420 нержавеющая сталь: свойства и ключевые приложения

Сталь 420 - это мартенситная нержавеющая сталь, известная своей высокой прочностью, умеренной коррозионной стойкостью и способностью закаляться при термообработке. Она классифицируется в категории мартенситных нержавеющих сталей, которая характеризуется высоким содержанием углерода и наличием хрома в качестве основного легирующего элемента. Типичный состав стали 420 включает примерно 12-14% хрома и 0.15-0.4% углерода, что значительно влияет на её свойства.

Полный обзор

Сталь 420 в первую очередь используется в сферах, требующих высокой твердости и умеренной коррозионной стойкости. Легирующие элементы в 420, особенно хром и углерод, играют ключевую роль в определении её характеристик. Хром улучшает коррозионную стойкость и способствует твердости стали, в то время как углерод увеличивает прочность и стойкость к износу.

Преимущества стали 420:
- Высокая твердость: После термообработки сталь 420 может достигать уровня твердости до 50 HRC, что делает её подходящей для режущих инструментов и лезвий.
- Хорошая стойкость к износу: Высокое содержание углерода обеспечивает отличную стойкость к износу, что идеально подходит для применений, связанных с трением.
- Умеренная коррозионная стойкость: Хотя она не так устойчива, как аустенитные сорта, она хорошо работает в слабо коррозионных средах.

Ограничения стали 420:
- Низкая вязкость: По сравнению с аустенитными нержавеющими сталями, 420 обладает меньшей вязкостью, что делает её менее подходящей для приложений, требующих высокой ударной стойкости.
- Ограниченная коррозионная стойкость: В высококоррозионных средах, таких как морские применения, она может не справляться без защитных покрытий.

Исторически сталь 420 имела значительное значение в производстве столовых приборов, хирургических инструментов и различных промышленных приложений благодаря своему балансу между твердостью и коррозионной стойкостью. Её рыночная позиция хорошо устоялась, особенно в секторах производства столовых приборов и инструментов.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Замечания
UNS	S42000	США	Ближайший эквивалент AISI 420
AISI/SAE	420	США	Общее используемое обозначение
ASTM	A276	США	Стандартная спецификация для нержавеющих сталей
EN	1.4021	Европа	Эквивалентное обозначение в Европе
JIS	SUS420J2	Япония	Похожие свойства с незначительными различиями в составе

Таблица эквивалентности подчеркивает, что хотя эти марки часто считаются взаимозаменяемыми, тонкие различия в составе могут повлиять на производительность в конкретных приложениях. Например, SUS420J2 имеет немного более высокое содержание углерода, что может повысить твердость, но также может снизить коррозионную стойкость.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и Название)	Диапазон содержания (%)
C (Углерод)	0.15 - 0.40
Cr (Хром)	12.0 - 14.0
Mn (Марганец)	1.0 макс
Si (Кремний)	1.0 макс
P (Фосфор)	0.04 макс
S (Сера)	0.03 макс

Основные легирующие элементы в стали 420 включают хром, который обеспечивает коррозионную стойкость и твердость, и углерод, который повышает прочность и стойкость к износу. Марганец и кремний присутствуют в незначительных количествах для улучшения вязкости и деоксидирования в процессе производства стали.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (метрические)	Типичное значение/Диапазон (имперские)	Референсный стандарт для метода испытания
У прочность	Отожжённая	Температура окружающей среды	520 - 700 МПа	75 - 102 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (сдвиг 0.2%)	Отожжённая	Температура окружающей среды	350 - 500 МПа	51 - 73 ksi	ASTM E8
Удлинение	Отожжённая	Температура окружающей среды	12 - 20%	12 - 20%	ASTM E8
Твердость (по Роквеллу C)	Закаленная и подвергнутая отпуску	Температура окружающей среды	40 - 50 HRC	40 - 50 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	Закаленная и подвергнутая отпуску	-20°C (-4°F)	30 Дж	22 фт-фунт	ASTM E23

Механические свойства стали 420 делают её подходящей для применения в условиях, требующих высокой прочности и твердости. Уровень прочности на разрыв и предельной прочности указывает на её способность выдерживать значительные нагрузки, в то время как процент удлинения отражает её пластичность, что достаточно для многих приложений. Значения твердости, достигаемые путем термообработки, делают её идеальной для режущих инструментов и применения с высоким сопротивлением к износу.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрические)	Значение (имперские)
Плотность	-	7.75 г/см³	0.28 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1450 - 1510 °C	2642 - 2750 °F
Теплопроводность	20 °C	25.4 Вт/м·K	17.5 BTU·in/h·ft²·°F
Удельная теплоемкость	20 °C	500 Дж/кг·K	0.12 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	20 °C	0.73 µΩ·m	0.00000073 Ω·m
Коэффициент линейного теплового расширения	20 - 100 °C	15.5 µm/m·K	8.6 µin/in·°F

Плотность стали 420 указывает на относительно тяжёлый материал, что способствует её прочности. Температура плавления значима для приложений, связанных с высокими температурами, в то время как теплопроводность и удельная теплоемкость важны для теплового управления в инжиниринговых применениях. Коэффициент линейного теплового расширения критичен для приложений, где ожидаются колебания температуры.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг устойчивости	Примечания
Хлоры	3-10	20-60 °C (68-140 °F)	Умеренная	Риск пitting
Серная кислота	10-30	20-50 °C (68-122 °F)	Плохая	Не рекомендуется
Уксусная кислота	5-20	20-40 °C (68-104 °F)	Хорошая	Умеренная устойчивость
Атмосферная	-	-	Хорошая	Подходит для легкого воздействия

Сталь 420 демонстрирует умеренную коррозионную стойкость, особенно в атмосферных условиях и при наличии уксусной кислоты. Тем не менее, она подвержена коррозии пitting в средах с хлором и должна избегаться в приложениях, связанных с сильными кислотами, такими как серная кислота. По сравнению с аустенитными сортами, такими как 304 или 316, коррозионная стойкость 420 ниже, что делает её менее подходящей для морских или сильно коррозионных сред.

