S136 против 420 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
S136 и 420 — это мартенситные нержавеющие стали, которые часто рассматриваются для компонентов, где требуются твердость, полируемость и определенная коррозионная стойкость. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно сталкиваются с выбором между специализированной нержавеющей сталью для форм (S136) и универсальной мартенситной нержавеющей сталью (420), когда необходимо сбалансировать коррозионную стойкость, качество поверхности, стоимость и производимость.
Основное практическое различие между двумя сталями заключается в их легировании и намерении обработки: S136 формулируется и обрабатывается для достижения высокого качества поверхности, низкого содержания включений и улучшенной коррозионной стойкости для форм, в то время как 420 является более универсальной мартенситной нержавеющей сталью, используемой там, где приемлемы простые закаливаемые свойства нержавеющей стали по более низкой цене. Эти сходства в семействе (мартенситная нержавеющая сталь), но различия в контроле состава и обработке лежат в основе общего сравнения.
1. Стандарты и обозначения
- S136
- Не имеет единого международного канонического номера ASTM/ISO; это коммерческое обозначение стали для форм, используемое европейскими и международными поставщиками инструментальной стали (часто указано в каталогах стали для форм).
- Классифицируется как коррозионно-стойкая нержавеющая инструментальная/формовая сталь (мартенситная нержавеющая сталь, семейство инструментальных сталей).
- Часто поставляется в виде предварительно закаленных пластин, блоков или полированных компонентов форм и упоминается в стандартах поставщиков инструментальной стали (приватные обозначения).
- 420
- Стандартизирована во многих спецификациях как AISI/SAE 420 и в стандартах продукции ASTM (например, ASTM A276 для нержавеющих прутков/стержней).
- Также встречается под EN и JIS как мартенситные нержавеющие марки с аналогичной химией.
- Классифицируется как мартенситная нержавеющая сталь (закаливаемая нержавеющая сталь).
Резюме классификации: - S136: Нержавеющая инструментальная сталь (мартенситная), инструментальная/формовая марка, коммерческое обозначение. - 420: Нержавеющая сталь, мартенситная, стандартизированная марка AISI/ASTM.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | Типичный 420 (типичное описание AISI/ASTM) | Типичный S136 (характеристика коммерческой стали для форм) |
|---|---|---|
| C | 0.15–0.40% (закаливаемость, прочность) | Относительно более контролируемый C (оптимизированный для твердости/полировки) — специфично для поставщика |
| Mn | ≤ ~1% (обезуглероживание и прочность) | Низкий Mn (минимизирован для чистоты и коррозионной стойкости) |
| Si | ≤ ~1% (обезуглероживание) | Низкий Si (контролируется для улучшения полируемости и качества поверхности) |
| P | ≤ ~0.04% (примесь) | Очень низкий P (контролируется для коррозионной стойкости и полируемости) |
| S | ≤ ~0.03–0.04% (примесь) | Очень низкий S (улучшенные альтернативы обрабатываемости могут включать микроалюминирование) |
| Cr | ~12–14% (нержавеющее поведение, закаливаемость) | Похожий Cr (обеспечивает коррозионную стойкость); состав тщательно контролируется |
| Ni | Обычно низкий или отсутствует (мартенситный) | Как правило, минимальный или отсутствует (сохраняет мартенситный ответ); некоторые коммерческие варианты могут включать следы Ni |
| Mo | Как правило, отсутствует в 420 | Некоторые варианты S136 могут включать небольшие добавки Mo или производиться с более строгим контролем примесей для улучшения локальной коррозионной стойкости |
| V | Следы до низкого (не является основным легирующим элементом в стандартном 420) | Может присутствовать в небольших количествах в вариантах инструментальной стали для уточнения карбидов/зерна |
| Nb/Ti/B | Как правило, не присутствует (кроме следов) | Может использоваться в незначительных количествах поставщиками для контроля зерна и включений в специализированных расплавках S136 |
| N | Низкий (мартенситная нержавеющая сталь) | Низкий; контролируется, чтобы избежать дельта-феррита/нитридов, которые влияют на полируемость |
Примечания: - S136 производится и специфицируется с более строгим контролем примесей (P, S) и неметаллических включений; его стратегия легирования подчеркивает тонкое, равномерное распределение карбидов и низкую сегрегацию для оптимизации полируемости и постоянной коррозионной стойкости по всей поверхности. - 420 использует более простое легирование для обеспечения экономичной закаливаемости и коррозионной стойкости; широкий диапазон содержания углерода в семействе 420 дает разные подгруппы (например, 420A, 420B, 420C, которые исторически различаются по C).
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичные микроструктуры:
- Обе марки являются мартенситными нержавеющими сталями после соответствующей закалки. Микроструктура состоит в основном из мартенсита с различными количествами и морфологиями хромовых карбидов.
