431 против 440C – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
AISI/SAE 431 и 440C — это два широко используемых мартенситных нержавеющих стали, которые обычно конкурируют за применение, требующее баланса между прочностью, стойкостью к износу и коррозионной стойкостью. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства сталкиваются с дилеммой выбора, приоритизируя более высокую твердость и стойкость к износу против лучшего баланса прочности и коррозионной стойкости по разумной цене. Типичные контексты принятия решений включают подшипники, компоненты клапанов, крепежные элементы, валы и ножевые или инструментальные приложения, где маршрут термообработки, отделка поверхности и окружающая среда определяют оптимальный выбор.
Основное различие между этими марками заключается в их стратегии легирования: одна формулируется для достижения очень высокой твердости и стойкости к износу за счет повышенного содержания углерода и хрома (440C), в то время как другая жертвует некоторой потенциальной пиковой твердостью для достижения улучшенной прочности и повышенной коррозионной стойкости за счет дополнительного легирования (431). Эта компромиссная ситуация лежит в основе различий в реакции на термообработку, обрабатываемости, свариваемости и типичных применениях.
1. Стандарты и обозначения
- Общие международные стандарты и обозначения:
- AISI/SAE: 431, 440C
- ASTM/ASME: Различные спецификации ASTM ссылаются на эти сплавы в виде прутков, проволоки или вытянутых изделий (обратитесь к конкретным стандартам продукции ASTM)
- EN: Ближайшие эквиваленты иногда сопоставляются с категориями мартенситной нержавеющей стали EN (проверьте технические паспорта производителей)
-
JIS/GB: Японские и китайские стандарты имеют аналогичные мартенситные нержавеющие марки; обратитесь к таблицам преобразования, когда требуются точные эквиваленты.
-
Классификация:
- 431: Мартенситная нержавеющая сталь (нержавеющий сплав со средним и высоким содержанием хрома, с добавлением никеля и небольшого количества молибдена) — используется там, где требуется более высокая прочность и коррозионная стойкость, чем у обычных углеродных сталей.
- 440C: Высокоуглеродная мартенситная нержавеющая сталь / инструментальная нержавеющая сталь — оптимизирована для твердости и стойкости к износу; считается нержавеющей инструментальной сталью.
2. Химический состав и стратегия легирования
Ниже представлена краткая таблица состава, показывающая типичные номинальные диапазоны, встречающиеся в данных поставщиков и общих спецификациях. Это приблизительные диапазоны — всегда проверяйте по конкретному сертификату завода или стандарту, на который ссылаются для предполагаемой формы продукта.
| Элемент | Типичный 431 (прибл. вес%) | Типичный 440C (прибл. вес%) |
|---|---|---|
| C | 0.15–0.25 (низкий–средний) | 0.95–1.20 (высокий) |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.03–0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 15.0–17.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 1.25–2.5 | ≤ 1.0 (обычно низкий) |
| Mo | 0.2–0.6 | ≤ 0.75 (часто низкий/отсутствует) |
| V | следы | следы |
| Nb/Ti/B | следы / незначительно | следы / незначительно |
| N | следы | следы |
Как легирование влияет на поведение: - Углерод: Определяющее различие — высокий углерод в 440C производит более высокую объемную долю мартенсита с карбидами, что позволяет достичь гораздо более высокой твердости и стойкости к износу после закалки/отпуска. Более низкий углерод в 431 умеряет пиковой твердости для сохранения прочности. - Хром: Обе марки являются мартенситными нержавеющими сталями с сопоставимым содержанием хрома для пассивности; в сочетании с углеродом, Cr влияет на образование карбидов и закаливаемость. - Никель и молибден: Присутствуют в 431 для повышения коррозионной стойкости и прочности; 440C обычно не содержит значительного количества Ni и Mo, чтобы отдать предпочтение образованию карбидов Cr и высокому углероду для стойкости к износу. - Формирователи карбидов (Cr, V): Способствуют образованию твердых карбидов в 440C, улучшая стойкость к износу, но уменьшая прочность.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичные микроструктуры:
- 431: Мартенситная матрица с относительно меньшим количеством крупных карбидов. При правильной аустенитизации, закалке и отпуске 431 предлагает отпущенный мартенсит с хорошей прочностью и умеренным количеством мелких карбидов. Он хорошо реагирует на отпуск для достижения баланса между прочностью и пластичностью.
