1. Kjerneposisjonering & industriell verdi
De 400 serie rustfritt stål er den praktiske broen mellom lavkost karbonstål og høy-nikkel austenittisk rustfritt stål.
Definert av AISI/ASTM og regionale standarder (ASTM A240, I 10088, GB/t 1220), den står for en stor del av den globale tonnasjen av rustfritt stål fordi den kombineres:
- Lavere legeringskostnad (lite eller ingen Ni) → attraktiv økonomi;
- Magnetisk oppførsel (ferritisk/martensittisk) kreves av mange elektromekaniske applikasjoner;
- Varmebehandlebar styrkeevne (martensittiske og nedbørsherdende undertyper) muliggjør svært høy styrke;
- Gunstig varmeledningsevne og lavere termisk utvidelse sammenlignet med austenittikk, nyttig for varmeeksponerte komponenter.
Bransjer som har størst fordel inkluderer bilindustrien (eksos, drivstoffsystemer), apparater (Paneler, foringer), maskineri (sjakter, ventiler), verktøy (lagre, kniver) og noen romfarts-/kjernefysiske nisjer med en kostnadsbalanse, styrke og moderat korrosjonsmotstand er akseptabelt.
2. Klassifikasjon, Sammensetning & Mikrostrukturell mekanisme
Ytelsesforskjellene til 400 serien av rustfritt stål er i hovedsak bestemt av deres kjemiske sammensetning og tilsvarende mikrostrukturer.
Nedenfor er en dybdeanalyse av tre kjerneundertyper:
Ferritisk 400 Serie (Kjernekarakterer: 409, 430, 439, 444)
Ferritisk rustfritt stål er den mest brukte undertypen, med en enfaset ferrittmikrostruktur ved romtemperatur, ingen fasetransformasjon under oppvarming/kjøling, og ultralavt C-innhold (typisk ≤0,12 vekt%).
Deres kjernesammensetning er dominert av Cr (10.5–19,5 vekt%), med hjelpeelementer som Ti, Nb, og Mo for å optimalisere stabilitet og korrosjonsbestandighet.
- 409: Cr (10.5–11,75 vekt%), C (≤0,08 vekt%), Av (0.15–0,50 vekt%).
Ti danner TiC-utfellinger for å fikse C, unngå intergranulær korrosjon forårsaket av Cr-karbidutfelling.
Den grovkornede ferrittstrukturen gir grunnleggende atmosfærisk korrosjonsmotstand, gjør den egnet for rimelige korrosjonsbestandige scenarier. - 430: Cr (16.0–18,0 vekt%), C (≤0,12 vekt%). Finkornet ferrittstruktur med balansert kostnad og korrosjonsbestandighet, er den ordinære kostnadseffektive ferritiske kvaliteten for husholdningsapparater.
- 439: Cr (17.0–19,0 vekt%), C (≤0,03 vekt%), Hvis/Nb (0.10–0,60 vekt%).
Ultralav C og Ti/Nb komposittstabilisering foredler korn, betydelig forbedring av sveisbarhet og korrosjonsbestandighet sammenlignet med 430. - 444: Cr (17.5–19,5 vekt%), Mo (1.75–2,50 vekt%), C (≤0,025 vekt%).
Mo-tilsetning forbedrer motstand mot gropkorrosjon (PREN≈25), danner en tett ferrittstruktur egnet for kloridholdige miljøer.
Martensitic 400 Serie (Kjernekarakterer: 410, 420, 440A/B/C)
Martensittiske rustfrie stål har høyere C-innhold (0.15–0,75 vekt%) og moderat Cr-innhold (11.5–18,0 vekt%).
Ved høye temperaturer, de danner austenitt, som forvandles til hard martensitt under bråkjøling - noe som gjør dem til den eneste varmebehandlebare forsterkende subtypen i 400 serie rustfritt stål.
- 410: C (≤0,15 vekt%), Cr (11.5–13,5 vekt%).
Støpt struktur er ferritt + Martensite; etter quenching/tempering, strekkfasthet når 515–690 MPa, egnet for generelle konstruksjonsdeler. - 420: C (0.15–0,40 vekt%), Cr (12.0–14,0 vekt%).
