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

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa hai loại thép không gỉ austenit rất phổ biến: 301 và 304. Quyết định thường xoay quanh việc cân nhắc giữa chi phí, khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình và độ bền có thể đạt được sau khi chế tạo (ví dụ, liệu có nên sử dụng độ cứng gia công cao hay không). Trong nhiều bối cảnh sản xuất—tạo hình tấm kim loại, cấu kiện kết cấu và sản phẩm tiêu dùng—việc lựa chọn được quyết định bởi khả năng phản ứng của vật liệu với gia công nguội so với khả năng chống chịu môi trường ăn mòn.

Sự khác biệt cơ bản giữa các loại thép này nằm ở sự cân bằng hợp kim và phản ứng cơ học của chúng với biến dạng: 301 được thiết kế để thể hiện khả năng tôi biến dạng cao hơn (có thể đạt được độ bền đáng kể thông qua gia công nguội), trong khi 304 được tối ưu hóa cho tính chất austenit ổn định, tối đa hóa khả năng chống ăn mòn và độ dẻo trong điều kiện ủ. Vì cả hai đều là thép không gỉ austenit phổ biến và tiết kiệm, chúng thường được so sánh khi thiết kế các chi tiết đòi hỏi sự kết hợp giữa tạo hình, hàn, chống ăn mòn và kiểm soát chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• 301: AISI 301 (tài liệu tham khảo ASTM A240/A666 cho tấm/ống/tấm)
• 304: AISI 304 (ASTM A240/A666)
• EN (Châu Âu):
• 301 thường tương ứng với EN 1.4310 / 1.4311 đôi khi; có những biến thể tồn tại
• 304 tương ứng với EN 1.4301 (304)
• JIS (Nhật Bản): có các tiêu chuẩn tương đương (ví dụ: SUS301 / SUS304)
• GB (Trung Quốc): có các cấp tương đương (ví dụ: cấp 301, 304 trong tiêu chuẩn GB/T)

Phân loại: cả hai đều là thép không gỉ austenit. Chúng không phải là thép cacbon, hợp kim, thép dụng cụ hay thép HSLA — chúng thuộc họ thép không gỉ (austenit).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Sự khác biệt về thành phần là khiêm tốn nhưng có chủ ý: 304 giàu niken hơn và nhiều crom hơn một chút, giúp tăng khả năng chống ăn mòn và ổn định pha austenit; 301 làm giảm niken và giữ crom ở mức vừa đủ, làm tăng xu hướng tạo ra martensite do biến dạng và làm cứng ứng suất cao hơn.

Yếu tố	301 (thành phần/phạm vi điển hình)	304 (thành phần/phạm vi điển hình)
C (tối đa)	0,15% (tối đa)	0,08% (tối đa)
Mn (tối đa)	2,0% (tối đa)	2,0% (tối đa)
Si (tối đa)	1,0% (tối đa)	0,75% (tối đa)
P (tối đa)	0,045% (tối đa)	0,045% (tối đa)
S (tối đa)	0,03% (tối đa)	0,03% (tối đa)
Cr	16,0–18,0%	18,0–20,0%
Ni	6,0–8,0%	8,0–10,5%
Mo	0% (nói chung)	0% (nói chung)
V, Nb, Ti, B	thường là không có	thường là không có
N (tối đa)	~0,10% (vết/thấp)	~0,10% (vết/thấp)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) cung cấp lớp oxit thụ động có khả năng chống ăn mòn; hàm lượng Cr cao hơn giúp cải thiện hiệu suất chống ăn mòn trong nhiều môi trường. - Niken (Ni) ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo, giảm xu hướng hình thành martensite khi biến dạng. - Carbon làm tăng độ bền nhưng có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn (nguy cơ nhạy cảm) và tăng nhẹ khả năng làm cứng. - Mangan và silic là chất khử oxy và có thể ảnh hưởng một chút đến tính chất kéo; mangan đôi khi cũng hỗ trợ tính ổn định của austenit. Vì 301 chứa ít Ni hơn và Cr tương tự nên nó dễ bị biến đổi martensitic do ứng suất và có khả năng làm cứng tốt hơn so với 304.

