400 Série Acier inoxydable: Rentable et haute résistance

1. Positionnement de base & valeur industrielle

Le 400 série acier inoxydable est le pont pratique entre les aciers au carbone à faible coût et les aciers inoxydables austénitiques à haute teneur en nickel.

Défini par AISI/ASTM et les normes régionales (ASTM A240, DANS 10088, GB / T 1220), il représente une grande partie du tonnage mondial d’acier inoxydable car il combine:

• Coût de l'alliage inférieur (peu ou pas de Ni) → économie attractive;
• Comportement magnétique (ferritic/martensitic) required by many electromechanical applications;
• Heat-treatable strengthenability (martensitic and precipitation-hardening subtypes) enabling very high strength;
• Favourable thermal conductivity and lower thermal expansion compared with austenitics, useful for heat-exposed components.

Industries that benefit most include automotive (échappements, fuel systems), appareils électroménagers (panneaux, doublures), machinerie (arbres, vannes), outillage (roulements, lames) and some aerospace/nuclear niches where a balance of cost, strength and moderate corrosion resistance is acceptable.

2. Classification, Composition & Mécanisme microstructural

The performance differences of the 400 series stainless steel are essentially determined by their chemical composition and corresponding microstructures.

Below is an in-depth analysis of three core subtypes:

Ferritique 400 Série (Notes de base: 409, 430, 439, 444)

Ferritic stainless steels are the most widely used subtype, featuring a single-phase ferrite microstructure at room temperature, no phase transformation during heating/cooling, et teneur en C ultra faible (généralement ≤0,12 % en poids).

Leur composition principale est dominée par Cr (10.5–19,5% en poids), avec des éléments auxiliaires tels que Ti, NB, et Mo pour optimiser la stabilité et la résistance à la corrosion.

• 409: Cr (10.5–11,75% en poids), C (≤0,08 % en poids), De (0.15–0,50% en poids).
  Ti forme des précipités TiC pour fixer C, éviter la corrosion intergranulaire causée par la précipitation du carbure de chrome.
  La structure en ferrite à gros grains offre une résistance de base à la corrosion atmosphérique, ce qui le rend adapté aux scénarios de résistance à la corrosion à faible coût.
• 430: Cr (16.0–18,0% en poids), C (≤0,12 % en poids). Structure en ferrite à grains fins avec un coût équilibré et une résistance à la corrosion, étant la nuance ferritique la plus rentable pour les appareils électroménagers.
• 439: Cr (17.0–19,0% en poids), C (≤0,03 % en poids), Si/Nb (0.10–0,60% en poids).
  Grains raffinés de stabilisation composites à très faible teneur en C et Ti/Nb, améliorant considérablement la soudabilité et la résistance à la corrosion par rapport à 430.
• 444: Cr (17.5–19,5% en poids), Mo (1.75–2,50% en poids), C (≤0,025 % en poids).
  L'ajout de Mo améliore la résistance à la corrosion par piqûre (PREN≈25), formant une structure de ferrite dense adaptée aux environnements contenant du chlorure.

Martensitique 400 Série (Notes de base: 410, 420, 440ABC)

Les aciers inoxydables martensitiques ont une teneur plus élevée en C (0.15–0,75% en poids) et teneur modérée en Cr (11.5–18,0% en poids).

À des températures élevées, ils forment de l'austénite, qui se transforme en martensite dure lors de la trempe, ce qui en fait le seul sous-type de renforcement pouvant être traité thermiquement dans le 400 série en acier inoxydable.

• 410: C (≤0,15 % en poids), Cr (11.5–13,5% en poids).
  La structure telle que coulée est en ferrite + martensite; après trempe/revenu, la résistance à la traction atteint 515-690 MPa, adapté aux pièces structurelles générales.
• 420: C (0.15–0,40% en poids), Cr (12.0–14,0% en poids).
  Une teneur plus élevée en C améliore la dureté (HRC≥50 après traitement thermique), largement utilisé dans les couverts et les vannes.
• 440ABC: Dégradé de contenu C (0.60–0,75% en poids), Cr (16.0–18,0% en poids).
  440C a la dureté la plus élevée (HRC≥58) et résistance à l'usure, idéal pour les outils et roulements de haute précision.

