Нержавеющая сталь серии 400: свойства и ключевые применения

Серия 400 нержавеющей стали представляет собой категорию нержавеющей стали, которая в основном состоит из ферритных и мартенситных нержавеющих сталей. Эти марки характеризуются высоким содержанием хрома, обычно от 11% до 30%, что обеспечивает отличную коррозионную стойкость и высокую прочность при высоких температурах. Главные легирующие элементы в серии 400 включают хром, углерод и, в некоторых случаях, никель. Наличие хрома исключительно важно, так как он формирует пассивный слой на поверхности стали, увеличивая ее устойчивость к окислению и коррозии.

Комплексный обзор

Серия 400 классифицируется на два основных типа: ферритные и мартенситные нержавеющие стали. Ферритные марки, такие как 430, известны своей хорошей коррозионной стойкостью и формуемостью, в то время как мартенситные марки, такие как 410 и 420, предлагают большую прочность и твердость, но менее устойчивы к коррозии. Баланс хрома и углерода в этих сталях влияет на их механические свойства, что делает их подходящими для различных применений.

Значительные характеристики:
- Коррозионная стойкость: Обычно хорошая, но варьируется в зависимости от конкретной марки.
- Прочность и твердость: Мартенситные марки демонстрируют большую прочность и твердость благодаря содержанию углерода.
- Свариваемость: Существенно варьируется; ферритные марки более свариваемы, чем мартенситные.
- Магнитные свойства: Ферритные марки магнитны, в то время как мартенситные марки могут быть магнитными в зависимости от их термообработки.

Преимущества:
- Высокая прочность и твердость (особенно мартенситные марки).
- Хорошая устойчивость к окислению и образованию накипи при повышенных температурах.
- Экономически эффективны по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями.

Ограничения:
- Ограниченная коррозионная стойкость по сравнению с аустенитными марками.
- Подверженность разрушению под напряжением в определенных условиях.
- Низкая пластичность и ударная вязкость, особенно в мартенситных марках.

Исторически серия 400 была значима в приложениях, требующих умеренной коррозионной стойкости и высокой прочности, таких как автомобильные компоненты, кухонные принадлежности и промышленное оборудование.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Организация стандарта	Обозначение/Марка	Страна/Регион происхождения	Примечания
UNS	S41000	США	Мартенситная, хорошая твердость
AISI/SAE	410	США	Широко используется для столовых приборов
ASTM	A240	США	Стандартная спецификация для листов нержавеющей стали
EN	1.4006	Европа	Ферритная марка, хорошая формуемость
DIN	X20Cr13	Германия	Похожие на AISI 410 с незначительными вариациями в составе
JIS	SUS410	Япония	Эквивалент AISI 410
GB	0Cr13	Китай	Эквивалент AISI 410

Различия между этими марками могут влиять на выбор в зависимости от конкретных требований по производительности. Например, хотя UNS S41000 и AISI 410 эквивалентны в терминах механических свойств, конкретная обработка и термообработка могут привести к изменениям в производительности.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и название)	Процентный диапазон (%)
Cr (Хром)	11.5 - 13.5
C (Углерод)	0.08 макс
Ni (Никель)	0.75 макс
Mn (Марганец)	1.0 макс
Si (Кремний)	1.0 макс
P (Фосфор)	0.04 макс
S (Сера)	0.03 макс

Хром является основным легирующим элементом, который увеличивает коррозионную стойкость и устойчивость к окислению. Углерод увеличивает твердость и прочность, особенно в мартенситных марках. Никель, хотя и присутствует в небольших количествах, может улучшить ударную вязкость и пластичность.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (метрическая система)	Типичное значение/Диапазон (имперская система)	Справочный стандарт для метода испытания
Предельная прочность	Отпущенная	Температура комнатная	480 - 620 МПа	70 - 90 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (0.2% смещение)	Отпущенная	Температура комнатная	275 - 410 МПа	40 - 60 ksi	ASTM E8
Удлинение	Отпущенная	Температура комнатная	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
Твердость (по Роквеллу С)	Отпущенная	Температура комнатная	20 - 30 HRC	20 - 30 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	Отпущенная	-20°C (-4°F)	30 - 50 Дж	22 - 37 фут-фунтов	ASTM E23

Сочетание этих механических свойств делает серию 400 подходящей для применений, требующих высокой прочности и умеренной коррозионной стойкости, таких как в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрическая система)	Значение (имперская система)
Плотность	Температура комнатная	7.75 г/см³	0.28 фунт/дюйм³
Температура плавления/Диапазон	-	1400 - 1450 °C	2550 - 2642 °F
Теплопроводность	Температура комнатная	25 Вт/м·К	14.5 BTU·дюйм/ч·фут²·°F
Удельная теплоемкость	Температура комнатная	500 Дж/кг·К	0.12 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Температура комнатная	0.73 µΩ·м	0.0000013 Ω·дюйм
Коэффициент термического расширения	20 - 100 °C	10.5 x 10⁻⁶/К	5.8 x 10⁻⁶/°F

Ключевые физические свойства, такие как плотность и температура плавления, имеют важное значение для применений, связанных с высокими температурами. Теплопроводность указывает на то, как хорошо материал может рассеивать тепло, что важно в таких приложениях, как выхлопные системы.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	3-10	20-60 / 68-140	Умеренная	Риск образования дырочек
Серная кислота	10-20	20-40 / 68-104	Плохая	Не рекомендуется
Уксусная кислота	5-10	20-60 / 68-140	Хорошая	Умеренная стойкость
Атмосферная	-	-	Отличная	Хорошая стойкость

Серия 400 демонстрирует различные степени коррозионной стойкости в зависимости от окружающей среды. Хотя она хорошо работает в атмосферных условиях, она подвержена коррозии под действием дырочек в хлоридных средах и должна избегаться в кислых условиях. По сравнению с аустенитными марками, такими как 304, серия 400 имеет меньшую стойкость к коррозионным агентам, что делает ее менее подходящей для жестких условий.