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

Cả 301 và 304 đều là austenit ở nhiệt độ phòng trong điều kiện ủ (lập phương tâm mặt, FCC). Các đặc tính vi cấu trúc chính và phản ứng xử lý của chúng:

• Trạng thái ủ:
• 301: hoàn toàn là austenit (nhưng có thành phần khiến nó ổn định hơn). Cấu trúc hạt đặc trưng của thép không gỉ cán nguội và ủ dung dịch.

• 304: austenit ổn định với độ dẻo và độ dai tuyệt vời.

• Làm nguội và biến đổi do ứng suất:

• 301: được thiết kế để thể hiện sự biến đổi đáng kể do ứng suất tạo ra thành martensite (α′) trong quá trình biến dạng dẻo (tạo hình, uốn, dập). Sự biến đổi này làm tăng độ bền và độ cứng cục bộ và tổng thể (làm cứng khi gia công), nhưng làm giảm độ dẻo và có thể ảnh hưởng đến tính chất ăn mòn tại vị trí martensite tiếp xúc.

• 304: ít có xu hướng biến dạng do martensite gây ra; vẫn giữ được cấu trúc austenit và độ dẻo sau quá trình gia công nguội tương tự, với tốc độ làm cứng thấp hơn 301.

• Xử lý nhiệt:

• Cả hai loại thép này đều không thể tôi cứng bằng phương pháp xử lý nhiệt tôi và ram (chúng là thép không gỉ austenit, không phải thép không gỉ martensitic). Ủ dung dịch (ví dụ, nung đến khoảng 1000–1100 °C sau đó làm nguội nhanh) được sử dụng để hòa tan cacbua và khôi phục độ dẻo. Ủ sau khi chế tạo giúp khôi phục khả năng định hình và giảm quá trình tôi cứng khi gia công.
• Các phương pháp xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát, gia công nguội cộng với ủ) được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất tấm hoặc dải có sự kết hợp độ bền/độ dẻo phù hợp; các biến thể 301 có thể được cán nguội đến độ bền cao hơn 304 trước khi ủ.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây so sánh định tính hành vi cơ học điển hình (khi sản xuất, ủ và sau khi gia công nguội). Giá trị chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, dải, thanh), quy trình chế biến và thông số kỹ thuật; tham khảo dữ liệu nhà máy để biết các con số quan trọng cho dự án.

Tài sản	301 (hành vi điển hình)	304 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Vừa phải ở trạng thái ủ; tăng đáng kể khi làm việc lạnh do cứng lại do ứng suất	Trung bình ở trạng thái ủ; tăng khi làm việc lạnh nhưng ít hơn 301
Sức chịu lực	Ủ thấp hơn 301 gia công nguội; tăng mạnh sau khi biến dạng	Năng suất tốt trong điều kiện ủ; tốc độ làm cứng thấp hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt khi ủ; giảm nhanh hơn khi làm việc lạnh	Độ dẻo cao khi ủ; giữ được độ dẻo cao hơn sau khi tạo hình
Độ bền va đập	Tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường khi ủ; vẫn giữ được độ dẻo dai	Tuyệt vời và ổn định hơn (ít thay đổi hơn khi làm việc lạnh)
Độ cứng	Tăng đáng kể khi gia công nguội (có thể đạt độ cứng cao hơn nhiều so với 304 dưới cùng một biến dạng)	Tăng lên khi làm việc lạnh nhưng ở mức độ ít hơn

Lý do: Hàm lượng Ni thấp hơn của thép 301 khiến austenit kém ổn định hơn khi chịu ứng suất; biến dạng cơ học chuyển đổi một phần austenit thành martensite, tăng cường độ bền và độ cứng (có lợi cho các bộ phận cần độ bền cao hơn mà không cần xử lý nhiệt). Hàm lượng Ni cao hơn của thép 304 giúp ổn định austenit, duy trì độ dẻo và độ dai nhưng lại làm giảm cường độ tôi cứng do ứng suất.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép không gỉ austenit nói chung đều tốt, nhưng cần lưu ý:

• Hàm lượng carbon: hàm lượng carbon cao hơn làm tăng nguy cơ nhạy cảm (kết tủa crom cacbua) trong quá trình làm nguội chậm, đặc biệt đối với thép 304 có hàm lượng C cao hơn (304H). Các biến thể carbon thấp hơn (304L, 301L) giúp giảm nguy cơ nhạy cảm.
• Khả năng làm cứng và chuyển đổi: Xu hướng tạo ra martensite do biến dạng cao hơn của thép 301 không ảnh hưởng trực tiếp đến các vùng hàn nóng chảy (là austenit được nung lại/đông đặc), nhưng các vùng làm việc nguội liền kề có thể có các cấu trúc vi mô hỗn hợp ảnh hưởng đến ứng suất dư và biến dạng.
• Khả năng tương thích của chất độn và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp là những mối quan tâm điển hình đối với cả hai loại.
• Việc sử dụng các biến thể ổn định hoặc ít carbon (ví dụ: 304L) là thông thường khi cần hàn mà không cần ủ sau khi hàn.

Chỉ số khả năng hàn phổ biến (diễn giải định tính; không cung cấp dữ liệu đầu vào số ở đây): - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm của Đức: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Chỉ số $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy nguy cơ bị cứng, nứt hoặc giảm khả năng hàn ở những loại thép có khả năng hình thành martensite cao hơn. Đối với thép 301 so với thép 304, sự khác biệt về mặt số học trong các chỉ số này là nhỏ vì cả hai đều có hàm lượng cacbon thấp và hàm lượng hợp kim tương đương; thép 301 có thể có hàm lượng cacbon cao hơn một chút hoặc hàm lượng niken thấp hơn trong một số phôi, ảnh hưởng không đáng kể đến các chỉ số này. Nhìn chung, cả hai đều được coi là dễ hàn theo các quy trình hàn thép không gỉ tiêu chuẩn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất của thép không gỉ: Cả 301 và 304 đều tạo thành lớp màng thụ động giàu crom. Vì 304 thường chứa nhiều crom và niken hơn một chút, nên khả năng chống ăn mòn nói chung tốt hơn một chút và là lựa chọn phổ biến hơn khi các vấn đề về ăn mòn được ưu tiên (chế biến thực phẩm, thiết bị nhà bếp, ứng dụng kiến ​​trúc).
• Ăn mòn cục bộ (rỗ/kẽ hở): Cả hai loại đều không chứa Mo; đối với môi trường giàu clorua, cả 301 và 304 đều không có khả năng chống ăn mòn tốt bằng các loại chứa Mo (ví dụ: 316). Việc sử dụng thiết kế bảo vệ và hoàn thiện bề mặt là rất quan trọng trong môi trường khắc nghiệt.
• PREN (để đánh giá khả năng chống rỗ của thép không gỉ với Mo và N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Giải thích:
• PREN không phải là yếu tố phân biệt hữu ích giữa 301 và 304 vì về cơ bản cả hai đều không có Mo và N thấp; do đó, giá trị PREN thấp và tương tự nhau.
• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ (không áp dụng ở đây) sẽ bao gồm mạ kẽm hoặc phủ lớp; đối với thép 301/304, thụ động hóa, đánh bóng điện hóa và đánh bóng cơ học sẽ cải thiện khả năng chống ăn mòn.

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

• Tạo hình và dập:
• 301: Khả năng tạo hình tuyệt vời trong điều kiện ủ; do nó làm cứng nhanh nên có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận tăng cường độ trong quá trình tạo hình (cần phải tính đến hành vi đàn hồi trở lại).
• 304: Có khả năng tạo hình cao và chịu được các thao tác kéo sâu tốt hơn; ít phải tôi luyện giúp đơn giản hóa việc dự đoán hình dạng.
• Khả năng gia công:
• Cả hai đều kém hơn thép cacbon; thép không gỉ austenit bị dính và cứng lại khi cắt. Thép 301 có xu hướng cứng lại nhanh hơn, làm phức tạp quá trình gia công (yêu cầu dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng, bộ phận bẻ phoi và tốc độ cắt vừa phải). Thép 304 dễ gia công hơn một chút trong nhiều điều kiện nhưng vẫn đòi hỏi dụng cụ và chất làm mát được tối ưu hóa.
• Hoàn thiện:
• Độ hoàn thiện bề mặt, thụ động hóa và đánh bóng của cả hai loại đều tương tự nhau. Lưu ý rằng thép 301 gia công nguội có thể có các vùng martensitic phản ứng khác nhau với quá trình khắc/đánh bóng.