Durcissement par précipitation (PH) 400 Série (Grade: 17-4 PH, AISI 630)

Une variante spéciale haute performance avec un faible C (≤0,07 % en poids), Cr (15.5–17,5% en poids), Dans (3.0–5,0% en poids), et Cu (3.0–5,0 en poids.).

Il forme de l'austénite à haute température, se transforme en martensite lors du refroidissement, et obtient un renforcement via la formation de précipités riches en Cu pendant le vieillissement.

La résistance à la traction peut atteindre 1380 MPa après traitement thermique, équilibrant ultra-haute résistance et résistance à la corrosion.

3. Propriétés complètes de base

Propriétés mécaniques

Propriétés mécaniques de 400 Les séries en acier inoxydable varient considérablement selon le sous-type, avec une différenciation claire de la force, ductilité, et réponse au traitement thermique (les données sont conformes à la norme ASTM A240/A480):

• Types ferritiques (430, recuit en solution): Résistance à la traction 415-515 MPa, limite d'élasticité 205-275 MPa, allongement 20-25%, dureté ≤183 HBW.
  Pas de transformation de phase, recuit uniquement pour le raffinement du grain.
• Types martensitiques (420, éteint & tempéré): Résistance à la traction 725-930 MPa, limite d'élasticité 515-690 MPa, allongement 10–15 %, dureté ≥50 HRC.
  Trempe + la trempe améliore considérablement la résistance et la dureté.
• Type de pH (17-4 PH, Vieillissement H900): Résistance à la traction ≥1170 MPa, limite d'élasticité ≥1035 MPa, allongement ≥10%, dureté ≥38 HRC.
  Le renforcement par précipitation permet d'obtenir une résistance ultra élevée sans sacrifier la ductilité.

Résistance à la corrosion

La résistance à la corrosion est principalement déterminée par la teneur en Cr, avec Mo et Low C comme amplificateurs auxiliaires. Dans l'ensemble, il est inférieur à 300 série mais supérieure à l'acier au carbone:

• Types ferritiques: 409 a une résistance de base à la corrosion atmosphérique (taux de corrosion annuel ≤0,03 mm en zone rurale); 444 résiste aux acides dilués et aux chlorures, avec une température de piqûre critique ≥30℃.
• Types martensitiques: Limité par une teneur élevée en C; 410 est sensible à la rouille dans les environnements humides, tandis que le 440C a une meilleure résistance à la corrosion en raison d'un Cr plus élevé mais ne convient pas aux milieux marins/acides.
• 17-4 PH: Résistance à la corrosion comparable à 304 dans des environnements atmosphériques et légèrement corrosifs, mais sujet aux piqûres dans les milieux riches en chlorure.

Propriétés physiques

Le magnétisme inhérent est une caractéristique caractéristique de 400 série en acier inoxydable, avec d'autres propriétés physiques cohérentes entre les sous-types:

• Densité: 7.7–7,8 g/cm³ (inférieur à 304 8.0 g/cm³ en raison de l'absence d'ajout de Ni).
• Conductivité thermique: 25–30 W/(m·K) @ 20 ℃ (supérieur à 304 16 Avec(m·K), favorable à la dissipation de la chaleur).
• Coefficient de dilatation thermique: 10–12×10⁻⁶/K (20–400℃), inférieur à 300 série, réduire la déformation thermique.
• Perméabilité magnétique: µ=100-1000 (ferritic/martensitic), bien supérieur aux aciers inoxydables austénitiques (m<1.02).

4. Traitement, fabrication & pratique du traitement thermique

Formation & usinage

• Ferritiques: formabilité raisonnable à froid; recuit intermédiaire recommandé pour le formage lourd. Usinabilité similaire aux aciers faiblement alliés.
• Martensitiques: mauvaise formabilité à froid à l'état durci; forme à l'état recuit ou supérieur (formage chaud). L'usinabilité dépend de l'état et de la dureté : les nuances C supérieures nécessitent un outillage robuste et des vitesses plus lentes..

