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 mua sắm và thiết kế thường xuyên của các kỹ sư, nhà hoạch định sản xuất và người mua, cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, hiệu suất cơ học và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thép tấm và thép dải cho thiết bị tiêu dùng, vật liệu trang trí kiến ​​trúc, ốc vít và các chi tiết kéo, trong khi hợp kim austenit dòng 300 đầy đủ có thể có giá thành cao.

Sự khác biệt quan trọng về thành phần giữa hai loại hợp kim này tập trung vào cách niken và mangan được sử dụng để đạt được độ ổn định austenit: hai hợp kim này sử dụng tỷ lệ cân bằng niken-mangan khác nhau. Sự cân bằng này ảnh hưởng đến độ ổn định austenit, phản ứng gia công nguội, khả năng chống ăn mòn và chi phí; do đó, 201 và 202 thường được so sánh khi cần cân nhắc giữa độ nhạy của giá niken và sự đánh đổi hiệu suất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tên gọi quốc tế phổ biến:
• AISI/UNS: 201 = UNS S20100; 202 = UNS S20200.
• ASTM/ASME: Cả hai đều xuất hiện trong một số tiêu chuẩn sản phẩm ASTM dành cho dải/tấm thép không gỉ cán nguội hoặc cán nóng; tham khảo thông số kỹ thuật sản phẩm cụ thể.
• EN / EN ISO: Các cấp độ này không phải là 1:1 với số EN của dòng 300 nhưng các cấp độ tương đương thường được liệt kê trong bảng tham chiếu chéo của nhà cung cấp.

• JIS / GB: Có các tiêu chuẩn tương đương theo khu vực; hãy xác minh giới hạn hóa chất chính xác theo tiêu chuẩn địa phương để mua sắm.

• Phân loại: Cả thép không gỉ 201 và 202 đều là thép không gỉ austenit (không từ tính trong điều kiện ủ); chúng không phải là thép HSLA, thép cacbon hoặc thép dụng cụ. Chúng thuộc nhóm austenit “dòng 200”, được thiết kế để thay thế thép không gỉ dòng 300 có hàm lượng niken thấp hơn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình thường được trích dẫn. Giới hạn thực tế thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật và nhà máy; hãy luôn kiểm tra giấy chứng nhận của nhà máy để mua hàng.

Yếu tố	Phạm vi điển hình (201)	Phạm vi điển hình (202)
C	≤ 0,15% khối lượng	≤ 0,15% khối lượng
Mn	5,5 – 7,5% khối lượng	7,5 – 10,0% khối lượng
Si	≤ 1,0% khối lượng	≤ 1,0% khối lượng
P	≤ 0,06% khối lượng	≤ 0,06% khối lượng
S	≤ 0,03% khối lượng	≤ 0,03% khối lượng
Cr	16,0 – 18,0% khối lượng	17,0 – 19,0% khối lượng
Ni	3,5 – 5,5% khối lượng	4,0 – 6,0% khối lượng
Mo	thường theo dõi / không có	thường theo dõi / không có
V, Nb, Ti, B	thường không được thêm vào	thường không được thêm vào
N	dấu vết được kiểm soát (thay đổi tùy theo thực hành nấu chảy)	dấu vết được kiểm soát (thay đổi tùy theo thực hành nấu chảy)

Ghi chú: - Sự khác biệt nổi bật nằm ở cách cân bằng niken và mangan. Thép 202 thường chứa nhiều mangan hơn và nhiều crom hơn một chút; niken chỉ cao hơn một chút so với thép 201. Kết quả là tỷ lệ niken/mangan trong thép 202 thấp hơn so với thép 201, ảnh hưởng đến độ ổn định của austenit và phản ứng gia công nguội. - Cả hai loại đều không chứa molypden (Mo) và các nguyên tố hợp kim vi mô thường được sử dụng trong các loại thép không gỉ ferritic hoặc martensitic.

