситная нержавеющая сталь (нержавеющая инструментальная/ножовая сталь). - 440A: Мартенситная нержавеющая сталь (более углеродистая, более хромистая нержавеющая инструментальная/ножовая марка).
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица ниже показывает типичные диапазоны состава для коммерческих марок 420 и 440A; диапазоны варьируются в зависимости от стандарта и поставщика. Значения указаны в процентах по массе.
| Элемент | 420 (типичный диапазон, % по массе) | 440A (типичный диапазон, % по массе) |
|---|---|---|
| C | 0.15 – 0.40 | 0.60 – 0.75 |
| 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 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | — (обычно следы) | — (обычно следы) |
| Mo | — (обычно отсутствует) | — (обычно отсутствует) |
| V | — (обычно отсутствует) | — (обычно отсутствует) |
| Nb / Ti / B / N | следы / не указано | следы / не указано |
Как легирование влияет на характеристики: - Углерод: Основной фактор закаливаемости и достижимой мартенситной твердости. Более высокий углерод (440A) позволяет достичь большей твердости после закалки и лучшего удержания кромки, но за счет прочности и свариваемости. - Хром: Обеспечивает коррозионную стойкость и способствует закаливаемости через образование карбидов. Более высокое содержание Cr в 440A обеспечивает несколько лучшую пассивность во многих средах. - Mn, Si, следовые элементы: Влияют на дегазацию, поведение зерна и закаливаемость, но являются второстепенными по сравнению с C и Cr в этих марках.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В отожженном состоянии обе марки в основном являются ферритными/перлитными в зависимости от точной химии и обработки, но они наиболее полезны, когда преобразованы в мартенсит через термообработку. - После растворительного отжига и закалки обе формируют мартенсит плюс хромовые карбиды. 440A производит больше и более твердых карбидов из-за более высокого содержания C и Cr, что увеличивает стойкость к износу. - Закалка приводит к образованию закаленного мартенсита с распределением карбидов и реакцией закалки, зависящей от содержания углерода.
Маршруты термообработки и их эффекты: - Отжиг: Мягкое, обрабатываемое состояние для формовки и механической обработки (феррит/перлит). - Закалка (аустенизация → закалка → отпуск): Температура аустенизации и среда закалки контролируют количество оставшегося аустенита, растворение карбидов и конечную твердость. 440A, с более высоким углеродом, достигает большей твердости для данного графика аустенизации/отпуска, но более подвержена растрескиванию от напряжений закалки. - Нормализация: Используется для уточнения размера зерна перед окончательной закалкой; полезна для прочности. - Термомеханическая обработка: Применяется реже, чем для конструкционных сталей, но контролируемая ковка и контролируемое охлаждение могут улучшить свойства, контролируя размер зерна и распределение карбидов.
Практическое примечание: точные температуры отпуска должны быть выбраны для балансировки твердости и прочности; более углеродистая 440A требует тщательного отпуска, чтобы избежать хрупкости при сохранении твердости.
4. Механические свойства
Следующая таблица дает качественные и типичные сравнения. Фактические значения сильно зависят от термообработки и формы продукта.
| Свойство | 420 (типично) | 440A (типично) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | Умеренная — зависит от отпуска; обычно ниже, чем у 440A | Выше — достижимые максимумы превышают 420 при полной закалке |
| Предел текучести (МПа) | Умеренный | Выше в условиях высокой твердости |
| Удлинение (%) | Выше (лучшая пластичность в эквивалентном состоянии) | Ниже (уменьшенная пластичность при закалке) |
| Ударная вязкость | Лучше сохраняемая прочность при сопоставимой твердости | Ниже прочность при сопоставимой твердости; более хрупкая при полной закалке |
| Твердость (HRC, отпущенная) | Обычно до ~48–52 HRC в зависимости от C и процесса | Обычно выше; средние 50-е HRC достижимы при правильной термообработке |
Интерпретация: - 440A, как правило, достигает большей прочности на растяжение и более высокой максимальной твердости благодаря более высокому содержанию углерода и хрома. Это обеспечивает улучшенные характеристики износостойкости и удержания кромки. - 420 сохраняет относительно лучшую пластичность и ударопрочность при умеренных уровнях твердости, что делает ее менее подверженной катастрофическим отказам под ударами или изгибами.
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости для мартенситных нержавеющих сталей сосредоточены на содержании углерода, закаливаемости и микроалюминировании.
Важные предсказательные формулы, которые обычно используются (интерпретировать качественно здесь): - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (параметр свариваемости): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Более высокий $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ подразумевает большую предрасположенность к образованию твердых, хрупких зон термического влияния и риску растрескивания после сварки. - 420 имеет более низкое содержание углерода и более низкий индекс закаливаемости, чем 440A, поэтому 420 обычно легче сваривать (с предварительным подогревом и отпуском после сварки по мере необходимости). Более высокий углерод и хром в 440A увеличивают риск образования мартенсита в зоне термического влияния и растрескивания, поэтому сварка 440A требует строгого контроля: предварительный подогрев, контроль температуры между проходами, практика низкого водорода и отпуск после сварки для смягчения хрупкого мартенсита. - Использование соответствующих filler metals важно; в многих случаях выбирается filler с более низким содержанием углерода или никелевый сварочный металл, чтобы уменьшить риск растрескивания.
6. Коррозия и защита поверхности
- Обе марки 420 и 440A являются нержавеющими благодаря содержанию хрома, но их коррозионная стойкость умеренная по сравнению с аустенитными марками (304/316). 420 (12–14% Cr) обеспечивает приемлемую стойкость в слабо коррозионных средах; 440A (16–18% Cr) обычно предлагает улучшенную коррозионную стойкость благодаря более высокому содержанию хрома и более стабильной пассивной пленке во многих водных средах.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) может быть рассчитан для нержавеющих сплавов, содержащих Mo и N, с использованием: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$. Для 420 и 440A Mo и N обычно незначительны, поэтому PREN имеет ограниченную полезность.