Høyere C-innhold forbedrer hardheten (HRC≥50 etter varmebehandling), mye brukt i bestikk og ventiler. - 440A/B/C: C innholdsgradient (0.60–0,75 vekt%), Cr (16.0–18,0 vekt%).
440C har den høyeste hardheten (HRC≥58) og bruk motstand, ideell for høypresisjonsverktøy og lagre.
Nedbørherding (Ph) 400 Serie (Karakter: 17-4 Ph, Aisi 630)
En spesiell høyytelsesvariant med lav C (≤0,07 vekt%), Cr (15.5–17,5 vekt%), I (3.0–5,0 vekt%), og Cu (3.0–5,0 vekt.).
Det danner austenitt ved høye temperaturer, omdannes til martensitt under avkjøling, og oppnår forsterkning via Cu-rik bunnfalldannelse under aldring.
Strekkstyrke kan nå 1380 MPa etter varmebehandling, balanserer ultrahøy styrke og korrosjonsmotstand.
3. Kjerneomfattende egenskaper
Mekaniske egenskaper
Mekaniske egenskaper til 400 serien av rustfritt stål varierer betydelig etter undertype, med tydelig differensiering i styrke, duktilitet, og varmebehandlingsrespons (data samsvarer med ASTM A240/A480):
- Ferritiske typer (430, løsningsglødet): Strekkfasthet 415–515 MPa, flytegrense 205–275 MPa, forlengelse 20–25 %, hardhet ≤183 HBW.
Ingen fasetransformasjon, kun gløding for kornforedling. - Martensittiske typer (420, slukket & temperert): Strekkfasthet 725–930 MPa, flytegrense 515–690 MPa, forlengelse 10–15 %, hardhet ≥50 HRC.
Slukking + temperering forbedrer styrke og hardhet betydelig. - PH type (17-4 Ph, H900 aldring): Strekkfasthet ≥1170 MPa, flytegrense ≥1035 MPa, forlengelse ≥10 %, hardhet ≥38 HRC.
Nedbørsforsterkning oppnår ultrahøy styrke uten å ofre duktiliteten.
Korrosjonsmotstand
Korrosjonsmotstanden bestemmes først og fremst av Cr-innholdet, med Mo og lav C som hjelpeforsterkere. Totalt sett, det er lavere enn 300 serie, men overlegen karbonstål:
- Ferritiske typer: 409 har grunnleggende atmosfærisk korrosjonsbestandighet (årlig korrosjonsrate ≤0,03 mm i landlige områder); 444 motstår fortynnede syrer og klorider, med en kritisk groptemperatur på ≥30℃.
- Martensittiske typer: Begrenset av høyt C-innhold; 410 er mottakelig for rust i fuktige omgivelser, mens 440C har bedre korrosjonsbestandighet på grunn av høyere Cr, men er uegnet for marine/sure medier.
- 17-4 Ph: Korrosjonsbestandighet sammenlignbar med 304 i atmosfæriske og mildt korrosive miljøer, men utsatt for groper i medier med høyt kloridinnhold.
Fysiske egenskaper
Iboende magnetisme er et signaturtrekk ved 400 serie rustfritt stål, med andre fysiske egenskaper konsistente på tvers av undertyper:
- Tetthet: 7.7–7,8 g/cm³ (lavere enn 304 8.0 g/cm³ på grunn av ingen Ni-tilsetning).
- Termisk ledningsevne: 25–30 W/(m·K) @ 20℃ (høyere enn 304 16 W/(m·K), gunstig for varmeavledning).
- Termisk ekspansjonskoeffisient: 10–12×10⁻⁶/K (20–400 ℃), lavere enn 300 serie, redusere termisk deformasjon.
- Magnetisk permeabilitet: μ=100–1000 (ferritisk/martensittisk), langt høyere enn austenittisk rustfritt stål (m<1.02).
4. Behandling, fabrikasjon & varmebehandlingspraksis
Danner & maskinering
- Ferritikk: rimelig formbarhet kaldt; mellomgløding anbefalt for kraftig forming. Bearbeidbarhet lik lavlegert stål.
