S136 против 420 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Выбор между S136 и 420 — это повторяющееся решение для инженеров, менеджеров по закупкам и планировщиков производства, работающих с компонентами форм, прецизионными деталями или оборудованием, подверженным коррозии. Этот выбор часто балансирует между коррозионной стойкостью и качеством поверхности с одной стороны и стоимостью и легкостью изготовления с другой — и обычно определяется функцией детали, ожидаемой эксплуатационной средой и необходимыми затратами на жизненный цикл.

На высоком уровне как S136, так и 420 являются мартенситными нержавеющими сталями, используемыми там, где требуется сочетание твердости и некоторой коррозионной стойкости, но они разработаны с разными приоритетами. Наиболее значительное практическое различие заключается в том, что S136 — это нержавеющая сталь для форм, оптимизированная для повышения устойчивости к поверхностной коррозии и превосходной полируемости, в то время как 420 — это универсальная мартенситная нержавеющая сталь с более широким доступом и более низкой стоимостью. Эти различия влияют на стратегию легирования, реакцию на термическую обработку, отделку поверхности и критерии выбора в промышленности.

1. Стандарты и обозначения

• S136: Коммерчески поставляется как нержавеющая сталь для форм (обычно ссылаются на нее поставщики стали для форм и производители оригинального оборудования). Обычно она указывается для инструментов и вставок форм, где требуется коррозионная стойкость и полируемость. Это мартенситная нержавеющая инструментальная сталь из семейства нержавеющих сталей для форм, а не обычная углеродная инструментальная сталь.
• 420: Обозначена AISI/SAE как AISI 420 / UNS S42000; это мартенситная нержавеющая сталь в ASTM и многих международных стандартах. Широко используется как нержавеющая инструментальная и инженерная сталь.

Типичная классификация по типу: - S136 — нержавеющая мартенситная сталь для форм/инструментов (семейство инструментальных сталей с нержавеющим поведением). - 420 — мартенситная нержавеющая сталь (универсальный нержавеющий сплав; часто используется в инженерии и столовых приборах).

(Точные номера стандартов и коммерческие обозначения могут варьироваться в зависимости от поставщика; всегда проверяйте сертификаты материалов поставщика для конкретных заказов.)

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица представляет общие легирующие элементы интереса и качественное присутствие в каждом классе. Точные концентрации варьируются в зависимости от поставщика и формы продукта; проконсультируйтесь с сертификатами завода для закупок.

Элемент	S136 (типично, качественно)	420 (типично, качественно)
C (Углерод)	Средний — адаптирован для достижения закаливаемости и поверхностной твердости, обеспечивая полируемость	Средний — широкий коммерческий диапазон; контролирует окончательную твердость и прочность
Mn (Марганец)	Низкий–умеренный (контролируется для ограничения остаточного аустенита и примесей)	Низкий–умеренный (обезуглероживатель, влияет на закаливаемость)
Si (Кремний)	Низкий (обезуглероживание)	Низкий (обезуглероживание)
P (Фосфор)	Следы / низкий (сохраняется низким для прочности и коррозионной стойкости)	Следы / низкий
S (Сера)	Очень низкий (минимизирован для улучшения полируемости и коррозионной стойкости)	Часто выше, чем у S136 в старых классах (улучшает обрабатываемость, снижает коррозионную стойкость)
Cr (Хром)	Относительно высокий (для обеспечения нержавеющего поведения и коррозионной стойкости)	Высокий (12–14% классически; обеспечивает нержавеющее поведение)
Ni (Никель)	Низкий (может присутствовать в следовых количествах)	Низкий (обычно низкий до следового)
Mo (Молибден)	Очень низкий или отсутствует (некоторые классы форм намеренно контролируют Mo для балансировки коррозии и прочности)	Часто низкий или отсутствует (если не указано)
V (Ванадий)	Низкий–умеренный (если присутствует, для износостойкости и улучшения зернистости)	Низкий (может присутствовать в некоторых вариантах)
Nb, Ti, B	Обычно контролируются или отсутствуют (стабилизаторы и микроалюминирование контролируются для улучшения полируемости и свойств)	Обычно отсутствуют или в следовых количествах
N (Азот)	Низкий (избегается во многих вариантах из-за влияния на коррозию и прочность)	Низкий (типично)

