420 против 440C – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

420 и 440C — это два широко используемых мартенситных нержавеющих стали, которые часто встречаются в списках закупок для деталей, требующих баланса между твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно сталкиваются с компромиссом между стоимостью, обрабатываемостью и необходимой твердостью/износостойкостью для детали: правильный выбор зависит от эксплуатационных нагрузок, качества поверхности и ожидаемой коррозионной среды.

Основное практическое различие между этими марками заключается в их легирующей стратегии: одна из них — это низкоуглеродистая мартенситная нержавеющая сталь с умеренным содержанием хрома, обеспечивающим коррозионную стойкость и разумную прочность; другая — это высокоуглеродистая, высокохромистая мартенситная нержавеющая сталь, предназначенная для формирования значительного количества твердых хромовых карбидов для превосходной износостойкости и более высокой достижимой твердости. Это различие определяет их различное поведение при термообработке, механические свойства, свариваемость и области применения.

1. Стандарты и обозначения

• 420:
• Общие обозначения: UNS S42000, EN X46Cr13 (или X20Cr13 в зависимости от варианта), JIS SUS420J1 / SUS420J2.
• Типичные стандарты: ASTM A276 (нержавеющие стальные прутки, прутки и профили), ASME, EN, JIS.
• Категория: Мартенситная нержавеющая сталь (нержавеющая инструментальная/ножовая сталь).
• 440C:
• Общие обозначения: UNS S44004, EN X105CrMo17 (историческое), JIS SUS440C.
• Типичные стандарты: AMS, ASTM A582 / A666 (некоторые формы продукции), EN, JIS.
• Категория: Высокоуглеродистая мартенситная нержавеющая/инструментальная сталь.

420 обычно указывается там, где достаточно умеренной коррозионной стойкости и умеренной твердости; 440C указывается там, где требуются более высокая твердость, износостойкость и удержание кромки.

2. Химический состав и легирующая стратегия

Примечания: - Значения выше являются представительными диапазонами из общих спецификаций и паспортов продукции; точный состав зависит от стандарта и производителя. - Существенно более высокое содержание углерода и хрома в 440C способствует более высокому объемному содержанию твердых хромовых карбидов (преимущественно типов M23C6/M7C3 в практических микроструктурах), увеличивая износостойкость и достижимую твердость. - Более низкое содержание углерода в 420 приводит к меньшему количеству карбидов и более пластичной мартенситной матрице после закалки и отпускания, улучшая прочность и обрабатываемость по сравнению с 440C.

Как легирование влияет на поведение: - Углерод контролирует закаливаемость и максимальную достижимую твердость после закалки/отпуска; более высокий углерод → более высокая твердость, но сниженная прочность и свариваемость. - Хром обеспечивает коррозионную стойкость, образуя пассивную оксидную пленку; более высокий Cr обычно улучшает стойкость, но сильное осаждение карбидов может локально истощать хром в матрице. - Легирующие элементы, такие как Mo (при наличии), могут улучшить стойкость к образованию ямок и закаливаемость; Mn и Si являются элементами обработки и деоксидирования с умеренными микроструктурными эффектами.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Обе марки являются мартенситными нержавеющими сталями в обычных термообработанных состояниях, но их микроструктуры значительно различаются:

• 420:
• Микроструктура после закалки: преимущественно мартенсит с относительно низким объемным содержанием карбидов; карбиды более мелкие и их меньше.
• Термообработка: аустенизация (типичный диапазон ~980–1030 °C в зависимости от спецификации), закалка (масло/воздух в зависимости от размера сечения), отпуск до необходимой твердости (отпуск при ~150–600 °C). Максимальная практическая твердость ограничена содержанием углерода (часто до ~48–52 HRC для более углеродистых вариантов).

• Реакция: хорошая реакция на обычные циклы закалки и отпуска; более низкая доля остаточного аустенита; отпуск улучшает прочность.

• 440C:

• Микроструктура после закалки: мартенситная матрица с значительным объемным содержанием хромистых карбидов. Распределение карбидов является основным фактором, способствующим износостойкости.
• Термообработка: аустенизация обычно в диапазоне ~1010–1070 °C, закалка (масло или воздух для небольших сечений), отпуск в зависимости от целевой твердости. Криогенные обработки иногда используются для снижения остаточного аустенита и преобразования его в мартенсит, за которым следует отпуск при низкой температуре для стабилизации твердости.
• Реакция: высокий углерод обеспечивает очень высокую твердость после закалки, но также увеличивает риск деформации и трещинообразования. Отпуск меняет твердость на прочность; оптимальный отпуск балансирует удерживаемую твердость против риска хрупкого разрушения.

Нормализация, повторный отпуск или субнулевые обработки имеют разные результаты: 440C больше выигрывает от контроля карбидов и криогенных обработок для максимизации твердости и размерной стабильности, в то время как 420 более прощает в термических циклах.

4. Механические свойства

Качественное объяснение: - 440C достигает более высокой твердости и износостойкости, потому что его более высокий углерод образует большее количество твердых хромовых карбидов, встроенных в мартенситную матрицу. Это повышает прочность на растяжение и сжатие, но снижает прочность и пластичность. - 420, с более низким содержанием углерода и меньшим количеством карбидов, обеспечивает лучшую прочность и обрабатываемость, но не может сопоставиться с удержанием кромки или износостойкостью 440C.

Примечание: Точные механические показатели сильно зависят от формы продукции (пруток, лист), размера сечения и точных параметров термообработки. Для расчетов проектирования следует ссылаться на паспорта поставщиков.