- Martensitt: dårlig kaldformbarhet i herdet tilstand; form i glødet tilstand eller høyere (varm forming). Bearbeidbarhet avhenger av temperament og hardhet - høyere C-kvaliteter krever robust verktøy og lavere hastigheter.
Sveising
- Ferritikk: sveisbar, men utsatt for kornvekst og HAZ-sprøhet hvis høy varmetilførsel brukes; stabiliserte karakterer (Hvis/Nb) og lav varmetilførsel (<10 kJ/cm for noen) forbedre ytelsen; velg ferritiske fyllmetaller.
- Martensitt: utfordrende — forvarm (200–300 ° C.), lavt hydrogenforbruk og herding etter sveis anbefales for å unngå sprekkdannelse og gjenopprette seighet.
- Ph 17-4: sveisbar med matchet fyllstoff og varmebehandling/aldring etter sveis for å gjenopprette egenskaper.
Varmebehandling
- Ferritikk: løsningsgløding og luftkjøling for å lindre stress og foredle korn; ingen herding.
- Martensitt: austenitisere (950–1 050 ° C.), slukk (olje/vann avhengig av karakter), deretter temperament (150–650 ° C.) for å nå ønsket hardhet/seighet. 440C typisk temperert ved 200–300 °C for topphardhet.
- Ph 17-4: Løsning Treat (~1 040–1 060 °C), Vannslukk, deretter alder (482–621 °C) å produsere Cu-rike utfellinger og oppnå målstyrke (H900 osv.).
5. Typiske industrielle bruksområder for 400-serien rustfritt stål
400-serien betjener et bredt spekter av bransjer fordi undertypene kartlegges rent på forskjellige ingeniørbehov:
økonomi + Moderat korrosjonsmotstand (ferritikk), høy hardhet/slitasje (martensitt), og meget høy styrke med rimelig korrosjonsbestandighet (PH legeringer).
Bilindustri
Fellesdeler & karakterer
- Eksosanlegg, lyddemperkomponenter, reaksjonsrør — 409, Noen ganger 439 for forbedret sveisbarhet.
- Trim, dekorative paneler - 430.
- Motor- og giraksler, Ventilseter / små slitasjekomponenter — 410 / 420 der varmebehandling er nødvendig.
Hvorfor 4xx brukes
- Lavt nikkelinnhold gir en sterk kostnadsfordel for komponenter med svært høyt volum.
Ferritiske kvaliteter motstår syklisk oksidasjon i varme eksosmiljøer og har passende varmeledningsevne og ekspansjon. Martensittiske kvaliteter tilbyr herdede overflater for slitasjekritiske små deler.
Viktige hensyn
- For sveisede eksosanlegg, bruk Ti/Nb-stabilisert ferritikk (409Ti/439) eller kontroller varmetilførselen for å unngå HAZ-sprøhet.
- Korrosjonsbeskyttelse (Overflatebelegg, aluminisering) brukes ofte for å forlenge levetiden i veisaltmiljøer.
Husholdningsapparater og forbrukerprodukter
Fellesdeler & karakterer
- Kjøleskapsdører, ovnsforinger, oppvaskmaskin interiør, kontrollpaneler - 430 Og noen ganger 439/444 for bedre korrosjonsbestandighet.
- Bestikk og kjøkkenkniver — 420 / 440C (Martensitic), polert og temperert.
Hvorfor 4xx brukes
- Attraktiv overflatefinish, God formbarhet (ferritikk), magnetisk respons der det er nødvendig (F.eks., induksjonsindikatorer for matlaging), og mye lavere kostnader enn austenitt gjør ferritic 4xx til standard for dekorative og interne apparatdeler.
Viktige hensyn
- Unngå 4xx i saltspray eller kysteksponering med mindre belagt eller spesifikt en Mo-bærende variant (444).
Til bestikk, velg høy-C martensitt og kontroller temperering for å balansere kantretensjon og korrosjonsmotstand.
