201 so với 202 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa thép không gỉ mác 201 và 202 là một quyết định thiết kế và mua sắm thường xuyên của các kỹ sư, nhà hoạch định sản xuất và quản lý mua sắm. Những đánh đổi điển hình bao gồm chi phí so với khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình so với độ bền, và tính dễ chế tạo so với hiệu suất vòng đời. Cả hai hợp kim đều thuộc dòng thép không gỉ austenit 200, được phát triển để giảm hàm lượng niken bằng cách thay thế mangan và nitơ; chúng được sử dụng rộng rãi cho các thành phần dạng tấm, dạng cuộn và dạng định hình trong các ứng dụng tiêu dùng và công nghiệp nhẹ.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa 201 và 202 là sự cân bằng hợp kim của chúng: hai loại thép này sử dụng các kết hợp và hàm lượng mangan, niken và crom khác nhau để ổn định cấu trúc austenit. Sự khác biệt về hợp kim này tạo ra sự khác biệt nhỏ về tính chất cơ học, khả năng làm cứng và khả năng chống ăn mòn — trong đó 202 thường có hiệu suất chống ăn mòn tốt hơn một chút và các đặc tính về hình dạng và độ bền hơi khác so với 201.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• AISI / UNS: thường được gọi là UNS S20100 (201) và UNS S20200 (202) trong tài liệu công nghiệp và cơ sở dữ liệu vật liệu.
• ASTM / ASME: các cấp độ được sử dụng theo các thông số kỹ thuật rộng hơn cho thép không gỉ dạng tấm/tấm (ví dụ: ASTM A240 bao gồm nhiều hợp kim thép không gỉ ở dạng tấm/tấm), nhưng các tiêu chuẩn sản phẩm cụ thể và quy trình cung ứng sẽ khác nhau tùy theo quốc gia và nhà máy. Người mua nên xác nhận thông số kỹ thuật mua hàng áp dụng cho dạng sản phẩm (tấm, cuộn, dải, dây).
• EN / JIS / GB: Các tiêu chuẩn Châu Âu (EN), Nhật Bản (JIS) và Trung Quốc (GB) không phải lúc nào cũng liệt kê các ký hiệu một-một trực tiếp cho 201/202; các sản phẩm tương đương có sẵn trên thị trường nhưng phải được xác minh bằng các yêu cầu về hóa học và cơ học.
• Phân loại: Cả 201 và 202 đều là thép không gỉ austenit (không từ tính ở trạng thái ủ hoàn toàn), không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA. Chúng thuộc nhóm thép austenit ít niken, ổn định bằng mangan-nitơ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%) cho thép thương mại 201 và 202. Đây là phạm vi đại diện có trong bảng dữ liệu của nhà máy thương mại đối với các sản phẩm dạng tấm/cuộn; người mua nên sử dụng giới hạn thành phần chính xác trong báo cáo thử nghiệm của nhà máy hoặc thông số kỹ thuật mua hàng.

Yếu tố	201 (phạm vi thương mại điển hình, wt%)	202 (phạm vi thương mại điển hình, wt%)
C	≤ 0,15	≤ 0,15
Mn	5,5 – 7,5	6,5 – 9,5
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,06	≤ 0,06
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0 – 18,0	17,0 – 19,0
Ni	3,5 – 5,5	4.0 – 6.0
N	dấu vết – 0,25 (được kiểm soát)	dấu vết – 0,25 (được kiểm soát)

Ghi chú: - Chiến lược dòng 200 làm giảm hàm lượng niken so với dòng 300 và bù lại bằng hàm lượng mangan tăng lên và nitơ được kiểm soát để duy trì độ ổn định của austenit. - 202 thường được pha chế với hàm lượng crom và niken cao hơn một chút (và thường là mangan cao hơn) so với 201. Sự kết hợp đó nhằm mục đích cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ dẻo nói chung so với một số thành phần của 201 trong khi vẫn có khả năng cạnh tranh về chi phí với hợp kim dòng 300. - Tóm tắt tác dụng của hợp kim: crom làm tăng quá trình oxy hóa chung và độ ổn định của màng thụ động; niken ổn định austenit và cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai; mangan và nitơ thay thế một phần niken để duy trì pha austenit và tăng độ bền thông qua các hiệu ứng dung dịch rắn và kẽ hở.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

