400 Серия Нержавеющая сталь: Экономичный и высокопрочный

1. Основное позиционирование & промышленная ценность

The 400 ряд нержавеющая сталь представляет собой практичный мост между недорогими углеродистыми сталями и аустенитными нержавеющими сталями с высоким содержанием никеля..

Определено AISI/ASTM и региональными стандартами. (ASTM A240, В 10088, ГБ/т 1220), на его долю приходится значительная часть мирового тоннажа нержавеющей стали, поскольку он сочетает в себе:

• Более низкая стоимость сплава (мало или нет Ни) → привлекательная экономика;
• Магнитное поведение (ферритный/мартенситный) требуется во многих электромеханических приложениях;
• Упрочняемость при термообработке (мартенситный и дисперсионно-твердеющий подтипы) обеспечивающая очень высокую прочность;
• Хорошая теплопроводность и низкое тепловое расширение. по сравнению с аустенитами, полезно для компонентов, подвергающихся нагреву.

Отрасли, которые получают наибольшую выгоду, включают автомобилестроение. (истощает, топливные системы), техника (панели, лайнеры), техника (валы, клапаны), оснастка (подшипники, лезвия) и некоторые аэрокосмические/ядерные ниши, где баланс затрат, допустима прочность и умеренная коррозионная стойкость.

2. Классификация, Состав & Микроструктурный механизм

Различия в производительности 400 серии нержавеющей стали в основном определяются их химическим составом и соответствующей микроструктурой..

Ниже приведен углубленный анализ трех основных подтипов.:

Ферритный 400 Ряд (Основные оценки: 409, 430, 439, 444)

Ферритные нержавеющие стали являются наиболее широко используемым подтипом., имеет однофазную ферритовую микроструктуру при комнатной температуре, отсутствие фазового превращения при нагреве/охлаждении, и сверхнизкое содержание углерода (обычно ≤0,12 мас.%).

В их основном составе преобладает Cr (10.5–19,5 мас.%), со вспомогательными элементами, такими как Ti, Нб, и Mo для оптимизации стабильности и коррозионной стойкости.

• 409: Кр (10.5–11,75 мас.%), С (≤0,08 мас.%), Из (0.15–0,50 мас.%).
  Ti образует осадок TiC, фиксируя C, предотвращение межкристаллитной коррозии, вызванной осаждением карбида Cr.
  Крупнозернистая ферритовая структура обеспечивает базовую устойчивость к атмосферной коррозии., что делает его подходящим для недорогих сценариев защиты от коррозии.
• 430: Кр (16.0–18,0 мас.%), С (≤0,12 мас.%). Мелкозернистая ферритовая структура со сбалансированной стоимостью и устойчивостью к коррозии., является основным экономически эффективным ферритным сортом для бытовой техники.
• 439: Кр (17.0–19,0 мас.%), С (≤0,03 мас.%), Если/Nb (0.10–0,60 мас.%).
  Композитная стабилизация со сверхнизким содержанием C и Ti/Nb измельчает зерна., значительно улучшают свариваемость и коррозионную стойкость по сравнению с 430.
• 444: Кр (17.5–19,5 мас.%), Мо (1.75–2,50 мас.%), С (≤0,025 мас.%).
  Добавление Mo повышает устойчивость к точечной коррозии. (ПРЕН≈25), формирование плотной ферритной структуры, подходящей для хлоридсодержащих сред.

Мартенситный 400 Ряд (Основные оценки: 410, 420, 440А/Б/С)

Мартенситные нержавеющие стали имеют более высокое содержание углерода. (0.15–0,75 мас.%) и умеренное содержание Cr (11.5–18,0 мас.%).

При высоких температурах, они образуют аустенит, которые превращаются в твердый мартенсит во время закалки, что делает их единственным подтипом термообрабатываемого упрочнения в 400 серия из нержавеющей стали.