-
440C: Мартенситная матрица, сильно насыщенная карбидами, богатыми хромом (M23C6 и подобные типы) из-за высокого содержания углерода и хрома. После закалки микроструктура содержит высокую объемную долю твердых карбидов, встроенных в мартенсит, что приводит к высокой твердости и стойкости к износу, но снижает ударную прочность.
-
Чувствительность к термообработке:
- Температура аустенитизации и время контролируют растворение карбидов. 440C требует тщательного контроля аустенитизации, чтобы избежать чрезмерного роста зерна или остаточной аустенита. Последующая закалка для формирования твердого мартенсита, за которой следует отпуск при низких или средних температурах, достигает целевой твердости; однако, чрезмерный отпуск значительно снижает твердость.
- 431 допускает более широкий диапазон отпуска, позволяя отпуск при более высоких температурах для обмена прочности на пластичность по мере необходимости.
- Термо-механическая обработка (контролируемая прокатка, контролируемое охлаждение) может улучшить размер зерна предыдущей аустенита и повысить прочность для обеих марок, но высокий углерод 440C ограничивает степень улучшения пластичности.
4. Механические свойства
Свойства сильно зависят от термообработки. Типичное сравнительное поведение (качественные и ориентировочные диапазоны):
| Свойство | 431 (типично после термообработки) | 440C (типично после термообработки) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Высокая (умеренная–очень высокая, зависит от отпуска) | Очень высокая (выше, чем у 431 при аналогичной твердости) |
| Предельная прочность | Умеренная до высокой | Высокая |
| Удлинение / Пластичность | Больше (лучшее удлинение) | Меньше (ломкость при высокой твердости) |
| Ударная прочность | Лучше (большая прочность) | Меньше (сниженная прочность при высокой твердости) |
| Твердость (HRC) | ~38–52 (в зависимости от отпуска) | ~56–64 (достижимая пиковая твердость) |
Интерпретация: - 440C достигает превосходной пиковой твердости и стойкости к износу благодаря высокому содержанию углерода и карбидов. Это также приводит к более высокой прочности на растяжение в закаленном состоянии, но за счет пластичности и ударной прочности. - 431 предлагает лучший баланс прочности и пластичности и улучшенную стойкость к растрескиванию в динамическом или усталостном режиме по сравнению с полностью закаленным 440C.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от углеродного эквивалента, закаливаемости и микроалюминирования.
Полезные индексы: - Углеродный эквивалент Международного института сварки: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Популярная формула Pcm для оценки риска сварки: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 440C: Высокий углерод приводит к высоким значениям $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ — повышенный риск образования мартенсита, растрескивания и холодного растрескивания, вызванного водородом, в зоне термического воздействия. Обычно требуется предварительный подогрев, термообработка после сварки и процедуры с низким содержанием водорода; сварка обычно не рекомендуется для деталей, требующих полной твердости, если не применяется значительная термообработка после сварки. - 431: Более низкий углерод и наличие Ni/Mo умеряют закаливаемость и снижают восприимчивость к растрескиванию по сравнению с 440C. Тем не менее, он все еще не так свариваем, как низкоуглеродные аустенитные нержавеющие стали; рекомендуется предварительный подогрев и контролируемое охлаждение, а термообработка после сварки может потребоваться в зависимости от применения.
6. Коррозия и защита поверхности
- Нержавеющее поведение:
- Обе марки являются мартенситными нержавеющими и могут образовывать пассивные пленки благодаря хрому. Однако коррозионная стойкость зависит от микроструктуры, осаждения карбидов и добавок легирующих элементов.
- Никель и скромный молибден в 431 обеспечивают ему умеренно лучшую коррозионную стойкость во многих средах по сравнению с 440C, особенно когда хром 440C связан с карбидами.
- Использование PREN:
- PREN обычно используется для аустенитных/ферритных нержавеющих марок; он менее значим для мартенситных, низко-азотных сплавов. Тем не менее, формула: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Для этих марок азот обычно низкий, и расчет PREN не учтет специфические явления мартенсита (например, осаждение карбидов).
- Защита поверхности для неидеальных условий:
- 440C часто требует дополнительной защиты поверхности или пассивации, особенно если используется в средах, содержащих хлориды, или во влажных условиях; следует рассмотреть возможность покрытия, пассивации, нанесения покрытий или проектирования коррозионных запасов.