Тепловая стойкость

Свойство/Предел	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Макс. температурная стабильность	815	1500	Подходит для высокотемпературных применений
Макс. временная температурная стабильность	870	1600	Только кратковременное воздействие
Температура образования накипи	600	1112	Риск образования накипи выше этой температуры
Прочность на сдвиг	600	1112	Начинает деградировать при этой температуре

При повышенных температурах серия 400 сохраняет свою прочность, но может подвергаться окислению и образованию накипи. Максимальная температура непрерывной эксплуатации указывает верхний предел для длительного контакта, в то время как температура образования накипи подчеркивает риск ухудшения поверхности.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	Типичное защитное газ/флюс	Примечания
TIG	ER410	Аргон	Рекомендуется предварительный подогрев
MIG	ER308L	Аргон + CO2	Хорошо для тонких деталей
Электродная сварка	E410	-	Подходит для работ на открытом воздухе

Свариваемость существенно варьируется внутри серии 400. Ферритные марки обычно более свариваемы, чем мартенситные, которые могут требовать предварительного подогрева для предотвращения трещин. Термальная обработка после сварки может улучшить свойства сварного шва.

Обрабатываемость

Параметр обработки	[Серия 400]	AISI 1212	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60	100	Низкая обрабатываемость по сравнению с 1212
Типичная скорость резания (точение)	30 м/мин	50 м/мин	Отрегулируйте инструменты для лучшего результата

Обрабатываемость в серии 400 средняя, при этом мартенситные марки более сложны в обработке из-за их твердости. Правильные инструменты и скорости резания имеют решающее значение для оптимального результата.

Формуемость

Серия 400 демонстрирует ограниченную формуемость, особенно в мартенситных марках, которые подвержены трещинообразованию при холодной обработке. Ферритные марки предлагают лучшую формуемость и могут быть сформированы холодным способом с соответствующими методами.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	800 - 900 / 1472 - 1652	1 - 2 часа	Воздух	Снятие напряжения, увеличение пластичности
Закалка	1000 - 1100 / 1832 - 2012	30 минут	Масло	Увеличение твердости и прочности
Отпуск	400 - 600 / 752 - 1112	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, улучшение ударной вязкости

Процессы термообработки существенно влияют на микроструктуру и свойства серии 400. Отжиг может увеличить пластичность, в то время как закалка увеличивает прочность, что делает необходимым выбор соответствующей обработки в зависимости от желаемого применения.

Типичные применения и конечные использования

Промышленность/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора (кратко)
Автомобильная	Выхлопные системы	Высокая прочность при температуре, коррозионная стойкость	Долговечность и производительность
Кухонные принадлежности	Столовые приборы	Твердость, удержание остроты	Острота и долговечность
Нефть и газ	Компоненты клапанов	Прочность, стойкость к высоким температурам	Надежность в сложных условиях
Строительство	Крепежные изделия	Высокая прочность, умеренная коррозионная стойкость	Структурная целостность

Другие применения включают:
- Промышленное оборудование
- Морское оборудование
- Архитектурные применения

Выбор серии 400 для этих применений часто обусловлен ее сбалансированными характеристиками прочности, твердости и умеренной коррозионной стойкости, что делает ее подходящей для условий, где эти свойства критически важны.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшее понимание

Особенность/Свойство	[Серия 400]	[AISI 304]	[AISI 316]	Краткая нотация по плюсам/минусам или компромиссам
Ключевое механическое свойство	Умеренное	Высокое	Высокое	304 и 316 предлагают лучшую коррозионную стойкость
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Отличная	Отличная	Серия 400 менее устойчива к хлоридам
Свариваемость	Умеренная	Хорошая	Хорошая	Серия 400 может требовать предварительного подогрева
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Умеренная	Серия 400 сложнее в обработке
Формуемость	Ограниченная	Хорошая	Хорошая	Ферритные марки более формуемы
Приблизительная относительная стоимость	Низкая	Высокая	Высокая	Экономически эффективно для умеренных приложений
Типичное наличие	Общее	Очень общее	Общее	Серия 400 широко доступна

При выборе серии 400 следует учитывать экономическую эффективность, доступность и конкретные требования по механическим свойствам и коррозионной стойкости. Хотя она может не соответствовать производительности аустенитных марок в коррозионных средах, ее прочность и твердость делают ее подходящей для многих применений, где эти свойства являются приоритетными. Кроме того, магнитные свойства ферритных марок могут быть полезными в некоторых приложениях, таких как электрические компоненты.

В заключение, серия 400 нержавеющей стали предлагает уникальное сочетание свойств, которые делают ее подходящей для различных инженерных приложений. Ее баланс прочности, твердости и умеренной коррозионной стойкости, а также экономическая эффективность делают ее ценным материалом в семействе нержавеющей стали.