• 410: С (≤0,15 мас.%), Кр (11.5–13,5 мас.%).
  Литая конструкция - феррит. + мартенсит; после закалки/отпуска, предел прочности достигает 515–690 МПа., подходит для общих структурных частей.
• 420: С (0.15–0,40 мас.%), Кр (12.0–14,0 мас.%).
  Более высокое содержание C повышает твердость. (HRC≥50 после термообработки), широко используется в столовых приборах и клапанах.
• 440А/Б/С: Градиент содержания C (0.60–0,75 мас.%), Кр (16.0–18,0 мас.%).
  440C имеет самую высокую твердость (КПЧ≥58) и износостойкость, идеально подходит для высокоточных инструментов и подшипников.

Отверждение осаждением (PH) 400 Ряд (Оценка: 17-4 PH, АИСИ 630)

Специальный высокопроизводительный вариант с низким уровнем C. (≤0,07 мас.%), Кр (15.5–17,5 мас.%), В (3.0–5,0 мас.%), и Cu (3.0–5,0 мас.).

Образует аустенит при высоких температурах., при охлаждении превращается в мартенсит, и достигает упрочнения за счет образования осадка, богатого медью, во время старения.

Прочность на растяжение может достигать 1380 МПа после термообработки, баланс сверхвысокой прочности и коррозионной стойкости.

3. Основные комплексные свойства

Механические свойства

Механические свойства 400 серии из нержавеющей стали значительно различаются в зависимости от подтипа, с четкой дифференциацией по силе, пластичность, и реакция на термообработку (данные соответствуют ASTM A240/A480):

• Типы ферритов (430, отожженный в растворе): Предел прочности 415–515 МПа., Предел текучести 205–275 МПа, удлинение 20–25%, твердость ≤183 HBW.
  Нет фазового превращения, только отжиг для измельчения зерна.
• Мартенситные типы (420, закаленный & закален): Предел прочности 725–930 МПа., Предел текучести 515–690 МПа, удлинение 10–15%, твердость ≥50HRC.
  закалка + отпуск значительно повышает прочность и твердость.
• Тип PH (17-4 PH, Старение H900): Прочность на разрыв ≥1170 МПа, предел текучести ≥1035 МПа, удлинение ≥10%, твердость ≥38HRC.
  Дисперсионное упрочнение позволяет достичь сверхвысокой прочности без ущерба для пластичности..

Коррозионная стойкость

Коррозионная стойкость в первую очередь определяется содержанием Cr., с Mo и низким содержанием C в качестве вспомогательных усилителей. Общий, это ниже, чем 300 серия, но превосходит углеродистую сталь:

• Типы ферритов: 409 имеет базовую стойкость к атмосферной коррозии (годовая скорость коррозии ≤0,03 мм в сельской местности); 444 устойчив к разбавленным кислотам и хлоридам, с критической температурой питтинговой коррозии ≥30℃.
• Мартенситные типы: Ограничено высоким содержанием углерода; 410 подвержен ржавчине во влажной среде, в то время как 440C имеет лучшую коррозионную стойкость из-за более высокого содержания Cr, но не подходит для морской/кислой среды..
• 17-4 PH: Коррозионная стойкость сравнима с 304 в атмосферных и слабоагрессивных средах, но склонен к питтингу в средах с высоким содержанием хлоридов.

Физические свойства

Присущий магнетизм является характерной особенностью 400 серия из нержавеющей стали, с другими физическими свойствами, одинаковыми для всех подтипов:

• Плотность: 7.7–7,8 г/см³ (ниже, чем 304 8.0 г/см³ благодаря отсутствию добавления Ni).
• Теплопроводность: 25–30 Вт/(м·К) @ 20℃ (выше, чем 304 16 ж/(м·К), благоприятный для отвода тепла).
• Коэффициент теплового расширения: 10–12×10⁻⁶/К (20–400℃), ниже, чем 300 ряд, уменьшение термической деформации.
• Магнитная проницаемость: мкм=100–1000 (ферритный/мартенситный), намного выше, чем у аустенитных нержавеющих сталей. (м<1.02).

