201 so với 304 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ Austenit 201 và 304 là một trong những loại thép được cân nhắc phổ biến nhất khi các nhà thiết kế, đội ngũ mua sắm và nhà chế tạo cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình, hiệu suất cơ học và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: giảm thiểu chi phí vật liệu cho môi trường trang trí hoặc ăn mòn nhẹ so với việc đảm bảo khả năng chống ăn mòn lâu dài trong các ứng dụng thực phẩm, hóa chất hoặc ngoài trời; và lựa chọn giữa việc tạo hình nguội dễ dàng hơn hay độ bền và hiệu suất hàn tốt hơn trong dài hạn.

Điểm khác biệt thực tế chính là thép loại 201 cố tình sử dụng hàm lượng niken thấp hơn và bổ sung mangan/nitơ cao hơn như một chiến lược thay thế nhằm tiết kiệm chi phí, trong khi thép loại 304 vẫn giữ hàm lượng niken và crom cao hơn để tối đa hóa độ ổn định austenit và khả năng chống ăn mòn. Do chiến lược thay thế này, thép 201 và 304 thường được so sánh khi cân nhắc giữa chi phí, khả năng chống ăn mòn và khả năng định hình khi lựa chọn linh kiện.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 304: được tiêu chuẩn hóa rộng rãi dưới dạng ASTM/ASME A240 (tấm, lá), A312 (ống) và các loại tương đương trong các hệ thống khác; số EN của Châu Âu thường được trích dẫn là 1.4301 (thường là X5CrNi18-10); ký hiệu JIS là SUS304; các loại tương đương GB của Trung Quốc (thường được liệt kê trong hợp kim Cr–Ni). Phân loại: thép không gỉ austenit.
• 201: thường được UNS S20100 và một số thông số kỹ thuật sản phẩm gọi là ASTM/AISI Loại 201 hoặc SUS201 trong JIS; tiêu chuẩn khu vực và tên nhà cung cấp có thể khác nhau. Phân loại: thép không gỉ austenit (khử niken, ổn định mangan và nitơ).

Lưu ý: Cả hai đều là thép không gỉ (austenit) chứ không phải thép cacbon, hợp kim, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình (wt%) cho thép không gỉ thương mại loại 201 và loại 304. Các giá trị được đưa ra là phạm vi đại diện cho ngành; nên tham khảo các tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy để có dung sai chặt chẽ.

Yếu tố	Loại 201 (phạm vi điển hình, wt%)	Loại 304 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,15	≤ 0,08
Mn	5,5 – 7,5	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,06	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0 – 18,0	18,0 – 20,0
Ni	3,5 – 5,5	8,0 – 10,5
Mo	— (thường là 0)	— (thường là 0 đối với 304; Mo có trong 316)
N	0,1 – 0,25 (được sử dụng làm chất ổn định austenit)	≤ 0,10
Những người khác (V, Nb, Ti, B)	Thông thường không được thêm vào một cách có chủ ý	Thông thường không được thêm vào một cách có chủ ý

Hiệu ứng hợp kim (tóm tắt): - Crom (Cr) cung cấp lớp oxit thụ động giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn. - Niken (Ni) ổn định cấu trúc lập phương tâm mặt (austenit), cải thiện độ dẻo, độ dai và khả năng chống nhạy cảm; hàm lượng Ni cao hơn cũng cải thiện độ dai ở nhiệt độ thấp. - Mangan (Mn) và nitơ (N) được sử dụng trong 201 để thay thế một số niken, ổn định austenit nhưng làm thay đổi tính chất cơ học và hiệu suất ăn mòn. - Cacbon (C) ảnh hưởng đến độ bền và khả năng bị kết tủa cacbua (nhạy cảm) trong quá trình tiếp xúc với nhiệt; các biến thể C thấp hơn (ví dụ: 304L) làm giảm sự ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn.

