202 so với 204 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Hợp kim thép không gỉ Austenit dòng 200 như "202" và "204" thường được đề xuất là lựa chọn thay thế cho các loại thép dòng 300 với hàm lượng niken thấp hơn, đòi hỏi phải cân bằng giữa chi phí, khả năng định hình và khả năng chống ăn mòn. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải đối mặt với một tình huống khó xử trong việc lựa chọn: chọn thành phần mangan cao hơn, hàm lượng niken thấp hơn để giảm thiểu chi phí vật liệu nhưng có thể khó định hình hơn (202), hoặc chọn một hợp kim mới hơn, tối ưu hóa chi phí, giảm niken mà không làm giảm khả năng định hình bằng cách thêm đồng hoặc điều chỉnh các nguyên tố hợp kim khác (thường được gọi là 204 hoặc 204Cu).

Sự khác biệt chính về mặt định hướng giữa hai dòng thép này là sự cân bằng giữa chi phí và hiệu suất được thúc đẩy bởi chiến lược hợp kim: 202 chủ yếu làm giảm niken bằng hàm lượng mangan cao hơn, trong khi các biến thể 204 cố gắng duy trì hoặc cải thiện khả năng định hình và hiệu suất chống ăn mòn bằng cách sử dụng sự cân bằng khác nhau giữa Ni, Cr, Mn và việc bổ sung đồng được kiểm soát. Vì cả hai đều là thép không gỉ austenit được thiết kế để thay thế tiết kiệm cho 304 trong nhiều ứng dụng, nên chúng thường được so sánh trong quá trình thiết kế, sản xuất và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 202: Thường được gọi là AISI/UNS S20200 (đôi khi viết tắt là SS202). Có trong các dòng sản phẩm tấm và dải thương mại và được tham chiếu trong các thông số kỹ thuật thép không gỉ cán phẳng (ví dụ: ASTM A240 cho tấm/tấm ở một số thị trường) và nhiều danh mục quốc gia.
• 204: Thường được gọi là 204Cu (UNS S20430) hoặc các tên thương mại nhấn mạnh đến thép không gỉ austenit chứa đồng, hàm lượng niken thấp. Không phải mọi tiêu chuẩn quốc gia đều có tiêu chuẩn tương đương trực tiếp một-một theo EN/JIS/GB; các nhà sản xuất công bố thông số kỹ thuật nhà máy hoặc số UNS.
• Tiêu chuẩn để kiểm tra giới hạn chính xác: ASTM/ASME (A240, A480 cho tấm/lá), danh sách UNS (S20200, S20430) và giấy chứng nhận nhà máy của nhà cung cấp. Các tiêu chuẩn tương đương EN (Châu Âu) hoặc GB/JIS khu vực có thể khác nhau và cần được xác minh về tiêu chí chấp nhận.

Phân loại: Cả 202 và 204 đều là thép không gỉ austenit (không có từ tính khi ủ hoàn toàn), không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (wt%). Các giá trị là phạm vi đại diện từ các bảng dữ liệu thương mại phổ biến; luôn xác nhận với giấy chứng nhận của nhà máy hoặc thông số kỹ thuật cho lô hàng bạn đang mua.

Yếu tố	202 (điển hình, wt%)	204 / 204Cu (điển hình, wt%)
C	≤ 0,15 (thấp)	≤ 0,08–0,10 (thấp)
Mn	Tương đối cao (ví dụ, một số wt% để thay thế Ni)	Trung bình (thấp hơn 202)
Si	≤ ~1.0 (chất khử oxy nhỏ)	≤ ~0,8–1,0
P	≤ 0,03–0,05 (giới hạn tạp chất)	≤ 0,03–0,045
S	≤ 0,03 (giới hạn tạp chất)	≤ 0,03
Cr	~17–19	~18–20
Ni	Trung bình (giảm so với 304, nhưng cao hơn một số biến thể 204)	Thấp hơn 304; tương tự hoặc thấp hơn một chút so với 202 tùy thuộc vào nền đất
Mo	Thông thường là không có hoặc dấu vết	Thông thường là không có hoặc dấu vết
Cu	Theo dõi đến ~0,5–1,0 (thường thấp)	Sự bổ sung có chủ ý (ví dụ, ~0,5–1,5) trong 204Cu
N	Thấp đến trung bình (lượng nhỏ để ổn định austenit)	Thấp (được kiểm soát)
V, Nb, Ti, B	Không phải là chất bổ sung hợp kim điển hình	Không điển hình