Как легирование влияет на производительность (высокий уровень) - Хром: основной элемент для нержавеющего поведения. Более высокий и хорошо распределенный Cr с низкой серой способствует устойчивости к поверхностной коррозии и образованию ямок. - Углерод: повышает достижимую твердость и износостойкость после закалки и отпускания, но увеличивает закаливаемость мартенсита и восприимчивость к трещинам в жесткой зоне и сниженной коррозионной стойкости, если комбинируется с высокими уровнями примесей. - Сера и марганец: более высокая S улучшает обрабатываемость, но ухудшает полируемость и коррозионную стойкость; S136 поддерживает S очень низким для зеркальных отделок. - Микролегирующие элементы (V, Nb, Ti): добавляются в небольших количествах для уточнения карбидов и улучшения баланса износостойкости/прочности; их присутствие строго контролируется в сталях для форм для сохранения отделки поверхности.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Типичные микроструктуры - Как S136, так и 420 предназначены для формирования мартенсита после соответствующей закалки. В отожженном состоянии они содержат феррит/перлит или отожженные мартенситные структуры в зависимости от обработки. Микроструктура после закалки — это мартенсит плюс остаточный аустенит и карбиды; отпуск снижает твердость и стабилизирует микроструктуру.

Поведение и соображения термической обработки - S136: часто поставляется в вакуумно-отожженном или предварительно закаленном состоянии с акцентом на чистоту и контролируемое распределение карбидов. Принимает стандартные циклы закалки и отпуска для достижения целевой твердости, сохраняя коррозионную стойкость. Поскольку S136 указывается для высококачественной отделки поверхности, вакуумная или контролируемая атмосферная термическая обработка является обычной практикой для ограничения декарбонизации и поверхностных оксидов. - 420: предсказуемо реагирует на традиционное закаливание (аустенизация → закалка → отпуск). Термическая обработка 420 гибкая и может быть оптимизирована для повышения прочности или твердости в зависимости от температуры отпуска. Атмосферные термические обработки обычно используются в общих инженерных мастерских.

Нормализация, закалка и отпуск, термомеханическая обработка - Нормализация уточняет размер зерна в обеих сталях и полезна перед операциями механической обработки. - Закалка и отпуск устанавливают баланс твердости и прочности. S136 часто использует более консервативные циклы аустенизации и отпуска в сочетании с вакуумной обработкой для сохранения коррозионного поведения. - Термомеханическая обработка (прокат и контролируемое охлаждение) более актуальна для производства прутков/пластин; окончательные свойства обеих сталей в значительной степени определяются последующей термической обработкой.

4. Механические свойства

Поскольку оба класса чувствительны к термической обработке, абсолютные значения зависят от поставщика, графика термической обработки и формы продукта. Таблица ниже дает качественное сравнительное представление о типичных механических тенденциях, а не фиксированных числовых значениях.

Свойство	S136	420
Устойчивость к растяжению	Высокая при полной закалке (разработана для высокой поверхностной твердости)	Высокая при полной закалке (сравнимые достижимые диапазоны в зависимости от C)
Предельная прочность	Высокая после отпуска до типичных твердостей форм	Сравнимая; варьируется с отпуском
Удлинение (пластичность)	Умеренное — стремится к более низкому удлинению при более высокой твердости	Умеренное — может быть адаптировано; некоторые варианты 420 обеспечивают лучшую пластичность при более низкой твердости
Ударная прочность	Умеренная до низкой при очень высокой твердости (стали для форм часто жертвуют некоторой прочностью ради твердости и качества поверхности)	Умеренная — может быть немного выше, чем у S136 при эквивалентной твердости в зависимости от углерода и обработки
Твердость (закаленная)	Высокая достижимая твердость и поддерживаемая поверхностная твердость после полировки	Высокая достижимая твердость; широкий коммерческий диапазон в зависимости от углерода