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

• Cấu trúc vi mô (khi sản xuất, ủ): Cả 201 và 304 về cơ bản đều là austenit hoàn toàn ở nhiệt độ phòng khi ủ. Độ ổn định austenit trong 201 được duy trì nhờ hàm lượng Mn + N cao hơn so với Ni. Do đó, trong một số điều kiện, 201 dễ bị biến dạng do hình thành martensite hơn trong quá trình gia công nguội nặng so với 304, vì austenit của nó có thể kém ổn định hơn dưới ứng suất.
• Xử lý nhiệt: Cả 201 và 304 đều không thể tôi được bằng phương pháp xử lý nhiệt tôi và ram thông thường (chúng là các mác thép austenit không thể xử lý nhiệt). Phương pháp ủ điển hình là ủ dung dịch ở nhiệt độ khoảng 1010–1120 °C, sau đó làm nguội nhanh (tôi nước hoặc tôi không khí nhanh) để hòa tan cacbua và khôi phục khả năng chống ăn mòn và độ dẻo.
• Gia công nguội và gia công nhiệt cơ: Độ bền ở cả hai loại thép này chủ yếu được tăng cường nhờ gia công nguội. Gia công nguội tăng cường làm tăng năng suất và độ bền kéo, đồng thời làm giảm độ giãn dài; thép 201 thường cứng nhanh hơn khi gia công.
• Nhạy cảm: Cả hai loại thép đều có thể bị kết tủa crom cacbua nếu tiếp xúc trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 500–800 °C) trong thời gian dài, dẫn đến ăn mòn giữa các hạt. Các loại thép cacbon thấp (ví dụ: 304L) hoặc thép ổn định (có bổ sung Ti hoặc Nb) được sử dụng khi cần quan tâm đến việc hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao.

4. Tính chất cơ học

Bảng so sánh định tính hành vi cơ học (hình dạng sản phẩm điển hình, đã ủ). Giá trị chính xác phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống), nhiệt độ và bảng dữ liệu của nhà cung cấp.

Tài sản	Loại 201	Loại 304
Độ bền kéo	Cao hơn một chút (do Mn/N và tác dụng cảm lạnh thông thường)	Trung bình (cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo)
Sức chịu lực	Cao hơn (có xu hướng cho năng suất cao hơn ở những giống có tính khí tương đương)	Thấp hơn (độ dẻo chảy lớn hơn)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Thấp hơn (giảm độ giãn dài so với 304 ở trạng thái ủ)	Cao hơn (độ dẻo và khả năng định hình tốt hơn)
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường; thấp hơn 304 ở một số tính khí	Độ bền khía tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ thấp
Độ cứng	Cao hơn một chút (và tăng nhiều hơn khi làm việc lạnh)	Thấp hơn trong điều kiện ủ; tăng lên khi làm việc nguội

Diễn giải: Thép loại 201 thường cho độ bền và độ cứng cao hơn khi gia công trên cùng một quy trình, nhưng lại làm giảm độ dẻo và đôi khi là độ dai. Thép loại 304 mang lại sự kết hợp độ dẻo và độ dai tốt hơn, mang lại lợi ích cho độ tin cậy trong tạo hình và sử dụng trong nhiều ứng dụng ăn mòn và kết cấu.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép này nhìn chung đều tốt so với thép cacbon vì thép không gỉ austenit không bị cứng lại do chuyển đổi martensitic khi nguội. Những điều cần cân nhắc:

• Giá trị tương đương cacbon và nguy cơ nứt mối hàn có thể được ước tính bằng các công thức thực nghiệm được chấp nhận. Hai chỉ số thường được sử dụng là:
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải (định tính): Hàm lượng niken thấp hơn trong thép 201 làm giảm độ ổn định của austenit so với thép 304, điều này có thể ảnh hưởng đến chế độ đông đặc, khả năng nứt nóng và mức độ biến dạng martensite trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong một số điều kiện. Hàm lượng Mn và N cao hơn trong thép 201 cũng có thể thay đổi lựa chọn kim loại điền đầy và thành phần kim loại hàn.
• Hướng dẫn thực tế:
• Sử dụng kim loại độn phù hợp. Đối với kim loại nền 304 hàn với 304, vật liệu độn 308/308L là phổ biến. Đối với 201, nhiều nhà chế tạo chọn vật liệu độn giúp khôi phục hàm lượng Ni cao hơn trong kim loại hàn để cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ dẻo.
• Thông thường không cần phải nung nóng trước; ủ sau khi hàn thường không được sử dụng cho thép austenit trong các ứng dụng thông thường.
• Đối với các mối nối chống ăn mòn quan trọng, hãy chọn hóa chất độn để đảm bảo kim loại hàn và vùng HAZ đáp ứng nhu cầu chống ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất không gỉ: Cả hai loại đều tạo thành lớp màng thụ động giàu crom; tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn tổng thể lại khác nhau.
• PREN (chủ yếu hữu ích để đánh giá khả năng chống rỗ trong môi trường clorua khi có Mo và N) được tính như sau:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lưu ý: Đối với Loại 304 (Mo ≈ 0) PREN chủ yếu là Cr và N; đối với Loại 201, Cr thấp hơn và N khác nhau dẫn đến PREN thấp hơn 304, do đó khả năng chống rỗ trong clorua thường kém hơn.
• Các khía cạnh thực tế:
• Loại 304 có khả năng chống ăn mòn vượt trội trong nhiều môi trường nước và khí quyển và là mức tối thiểu được ưa chuộng khi tiếp xúc với thực phẩm, thiết bị y tế và nhiều loại hóa chất.
• Loại 201 hoạt động tốt trong môi trường trong nhà, có tính ăn mòn nhẹ (tấm trang trí, thiết bị nhà bếp trong điều kiện hàm lượng clorua thấp, thiết bị gia dụng) nhưng không được khuyến nghị sử dụng cho các ứng dụng tiếp xúc nhiều với clorua (môi trường ven biển, muối chống đóng băng) hoặc nơi cần độ ổn định thụ động lâu dài.
• Bảo vệ bề mặt không gỉ: Nếu so sánh với thép không gỉ, các biện pháp bảo vệ bề mặt phổ biến bao gồm mạ kẽm, sơn hoặc mạ điện - nhưng những biện pháp này không thể thay thế hoàn toàn khả năng chống gỉ. Đối với cả thép 201 và 304, các lớp hoàn thiện bề mặt (đánh bóng điện hóa, xử lý thụ động) có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chống ăn mòn.

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

• Tạo hình và kéo sâu: Thép 304 thường có khả năng tạo hình và độ co giãn vượt trội trong điều kiện ủ nhờ hàm lượng niken cao hơn và độ dẻo dai tốt hơn. Thép 201 có thể tạo hình được, nhưng độ đàn hồi lớn hơn và kim loại cứng lại nhanh hơn; các thông số về dụng cụ và quy trình phải tính đến điều này.
• Biến dạng uốn cong và hàn: Độ dẻo tốt hơn của 304 làm giảm nguy cơ nứt trong quá trình tạo hình mạnh; 201 có thể cần nhiều lực hơn và kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon. Thép 201 có xu hướng hóa cứng nhanh, điều này có thể làm giảm khả năng gia công; do đó, người ta thường sử dụng dụng cụ có góc nghiêng lớn hơn, thiết lập cứng và tốc độ chạy dao chậm hơn. Thép 304 cũng dẻo và cần dụng cụ phù hợp, nhưng nhiều thợ máy thấy thép 304 dễ gia công hơn một chút ở nhiệt độ tương đương.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai loại đều có thể được đánh bóng để đạt độ hoàn thiện cao. Do dễ bị ăn mòn cục bộ trong môi trường khắc nghiệt, 201 có thể bị ố vàng sớm hơn nếu bề mặt được hoàn thiện và thụ động hóa không đầy đủ.