4. Обработка, изготовление & практика термообработки

Формирование & механическая обработка

• Ферриты: разумная формуемость в холодном состоянии; промежуточный отжиг рекомендуется для тяжелой штамповки. Обрабатываемость аналогична низколегированным сталям..
• Мартенситы: плохая пластичность в холодном состоянии в закаленном состоянии; форма в отожженном состоянии или выше (Горячая форма). Обрабатываемость зависит от отпуска и твердости: более высокие марки C требуют прочного инструмента и более низких скоростей..

Сварка

• Ферриты: поддается сварке, но склонен к росту зерен и охрупчиванию ЗТВ при использовании высоких тепловложений; стабилизированные оценки (Если/Nb) и низкое тепловложение (<10 кДж/см для некоторых) улучшить производительность; выберите ферритные присадочные металлы.
• Мартенситы: сложное — разогреть (200–300 ° C.), рекомендуется использовать расходные материалы с низким содержанием водорода и отпуск после сварки, чтобы избежать растрескивания и восстановить ударную вязкость..
• PH 17-4: свариваемый с соответствующим наполнителем и термообработкой/старением после сварки для восстановления свойств.

Термическая обработка

• Ферриты: отжиг в растворе и охлаждение на воздухе для снятия напряжения и измельчения зерен; без закалочной закалки.
• Мартенситы: аустенизировать (950–1,050 ° C.), утомить (масло/вода в зависимости от марки), тогда умерь (150–650 ° C.) для достижения желаемой твердости/прочности. 440C обычно отпускается при температуре 200–300 ° C для достижения максимальной твердости..
• PH 17-4: раствор лечение (~ 1040–1060 ° С), утомить воду, тогда возраст (482–621 °С) для получения осадков, богатых медью, и достижения целевой прочности (H900 и т. д.).

5. Типичное промышленное применение нержавеющей стали серии 400

Семейство серии 400 служит широкому спектру отраслей промышленности, поскольку его подтипы четко соответствуют различным инженерным потребностям.:
экономика + Умеренная коррозионная стойкость (ферриты), высокая твердость/износ (мартенсит), и очень высокая прочность с разумной коррозионной стойкостью (PH-сплавы).

Автомобильная промышленность

Общие части & оценки

• Выхлопные системы, компоненты глушителя, реакционные трубы — 409, иногда 439 для улучшения свариваемости.
• Подрезать, декоративные панели — 430.
• Валы двигателя и коробки передач, седла клапанов / малые изнашиваемые детали — 410 / 420 где требуется термическая обработка.

Почему используется 4xx

• Низкое содержание никеля дает значительное преимущество в цене при производстве компонентов очень большого объема..
  Ферритные марки устойчивы к циклическому окислению в горячих выхлопных средах и имеют подходящую теплопроводность и расширение.. Мартенситные марки обеспечивают упрочненную поверхность для мелких деталей, чувствительных к износу..

Ключевые соображения

• Для сварных выхлопных систем, использовать ферриты, стабилизированные Ti/Nb (409Ти/439) или контролировать подвод тепла, чтобы избежать охрупчивания ЗТВ.
• Защита от коррозии (поверхностные покрытия, алюминирование) часто применяется для продления жизни в условиях дорожной соли.

Бытовая техника и потребительские товары

Общие части & оценки

• Двери холодильника, вкладыши для духовки, интерьер посудомоечной машины, панели управления — 430 и иногда 439/444 для лучшей устойчивости к коррозии.
• Столовые приборы и кухонные ножи — 420 / 440С (мартенситный), полированный и закаленный.

Почему используется 4xx

• Привлекательная отделка поверхности, хорошая формуемость (ферриты), магнитный отклик там, где это необходимо (например, индикаторы индукционной готовки), и гораздо более низкая стоимость, чем аустенитные материалы, делают феррит 4xx стандартным для декоративных и внутренних деталей приборов..

Ключевые соображения

• Избегайте использования 4xx в условиях воздействия соленых брызг или прибрежных зон, если только он не покрыт покрытием или, в частности, не содержит Mo-содержащий вариант. (444).
  Для столовых приборов, выбирайте мартенсит с высоким содержанием углерода и контролируйте отпуск, чтобы сбалансировать сохранение кромки и устойчивость к коррозии..