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom cung cấp lớp màng thụ động giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn; cả hai loại đều có Cr ở mức giữa tuổi teen và có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và hóa chất nhẹ. - Niken ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo và độ dai ở nhiệt độ thấp. - Mangan và nitơ được sử dụng làm chất ổn định austenit giá rẻ để giảm nhu cầu niken. Hàm lượng Mn cao làm tăng tốc độ tôi cứng và có thể ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và gia công. - Sự vắng mặt của Mo hạn chế khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn khe hở so với hợp kim loại 300 hoặc hợp kim chứa Mo.

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

• Cấu trúc vi mô (sau khi ủ): Cả 201 và 202 chủ yếu là austenit hoàn toàn ở nhiệt độ môi trường khi được xử lý theo thông số kỹ thuật. Một lượng nhỏ ferit delta hoặc các pha phụ khác có thể xuất hiện tùy thuộc vào thành phần chính xác và lịch sử nhiệt, nhưng các mác thép này được thiết kế để trở thành austenit trong điều kiện ủ.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Thép không gỉ Austenitic không được tôi luyện bằng quy trình tôi và ram thông thường. Cả thép 201 và 202 đều không thể chuyển thành thép martensitic bằng phương pháp xử lý nhiệt.
• Ủ dung dịch (ủ điển hình ở nhiệt độ khoảng 1010–1120 °C sau đó làm nguội nhanh) giúp phục hồi độ dẻo và hòa tan các pha tạo ra do ứng suất trong quá trình gia công nguội.
• Gia công nguội (cán, kéo) là phương pháp chính để tăng độ bền của các hợp kim này: làm cứng bằng phương pháp gia công làm tăng giới hạn chảy và độ bền kéo trong khi giảm độ giãn dài và độ dẻo dai.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (biến dạng lạnh có kiểm soát + ủ kết tinh lại) sẽ thiết lập kích thước và kết cấu hạt và do đó ảnh hưởng đến khả năng định hình cuối cùng và độ hoàn thiện bề mặt.
• Ý nghĩa thực tiễn: Thiết kế và xử lý phải giả định rằng các đặc tính chịu ảnh hưởng của quá trình làm nguội và ủ, chứ không phải khả năng làm cứng bằng cách dập tắt.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học tuyệt đối phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng sản phẩm (tấm cán nguội, dải, cuộn hoặc thanh kéo nguội) và tình trạng (ủ hoàn toàn so với các mức độ gia công nguội khác nhau). Bảng sau đây tóm tắt hành vi so sánh thay vì các giá trị nhà máy cụ thể.

Tài sản	201	202	Bình luận
Độ bền kéo	Tương đương với 202; mạnh khi gia công nguội	Tương đương với 201; sự khác biệt nhỏ tùy thuộc vào công việc lạnh	Cả hai đều tăng cường đáng kể khi làm việc lạnh
Sức chịu lực	Có thể so sánh được; có thể cao hơn một chút sau khi làm nguội	Có thể so sánh	Năng suất phụ thuộc vào mức độ khử lạnh
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt ở trạng thái ủ; giảm khi làm việc lạnh	Tốt ở trạng thái ủ; có thể cao hơn một chút so với 201 ở một số lô	Độ dẻo tương tự tổng thể
Độ bền va đập	Cao trong điều kiện ủ; giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Cao trong điều kiện ủ	Ma trận austenit mang lại độ dẻo dai tuyệt vời
Độ cứng	Thấp ở trạng thái ủ; tăng khi làm việc nguội	Hành vi tương tự	Độ cứng được kiểm soát bằng phương pháp gia công nguội

Vật liệu nào bền hơn/dẻo hơn/dẻo hơn và tại sao: - Độ bền: Cả hai loại đều tương đương nhau trong điều kiện ủ. Sự khác biệt chủ yếu là do quy trình; do mangan và nitơ ảnh hưởng đến quá trình tôi luyện, nên đôi khi thép 201 có thể có độ bền tôi luyện cao hơn tùy thuộc vào thành phần chính xác và lịch sử khử lạnh, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng. - Độ dẻo dai và độ dai: Cả hai đều duy trì độ dẻo dai cao và độ dẻo dai tốt trong điều kiện ủ nhờ vào ma trận austenit; sự khác biệt là nhỏ và phụ thuộc vào ứng dụng.