- Не нержавеющая защита: Когда требуется более высокая коррозионная стойкость, поверхностные обработки (гальванизация, покраска, покрытие) и катодная защита или оцинковка являются вариантами для не нержавеющих аналогов — но для этих мартенситов обычный подход заключается в выборе более коррозионно-стойкой нержавеющей марки или применении защитных покрытий, так как оцинковка на мартенситной нержавеющей стали не распространена для прецизионных деталей.
- Практическое примечание: полировка и пассивация значительно влияют на характеристики; 440A с хорошо отполированными поверхностями и пассивацией может приблизиться к лучшей локализованной коррозионной стойкости, чем 420.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: В отожженном состоянии обе марки обрабатываемы. 420, с более низким содержанием углерода и меньшим осаждением карбидов, обычно легче обрабатывается до размеров в отожженном состоянии. Более высокий углерод и тенденция к образованию карбидов в 440A снижают обрабатываемость, особенно если она находится в закаленном состоянии.
- Формуемость и изгиб: Обе марки ограничены в холодной формовке в закаленном состоянии. В отожженном состоянии 420 легче формовать. 440A требует более агрессивных параметров формовки или должна поставляться в более мягком состоянии после растворительного отжига для формовки.
- Шлифовка и отделка: 440A может быть более абразивной для инструмента из-за более твердых частиц карбидов после термообработки; обе марки могут быть отшлифованы и отполированы до высоких отделок, необходимых для столовых приборов и хирургических инструментов.
- Отделка поверхности: Обе марки хорошо реагируют на механическую полировку и электрохимическую полировку. Обратите внимание, что распределение карбидов влияет на качество полировки кромки.
8. Типичные применения
| 420 — Типичные применения | 440A — Типичные применения |
|---|---|
| Столовые приборы и кухонные ножи, где необходимы прочность и коррозионная стойкость по умеренной цене | Столовые приборы и лезвия ножей, где приоритетом являются превосходное удержание кромки и высокая твердость |
| Хирургические инструменты (определенные типы) и стоматологические инструменты, где важны коррозионная стойкость и формуемость | Подшипники, компоненты клапанов и детали, требующие более высокой поверхностной твердости |
| Валы, крепеж и компоненты насосов в умеренно коррозионных средах | Малые износостойкие компоненты и детали с высоким износом, где приемлема частая переточка |
| Декоративная фурнитура и крепеж | Прецизионные столовые приборы, мелкие лезвия, пружины для часов (выбранные применения) |
Обоснование выбора: - Выбирайте 420, когда приоритетами являются прочность в эксплуатации, формуемость и свариваемость, и когда умеренная коррозионная стойкость достаточна. - Выбирайте 440A, когда первичными факторами проектирования являются высокая твердость и удержание кромки, а также когда более высокое содержание хрома полезно для локализованной коррозионной стойкости.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 420 обычно имеет более низкое содержание легирующих элементов (меньше хрома) и, как правило, дешевле за килограмм, чем 440A. Более высокий хром и более строгий контроль за углеродом в 440A несколько увеличивают стоимость.
- Доступность: Обе марки широко доступны в виде прутков, плит, полос и проволоки от поставщиков нержавеющей стали; 420 обычно имеется в наличии для столовых приборов и фурнитуры, 440A является стандартной нержавеющей сталью для столовых приборов/подшипников и также обычно доступна. Конкретные формы продуктов (тонкая полоса, отполированная до отделки столовых приборов, прецизионные прутки или специальные кованые изделия) могут иметь различные сроки поставки в зависимости от поставщика.
10. Резюме и рекомендации
Сводная таблица (качественная):
| Характеристика | 420 | 440A |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (меньше C, меньше закаливаемость) | Ниже (больше C, часто требуется предварительный подогрев/PWHT) |
| Баланс прочности и прочности | Лучшая прочность при сопоставимой твердости; умеренная прочность | Более высокая максимальная твердость и прочность; ниже прочность при закалке |
| Стоимость | Ниже | Выше |
| Коррозионная стойкость | Умеренная (12–14% Cr) | Лучшая локализованная коррозионная стойкость (16–18% Cr) |
| Обрабатываемость (отожженная) | Хорошая | Умеренная до низкой (из-за образования карбидов) |
Заключите с прямыми рекомендациями: - Выбирайте 420, если вам нужна мартенситная нержавеющая сталь, которую легче формовать и сваривать, которая предлагает хороший баланс прочности и коррозионной стойкости по более низкой цене, или когда детали будут подвергаться ударам или изгибам (например: универсальные столовые приборы, валы средней нагрузки, крепеж и хирургические инструменты, где не требуется экстремальная твердость кромки). - Выбирайте 440A, если ваш проект приоритизирует более высокую твердость, удержание кромки и стойкость к износу с улучшенной локализованной коррозионной стойкостью (например: ножи, где критична долговечность кромки, мелкие компоненты подшипников или детали с высоким износом), и вы можете принять необходимость в более строгом контроле термообработки, сниженной прочности и более контролируемых процедурах сварки.
Заключительное практическое руководство: - Всегда указывайте требуемое состояние термообработки и твердость в документах на закупку. Оцените весь производственный поток (формовка, сварка, термообработка, отделка) перед выбором марки. В случае сомнений относительно ударных нагрузок в эксплуатации или требований к сварке, предпочтите марку с большей пластичностью (420) или проконсультируйтесь с металлургом для корректировки химии/обработки, чтобы удовлетворить конкурирующие требования.