• Cấu trúc vi mô (sau khi ủ): cả hai loại đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Chúng có thể chứa một lượng nhỏ ferit delta hoặc cacbua tùy thuộc vào thành phần hóa học và quá trình đông đặc, nhưng các thành phần thương mại được thiết kế để duy trì austenit ổn định ở nhiệt độ phòng.
• Gia công nguội và các hiệu ứng do ứng suất gây ra: cả 201 và 202 đều có hiện tượng cứng hóa đáng kể khi tạo hình nguội; mức độ gia công nguội lớn có thể tạo ra martensite do ứng suất gây ra ở một số lô tùy thuộc vào thành phần và nhiệt độ biến dạng.
• Xử lý nhiệt:
• Quá trình ủ (kết tinh lại) ở nhiệt độ ủ thép không gỉ thông thường (khoảng 1000–1100 °C) giúp khôi phục độ dẻo và tạo ra cấu trúc vi mô austenit không ứng suất.
• Xử lý bằng dung dịch và làm nguội nhanh thường được sử dụng để hòa tan chất kết tủa và tạo ra khả năng chống ăn mòn tối ưu.
• Các phương pháp làm nguội và ram hoặc làm cứng thông thường được sử dụng cho thép ferritic/ram không áp dụng được—các loại thép không gỉ austenit không được làm cứng bằng quá trình chuyển đổi martensitic theo cùng một cách như thép cacbon đã tôi.
• Xử lý nhiệt cơ (cán nguội + ủ) kiểm soát kích thước và kết cấu hạt; cả hai hợp kim đều phản ứng tốt với quá trình cán cộng với ủ để tạo ra các tấm/cuộn có khả năng định hình và chất lượng bề mặt tốt.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các tính chất cơ học điển hình — xác định đây là các giá trị ủ điển hình cho tấm/cuộn thương mại (các giá trị thay đổi tùy theo dạng sản phẩm, quá trình gia công nguội và nhà cung cấp).

Tính chất (ủ)	201 (điển hình)	202 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~480 – 620	~500 – 640
0,2% Bằng chứng / Năng suất (MPa)	~205 – 310	~215 – 330
Độ giãn dài (A%)	~35 – 50	~30 – 45
Tác động Charpy (định tính)	Độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh
Độ cứng (dải HRB / HV)	Trung bình (làm việc cứng lại nhanh chóng)	Trung bình (cao hơn một chút so với mức cung cấp ở một số lô)

Giải thích: - Cả hai loại đều có lớp vỏ cơ học tương tự nhau ở trạng thái ủ; 202 thường có giá trị độ bền kéo và giá trị giới hạn chảy cao hơn một chút do có sự cân bằng hợp kim (Ni/Cr/Mn cao hơn), trong khi độ giãn dài có thể thấp hơn một chút tùy thuộc vào thành phần hóa học và quá trình xử lý chính xác. - Cả hai đều bị cứng hóa đáng kể trong quá trình tạo hình; các tính chất cuối cùng của các bộ phận gia công nguội phải được đánh giá có tính đến mức độ gia công nguội dự kiến. - Độ bền va đập ở nhiệt độ phòng thường đủ cho các ứng dụng kết cấu và tiêu dùng thông thường; không loại nào được chọn cho các ứng dụng quan trọng về độ bền ở nhiệt độ thấp khi cần đến hợp kim chuyên dụng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép austenit ít niken nhìn chung là tốt, nhưng hàm lượng hợp kim và nitơ ảnh hưởng đến khả năng nứt nóng và hiệu suất cơ học/ăn mòn sau khi hàn.