Теплостойкость

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Замечания
Максимальная непрерывная рабочая температура	400 °C	752 °F	Подходит для прерывистой работы
Максимальная прерывающая рабочая температура	500 °C	932 °F	Ограниченная устойчивость к окислению
Температура образования окалины	600 °C	1112 °F	Риск образования окалины при высоких температурах

При повышенных температурах сталь 420 сохраняет свою прочность, но может подвергаться окислению. Максимальная непрерывная рабочая температура указывает на её возможности в высокотемпературных приложениях, в то время как температура образования окалины подчеркивает риск разрушения поверхности. Следует избегать длительного воздействия температуры выше этих лимитов.

Свойства обработки

Сварка

Процесс сварки	Рекомендуемый сварочный материал (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
TIG	ER420	Аргон	Рекомендуется предварительный нагрев
MIG	ER420	Аргон + CO2	Может потребоваться термообработка после сварки

Сталь 420 можно сваривать с использованием процессов TIG и MIG, но часто рекомендуется предварительный нагрев, чтобы предотвратить трещины. Термальная обработка после сварки может улучшить свойства сварного соединения, обеспечивая лучшую производительность в эксплуатации.

Обрабатываемость

Параметр обработки	[Сталь 420]	[AISI 1212]	Примечания/Советы
Относительный индекс обрабатываемости	50%	100%	Используйте карбидные инструменты для наилучших результатов
Типичная скорость резания	30-50 м/мин	60-80 м/мин	Настройте на износ инструмента

Сталь 420 имеет умеренную обрабатываемость, которую можно улучшить с помощью правильного инструмента и условий резания. Рекомендуется использование карбидных инструментов для достижения лучших поверхностных отделок и срока службы инструмента.

Формуемость

Сталь 420 не обладает высокой формуемостью из-за своей мартенситной структуры, что делает её более подходящей для приложений, требующих резки и формовки, а не интенсивной обработки. Холодная формовка возможна, но может привести к упрочнению при обработке, поэтому требуется тщательный контроль процесса.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	800 - 900 °C (1472 - 1652 °F)	1-2 часа	Воздух	Снижение твердости, улучшение пластичности
Закалка	1000 - 1100 °C (1832 - 2012 °F)	30 минут	Масло или Вода	Увеличение твердости
Отпуск	150 - 300 °C (302 - 572 °F)	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, повышение вязкости

Процессы термообработки значительно влияют на микроструктуру и свойства стали 420. Закалка усиливает твердость, тогда как отпуск уменьшает хрупкость, делая её подходящей для различных приложений.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора
Столовые приборы	Кухонные ножи	Высокая твердость, стойкость к износу	Удержание остроты
Медицина	Хирургические инструменты	Коррозионная стойкость, твердость	Стерилизация и долговечность
Автомобильная промышленность	Компоненты клапанов	Прочность, умеренная коррозионная стойкость	Производительность под нагрузкой
Аэрокосмическая	Компоненты шасси	Высокая прочность, усталостная стойкость	Безопасность и надежность

Сталь 420 широко используется в производстве столовых приборов и медицинских инструментах благодаря своей твердости и способности сохранять остроту. В автомобильной и аэрокосмической отраслях её прочность и усталостная стойкость делают её подходящим выбором для критически важных компонентов.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения

Особенность/Свойство	Сталь 420	Аустенитная нержавеющая сталь AISI 304	Аустенитная нержавеющая сталь AISI 316	Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Хорошая пластичность	Отличная коррозионная стойкость	420 тверже, но менее пластична
Ключевой аспект коррозии	Умеренная стойкость	Хорошая стойкость	Отличная стойкость	420 менее подходит для жестких условий
Сваряемость	Умеренная	Хорошая	Хорошая	420 требует предварительного нагрева
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Умеренная	420 труднее обрабатывать
Формуемость	Плохая	Хорошая	Умеренная	420 не подходит для интенсивной формовки
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Высокая	Высокая	420 часто более экономичная
Типичная доступность	Обычная	Очень распространенная	Обычная	420 широко доступна

При выборе стали 420 учитываются её механические свойства, коррозионная стойкость, а также подходит ли она для сварки и обработки. Хотя она предлагает преимущества в твердости и стойкости к износу, её ограничения в вязкости и коррозионной стойкости следует тщательно оценивать в зависимости от конкретных требований приложения.

В заключение, сталь 420 является универсальным материалом, который занимает свою нишу в приложениях, требующих баланса между твердостью и умеренной коррозионной стойкостью. Её историческое значение и устойчивая рыночная позиция делают её надежным выбором для различных отраслей.