Soudage

• Ferritiques: soudable mais sujet à la croissance des grains et à la fragilisation de la ZAT si un apport thermique élevé est utilisé; notes stabilisées (Si/Nb) et faible apport de chaleur (<10 kJ/cm pour certains) améliorer les performances; sélectionner des métaux d'apport ferritiques.
• Martensitiques: difficile - préchauffer (200–300 ° C), consommables à faible teneur en hydrogène et revenu après soudure recommandés pour éviter les fissures et restaurer la ténacité.
• PH 17-4: soudable avec un enduit adapté et un traitement thermique/vieillissement post-soudage pour restaurer les propriétés.

Traitement thermique

• Ferritiques: recuit en solution et refroidissement à l'air pour soulager le stress et affiner les grains; pas de trempe.
• Martensitiques: austénitiser (950–1 050 ° C), éteindre (huile/eau selon qualité), puis tempère (150–650 ° C) pour atteindre la dureté/ténacité souhaitée. 440C typically tempered at 200–300 °C for peak hardness.
• PH 17-4: gâterie à la solution (~1,040–1,060 °C), quench, then age (482–621 °C) to produce Cu-rich precipitates and achieve target strength (H900 etc.).

5. Applications industrielles typiques de l'acier inoxydable de la série 400

The 400-series family serves a broad range of industries because its subtypes map cleanly onto different engineering needs:
économie + résistance à la corrosion modérée (ferritiques), high hardness/wear (martensitics), et very high strength with reasonable corrosion resistance (PH alloys).

Industrie automobile

Common parts & notes

• Systèmes d'échappement, muffler components, reaction pipes — 409, parfois 439 for improved weldability.
• Garniture, decorative panels — 430.
• Engine and transmission shafts, sièges de soupape / small wear components — 410 / 420 where heat treatment is required.

Why 4xx is used

• Low nickel content gives a strong cost advantage for very high-volume components.
  Ferritic grades resist cyclic oxidation in hot exhaust environments and have suitable thermal conductivity and expansion. Les nuances martensitiques offrent des surfaces durcies pour les petites pièces critiques à l'usure.

Considérations clés

• Pour systèmes d'échappement soudés, utiliser des ferritiques stabilisés Ti/Nb (409Ti/439) ou contrôler l'apport de chaleur pour éviter la fragilisation de la ZAT.
• Protection contre la corrosion (revêtements de surface, aluminisation) est fréquemment appliqué pour prolonger la durée de vie dans les environnements de sel de voirie.

Appareils électroménagers et produits de consommation

Common parts & notes

• Portes du réfrigérateur, doublures de four, intérieurs de lave-vaisselle, panneaux de contrôle — 430 et parfois 439/444 pour une meilleure résistance à la corrosion.
• Couverts et couteaux de cuisine — 420 / 440C (martensitique), poli et trempé.

Why 4xx is used

• Finition de surface attrayante, bonne formabilité (ferritiques), réponse magnétique là où c'est nécessaire (par ex., indicateurs de cuisson à induction), et son coût bien inférieur à celui des austénitiques font du ferritique 4xx la valeur par défaut pour les pièces décoratives et intérieures des appareils électroménagers..

Considérations clés

• Évitez le 4xx dans les embruns salins ou les expositions côtières à moins qu'il ne soit recouvert ou spécifiquement une variante contenant du Mo (444).
  Pour les couverts, sélectionner des martensitiques à haute teneur en carbone et contrôler le revenu pour équilibrer la rétention des bords et la résistance à la corrosion.

Échange de chaleur, Systèmes CVC et thermiques

Common parts & notes

• Ailettes d'échangeur de chaleur, conduit, composants du four, revêtement de chaudière — 409, 430, 444.

Why 4xx is used

• Les ferritiques combinent une bonne conductivité thermique, faible dilatation thermique et résistance à l'oxydation à des températures élevées pour un coût inférieur à celui de la série 300, ce qui les rend bien adaptés au matériel de transfert de chaleur et à la gestion de la chaleur d'échappement.