Các chỉ số liên quan: - Lượng cacbon tương đương IIW:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số Pcm chi tiết hơn về xu hướng nứt nguội:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Hàm lượng cacbon thấp (≤ 0,15 wt%) giúp giảm nguy cơ kết tủa cacbua và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn. Điều này có lợi cho cả hai loại thép. - Hàm lượng mangan và nitơ cao có thể làm tăng khả năng tôi luyện và xu hướng làm cứng cục bộ gần mối hàn; tuy nhiên, thép không gỉ austenit thường không cần gia nhiệt trước và ít bị nứt nguội do hydro hơn thép cacbon. - Sử dụng kim loại hàn: vật liệu hàn được lựa chọn phù hợp với khả năng chống ăn mòn (ví dụ: vật liệu hàn thép không gỉ austenit thông thường) giúp duy trì hiệu suất của mối hàn. Đối với môi trường ăn mòn nghiêm trọng, hãy chọn vật liệu hàn có tỷ lệ niken/crom ít nhất là tương đương. - Có thể cần phải tẩy gỉ và thụ động hóa sau khi hàn để khôi phục khả năng chống ăn mòn bề mặt trong các cụm hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Ăn mòn tổng thể: 202 nhìn chung có khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt hơn một chút so với 201 do hàm lượng crom và niken cao hơn một chút. Cả hai đều kém chống ăn mòn hơn dòng 300 (ví dụ: 304) trong môi trường chứa clorua hoặc có tính ăn mòn cao.
• Ăn mòn cục bộ: cả 201 và 202 đều không được khuyến nghị sử dụng trong thời gian dài ở môi trường biển hoặc giàu clorua mà không có biện pháp bảo vệ; khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở bị hạn chế so với các loại có chứa molypden.
• Khi nào sử dụng chỉ số ăn mòn: PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) hữu ích khi hàm lượng Mo và N đáng kể:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
  Đối với hợp kim 201/202, Mo thường không có hoặc không đáng kể, còn N được kiểm soát; PREN có công dụng hạn chế vì các hợp kim này không được thiết kế để chống rỗ.
• Bảo vệ bề mặt cho các ứng dụng không phải thép không gỉ (không liên quan ở đây): đối với các thành phần yêu cầu khả năng chống ăn mòn cao hơn nhưng không chọn thép không gỉ, thì mạ kẽm, sơn hoặc lớp phủ bảo vệ là những giải pháp thay thế.
• Hướng dẫn thực tế: Chọn loại 202 thay vì 201 khi hoạt động liên quan đến môi trường có tính ăn mòn nhẹ hoặc thỉnh thoảng bị ướt; chọn loại 304 trở lên khi dự kiến ​​tiếp xúc lâu dài với clorua hoặc hoạt động ngoài trời trong thời gian dài.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng định hình: cả hai loại thép đều có khả năng định hình tốt trong điều kiện ủ. Dòng thép 200 thường được chỉ định cho các sản phẩm tiêu dùng dập sâu và định hình. Thép 201 và 202 có tốc độ làm cứng cao; các nhà thiết kế phải tính đến độ đàn hồi và cân nhắc ủ trung gian để tạo hình nghiêm ngặt.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép ferritic hoặc thép cacbon do độ dẫn nhiệt thấp và độ cứng cao. 201 và 202 có khả năng gia công tương đương nhau; một số lô được ủ trong nhà máy có thể dễ gia công hơn so với các biến thể hợp kim nặng. Sử dụng dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng nhắc và tốc độ/cấp liệu được kiểm soát.
• Hoàn thiện: đánh bóng và khắc tốt; lựa chọn hoàn thiện bề mặt (hoàn thiện bằng máy cán, 2B, số 4) ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn và tính thẩm mỹ. Đánh bóng điện hóa và thụ động hóa cải thiện khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng chung của từng loại và lý do chúng được chọn.