Интерпретация - Обе стали могут быть закалены до схожих уровней твердости, пригодных для инструментов и износостойких частей; окончательный механический баланс зависит от содержания углерода и отпуска. Акцент на производстве и обработке S136 направлен на создание чистой микроструктуры и отделки поверхности, что поддерживает износостойкость и коррозионную стойкость, но может быть указано с немного другими выборами углерода и отпуска, чем у обычных классов 420.

5. Сварка

Сварка мартенситных нержавеющих сталей является сложной по сравнению с аустенитными классами из-за содержания углерода и легирующих элементов, которые способствуют образованию жесткого, хрупкого мартенсита в зонах термического воздействия (HAZ). Два широко используемых индекса свариваемости:

• Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Качественная интерпретация - Более высокие значения $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ подразумевают больший риск трещин в HAZ и необходимость предварительного подогрева/после сварочной термической обработки. Как S136, так и 420 обычно требуют тщательных сварочных процедур: предварительный подогрев, низкий тепловой ввод и отпуск или снятие напряжений после сварки являются обычными практиками. - S136 может быть несколько менее прощающе, если класс имеет более высокий углерод или более строго контролируемую чистоту (чтобы избежать сенсибилизации и сохранить отделку поверхности). Напротив, некоторые варианты 420, разработанные для общей инженерии, могут включать сульфидные включения и более высокий Mn, которые облегчают сварку в мастерских, но компрометируют коррозионную стойкость. - Для критических сборок сварка должна быть квалифицирована с помощью спецификаций процедуры (PQR/WPS) и испытаний; пайка или механическое крепление могут быть предпочтительнее для высококачественных поверхностей форм.

6. Коррозия и защита поверхности

• Для мартенситных нержавеющих сталей с хромом в диапазоне 12–14% коррозионная стойкость умеренная — достаточная для многих внутренних, неагрессивных сред и для литья под давлением многих полимеров. S136 разработана для повышения устойчивости к поверхностной коррозии и зеркальной полируемости за счет контроля серы, неметаллических включений и поверхностной декарбонизации.
• Для жестких условий ни S136, ни 420 не соответствуют устойчивости к образованию ямок или общей коррозионной стойкости аустенитных (304/316) или дуплексных нержавеющих сталей. При оценке локализованной коррозионной стойкости полезно использовать эквивалентный номер устойчивости к образованию ямок (PREN): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Для типичных химических составов S136 и 420 (низкий Mo и низкий N) значения PREN скромные; таким образом, S136 достигает лучшей практической коррозионной стойкости в основном за счет чистоты и оптимизированного распределения Cr, а не за счет высокого PREN за счет добавок Mo или N.

Опции защиты поверхности для неидеальных сценариев - Если служба детали требует дополнительной защиты: безэлектролитное никелирование, PVD покрытия, нитридирование (где совместимо с целями коррозии и твердости) или полимерные покрытия могут быть использованы. Для общей коррозионной защиты 420 (если выбрана по причинам стоимости) стандартные покрытия (гальванизация не типична для нержавеющих частей) и краски или пассивационные обработки являются опциями.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: 420 в своем отожженном или свободно обрабатываемом варианте обычно легче обрабатывается, чем сильно закаленная S136. S136 часто поставляется в предварительно закаленном или вакуумно-отожженном состоянии; механическая обработка должна выполняться в более мягком состоянии и сопровождаться финальной термической обработкой и шлифовкой/полировкой.
• Шлифовка и полировка: S136 оптимизирована для зеркальной полируемости; ее низкая сера и контроль включений обеспечивают превосходные отделки поверхности с меньшим количеством дефектов. 420 можно полировать до высокого блеска, но она может производить больше поверхностных особенностей из-за включений.
• Формуемость/гибкость: обе стали ограничены в холодной формуемости при закалке; формование должно выполняться в отожженном состоянии.
• Отделка поверхности: обработка S136 способствует финальной электро-полировке или механической полировке для оптических или медицинских форм; 420 можно отделать, но часто требует большего исправления поверхностных дефектов.