8. Ứng dụng điển hình

Loại 201	Loại 304
Viền trang trí, tấm kiến ​​trúc trong nhà, tấm thiết bị gia dụng, viền ngoại thất đồ nấu nướng giá rẻ, ống chịu lực nhẹ trong môi trường không khắc nghiệt	Thiết bị chế biến thực phẩm, bồn rửa và mặt bàn bếp, linh kiện quy trình hóa học (không phải Mo), đường ống, bộ trao đổi nhiệt, thiết bị y tế (không phải cấy ghép), ốc vít trong môi trường ngoài trời và gần biển
Cơ sở lựa chọn:
- Chọn 201 khi ngân sách eo hẹp và môi trường làm việc ôn hòa (trong nhà, hàm lượng clorua thấp) hoặc khi ưu tiên độ bền cao hơn và bề mặt hoàn thiện sáng bóng.
- Chọn 304 khi cần hiệu suất chống ăn mòn, vệ sinh, khả năng hàn được nhiều ngành công nghiệp hỗ trợ và độ tin cậy lâu dài trong nhiều môi trường khác nhau.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép không gỉ Type 201 thường rẻ hơn thép không gỉ Type 304 do hàm lượng niken thấp hơn đáng kể. Niken là yếu tố chính chi phí trong thép không gỉ; việc thay thế Ni bằng Mn và N giúp giảm độ nhạy cảm về giá vật liệu với thị trường niken.
• Tính khả dụng: Loại 304 phổ biến trên toàn thế giới ở dạng tấm, tấm phẳng, cuộn, ống và thanh, và nhìn chung dễ dàng tìm nguồn cung ứng vật liệu được chứng nhận cho các ứng dụng quan trọng. Loại 201 phổ biến ở nhiều khu vực và được cung cấp rộng rãi cho các dạng sản phẩm hàng hóa, nhưng dữ liệu nhà máy được chứng nhận và một số dạng sản phẩm nhất định có thể khó dự trữ hơn loại 304 ở một số thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	Loại 201	Loại 304
Khả năng hàn	Tốt, nhưng lựa chọn chất độn có thể cần điều chỉnh	Thực hành chất độn rất tốt, được chuẩn hóa rộng rãi
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao hơn, độ dẻo/độ dai thấp hơn	Sức mạnh cân bằng với độ dẻo dai và độ bền vượt trội
Trị giá	Thấp hơn (niken khử)	Cao hơn (hàm lượng Ni chuẩn)

Khuyến nghị: - Chọn Loại 201 nếu: - Dự án nhạy cảm về chi phí và chỉ giới hạn ở môi trường nhẹ, trong nhà hoặc môi trường có hàm lượng clorua thấp. - Độ bền cao hơn và tiết kiệm chi phí vượt trội hơn nhu cầu về khả năng chống ăn mòn tối đa. - Ưu tiên vẻ bề ngoài và giá thành thấp cho sản phẩm tiêu dùng. - Chọn Loại 304 nếu: - Khả năng chống ăn mòn lâu dài, vệ sinh hoặc tiếp xúc với clorua là điều cần thiết. - Khả năng tạo hình, khả năng hàn và chứng nhận vật liệu đã được thiết lập là rất quan trọng. - Ứng dụng phải đáp ứng các tiêu chuẩn chung của ngành về tiếp xúc với thực phẩm, dược phẩm hoặc tiếp xúc ngoài trời.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu luôn phải được xác minh dựa trên các điều kiện môi trường cụ thể, tải trọng cơ học, trình tự hàn và tạo hình, cũng như các ràng buộc về mua sắm/cung ứng của dự án. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy tham khảo chứng chỉ nhà máy và thực hiện thử nghiệm ăn mòn hoặc đánh giá kỹ thuật để xác nhận tính phù hợp của 201 so với 304 cho ứng dụng dự kiến.