8. Ứng dụng điển hình

301 — Công dụng điển hình	304 — Công dụng điển hình
Viền ô tô và các thành phần cấu trúc cần độ bền tạo hình cao hơn sau khi gia công nguội; lò xo và kẹp; viền kiến ​​trúc cần độ bền cao hơn	Thiết bị nhà bếp, chế biến thực phẩm, thiết bị hóa chất, tấm kiến ​​trúc, ốc vít và các thành phần chống ăn mòn đa năng
Các thành phần lò xo và thiết bị khai thác khả năng làm cứng	Bình chịu áp suất, đường ống và phụ kiện (304L cho các ứng dụng hàn quan trọng)
Phụ kiện nội thất hàng không vũ trụ và các bộ phận kết cấu cần độ bền nhẹ sau khi tạo hình	Thiết bị y tế, xử lý đồ uống và các ứng dụng vệ sinh

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép 301 khi các bộ phận sẽ được gia công nguội nhiều và các nhà thiết kế muốn khai thác quá trình làm cứng ứng suất để đạt được độ bền cao hơn khi sử dụng mà không cần xử lý nhiệt. - Chọn thép 304 khi khả năng chống ăn mòn, độ dẻo và khả năng hàn trong điều kiện ủ được ưu tiên cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 304 thường đắt hơn 301 một chút do hàm lượng niken cao hơn. Giá thị trường thay đổi tùy theo giá giao ngay của Ni và nguồn cung khu vực; 301 thường được chọn là giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí khi không cần khả năng chống ăn mòn hoàn toàn của 304.
• Tính khả dụng: 304 là hợp kim thép không gỉ austenit phổ biến nhất trên toàn thế giới và có nhiều dạng sản phẩm khác nhau (tấm, tấm, thanh, ống, ốc vít). 301 phổ biến hơn nhưng ít phổ biến hơn; thường ở dạng dải, tấm và một số dạng kết cấu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	301	304
Khả năng hàn	Tốt (thực hành tiêu chuẩn; xem các biến thể carbon)	Rất tốt (austenit ổn định; được sử dụng rộng rãi cho các cụm hàn)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền cao hơn có thể đạt được sau khi gia công nguội; độ dẻo dai tuyệt vời khi ủ	Độ dẻo dai và độ bền ổn định; độ bền tăng ít hơn khi gia công nguội
Trị giá	Nói chung là thấp hơn (ít Ni hơn)	Nói chung là cao hơn (nhiều Ni hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn 301 nếu bạn cần các bộ phận được tạo hình nguội và sau đó dựa vào quá trình tôi cứng để tăng cường độ bền khi sử dụng (kẹp, lò xo, các bộ phận kết cấu đã tạo hình) hoặc khi chấp nhận thép không gỉ có giá thành thấp hơn và khả năng chống ăn mòn hợp lý. - Chọn 304 nếu ưu tiên của bạn là khả năng chống ăn mòn ổn định, độ dẻo và độ bền cao trong điều kiện ủ, tính khả dụng rộng rãi và hành vi tạo hình/hàn đơn giản hơn cho môi trường sản xuất cần các đặc tính austenit ổn định và có thể dự đoán được.

Lưu ý kết luận: Đối với bất kỳ thông số kỹ thuật quan trọng nào, hãy yêu cầu chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và bảng dữ liệu của nhà cung cấp để biết dạng sản phẩm chính xác và xem xét các biến thể có hàm lượng carbon thấp hoặc ổn định (304L, 301L, 301LN) khi hàn, lịch trình ủ hoặc hàm lượng nitơ là yếu tố quan trọng đối với hiệu suất.