8. Типичные применения

S136 (типичные применения)	420 (типичные применения)
Высокоглянцевые формы для литья под давлением и сердечники (пластики, оптические детали)	Столовые приборы, лезвия и универсальные ножи
Коррозионно-стойкие вставки форм для медицинских или контактирующих с пищей деталей	Валы, компоненты клапанов и универсальные инструменты
Формы для медицинских устройств и прецизионных компонентов, требующих зеркальной отделки	Простые формы, приспособления и ручные инструменты, где стоимость является фактором
Компоненты, где качество поверхности и устойчивость к слабым коррозионным средам являются ключевыми	Детали насосов, подшипники и компоненты, требующие нержавеющего поведения по более низкой цене

Обоснование выбора - Выберите S136 для форм и инструментов, где приоритетами являются отделка поверхности, устойчивость к коррозии от технологических жидкостей или чистящих средств и долгосрочная размерная стабильность в полированном состоянии. - Выберите 420, когда чувствительность к стоимости, широкий доступ и универсальное нержавеющее поведение важнее, чем оптимизированная полируемость и специализированная коррозионная стойкость.

9. Стоимость и доступность

• 420: широко доступна, производится многими заводами по всему миру в прутках, пластинах, листах и кованых изделиях. Обычно имеет более низкую стоимость за единицу, чем специализированные стали для форм из-за больших объемов производства и множества поставщиков.
• S136: специализированная нержавеющая сталь для форм, обычно доступная через дистрибьюторов инструментальной стали и выбранные заводы. Стоимость выше за килограмм из-за дополнительной обработки (например, вакуумное плавление, контроль включений) и более ограниченных объемов производства. Доступность в стандартных размерах инструментов хорошая, но может быть менее распространенной, чем 420 в товарных формах.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	S136	420
Сварка	Умеренная до сложной; требует квалифицированных процедур	Умеренная до сложной; зависит от C и варианта
Прочность–Устойчивость (баланс)	Высокая твердость с умеренной прочностью (оптимизирована для целостности поверхности)	Сравнимая твердость достижима; может быть адаптирована для большей прочности
Стоимость	Выше (специализированная сталь для форм)	Ниже (товарная мартенситная нержавеющая сталь)

Выберите S136, если... - Вам нужен материал для форм или инструментов, который обеспечивает превосходную отделку поверхности, зеркальную полируемость и улучшенную устойчивость к поверхностной коррозии в агрессивных условиях очистки или переработки полимеров. S136 является предпочтительным выбором для высокоценных форм для литья под давлением, инструментов для медицинских устройств и приложений, где дефекты поверхности и коррозионные ямки неприемлемы.

Выберите 420, если... - Вам нужна широко доступная, более дешевая мартенситная нержавеющая сталь для общего инструмента, столовых приборов, валов или деталей, где экстремальная полируемость и оптимизированная коррозионная стойкость не являются основными требованиями. Используйте 420, когда вам требуется гибкость в термической обработке и широкий выбор поставщиков.

Заключительная заметка - Оба класса чувствительны к термической обработке и требуют спецификации точного состава поставщика, формы продукта и предполагаемых циклов термической обработки при закупке. Для критических деталей запрашивайте сертификаты завода, указывайте состояние поверхности (например, вакуумно-отожженное, предварительно закаленное) и квалифицируйте процессы сварки и отделки перед производством.