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) cung cấp lớp màng thụ động và khả năng chống ăn mòn cơ bản phổ biến ở thép không gỉ austenit. - Niken (Ni) ổn định austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình; việc giảm Ni làm giảm chi phí vật liệu nhưng có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai và khả năng ăn mòn nếu không được bù trừ. - Mangan (Mn) được sử dụng để ổn định austenit khi Ni bị khử — nó rẻ hơn Ni nhưng làm tăng độ cứng khi gia công và có thể ảnh hưởng đến độ dẻo và khả năng gia công. - Đồng (Cu) trong biến thể 204 được sử dụng để cải thiện độ bền và khả năng định hình và bù một phần cho lượng Ni giảm trong hiệu suất chống ăn mòn; Cu cũng có thể hỗ trợ khả năng chống lại một số loại axit và cải thiện bề mặt hoàn thiện. - Cacbon và nitơ được kiểm soát để cân bằng độ bền (thông qua dung dịch rắn và gia cường kẽ) và tránh nhạy cảm hoặc độ cứng quá mức.

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

Cả 202 và 204 đều hoàn toàn là austenit khi được sản xuất và ủ. Những điểm chính:

• Cấu trúc vi mô điển hình: austenit lập phương tâm mặt (FCC) ổn định với các hạt austenit phân bố đều; không có ferit hoặc martensite trong vật liệu được xử lý chính xác và ủ hoàn toàn.
• Phản ứng gia công nguội: Cả hai loại thép đều dễ bị biến dạng (thép không gỉ austenit cứng lại do biến dạng), nhưng thép 202 — có hàm lượng Mn cao hơn — có xu hướng bị biến dạng nhanh hơn, điều này có thể làm giảm giới hạn khả năng tạo hình khi kéo sâu và làm phức tạp quá trình dập trừ khi sử dụng quá trình ủ trung gian.
• Xử lý nhiệt: Thép không gỉ austenit không thể được làm cứng bằng phương pháp tôi/ram thông thường. Ủ (thường ở nhiệt độ 1000–1150 °C, sau đó là tôi nước) sẽ phục hồi độ dẻo và độ dai. 204Cu có thể thể hiện tính chất tôi già nhẹ trong một số điều kiện nhiệt độ/thời gian nhất định do kết tủa đồng, nhưng điều này không thể so sánh với các loại thép không gỉ tôi kết tủa và thường không được sử dụng cho thiết kế có độ bền cao.
• Xử lý nhiệt cơ học: Cán nóng sau đó ủ có kiểm soát sẽ thiết lập kích thước hạt và tính chất cuối cùng; kiểm soát ứng suất dư và tránh martensite do gia công nguội (nếu có) sẽ cải thiện độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Bảng — so sánh định tính (điều kiện ủ trừ khi có quy định khác). Giá trị chính xác phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm, độ dày, nhiệt độ và bảng dữ liệu cụ thể của nhà cung cấp.

Tài sản	202	204 / 204Cu
Độ bền kéo (xấp xỉ, ủ)	Trung bình — tương đương với các loại 200 khác; cao hơn một số biến thể Ni thấp do Mn	Tương đương với 202; có thể thể hiện sự cân bằng độ bền/độ dẻo được cải thiện đôi chút do Cu
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Trung bình; tương tự hoặc thấp hơn một chút so với 202 ở trạng thái ủ
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt nhưng giảm so với 204 sau khi làm việc nguội (làm việc cứng lại nhanh hơn)	Nhìn chung khả năng định hình và kéo dài tốt hơn một chút ở nhiều tấm của nhà cung cấp
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; có thể thấp hơn ở nhiệt độ cực thấp nếu Ni rất thấp	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; đồng và Ni được kiểm soát giúp duy trì độ dẻo dai
Độ cứng (ủ)	Thấp đến trung bình (làm cứng nhanh)	Thấp đến trung bình (có xu hướng duy trì độ mềm tốt hơn trong quá trình tạo hình)

Lý do: Hàm lượng Mn cao hơn và hàm lượng Ni thấp hơn của hợp kim 202 làm tăng độ ổn định của austenit nhưng cũng tăng cường quá trình làm cứng; điều này tạo ra độ bền tức thời cao hơn trong quá trình tạo hình nhưng làm giảm độ giãn dài tổng thể đạt được trước khi hỏng. Sự cân bằng hợp kim của hợp kim 204Cu nhằm mục đích duy trì độ dẻo và độ dai trong khi vẫn giảm hàm lượng niken và chi phí.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi lượng cacbon tương đương, khả năng tôi và hợp kim vi mô. Các phương trình dự đoán hữu ích:

• Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (Chỉ số khả năng hàn của Châu Âu): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Cả thép 202 và 204 đều có thể hàn dễ dàng bằng các quy trình hàn thép không gỉ austenit tiêu chuẩn (GMAW, TIG, v.v.) với nguy cơ nứt nguội thấp vì thép không gỉ austenit vẫn duy trì được độ dẻo trong kim loại hàn. - Mn cao hơn (202) làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ ở mức vừa phải, nghĩa là cần chú ý nhiều hơn một chút đến nhiệt lượng đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp để tránh hiện tượng cứng cục bộ hoặc các cấu trúc vi mô không mong muốn trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. - 204Cu, khi bổ sung thêm đồng, nhìn chung có khả năng hàn tương đương với các loại austenit khác; đồng có thể ảnh hưởng đôi chút đến việc lựa chọn chất độn — việc kết hợp thành phần với các chất độn austenit thích hợp (ví dụ: các chất tương đương thuộc họ 308/309 hoặc các chất độn Ni thấp chuyên dụng do nhà cung cấp chỉ định) sẽ tránh được các vấn đề về phân tách vi mô. - Ủ sau hàn hiếm khi cần thiết cho dịch vụ thông thường, nhưng cần cân nhắc giảm ứng suất và kiểm soát rủi ro ăn mòn giữa các hạt đối với hình dạng dễ bị nhạy cảm hoặc nhiệt độ dịch vụ cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều là thép không gỉ austenit với tính thụ động dựa trên crom. Cả hai đều không chứa molypden đáng kể, do đó khả năng chống rỗ clorua thấp hơn so với thép dòng 300 chứa Mo (ví dụ: 316).
• PREN thường không hữu ích cho các loại thép này (nó chỉ có ý nghĩa đối với thép không gỉ chứa Mo). Để tham khảo, công thức PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Vì Mo ≈ 0 đối với 202/204, PREN sẽ không biểu thị khả năng chống rỗ cao.
• Hướng dẫn thực tế:
• 202: chấp nhận được trong môi trường ăn mòn nhẹ (trong nhà, tiếp xúc với thực phẩm, trang trí), nhưng khả năng chống clorua và môi trường axit kém hơn 304/316. Dễ bị ố bề mặt và rỗ trong môi trường clorua mạnh.
• 204/204Cu: được coi là giải pháp thay thế mạnh mẽ hơn cho 304 vì hàm lượng Ni thấp; đồng có thể cải thiện đáng kể khả năng chống lại một số loại axit và ngăn chặn sự hình thành ăn mòn khe hở trong một số điều kiện sử dụng, nhưng không thể thay thế Mo khi tiếp xúc với hàm lượng clorua cao.
• Đối với thép không gỉ (không áp dụng ở đây): sử dụng phương pháp mạ kẽm, sơn hoặc phủ. Đối với các loại thép không gỉ này, hãy cân nhắc đánh bóng điện hóa, thụ động hóa hoặc phủ lớp bảo vệ cho môi trường khắc nghiệt.

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

• Tạo hình nguội: Thép 202 cứng nhanh hơn — các nhà thiết kế phải tính đến độ đàn hồi và có thể cần ủ trung gian; kéo sâu có thể khó khăn hơn. Thép 204Cu có xu hướng tạo hình tốt hơn và thường được ưa chuộng khi cần uốn cong chặt chẽ và dập phức tạp.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều không dễ gia công như thép cacbon cắt tự do. Hàm lượng Mn cao hơn trong thép 202 có thể làm giảm khả năng gia công; thép 204Cu thường gia công tương tự hoặc tốt hơn một chút, và hàm lượng Cu được kiểm soát có thể cải thiện quá trình hình thành phoi và độ bóng bề mặt.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có khả năng đánh bóng và hoàn thiện tốt; 204Cu có thể tạo ra bề mặt có hình dạng như mới tốt hơn một chút trong một số thao tác.
• Hàn và chế tạo sau: Việc lắp ráp và lựa chọn vật liệu trám phù hợp là rất quan trọng; tránh làm nguội nhanh vì có thể giữ lại ứng suất; nên tẩy gỉ/thụ động hóa sau khi hàn để khôi phục khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