5. Khả năng hàn

• Tổng quan: Thép không gỉ Austenitic dòng 200 dễ dàng hàn bằng các quy trình hàn nóng chảy và hàn điện trở thông thường. Chúng không bị cứng lại do xử lý nhiệt, và mối hàn vẫn dẻo và bền.
• Các yếu tố ảnh hưởng: Hàm lượng cacbon, mangan, nitơ và các nguyên tố còn lại ảnh hưởng đến khả năng nứt nóng, hàm lượng ferit trong vùng nóng chảy và các tính chất cơ học sau khi hàn.
• Chỉ số khả năng hàn hữu ích (để giải thích định tính):
• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (Chỉ số dễ bị rỗ/nứt): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải (định tính):
• Cả thép 201 và 202 đều có hàm lượng carbon thấp và hợp kim vừa phải; $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ của chúng thường thấp so với thép có hàm lượng carbon cao, cho thấy khả năng hàn tốt.
• Hàm lượng mangan và nitơ cao hơn (được sử dụng làm chất ổn định austenit) có thể thúc đẩy hiện tượng nứt nóng trong một số tình huống hàn nhất định hoặc thay đổi hàm lượng ferit trong kim loại hàn; sử dụng kim loại hàn phù hợp (thường là kim loại hàn tương thích loại 300) và kiểm soát lượng nhiệt đầu vào sẽ giảm thiểu các khuyết tật.
• Xử lý nhiệt trước và sau khi hàn thường không cần thiết để kiểm soát sự ăn mòn hoặc hydro, nhưng khi hàn các phần dày hơn hoặc các kim loại không giống nhau thì phải tuân theo các quy trình đủ tiêu chuẩn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Là hợp kim thép không gỉ với hàm lượng crom ≈16–19% khối lượng, cả hai loại đều có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, thực phẩm và nhiều hóa chất nhẹ. Khả năng chống ăn mòn của chúng kém hơn so với dòng 300 (304/316) trong môi trường chứa clorua.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng để đánh giá khả năng chống rỗ clorua khi có Mo/N và các chất ức chế rỗ khác: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 201 và 202, Mo ≈ 0 và N thấp; do đó, giá trị PREN thấp hơn so với hợp kim chứa Mo. Chỉ sử dụng PREN khi Mo và N đáng kể — nếu không, chỉ số sẽ cho thấy các mác thép này không phù hợp với môi trường clorua ăn mòn.
• Bảo vệ bề mặt:
• Trong hầu hết các ứng dụng, chúng được sử dụng như thép không gỉ (không có lớp phủ bổ sung); đối với môi trường có tính ăn mòn cao, có thể cần phải bảo vệ bề mặt như thụ động hóa, đánh bóng điện hóa hoặc lớp phủ bảo vệ.
• Đối với dịch vụ ngoài trời hoặc ven biển đòi hỏi khắt khe, hãy cân nhắc các loại hợp kim cao cấp hơn hoặc lớp phủ bảo vệ (mạ kẽm nhúng nóng thường không được sử dụng trên thép không gỉ khi yêu cầu tính chất vốn có của thép không gỉ).

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

• Tạo hình: Cả hai loại đều có thể tạo hình trong điều kiện ủ. Có thể tạo hình sâu và tạo hình phức tạp nhưng cần điều chỉnh dụng cụ để đạt tốc độ làm cứng cao hơn so với hợp kim dòng 300.
• Khả năng gia công: Hợp kim dòng 200 thường khó gia công hơn thép cacbon dễ cắt; khả năng làm cứng cao hơn và xu hướng làm cứng tại giao diện dụng cụ có nghĩa là lực cắt cao hơn và dụng cụ bị mài mòn nhanh trừ khi dụng cụ và tốc độ ăn dao được tối ưu hóa. 202 thường được coi là tương tự như 201 về khả năng gia công; khả năng gia công cụ thể phụ thuộc vào hình dạng và nhiệt độ của sản phẩm.
• Hoàn thiện: Đánh bóng, chải và hoàn thiện bề mặt là những biện pháp thông thường; kiểm soát nhiệt độ từ quá trình hàn và thụ động hóa thích hợp được khuyến nghị để khôi phục khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng điển hình — 201	Công dụng điển hình — 202
Viền trang trí, tấm ốp kiến ​​trúc, đồ nội thất, mặt trước của thiết bị gia dụng, nơi chi phí là yếu tố quan trọng	Linh kiện thiết bị, ốc vít, ốc vít, đồ dùng nhà bếp nhẹ, đồ trang trí ô tô khi cần cải thiện khả năng kéo hoặc có sẵn tại khu vực
Đồ dùng ăn uống, bồn rửa (trong các sản phẩm có giá cả phải chăng)	Ứng dụng ống và dây trong môi trường ăn mòn thấp
Các bộ phận được tạo hình nguội có thể chịu được độ cứng làm việc cao hơn	Các thành phần yêu cầu khả năng chống ăn mòn nhẹ cao hơn một chút và có sẵn 202 hơn