Considérations clés

• Pour mouillé, flux contenant du chlorure ou risque élevé de piqûres, préférer les ferritiques contenant du Mo (444) ou passez à la série duplex/300 si nécessaire.

Chimique, industries de transformation et de traitement de l’eau

Common parts & notes

• Réservoirs de service intermédiaire, raccords de tuyauterie, échangeurs de chaleur pour chimies non extrêmes — 444 (là où la résistance aux chlorures est importante), 439 pour réservoirs soudés.

Why 4xx is used

• Lorsque le service est modérément agressif mais que les alliages entièrement austénitiques ou duplex ne sont pas justifiés économiquement, Les ferritiques mo-stabilisées offrent un terrain d’entente acceptable.

Considérations clés

• Spécifier les certificats d'usine et les tests de corrosion. Pour une exposition continue au chlorure (traiter les saumures, refroidissement à l'eau de mer) valider le choix de la qualité par rapport au chlorure mesuré, conditions de température et de crevasses.

Huile & gaz, pétrochimique (composants sélectionnés)

Common parts & notes

• Attaches, composants de vanne non critiques, arbres de pompe — 410, 431 (martensitique à haute résistance), 17-4 PH pour haute résistance, composants résistants à la corrosion (où le vieillissement après soudage est réalisable).

Why 4xx is used

• Les nuances martensitiques et PH offrent une très haute résistance à la pression et aux charges mécaniques; 17-4 Le PH est souvent choisi lorsqu'une résistance et une résistance raisonnable à la corrosion sont requises et que les cycles de soudage/vieillissement peuvent être contrôlés..

Considérations clés

• Les pièces martensitiques en environnement acide ou chloré doivent être qualifiées pour la fragilisation par l'hydrogène et le risque SSC. La trempe/vieillissement après soudage est souvent obligatoire.

Marin, équipement de dessalement et d'eau de mer (utilisation limitée)

Common parts & notes

• Crépines d'eau de mer, boîtiers non critiques — 444 en cas d'exposition légère au chlorure; sinon, les concepteurs préfèrent les alliages duplex ou à PREN supérieur.

Why 4xx is used (sélectivement)

• Les ferritiques contenant du Mo peuvent gérer certaines tâches liées à l'eau de mer à moindre coût, mais les risques de piqûres et de crevasses à long terme les excluent souvent pour les pièces structurelles continuellement immergées..

Considérations clés

• Quand 4xx est utilisé dans des contextes marins, combiner avec une protection cathodique, revêtements, et un régime d'inspection rigoureux. Évitez les endroits où il y a des conditions affectées par la chaleur ou des crevasses..

Production d'électricité & systèmes énergétiques

Common parts & notes

• Échangeurs de chaleur, conduits de fumées, joints de turbine — 409, 444.
• Boulonnerie et arbres à haute résistance — 17-4 PH ou martensitiques le cas échéant.

Why 4xx is used

• Les qualités ferritiques supportent bien l'oxydation cyclique et les contraintes thermiques; Les nuances PH sont utilisées pour les fixations et les composants soumis à de fortes contraintes pour lesquels les alliages austénitiques seraient inutilement coûteux..

Considérations clés

• Surveillez la fragilisation à long terme en phase sigma dans certains alliages à haute teneur en Cr à des températures intermédiaires; spécifier les limites de température de fonctionnement et les intervalles d'inspection.

Médical, outillage et instruments de précision (choisi)

Common parts & notes

• Lames pour instruments chirurgicaux — 420 / 440C (martensitique, polissage élevé et rétention des bords).
• Inserts de moule de précision et outillage à forte usure — 440C.

Why 4xx is used

• La dureté élevée et la rétention des bords rendent les martensitiques attrayantes, à condition que l'exposition à la corrosion soit contrôlée et que la finition/passivation de la surface soit excellente.

Considérations clés

• Pour les implants ou l’exposition corporelle à long terme, 300-les séries ou les alliages de qualité médicale sont préférés; 4xx pour les instruments uniquement lorsque la stérilisation et la passivation sont acceptables et que les normes médicales sont respectées.