5. Свариваемость

Свариваемость в основном зависит от углеродного эквивалента и закаливаемости. Два распространенных эмпирических индекса:

• Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Немецкий Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация: - Существенно более высокий углерод и повышенное содержание хрома в 440C увеличивают $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, указывая на более высокую предрасположенность к образованию твердых мартенситных микроструктур в зоне термического влияния (HAZ) и, следовательно, на больший риск холодного трещинообразования и водородного хрупчения. Предварительный подогрев, контролируемый тепловой ввод, использование низководородных расходных материалов и термообработка после сварки (PWHT) обычно требуются для беспроблемной сварки 440C. - 420, с более низким содержанием углерода, имеет лучшую свариваемость по сравнению, но все же требует внимания: предварительный подогрев и отпуск после сварки могут быть рекомендованы для критических приложений, чтобы избежать жесткой мартенситной HAZ и снять остаточные напряжения. - На практике обе марки не так хорошо свариваются, как аустенитные нержавеющие стали; сварка часто избегается для критических компонентов с высокой твердостью 440C. Изготовление путем механической обработки из прутков является обычным.

6. Коррозия и защита поверхности

• 420:
• С содержанием хрома около 12–14% 420 обеспечивает умеренную коррозионную стойкость в мягких атмосферах и к легким химикатам. Он обычно используется в столовых приборах и менее агрессивных средах. Обработка поверхности (полировка, пассивация) улучшает коррозионную стойкость.
• Для агрессивных или морских сред рекомендуется дополнительная защита, такая как покрытие, покрытие или указание на более легированную нержавеющую сталь.
• 440C:
• Более высокий хром номинально улучшает потенциал коррозионной стойкости, но высокое объемное содержание карбидов и осаждение карбидов во время термообработки могут локально истощать хром в матрице и снижать стойкость к образованию ямок. В нейтральных до слабо коррозионных средах 440C показывает адекватные результаты; в сильно коррозионных или содержащих хлор средах он не оптимален без защиты поверхности.
• PREN (обычно не решающий для этих мартенситных марок, но информативный для стойкости к образованию ямок): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Для 420 и 440C значения PREN скромные, поскольку Mo и N низкие или отсутствуют; PREN более актуален для аустенитных/ферритных нержавеющих сталей с значительным содержанием Mo и N.
• Варианты защиты поверхности для неподходящих коррозионных сред: безэлектролитное никелирование, хромирование, PVD покрытия, пассивация, покраска или указание на коррозионно-стойкий альтернативный сплав.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• 420: легче обрабатывается в отожженном состоянии; более углеродистые варианты 420HC более сложны, но все же легче, чем 440C. Хорошая отделка поверхности достижима.
• 440C: сложнее обрабатывается из-за высокой твердости и абразивных хромовых карбидов; рекомендуется обрабатывать в более мягком отожженном состоянии и шлифовать после закалки. Износ инструмента выше; используйте карбидные инструменты, сниженные подачи и охлаждение.
• Формуемость и изгиб:
• 420: лучшая изгибаемость и формуемость в отожженном состоянии; отпущенные детали менее пластичны.
• 440C: ограниченная формуемость после закалки; типичная практика — выполнять формование и механическую обработку в отожженном состоянии, затем термообрабатывать до окончательной твердости.
• Обработка поверхности:
• 440C можно полировать до высокого блеска, но требует больше шлифовки/полировки после закалки. 420 полируется сравнительно легко и хорошо переносит пассивацию.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 420 для приложений, придающих приоритет коррозионной стойкости и прочности при более низкой стоимости и когда не требуется экстремальная твердость. - Выбирайте 440C для приложений, где износостойкость, удержание кромки и способность достигать очень высокой твердости являются основными требованиями, и где приемлема последующая обработка (шлифовка, полировка).

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: 440C обычно дороже за килограмм, чем 420 из-за более высокого содержания легирующих элементов, более строгого контроля процессов и спроса на рынке инструментов/износостойкости. Специализированные формы продукции (прецизионные шлифованные прутки, предварительно закаленный материал) для 440C могут иметь дополнительную надбавку.
• Доступность: Обе марки широко доступны в виде прутков, листов и стержней, но формы продукции различаются. 420 повсеместно используется в столовых приборах и на рынке нержавеющей стали общего назначения. 440C легко доступен в прецизионных прутках и круглых заготовках для инструментов и подшипников, но менее распространен в больших размерах листов.
• Совет по закупкам: Покупка в общих размерах продукции и в предварительно закаленных условиях может сократить время выполнения и стоимость; индивидуальные термообработки или дополнительная отделка (шлифовка/криогенные обработки) увеличивают цену покупки и время выполнения.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендации: - Выбирайте 420, если: - Вам нужна умеренная коррозионная стойкость с разумной прочностью и обрабатываемостью. - Приоритетами являются стоимость, формуемость и более легкое изготовление/сварка. - Приложение связано с умеренным износом или ударными нагрузками, где не требуется экстремально высокая твердость. - Выбирайте 440C, если: - Максимальная твердость, износостойкость и удержание кромки критичны (подшипниковые дорожки, сиденья клапанов, ножи высокого класса). - Вы можете учесть более сложную термообработку, отделку (шлифовку, полировку) и более строгие меры предосторожности при сварке или предпочитаете механическую обработку из предварительно закаленного материала. - Эксплуатационная среда не является высококоррозионной или вы планируете применять защиту поверхности.

Заключительная заметка: как 420, так и 440C являются полезными мартенситными нержавеющими вариантами; выбор должен основываться на балансе требуемой твердости/износостойкости по сравнению с прочностью, легкостью изготовления и коррозионной средой. Для критических компонентов укажите состояние термообработки и запросите данные механических испытаний у поставщика, чтобы гарантировать, что поставленная микроструктура и свойства соответствуют требованиям проектирования.