Varmeveksling, VVS og termiske systemer
Fellesdeler & karakterer
- Varmevekslerfinner, kanalføring, ovnskomponenter, kjelekledning — 409, 430, 444.
Hvorfor 4xx brukes
- Ferritikk kombinerer god varmeledningsevne, lav termisk ekspansjon og oksidasjonsmotstand ved høye temperaturer med lavere kostnad enn 300-serien, gjør dem godt egnet for varmeoverføring av maskinvare og eksosvarmestyring.
Viktige hensyn
- For vått, kloridholdige bekker eller høy risiko for gropdannelse, foretrekker Mo-bærende ferritikk (444) eller gå opp til dupleks/300-serien der det er nødvendig.
Kjemisk, prosess- og vannhåndteringsindustrien
Fellesdeler & karakterer
- Middels pliktige tanker, rørdeler, varmevekslere for ikke-ekstrem kjemi — 444 (hvor kloridresistens er viktig), 439 for sveisede tanker.
Hvorfor 4xx brukes
- Når servicen er moderat aggressiv, men full austenittiske eller duplekslegeringer er ikke forsvarlig økonomisk, Mo-stabilisert ferritikk tilbyr en akseptabel mellomting.
Viktige hensyn
- Spesifiser møllesertifikater og korrosjonstesting. For kontinuerlig klorideksponering (behandle saltlake, sjøvannskjøling) validere karaktervalg mot målt klorid, temperatur og sprekkforhold.
Olje & gass, Petrokjemisk (utvalgte komponenter)
Fellesdeler & karakterer
- Festemidler, ikke-kritiske ventilkomponenter, pumpeaksler - 410, 431 (martensittisk høystyrke), 17-4 Ph for høy styrke, korrosjonsbestandige komponenter (hvor aldring etter sveising er mulig).
Hvorfor 4xx brukes
- Martensittiske og PH-kvaliteter gir svært høy styrke for trykk og mekaniske belastninger; 17-4 PH velges ofte der styrke pluss rimelig korrosjonsmotstand er nødvendig og sveise-/aldringssykluser kan kontrolleres.
Viktige hensyn
- Martensittiske deler i sure eller kloridholdige miljøer må være kvalifisert for hydrogensprøhet og SSC-risiko. Herding/aldring etter sveis er ofte obligatorisk.
Marine, avsalting og sjøvannsutstyr (begrenset bruk)
Fellesdeler & karakterer
- Sjøvannssiler, ikke-kritiske hus – 444 ved mild klorideksponering; ellers foretrekker designere dupleks- eller høyere PREN-legeringer.
Hvorfor 4xx brukes (selektivt)
- Mo-bærende ferritikk kan klare noen sjøvannsoppgaver til lavere kostnad, men langsiktig grop- og sprekkrisiko utelukker dem ofte for kontinuerlig nedsenkede strukturelle deler.
Viktige hensyn
- Når 4xx brukes i marine sammenhenger, kombinere med katodisk beskyttelse, belegg, og et strengt inspeksjonsregime. Unngå der varmepåvirket eller sprekkforhold eksisterer.
Kraftproduksjon & energisystemer
Fellesdeler & karakterer
- Varmevekslere, røykgasskanaler, turbintetninger - 409, 444.
- Høyfast bolting og akseling — 17-4 Ph eller martensitt der det er aktuelt.
Hvorfor 4xx brukes
- Ferritiske kvaliteter tåler syklisk oksidasjon og termisk stress godt; PH-kvaliteter brukes til høyspenningsfester og komponenter der austenittiske legeringer vil være unødvendig dyre.
Viktige hensyn
- Se etter langvarig sigmafasesprøhet i noen høy-Cr-legeringer ved middels temperaturer; angi driftstemperaturgrenser og inspeksjonsintervaller.
Medisinsk, verktøy og presisjonsinstrumenter (valgt)
Fellesdeler & karakterer
- Kirurgiske instrumentblader — 420 / 440C (Martensitic, høy polering og kantbevaring).
- Presisjonsstøpeinnsatser og slitesterkt verktøy — 440C.