6. Avantages & Limites

Les aciers inoxydables de la série 400 occupent une position distincte entre les aciers au carbone et les aciers inoxydables austénitiques au nickel..

Principaux avantages de l'acier inoxydable de la série 400

Rentabilité et stabilité des prix

400-les aciers inoxydables de la série contiennent peu ou pas de nickel, s'appuyant principalement sur le chrome pour la résistance à la corrosion.

Cela réduit considérablement le coût des matières premières et protège les achats de la volatilité des prix du nickel., rendant ces qualités économiquement attractives pour les applications à grand volume.

Propriétés magnétiques inhérentes

Les nuances ferritiques et martensitiques de la série 400 sont naturellement magnétiques, permettant leur utilisation dans des appareils électromagnétiques, capteurs, actionneurs, et composants nécessitant une réponse magnétique – applications où les aciers inoxydables austénitiques ne conviennent pas.

Résistance au traitement thermique (nuances martensitiques et PH)

Contrairement aux aciers inoxydables austénitiques, Les alliages martensitiques et à durcissement par précipitation de la série 400 peuvent être renforcés par trempe, trempe, et le vieillissement.

Cela permet des résistances à la traction allant de niveaux modérés à bien supérieurs 1000 MPa, supportant résistant à l'usure, chargé de chargement, et composants soumis à de fortes contraintes.

Bonne conductivité thermique et faible dilatation thermique

Les aciers ferritiques de la série 400 présentent une conductivité thermique plus élevée et des coefficients de dilatation thermique inférieurs à ceux des aciers inoxydables de la série 300..

Cela améliore la résistance à la fatigue thermique et à la distorsion, ce qui les rend adaptés aux systèmes d'échappement, échangeurs de chaleur, et environnements de cycles thermiques.

Résistance à la corrosion adéquate pour les environnements modérés

Avec une teneur en chrome généralement supérieure à 10.5 % en poids, 400-les aciers de la série offrent une résistance fiable à la corrosion atmosphérique, produits chimiques légers, et oxydation à haute température – bien supérieure à l'acier au carbone et suffisante pour de nombreuses applications industrielles et grand public.

Conception et recyclabilité simplifiées des alliages

La complexité inférieure de l'alliage facilite la fusion, recyclage, et réutilisation dans les flux d'acier inoxydable, s'aligner sur les objectifs de contrôle des coûts et de durabilité dans la fabrication à grande échelle.

Principales limites de l'acier inoxydable de la série 400

Résistance à la corrosion inférieure à celle des nuances austénitiques

La plupart des aciers de la série 400 manquent de nickel et, dans de nombreux cas, suffisamment de molybdène nécessaire pour une forte résistance aux piqûres, corrosion caverneuse, et fissuration par corrosion sous contrainte dans des environnements riches en chlorures ou fortement acides.

Ils ne peuvent généralement pas remplacer 304 ou 316 en service chimique ou marin agressif.

Soudabilité limitée

Les qualités ferritiques sont sujettes au grossissement des grains et à la perte de ténacité dans la zone affectée par la chaleur., tandis que les nuances martensitiques sont sensibles à la fissuration à froid et à la fragilisation par l'hydrogène.

Un soudage réussi nécessite souvent un contrôle strict de l’apport de chaleur, éléments stabilisateurs (De, NB), préchauffage, et traitement thermique post-soudage.

Ténacité réduite à basse température

Les aciers inoxydables ferritiques de la série 400 présentent une température de transition ductile à fragile, généralement autour de zéro à légèrement au-dessus du point de congélation.

Cela limite leur adéquation aux applications structurelles cryogéniques ou en climat froid.

Formabilité inférieure à celle des aciers inoxydables austénitiques

Les qualités ferritiques ont une capacité de formage à froid modérée mais une formabilité par étirement limitée, tandis que les nuances martensitiques sont difficiles à former à froid en raison de leur dureté élevée.

Les composants complexes emboutis sont généralement mieux adaptés aux aciers inoxydables de la série 300.