- S136: производится и термообрабатывается для получения тонкого, однородного мартенсита с низким уровнем крупных первичных карбидов и контролируемым распределением вторичных карбидов. Порошковая металлургия или уточненные методы плавки могут использоваться поставщиками для снижения сегрегации, что обеспечивает превосходное качество поверхности после полировки.
-
420: кованая или традиционно плавленая; матрица мартенсита с хромовыми карбидами более грубой распределенности по сравнению с высококонтролируемыми сталями для форм. Популяция карбидов сильно зависит от содержания углерода и термической истории.
-
Ответ на термообработку:
- Обе марки реагируют на аустенитизацию, закалку и отпуск. Твердость, прочность и ударная вязкость сильно зависят от содержания углерода, температуры аустенитизации, среды закалки и режима отпуска.
- S136 обычно поставляется в предварительно закаленном и обработанном состоянии; он принимает субнулевые или криогенные обработки и циклы отпуска, оптимизированные для сохранения коррозионной стойкости и минимизации деформации для инструмента.
-
420 термообрабатывается до широкого диапазона твердостей для различных применений: варианты с низким содержанием углерода для обработки и умеренной твердости; варианты с высоким содержанием углерода для более высокой твердости после закалки и отпуска.
-
Нормализация / термомеханическая обработка:
- S136 выигрывает от контролируемой нормализации и потенциально субнулевой обработки для снижения остаточного аустенита и уточнения карбидов.
- 420 может быть нормализован/отожжен для улучшения обрабатываемости перед окончательной закалкой.
4. Механические свойства
| Свойство | S136 (типичное поведение) | 420 (типичное поведение) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Высокая при полной термообработке (разработана для высокой твердости и прочности на сжатие в формах) | Умеренная до высокой в зависимости от содержания углерода и термообработки |
| Предельная прочность | Высокая в закаленном состоянии | Умеренная до высокой |
| Удлинение (%) | Ниже в закаленном состоянии (хрупкая при очень высокой твердости) | Сравнимая или немного выше пластичность при той же твердости, если вариант с низким углеродом |
| Ударная вязкость | Умеренная до низкой при высокой твердости; оптимизированные варианты и отпуск улучшают вязкость | Переменная; низкоуглеродный 420, как правило, имеет лучшую вязкость, чем высокоуглеродные высокотвердые варианты |
| Твердость (HRC) | Разработана для высокой поверхностной твердости и износостойкости (обычно поставляется в закаленном, отпущенном состоянии для инструмента) | Широкий диапазон твердости; может быть значительно закалена в зависимости от углерода |
Объяснение: - S136 обычно достигает высокой поверхностной твердости и целостности поверхности с тщательно контролируемыми карбидами, что улучшает износостойкость и полируемость, но может снижать общую вязкость, если довести до экстремальной твердости. - Свойства 420 больше варьируются в зависимости от класса углерода. Низкоуглеродный 420 более пластичен и прочен при умеренной твердости; высокоуглеродный 420 приближается к S136 по твердости, но может показывать более крупные карбиды и менее предсказуемое качество поверхности.
5. Сварка
Сварка зависит от содержания углерода, закаливаемости (Cr и легирование) и содержания примесей/микролегирования. Два общих эмпирических индекса полезны для качественной интерпретации:
-
Международный институт сварки эквивалент углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Параметр типа Дирдена и О'Нила ($P_{cm}$): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Более высокое содержание углерода и хрома увеличивает закаливаемость и риск трещин в зоне термического влияния (HAZ). S136, поскольку она оптимизирована для высокой твердости и часто имеет более высокое эффективное содержание углерода и тонкие популяции карбидов, будет, как правило, более сложной для сварки, чем низкоуглеродные варианты 420. - Сварка 420 варьируется по подгруппам: низкоуглеродный 420 относительно более свариваем; высокоуглеродный 420 и S136 требуют предварительного подогрева, контролируемой температуры межпрохода и термообработки после сварки, чтобы избежать трещин HAZ и чрезмерного образования мартенсита. - Кроме того, строгая чистота S136 и стратегия низкого содержания примесей означают, что сварка может локально изменять состояние поверхности, потенциально ухудшая коррозионную стойкость вблизи сварных швов, если не сваривать и не обрабатывать после сварки осторожно.
6. Коррозия и защита поверхности
- Для нержавеющих мартенситов общая коррозионная стойкость в первую очередь зависит от содержания хрома и состояния поверхности. Ни S136, ни 420 не предлагают стойкость к образованию коррозионных ям по сравнению с аустенитными или дуплексными нержавеющими сталями при воздействии сред, богатых хлором.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к образованию ям) обычно используется для оценки стойкости к образованию ям в нержавеющих марках: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Применение PREN:
- Для S136 и 420 значения PREN скромные, поскольку содержание Mo и N низкое; более чистая поверхность S136 и контролируемая химия часто обеспечивают лучшую локальную коррозионную производительность, чем общая 420 после полировки и в менее агрессивных средах.