Теплообмен, HVAC и тепловые системы

Общие части & оценки

• Ребра теплообменника, воздуховод, компоненты печи, обшивка котла — 409, 430, 444.

Почему используется 4xx

• Ферриты сочетают в себе хорошую теплопроводность., низкое тепловое расширение и стойкость к окислению при повышенных температурах при более низкой стоимости, чем в серии 300., что делает их хорошо подходящими для оборудования теплопередачи и управления теплом выхлопных газов..

Ключевые соображения

• Для мокрой, хлоридсодержащие потоки или высокий риск точечной коррозии, предпочитаю ферриты, содержащие молибден (444) или перейти на дуплексную/серию 300, где это необходимо..

Химическая, перерабатывающая и водоподготовительная промышленность

Общие части & оценки

• Среднетоннажные танки, трубопроводная арматура, теплообменники для неэкстремальной химии — 444 (где устойчивость к хлоридам имеет значение), 439 для сварных резервуаров.

Почему используется 4xx

• Когда эксплуатация умеренно агрессивная, но полностью аустенитные или дуплексные сплавы экономически не оправданы., Мо-стабилизированные ферриты предлагают приемлемую золотую середину..

Ключевые соображения

• Укажите заводские сертификаты и испытания на коррозию. Для постоянного воздействия хлоридов (технологические рассолы, охлаждение морской водой) подтвердить выбор марки по измеренному хлориду, температурные и щелевые условия.

Масло & газ, нефтехимический (выбранные компоненты)

Общие части & оценки

• Крепежи, некритические компоненты клапана, валы насоса — 410, 431 (мартенситный высокопрочный), 17-4 PH для высокопрочных, коррозионностойкие компоненты (там, где возможно старение после сварки).

Почему используется 4xx

• Мартенситные марки и марки PH обеспечивают очень высокую прочность при давлении и механических нагрузках.; 17-4 PH часто выбирают там, где требуется прочность плюс разумная коррозионная стойкость и можно контролировать циклы сварки/старения..

Ключевые соображения

• Мартенситные детали, работающие в кислой или хлоридной среде, должны быть сертифицированы на предмет водородного охрупчивания и риска SSC.. Отпуск/старение после сварки часто является обязательным..

Морской, оборудование для опреснения и морской воды (ограниченное использование)

Общие части & оценки

• Фильтры для морской воды, некритичные корпуса — 444 при умеренном воздействии хлоридов; в противном случае конструкторы предпочитают дуплексные сплавы или сплавы с более высоким содержанием PREN..

Почему используется 4xx (выборочно)

• Ферриты, содержащие молибден, могут справиться с некоторыми задачами по морской воде с меньшими затратами., но долгосрочный риск точечной коррозии и образования щелей часто исключает их для постоянно находящихся под водой частей конструкции..

Ключевые соображения

• Когда 4xx используется в морском контексте, в сочетании с катодной защитой, покрытия, и строгий режим проверки. Избегайте мест, подверженных воздействию тепла или щелей..

Производство электроэнергии & энергетические системы

Общие части & оценки

• Теплообменники, дымоходы, уплотнения турбины — 409, 444.
• Высокопрочные болты и валы — 17-4 PH или мартенсит, где это применимо.

Почему используется 4xx

• Ферритные марки хорошо выдерживают циклическое окисление и термические нагрузки.; Марки PH используются для крепежа и компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам, где аустенитные сплавы были бы неоправданно дорогими..

Ключевые соображения

• Следите за долговременным охрупчиванием сигма-фазы в некоторых сплавах с высоким содержанием Cr при промежуточных температурах.; указать пределы рабочей температуры и интервалы проверок.

Медицинский, оснастка и прецизионные инструменты (выбрано)

Общие части & оценки

• Лезвия хирургических инструментов — 420 / 440С (мартенситный, высокая полировка и стойкость кромок).
• Прецизионные вставки в пресс-формы и быстроизнашивающиеся инструменты — 440С.