Hvorfor 4xx brukes
- Høy hardhet og kantretensjon gjør martensitt attraktivt, forutsatt at korrosjonseksponering er kontrollert og overflatebehandling/passivering er utmerket.
Viktige hensyn
- For implantater eller langvarig kroppseksponering, 300-serier eller legeringer av medisinsk kvalitet foretrekkes; 4xx kun for instrumenter når sterilisering og passivering er akseptable og medisinske standarder følges.
6. Fordeler & Begrensninger
400-seriens rustfrie stål inntar en distinkt posisjon mellom karbonstål og nikkelbærende austenittisk rustfritt stål.
Viktige fordeler med 400-serien rustfritt stål
Kostnadseffektivitet og prisstabilitet
400-serien av rustfritt stål inneholder lite eller ingen nikkel, primært avhengig av krom for korrosjonsbestandighet.
Dette reduserer råvarekostnadene betydelig og beskytter innkjøp mot svingninger i nikkelpriser, gjør disse kvalitetene økonomisk attraktive for store volumapplikasjoner.
Iboende magnetiske egenskaper
Ferritiske og martensittiske 400-seriekvaliteter er naturlig magnetiske, muliggjør bruk av dem i elektromagnetiske enheter, sensorer, aktuatorer, og komponenter som krever magnetisk respons – applikasjoner der austenittisk rustfritt stål er uegnet.
Varmebehandlebar styrke (martensittiske og PH-karakterer)
I motsetning til austenittisk rustfritt stål, martensittiske og nedbørsherdende 400-serielegeringer kan styrkes gjennom bråkjøling, temperering, og aldring.
Dette tillater strekkstyrker som strekker seg fra moderate nivåer til godt over 1000 MPA, støtte slitesterk, Lastbærende, og høystresskomponenter.
God varmeledningsevne og lav termisk ekspansjon
Ferritisk 400-seriens stål viser høyere varmeledningsevne og lavere varmeutvidelseskoeffisienter enn 300-seriens rustfrie stål.
Dette forbedrer motstanden mot termisk tretthet og forvrengning, gjør dem egnet for eksosanlegg, Varmevekslere, og termiske sykkelmiljøer.
Tilstrekkelig korrosjonsbestandighet for moderate miljøer
Med krominnhold vanligvis over 10.5 vekt%, 400-seriestål gir pålitelig motstand mot atmosfærisk korrosjon, milde kjemikalier, og høytemperaturoksidasjon – langt bedre enn karbonstål og tilstrekkelig for mange industrielle og forbrukerapplikasjoner.
Forenklet legeringsdesign og resirkulerbarhet
Lavere legeringskompleksitet letter smelting, gjenvinning, og gjenbruk i bekker av rustfritt stål, i samsvar med kostnadskontroll og bærekraftsmål i storskala produksjon.
Viktige begrensninger for 400-serien rustfritt stål
Dårlig korrosjonsbestandighet sammenlignet med austenittiske kvaliteter
De fleste 400-seriens stål mangler nikkel og, i mange tilfeller, tilstrekkelig molybden nødvendig for sterk motstand mot gropdannelse, sprekk korrosjon, og spenningskorrosjonssprekker i kloridrike eller sterkt sure miljøer.
De kan vanligvis ikke erstatte 304 eller 316 i tøffe kjemiske eller marine tjenester.
Begrenset sveisbarhet
Ferritiske kvaliteter er utsatt for kornforgrovning og seighetstap i den varmepåvirkede sonen, mens martensittiske kvaliteter er utsatt for kaldsprekking og hydrogensprøhet.
Vellykket sveising krever ofte streng varmetilførselskontroll, stabiliserende elementer (Av, Nb), forvarming, og varmebehandling etter sveising.
Redusert seighet ved lav temperatur
Ferritic 400-serien rustfritt stål viser en duktil til sprø overgangstemperatur, typisk rundt minusgrader til litt over frysepunktet.
Dette begrenser deres egnethet for kryogene eller kaldklimastrukturelle applikasjoner.