Sensibilité à un traitement thermique inapproprié et à une exposition en service

Les qualités martensitiques et PH nécessitent des cycles de traitement thermique soigneusement contrôlés.

Trempe inappropriée, exposition prolongée à des températures intermédiaires, ou des pratiques de soudage inappropriées peuvent conduire à une fragilisation, perte de résistance à la corrosion, ou panne prématurée.

Fenêtre d'application plus étroite pour les environnements sévères

Dans des environnements hautement corrosifs, riche en chlorure, ou environnements de processus de haute pureté, la marge de performance des aciers de la série 400 est limitée, nécessitant souvent l'utilisation d'éléments austénitiques, duplex, ou super aciers inoxydables.

7. Analyse comparative par rapport à la série 300 & d'autres alternatives

• Résistance à la corrosion: 300-série (304/316) >> 400-série dans des environnements chlorure/acide agressifs.
• Force (thermique traité): Martensitique/PH 400 >> 300-série (peut largement dépasser 1,000 MPa).
• Coût: 400-série généralement 30 à 50 % moins chère que 304 en raison de la faible teneur en Ni.
• Soudabilité & formabilité: 300-série supérieure; 400-la série nécessite plus de soins.
• Magnétisme: 400-série magnétique — un avantage si une réponse magnétique est nécessaire.
• Comportement à haute température (oxydation): les ferritiques 4xx sont souvent meilleurs que les austénitiques pour les applications d'oxydation cyclique et de conductivité thermique.

Règle empirique de sélection: choisissez la série 400 lorsque le coût, une réponse magnétique ou une dureté/résistance très élevée est requise et l'environnement de corrosion est modéré ou gérable avec des revêtements; choisissez les alliages série 300/duplex/nickel lorsque la résistance à la corrosion est primordiale.

8. Conclusion

Le 400 Les aciers inoxydables de la série constituent une famille polyvalente et largement utilisée qui offre un équilibre pragmatique de économie, propriétés magnétiques, performances thermiques et résistance réalisable. Leur rôle s'étend des appareils quotidiens aux pièces mécaniques exigeantes..

Une utilisation réussie nécessite une sélection de qualité éclairée et un traitement discipliné: le soudage et le traitement thermique ont une influence démesurée sur les performances finales.

Lorsque l'exposition à la corrosion est modérée et que le coût ou la réponse magnétique est important, la série 400 représente souvent le choix d'ingénierie optimal.

Là où une résistance agressive à la corrosion ou une ténacité extrême à basse température est requise, les familles à alliages supérieurs doivent être évaluées.

 

FAQ

Les aciers de la série 400 sont-ils « inoxydables »?

Oui, ils forment un film passif d'oxyde de chrome et résistent bien mieux à la corrosion que les aciers au carbone., mais ils sont moins résistants à la corrosion que les alliages de la série 300 dans de nombreux milieux agressifs.

La série 400 peut-elle remplacer 304 dans les appareils grand public?

Souvent oui pour les applications décoratives et de nombreuses applications électroménagers (par ex., 430), mais évitez les endroits où l'exposition fréquente aux chlorures, des détergents acides ou des atmosphères marines se produisent.

Pourquoi certaines séries 400 sont-elles magnétiques et d'autres non?

Les microstructures ferritiques et martensitiques sont magnétiques; microstructures austénitiques (typique de la série 300) sont essentiellement non magnétiques. 400-les séries sont conçues pour être ferritiques/martensitiques.

Comment souder 17-4 PH en toute sécurité?

Utiliser des procédures qualifiées, contrôler l'apport de chaleur, et appliquer des cycles de solution/vieillissement après soudage ou un vieillissement localisé selon les instructions du fournisseur pour restaurer la résistance et la résistance à la corrosion..

Le 440C convient-il aux roulements marins?

Non, alors que le 440C offre une dureté et une résistance à l'usure élevées, sa résistance à la corrosion dans les environnements chlorés marins est limitée; envisager des roulements en acier inoxydable avec un PREN ou des revêtements plus élevés.