- Где требуется более высокая коррозионная стойкость, рассмотрите аустенитные нержавеющие стали или дуплексные семейства вместо мартенситных марок.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- 440C: Труднее обрабатывать в отожженном состоянии (из-за высокого содержания карбидов) и становится более сложным после закалки. Шлифовка распространена для отделки; износ инструмента больше. Использование карбидных инструментов и соответствующих скоростей резания является стандартом.
- 431: Лучшая обрабатываемость, чем у 440C, особенно в отожженном или более мягком отпуске. Срок службы инструмента и параметры резания более прощают.
- Формуемость:
- 440C имеет ограниченную холодную формуемость; формирование обычно происходит в отожженном состоянии или путем механической обработки.
- 431 более формуем в отожженном состоянии; может быть сформирован, а затем термообработан.
- Отделка:
- Обе марки могут принимать полированные отделки; 440C может достичь высокой полировки для поверхностей подшипников/ножей благодаря твердым карбидам, способствующим стойкости к износу, но полировка занимает больше времени.
8. Типичные применения
| 431 — Типичные применения | 440C — Типичные применения |
|---|---|
| Валы, крепежные элементы, стебли клапанов, компоненты насосов, где требуется умеренная коррозионная стойкость и хорошая прочность | Подшипники, шариковые сиденья, кольца износа, режущие кромки, ножи с высоким износом, мелкие подшипники |
| Автомобильные и аэрокосмические детали, где балансируются прочность и коррозионная стойкость | Инструменты с высоким износом, хирургические лезвия (когда требуется стерилизация и высокая твердость), прецизионные подшипники |
| Морские компоненты со стратегиями умеренной коррозионной защиты | Ножи, лезвия для бритв, хирургические инструменты, требующие высокой сохранности кромки |
Обоснование выбора: - Когда присутствует циклическая нагрузка, удар или умеренное коррозионное воздействие, 431 часто выбирается за его прочность и баланс коррозии. - Где требования к износостойкости, сохранности кромки и высокой твердости доминируют в проектных требованиях, 440C является предпочтительным выбором, несмотря на более сложную обработку и меньшую прочность.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость:
- 440C, как правило, дороже в готовых закаленных/шлифованных формах из-за более высокого содержания легирующих элементов, более строгих требований к термообработке и шлифовке, а также увеличенного износа инструмента при механической обработке.
- 431 обычно дешевле в производстве и обработке, особенно когда производственные маршруты избегают полной закалки и требуют только умеренного отпуска.
- Доступность:
- Обе марки широко доступны в виде прутков, плит и проволоки от специализированных поставщиков нержавеющей и инструментальной стали. 440C в заготовках для подшипников и ножей малого диаметра очень распространен; 431 распространен для прутков и кованых компонентов.
- Соображения по форме:
- Готовые, закаленные детали из 440C могут поставляться шлифованными и полированными — эти формы с добавленной стоимостью увеличивают стоимость и время выполнения.
- Крупные кованые изделия или толстостенные компоненты из 440C менее распространены из-за трудностей в достижении однородных свойств; 431 более адаптируем к большим сечением.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Характеристика | 431 | 440C |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (умеренная) | Хуже (высокий риск растрескивания) |
| Баланс прочности и прочности | Хороший баланс (более прочный) | Высокая прочность и твердость, но меньшая прочность |
| Стоимость | Умеренная | Выше (затраты на обработку/инструменты) |
| Коррозионная стойкость | Лучше в мартенситном классе | Хорошая пассивная способность, но снижена карбидами |
| Стойкость к износу / твердость | Умеренная | Отличная (пиковая твердость) |
Заключение — выбирайте на основе функциональных приоритетов: - Выберите 431, если вам нужен сбалансированный сплав, который предлагает лучшую прочность, улучшенную коррозионную стойкость во многих условиях эксплуатации и более легкую обработку/сварку — для вращающихся валов, компонентов клапанов, крепежных элементов и деталей, подверженных ударам или усталости. - Выберите 440C, если максимальная твердость, стойкость к износу и сохранность кромки являются основными факторами, и вы можете управлять покрытием, отделкой и более строгими требованиями к термообработке и сварке — для подшипников, режущих кромок, износостойких компонентов и прецизионного инструмента.
Заключительная заметка: Оба сплава требуют тщательного соответствия термообработки, последующей обработки и подготовки поверхности для достижения предполагаемой комбинации механических свойств и коррозионной стойкости. Всегда консультируйтесь с сертификатами завода, техническими паспортами поставщиков и проводите испытания, специфичные для применения (усталость, износ, коррозия), перед окончательным выбором.