Lavere formbarhet enn austenittisk rustfritt stål
Ferritiske kvaliteter har moderat kaldformingsevne, men begrenset strekkformbarhet, mens martensittiske karakterer er vanskelige å kaldforme på grunn av høy hardhet.
Komplekse dyptrukne komponenter er generelt bedre egnet til 300-serien rustfritt stål.
Følsomhet for feil varmebehandling og eksponering for service
Martensittiske og PH-kvaliteter krever nøye kontrollerte varmebehandlingssykluser.
Upassende temperering, langvarig eksponering for middels temperaturer, eller feil sveisepraksis kan føre til sprøhet, tap av korrosjonsbestandighet, eller for tidlig svikt.
Smalere applikasjonsvindu for vanskelige miljøer
I svært etsende, høy klorid, eller prosessmiljøer med høy renhet, Ytelsesmarginen for stål i 400-serien er begrenset, ofte nødvendig å bruke austenittisk, dupleks, eller super rustfritt stål.
7. Sammenlignende analyse vs 300-serien & andre alternativer
- Korrosjonsmotstand: 300-serie (304/316) >> 400-serie i aggressive klorid/syremiljøer.
- Styrke (varme behandlet): Martensittisk/PH 400 >> 300-serie (kan langt overgå 1,000 MPA).
- Koste: 400-serier typisk 30–50 % billigere enn 304 på grunn av lav Ni.
- Sveisbarhet & Formbarhet: 300-serie overlegen; 400-serien krever mer omsorg.
- Magnetisme: 400-serie magnetisk - en fordel hvis magnetisk respons er nødvendig.
- Høy temperatur oppførsel (oksidasjon): ferritisk 4xx er ofte bedre enn austenitt for syklisk oksidasjon og termisk ledningsevne..
Tommelfingerregel for valg: velg 400-serien når kostnad, magnetisk respons eller svært høy hardhet/styrke er nødvendig og korrosjonsmiljøet er moderat eller håndterbart med belegg; velg 300-serie/dupleks/nikkellegeringer når korrosjonsmotstand er primær.
8. Konklusjon
De 400 serien rustfritt stål er en allsidig og mye brukt familie som leverer en pragmatisk balanse mellom økonomi, magnetiske egenskaper, termisk ytelse og oppnåelig styrke. Deres rolle spenner fra hverdagslige apparater til krevende mekaniske deler.
Vellykket bruk krever informert karaktervalg og disiplinert behandling: sveising og varmebehandling har stor innflytelse på den endelige ytelsen.
Hvor korrosjonseksponeringen er moderat og kostnad eller magnetisk respons betyr noe, 400-serien representerer ofte det optimale ingeniørvalget.
Der det kreves aggressiv korrosjonsmotstand eller ekstrem seighet ved lav temperatur, familier med høyere legeringer bør evalueres.
Vanlige spørsmål
Er 400-seriens stål "rustfritt"?
Ja - de danner en passiv kromoksidfilm og motstår korrosjon mye bedre enn karbonstål, men de er mindre korrosjonsbestandige enn 300-seriens legeringer i mange aggressive medier.
Kan erstatte 400-serien 304 i forbrukerapparater?
Ofte ja for dekorative og mange apparater (F.eks., 430), men unngå hvor hyppig eksponering for klorider, sure vaskemidler eller marine atmosfærer forekommer.
Hvorfor er noen 400-serier magnetiske og andre ikke?
Ferritiske og martensittiske mikrostrukturer er magnetiske; austenittiske mikrostrukturer (typisk for 300-serien) er i hovedsak ikke-magnetiske. 400-seriene er designet for å være ferritiske/martensittiske.
Hvordan sveise 17-4 PH trygt?
Bruk kvalifiserte prosedyrer, kontrollere varmetilførselen, og påfør ettersveiseløsning/aldringssykluser eller lokalisert aldring i henhold til leverandørens instruksjoner for å gjenopprette styrke og korrosjonsmotstand.
Er 440C egnet for marine lagre?
Nei — mens 440C tilbyr høy hardhet og slitestyrke, korrosjonsbestandigheten i marine kloridmiljøer er begrenset; vurdere rustfrie lagre med høyere PREN eller belegg.