Почему используется 4xx

• Высокая твердость и устойчивость кромки делают мартенсит привлекательным материалом., при условии, что воздействие коррозии контролируется, а обработка/пассивация поверхности находится на высоком уровне..

Ключевые соображения

• Для имплантатов или длительного воздействия на тело, 300-предпочтительны серийные или медицинские сплавы.; 4xx для инструментов только в том случае, если стерилизация и пассивация приемлемы и соблюдаются медицинские стандарты..

6. Преимущества & Ограничения

Нержавеющие стали серии 400 занимают особое место между углеродистыми сталями и никельсодержащими аустенитными нержавеющими сталями..

Ключевые преимущества нержавеющей стали серии 400

Экономичность и стабильность цен

400-Серия нержавеющих сталей содержит мало никеля или вообще не содержит его, полагаясь в первую очередь на хром для обеспечения коррозионной стойкости.

Это значительно снижает стоимость сырья и защищает закупки от волатильности цен на никель., что делает эти марки экономически привлекательными для применения в больших объемах.

Собственные магнитные свойства

Ферритные и мартенситные марки 400-й серии обладают естественными магнитными свойствами., что позволяет использовать их в электромагнитных устройствах, датчики, приводы, и компоненты, требующие магнитного отклика — приложения, где аустенитные нержавеющие стали непригодны..

Термическая обработка прочности (мартенситные и PH марки)

В отличие от аустенитных нержавеющих сталей, мартенситные и дисперсионно-твердеющие сплавы 400-й серии можно упрочнять закалкой., закалка, и старение.

Это обеспечивает предел прочности на разрыв от умеренного уровня до значительно выше 1000 МПа, поддерживающий износостойкий, нагрузка, и высоконагруженные компоненты.

Хорошая теплопроводность и низкое тепловое расширение.

Ферритные стали серии 400 обладают более высокой теплопроводностью и более низкими коэффициентами теплового расширения, чем нержавеющие стали серии 300..

Это повышает устойчивость к термической усталости и деформации., что делает их пригодными для выхлопных систем, теплообменники, и термоциклические среды.

Адекватная коррозионная стойкость для умеренных сред

С содержанием хрома обычно выше 10.5 вес.%, 400-стали серии обеспечивают надежную стойкость к атмосферной коррозии, Мягкие химические вещества, и высокотемпературное окисление — намного превосходит углеродистую сталь и достаточен для многих промышленных и потребительских применений..

Упрощенная конструкция сплава и возможность вторичной переработки

Более низкая сложность сплава облегчает плавку, переработка, и повторное использование в потоках нержавеющей стали, соответствие целям контроля затрат и устойчивого развития в крупномасштабном производстве.

Ключевые ограничения нержавеющей стали серии 400

Низкая коррозионная стойкость по сравнению с аустенитными марками.

В большинстве сталей серии 400 отсутствуют никель и, во многих случаях, достаточное количество молибдена необходимо для сильной устойчивости к точечной коррозии, щелевая коррозия, и коррозионное растрескивание под напряжением в богатых хлоридами или сильнокислых средах..

Они, как правило, не могут заменить 304 или 316 в суровых химических или морских условиях.

Ограниченная свариваемость

Ферритные марки склонны к укрупнению зерна и потере ударной вязкости в зоне термического влияния., в то время как мартенситные марки подвержены холодному растрескиванию и водородному охрупчиванию..

Успешная сварка часто требует строгого контроля тепловложения., стабилизирующие элементы (Из, Нб), предварительно нагреть, и послесварочная термообработка.

Пониженная низкотемпературная вязкость

Ферритные нержавеющие стали серии 400 имеют температуру перехода из пластичного состояния в хрупкое., обычно от минусовой до чуть выше нуля.

Это ограничивает их пригодность для криогенных конструкций или конструкций с холодным климатом..

Более низкая формуемость, чем у аустенитных нержавеющих сталей.

Ферритные марки обладают умеренной способностью к холодной штамповке, но ограниченной способностью к формованию с растяжением., в то время как мартенситные марки трудно поддаются холодной обработке из-за высокой твердости..