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên môi trường ăn mòn (nhẹ so với trung bình), khả năng định hình cần thiết (kéo sâu so với uốn đơn giản), yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt và chi phí vật liệu. Đối với ứng dụng tiếp xúc nhiều với clorua, hãy chọn loại hợp kim cao cấp hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Cả hợp kim 201 và 202 đều được phát triển để giảm hàm lượng niken, do đó giảm chi phí so với hợp kim dòng 300 khi giá niken cao. Chi phí tương đối giữa hợp kim 201 và 202 dao động tùy theo thị trường nguyên tố hợp kim (Ni, Mn, Cr). Theo truyền thống, hợp kim 201 thường rẻ hơn một chút so với hợp kim 202, nhưng cung cầu địa phương và chênh lệch giá niken/mangan sẽ quyết định chi phí mua sắm thực tế.
• Tính khả dụng: Thép 201 được sản xuất rộng rãi và thường có ở dạng tấm, dải, cuộn và một số sản phẩm kéo. Tính khả dụng của thép 202 thay đổi tùy theo khu vực và dạng sản phẩm; ở một số thị trường, thép 202 được cung cấp như một lựa chọn thay thế cho thép 201 khi hiệu suất hoặc nhà cung cấp yêu cầu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	201	202
Khả năng hàn	Tốt	Tốt
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Có thể so sánh được; độ dẻo dai cao; sức mạnh tăng lên khi gia công nguội	Tương đương; độ dẻo dai cao; khả năng gia cường khi làm nguội tương tự
Trị giá	Thường thấp hơn	Thường cao hơn một chút (tùy thuộc vào thị trường)

Khuyến nghị: - Chọn 201 nếu: - Chi phí là yếu tố chính và điều kiện dịch vụ mang tính chung (trong nhà, đồ gia dụng, đồ trang trí). - Bạn cần loại thép không gỉ austenit có giá thành phải chăng, có độ bền tốt và khả năng chống ăn mòn chấp nhận được trong môi trường ôn hòa. - Chọn 202 nếu: - Bạn cần khả năng chống ăn mòn tổng thể được cải thiện đôi chút hoặc đặc tính tạo hình hơi khác biệt do cân bằng Ni/Mn thay đổi mang lại. - Thị trường mua sắm cho thấy giá cả thuận lợi hoặc khả năng cung cấp tốt hơn cho sản phẩm 202 theo hình thức sản phẩm yêu cầu.

Ghi chú cuối cùng: - Cả hai loại thép đều hoạt động như thép không gỉ austenit và được lựa chọn cho các ứng dụng thông dụng, nhạy cảm về chi phí. Sự khác biệt kỹ thuật rõ ràng nằm ở chiến lược sử dụng niken so với mangan để ổn định austenit; việc điều chỉnh thành phần sẽ thay đổi độ cứng khi gia công, hiệu suất chống ăn mòn và độ nhạy cảm về giá. Đối với các linh kiện quan trọng, luôn ghi rõ chứng chỉ nhà máy, hình dạng sản phẩm và nhiệt luyện cần thiết, đồng thời xác nhận các cụm hàn bằng các quy trình đủ tiêu chuẩn.