- Не нержавеющие альтернативы / защита:
- Когда требуется повышенная коррозионная защита для любой марки, рассмотрите поверхностные обработки: безэлектролитное никелирование, хромирование (с учетом экологических/регуляторных ограничений), нитридирование (для износа, ограниченная коррозионная польза), пассивация или барьерные покрытия (краски, полимерные покрытия).
- Для устойчивости к окружающей среде, превышающей то, что обеспечивают эти мартенситы, рассмотрите аустенитные нержавеющие стали, дуплексные или никелевые сплавы.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- Низкоуглеродные варианты 420 легче обрабатываются в отожженном состоянии. S136, из-за более высокого содержания углерода и закаливаемой природы, а также потенциальной высокой твердости в поставляемом состоянии, может быть более сложной для обработки; многие пластины S136 поставляются предварительно закаленными и могут требовать EDM или шлифовки вместо традиционной обработки.
- Формуемость:
- Обе сплавы ограничены в холодной формуемости при закалке. В отожженном состоянии 420 может быть достаточно хорошо сформована; формуемость S136 зависит от отпуска поставщика, но в основном нацелена на изготовление форм, а не на формование листов.
- Обработка поверхности:
- S136 оптимизирована для полировки и высокоглянцевых отделок, с акцентом на низкое содержание включений и тонкое распределение карбидов.
- 420 можно полировать, но она часто дает менее однородный зеркальный блеск по сравнению с S136, если не обрабатывается специально.
8. Типичные применения
| S136 (нержавеющая сталь для форм) | 420 (мартенситная нержавеющая сталь) |
|---|---|
| Высококачественные формы для инъекционного литья с зеркально полированными полостями | Столовые приборы, хирургические инструменты (некоторые варианты), валы, компоненты клапанов |
| Формы, требующие длительной полировки и умеренной коррозионной стойкости | Крепежи, компоненты насосов, конструктивные детали, где необходимы нержавеющая сталь и твердость |
| Вставки для литья под давлением, инструменты для холодной обработки, где критичны качество поверхности и коррозионная стойкость | Универсальные закаленные компоненты, где стоимость и доступность определяют выбор |
Обоснование выбора: - Выбирайте S136, если качество поверхности, сохранение полировки и постоянная коррозионная стойкость в полостях форм имеют первостепенное значение. - Выбирайте 420 для экономически эффективных закаленных нержавеющих частей, где превосходная полируемость менее критична.
9. Стоимость и доступность
- 420: Широко доступна по всему миру в виде прутков, стержней, пластин и листов; как правило, более низкая стоимость из-за стандартизированной металлургии и широкого поставочного базиса.
- S136: Специализированная сталь для форм, доступная у поставщиков и дистрибьюторов инструментальной стали; обычно более высокая стоимость за кг и иногда более длительные сроки поставки для больших размеров или специфических отделок поверхности. S136 часто предлагается в предварительно закаленных и предварительно полированных форматах, что добавляет ценность для применения в инструментах.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | S136 | 420 |
|---|---|---|
| Сварка | Умеренная до сложной (требует контроля) | Переменная — легче для низкоуглеродных вариантов |
| Прочность–вязкость (в поставляемом состоянии) | Высокая твердость и прочность; вязкость зависит от отпуска | Переменная; низкоуглеродные марки предлагают лучшую вязкость при умеренной прочности |
| Стоимость | Выше (специализированная, контролируемая обработка) | Ниже (стандартизированная, широко доступная) |
Выводы и рекомендации: - Выбирайте S136, если: - Ваше применение требует зеркально-качественной полировки, постоянной целостности поверхности и улучшенной локальной коррозионной стойкости для инструментов или форм. - Вы принимаете более высокую стоимость материала и потенциально более строгие требования к обработке (EDM, шлифовка, специализированная сварка/послесварочная обработка). - Выбирайте 420, если: - Вам нужна экономически эффективная, закаливаемая нержавеющая сталь для общих компонентов, где не требуется отличная полируемость и первоклассная коррозионная стойкость форм. - Вам нужна широкая доступность в различных формах продукции и более простая традиционная обработка (для низкоуглеродных вариантов).
Заключительная заметка: Обе марки должны быть выбраны с учетом конкретной подгруппы, обработки поставщика (например, предварительно закаленная против отожженной) и запланированного графика термообработки. Для критически важных инструментов или компонентов с высокой отделкой поверхности проконсультируйтесь с поставщиком стали по рецептам термообработки, условиям поставки и рекомендациям по сварке/ремонту, адаптированным к выбранному варианту сплава.