Сложные детали глубокой вытяжки обычно лучше подходят для нержавеющих сталей серии 300..

Чувствительность к неправильной термической обработке и эксплуатационным воздействиям.

Мартенситные марки и марки PH требуют тщательно контролируемых циклов термообработки..

Неподходящий отпуск, длительное воздействие промежуточных температур, или неправильные методы сварки могут привести к охрупчиванию, потеря коррозионной стойкости, или преждевременный выход из строя.

Более узкое окно применения для тяжелых условий эксплуатации

В сильно коррозионном состоянии, с высоким содержанием хлоридов, или технологические среды высокой чистоты, запас прочности сталей 400-й серии ограничен, часто возникает необходимость использования аустенитных, дуплекс, или супернержавеющие стали.

7. Сравнительный анализ с 300-й серией & другие альтернативы

• Коррозионная стойкость: 300-ряд (304/316) >> 400-серия для агрессивных хлоридно-кислотных сред.
• Сила (тепло, обработанное): Мартенситный/PH 400 >> 300-ряд (может значительно превысить 1,000 МПа).
• Расходы: 400-серия обычно на 30–50% дешевле, чем 304 из-за низкого содержания Ni.
• Свариваемость & формуемость: 300-серия улучшенная; 400-сериал требует большего внимания.
• Магнетизм: 400-серия магнитная — преимущество, если необходим магнитный отклик.
• Высокотемпературное поведение (окисление): ферритные 4xx часто лучше, чем аустенитные, для циклического окисления и теплопроводности..

Эмпирическое правило выбора: выбирайте 400-серию, когда стоимость, требуется магнитный отклик или очень высокая твердость/прочность, а коррозионная среда умеренная или управляемая с помощью покрытий; выбирайте сплавы серии 300/дуплексные/никелевые, когда коррозионная стойкость имеет первостепенное значение..

8. Заключение

The 400 Серия нержавеющих сталей представляет собой универсальное и широко используемое семейство, обеспечивающее прагматичный баланс экономика, магнитные свойства, тепловые характеристики и достижимая прочность. Их роль простирается от бытовой техники до требовательных механических деталей..

Успешное использование требует осознанного выбора сорта и дисциплинированной обработки.: сварка и термообработка оказывают огромное влияние на конечные характеристики.

Если подверженность коррозии умеренная, а стоимость или магнитная реакция имеют значение., Серия 400 часто представляет собой оптимальный инженерный выбор.

Там, где требуется агрессивная коррозионная стойкость или экстремальная низкотемпературная вязкость., следует оценить семейства из более высоколегированных сплавов.

 

Часто задаваемые вопросы

Являются ли стали 400-й серии «нержавеющими»??

Да — они образуют пассивную пленку оксида хрома и гораздо лучше противостоят коррозии, чем углеродистые стали., но они менее устойчивы к коррозии, чем сплавы 300-й серии, во многих агрессивных средах..

Может ли 400-я серия заменить 304 в бытовой технике?

Часто да, для декоративных целей и многих бытовых применений. (например, 430), но избегайте мест частого воздействия хлоридов, возникают кислотные моющие средства или морская атмосфера..

Почему некоторые модели серии 400 магнитные, а другие нет??

Ферритные и мартенситные микроструктуры магнитны.; аустенитные микроструктуры (типичный для 300-й серии) по сути немагнитны. 400-серии разработаны для работы в ферритном/мартенситном исполнении.

Как сваривать 17-4 PH безопасно?

Используйте квалифицированные процедуры, контролировать тепловложение, и применять послесварочные растворы/циклы старения или локальное старение в соответствии с инструкциями поставщика для восстановления прочности и коррозионной стойкости..

Подходит ли 440C для морских подшипников??

Нет — в то время как 440C обеспечивает высокую твердость и износостойкость., его коррозионная стойкость в морской хлоридной среде ограничена; рассмотрите подшипники из нержавеющей стали с более высоким PREN или покрытиями..