201 — Công dụng điển hình	202 — Công dụng điển hình
Thiết bị nội thất tiết kiệm chi phí (tấm chắn tường, viền trang trí)	Các thiết bị tiêu dùng có nhu cầu chống ăn mòn cao hơn một chút (bồn rửa nhà bếp, tấm nấu ăn)
Viền trang trí và các yếu tố kiến ​​trúc (trong nhà)	Trang trí ô tô và phần cứng nội thất
Đồ nấu nướng và đồ dùng trong dòng sản phẩm giá rẻ	Các loại ốc vít và phần cứng định hình cần độ bền hoặc khả năng chống ăn mòn cao hơn một chút
Ống dẫn HVAC và ống dẫn trong nhà	Các thành phần và cụm kết cấu nhẹ có thể tiếp xúc nhẹ với môi trường ngoài trời (cần thận trọng khi thiết kế)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 201 cho các ứng dụng chống ăn mòn trong nhà, khối lượng lớn, chi phí cao, không quan trọng, cần khả năng định hình tối đa và không yêu cầu khả năng chống ăn mòn trong thời gian dài. - Chọn 202 khi khả năng chống ăn mòn tốt hơn một chút, độ bền cao hơn một chút hoặc yêu cầu cụ thể của nhà cung cấp, nhưng chi phí cao hơn so với 201 là chấp nhận được.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: cả 201 và 202 đều được định vị là lựa chọn thay thế có chi phí thấp hơn so với thép austenitic dòng 300 do hàm lượng niken thấp hơn; 201 thường là lựa chọn có chi phí thấp hơn. 202 thường có giá cao hơn một chút so với 201 do hàm lượng niken/crom cao hơn.
• Tính khả dụng: Các dạng sản phẩm phổ biến (tấm cán nguội, cuộn, dải và một số sản phẩm dây/khóa) có sẵn trên toàn thế giới. Tính khả dụng của các loại thép hình, tấm hoặc thép tôi đặc biệt bị hạn chế hơn so với các loại thép phổ thông như 304.
• Ghi chú mua sắm: giá niken thị trường và sản lượng của nhà máy địa phương ảnh hưởng đến chênh lệch giá giữa năm 201 và 202; hãy xem xét tổng chi phí sở hữu (chế tạo, tuổi thọ dự kiến, bảo trì) thay vì chỉ riêng chi phí vật liệu ban đầu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh ngắn gọn (đánh giá định tính)

Đặc điểm	201	202
Khả năng hàn	Tốt (thực hành austenit tiêu chuẩn)	Tốt (thực hành austenit tiêu chuẩn)
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Độ bền vừa phải, độ dẻo cao	Độ bền cao hơn một chút, độ dẻo dai tương đương
Khả năng chống ăn mòn	Tốt cho dịch vụ trong nhà/nhẹ nhàng	Tốt hơn một chút đối với môi trường có tính ăn mòn nhẹ
Khả năng định hình	Rất tốt (độ cứng làm việc cao)	Rất tốt (hành vi bật ngược hơi khác một chút)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Khuyến nghị: - Chọn 201 nếu bạn cần lựa chọn thép austenit có chi phí thấp nhất cho các thành phần có khối lượng lớn, trong nhà hoặc tiếp xúc nhẹ, trong đó khả năng kéo/tạo hình sâu và chi phí là yếu tố chính. 201 rất phù hợp để làm đường viền trang trí, các yếu tố kiến ​​trúc nội thất và nhiều mặt hàng tiêu dùng. - Chọn 202 nếu ứng dụng của bạn yêu cầu cải thiện nhẹ về khả năng chống ăn mòn và/hoặc độ bền chung, đồng thời vẫn giữ mức giá thấp hơn so với dòng 300 thông thường. Sử dụng 202 khi tiếp xúc không liên tục, hoạt động có tính ăn mòn nhẹ, hoặc khi một sản phẩm cụ thể yêu cầu thành phần 202.

Ghi chú hoạt động cuối cùng: - Đối với bất kỳ thành phần quan trọng nào, hãy xác nhận báo cáo thử nghiệm tại nhà máy của nhà cung cấp về kết quả hóa học và cơ học và yêu cầu xử lý bề mặt và thụ động hóa thích hợp cho các cụm lắp ráp quan trọng dễ bị ăn mòn. - Đối với hàn và chế tạo, hãy tuân theo các biện pháp tốt nhất dành cho thép không gỉ austenit: kiểm soát lượng nhiệt đầu vào, sử dụng kim loại phụ phù hợp và thực hiện vệ sinh và thụ động hóa sau chế tạo khi tính thẩm mỹ hoặc hiệu suất chống ăn mòn là quan trọng.