202 — Công dụng điển hình	204 / 204Cu — Ứng dụng điển hình
Hàng tiêu dùng, đồ dùng nhà bếp, đồ trang trí kiến ​​trúc nhẹ, tấm trang trí, đồ gia dụng trong nhà, nơi chi phí là yếu tố quyết định	Thiết bị gia dụng (máy giặt, máy sấy), bồn rửa nhà bếp, tấm ốp kiến ​​trúc trang trí, đồ đạc vệ sinh cần cải thiện khả năng định hình và hoàn thiện bề mặt
Trang trí ô tô và các thành phần cấu trúc nhỏ có mức độ tiếp xúc với clorua hạn chế	Ống và các thành phần được tạo hình đòi hỏi khả năng kéo tốt và kiểm soát kích thước được cải thiện
Tấm kết cấu nhẹ nơi có mức độ ăn mòn nhẹ	Ứng dụng thay thế 304 khi cần khử niken nhưng vẫn phải giữ được khả năng định hình hoặc độ dẻo dai

Cơ sở lựa chọn: chọn 202 khi chi phí vật liệu ban đầu là hạn chế chính và mức độ ăn mòn ở mức trung bình; chọn 204/204Cu khi chi phí vật liệu hoặc chi phí gia công cao hơn một chút được biện minh bằng khả năng định hình tốt hơn, bề mặt hoàn thiện đồng đều hơn và duy trì độ dẻo dai với hàm lượng Ni giảm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai đều được định vị là những lựa chọn thay thế có chi phí thấp hơn cho 304. 202 thường có chiến lược hàm lượng niken thấp nhất (được bù đắp bằng hàm lượng Mn cao hơn), về mặt lịch sử mang lại khả năng tiết kiệm chi phí—nhưng giá nguyên liệu thô theo mùa (Mn so với Ni so với Cu) có thể thay đổi tính kinh tế tương đối. 204/204Cu được thiết kế để cân bằng giữa việc khử niken với các đặc tính được bảo tồn và có khả năng cạnh tranh, đặc biệt là khi Ni đắt và Cu tiết kiệm.
• Tính khả dụng: 202 được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng tấm/dải thương mại tiêu chuẩn. Tính khả dụng của 204/204Cu tùy thuộc vào khu vực và nhà sản xuất; loại này ngày càng phổ biến nhưng có thể ít phổ biến hơn 202 ở một số thị trường và dạng sản phẩm (ví dụ: cuộn dây cụ thể, tùy chọn nhiệt độ tấm hoàn thiện trước).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng — so sánh nhanh (định tính):

Thuộc tính	202	204 / 204Cu
Khả năng hàn	Tốt; theo dõi nhiệt lượng đầu vào (làm cứng)	Tốt; đồng có tác động tối thiểu đến hoạt động hàn tiêu chuẩn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, tăng cường độ cứng khi làm việc; độ dẻo dai đủ ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Độ bền tương tự, độ dẻo/khả năng tạo hình tốt hơn một chút và độ dẻo dai được duy trì
Chi phí (vật liệu)	Thông thường thấp hơn ở nhiều thị trường (phụ thuộc vào giá Mn/Ni)	Được tối ưu hóa về chi phí để khử Ni trong khi vẫn giữ được khả năng tạo hình; có thể tương tự hoặc cao hơn một chút so với 202

Chọn 202 nếu: - Ưu tiên của bạn là giảm thiểu chi phí vật liệu và ứng dụng liên quan đến môi trường ôn hòa, hoạt động tạo hình đơn giản và nơi các nhà cung cấp có thể dễ dàng cung cấp các dạng cuộn/tấm theo yêu cầu. - Bạn có thể thiết kế các bước chế tạo để tính đến quá trình làm cứng mạnh hơn (ủ trung gian, dung sai dụng cụ).

Chọn 204 (204Cu) nếu: - Bạn cần khả năng định hình chặt chẽ hơn, bề mặt hoàn thiện tốt hơn sau khi định hình hoặc cân bằng cơ học gần hơn với 304 trong khi vẫn giảm hàm lượng niken. - Ứng dụng này đòi hỏi độ bền bỉ đồng đều và giảm thiểu rủi ro phát sinh trong quá trình làm cứng nhanh (dập phức tạp, kéo sâu, các bộ phận thiết bị có khối lượng lớn).

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép không gỉ austenit đều là lựa chọn hữu ích, tối ưu hóa chi phí. Việc lựa chọn cuối cùng luôn phải dựa trên chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp đã được xác minh, hình dạng sản phẩm (cuộn, tấm, ống), mức độ tôi/hoàn thiện cần thiết và phân tích chi phí vòng đời, xem xét đến biến động chi phí vật liệu, thời gian chu kỳ chế tạo (ví dụ: nhu cầu ủ) và khả năng chống ăn mòn lâu dài.