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

Giới thiệu

301 và 304 là hai trong số những loại thép không gỉ austenit được chỉ định phổ biến nhất trong chế tạo, ô tô, thiết bị gia dụng và kiến ​​trúc. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường xuyên cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép cho các chi tiết được tạo hình nguội, nơi mà độ bền tăng lên nhờ quá trình tôi cứng, hoặc lựa chọn vật liệu cho môi trường tiếp xúc với thực phẩm, hóa chất hoặc kiến ​​trúc, nơi mà khả năng chống ăn mòn và độ ổn định lâu dài là tối quan trọng.

Sự khác biệt chức năng chính giữa 301 và 304 nằm ở cách chúng phản ứng với biến dạng nguội: 301 cứng nhanh hơn 304, cho phép độ bền cao hơn đáng kể sau khi gia công nguội nhưng lại làm giảm độ dẻo và đôi khi là độ ổn định kích thước. Đặc tính này—cùng với sự khác biệt về hàm lượng crom và niken—là yếu tố quyết định hiệu suất tương đối của chúng trong các ứng dụng tạo hình, chịu mỏi và chống ăn mòn quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc tế chung:
• ASTM/ASME: A240/A666 (tấm/tấm cuộn), A276 (thanh), thường được tham chiếu cho cả 301 và 304.
• EN: Dòng EN 10088 dành cho thép không gỉ (ví dụ: số hiệu họ EN 1.4310/1.4301).
• JIS: JIS G4303 / G4305 và các tiêu chuẩn sản phẩm liên quan tại Nhật Bản.
• GB: Tiêu chuẩn GB/T cho thép không gỉ ở Trung Quốc.
• Phân loại:
• Cả thép 301 và 304 đều là thép không gỉ austenit.
• Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép cấp HSLA; chúng thuộc họ thép không gỉ có đặc điểm là chứa nhiều crom và hàm lượng niken đáng kể.
• Có nhiều biến thể (ví dụ: 301LN, 301Ti, 304L, 304H) bổ sung nitơ, titan hoặc hàm lượng cacbon thấp hơn để kiểm soát tính chất cụ thể.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	301 (phạm vi điển hình / bình luận)	304 (phạm vi điển hình / bình luận)
C	giới hạn trên cao hơn 304 (có các biến thể như 301L)	carbon thấp (ví dụ, biến thể 304L có C thấp hơn để hàn)
Mn	phạm vi tương tự; Mn là chất tăng cường dung dịch rắn	phạm vi tương tự
Si	bổ sung thấp cho quá trình khử oxy	bổ sung thấp cho quá trình khử oxy
P	giới hạn tạp chất theo dõi	giới hạn tạp chất vết
S	giới hạn tạp chất vết	giới hạn tạp chất vết
Cr	hàm lượng crom thấp hơn một chút so với 304	hàm lượng crom cao hơn (cải thiện khả năng chống ăn mòn)
Ni	hàm lượng niken thấp hơn 304	niken cao hơn (ổn định austenit và cải thiện khả năng ăn mòn/dẻo)
Mo	thường không được thêm vào	thường không được thêm vào (304 so với 316 khác nhau ở đây)
V	không điển hình	không điển hình
Nb (Nb/Ti)	có sẵn trong các biến thể ổn định (ví dụ: 301Ti)	các biến thể ổn định tồn tại (ví dụ: 304Ti)
Ti	có mặt trong các biến thể ổn định	có mặt trong các biến thể ổn định
B	không điển hình	không điển hình
N	lượng nhỏ được kiểm soát (một số loại như 301LN bao gồm N)	có thể có một lượng nhỏ; N có thể cải thiện sức mạnh và sức đề kháng

Ghi chú: - 301 sử dụng chiến lược hàm lượng niken thấp hơn và hàm lượng crom thấp hơn một chút so với 304; điều này làm giảm chi phí và tăng khả năng chuyển đổi trong quá trình gia công nguội, được khai thác khi cần độ bền sau khi tạo hình cao hơn. - Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến ba hành vi cốt lõi: khả năng chống ăn mòn (chủ yếu là Cr và Ni), độ ổn định và độ dẻo dai của austenit (Ni ổn định austenit) và hành vi làm cứng khi làm việc (thành phần và năng lượng lỗi xếp chồng ảnh hưởng đến quá trình biến đổi martensitic do ứng suất).

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

• Cấu trúc vi mô được sản xuất:
• Cả 301 và 304 đều chủ yếu là austenit ở nhiệt độ phòng khi ở trạng thái ủ dung dịch.
• 301 có độ ổn định austenit thấp hơn 304; khi chịu tác động lạnh đáng kể, 301 có thể chuyển đổi một phần thành martensite do ứng suất hoặc thể hiện mật độ sai lệch và biến dạng song tinh cao hơn tùy thuộc vào biến thể hợp kim và nhiệt độ.
• Phản ứng với công việc lạnh và xử lý nhiệt:
• Ủ (xử lý bằng dung dịch) đưa cả hai loại trở về cấu trúc dẻo, hoàn toàn austenit.
• Không có quá trình làm cứng thông thường bằng cách làm nguội và ram cho các loại thép không gỉ austenit này như với thép ferritic/martensitic; xử lý nhiệt chủ yếu được sử dụng để giảm ứng suất, ủ dung dịch hoặc ổn định cacbua (bằng cách bổ sung Ti hoặc Nb).
• Xử lý nhiệt cơ: 301 thường được cán nguội để đạt được độ bền kéo và độ dẻo cao hơn thông qua quá trình làm cứng; 304 cũng sẽ cứng lại nhưng ở mức độ thấp hơn và vẫn giữ được độ dẻo cao hơn khi ủ.
• Ý nghĩa thực tiễn: Khả năng làm cứng khi làm việc (và tạo thành martensite trong một số điều kiện) của thép 301 được sử dụng cho các dải lò xo, khung ghế và các bộ phận tạo hình có độ bền cao; thép 304 được ưa chuộng khi cần độ ổn định về kích thước và khả năng chống ăn mòn đồng đều.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (điều kiện điển hình, ủ)	301 (tương đối)	304 (tương đối)
Độ bền kéo	Trung bình trong quá trình ủ; tăng đáng kể sau khi làm nguội	Tăng vừa phải đến cao hơn một chút khi ủ; tăng ít hơn khi làm việc nguội
Sức chịu lực	Thấp hơn khi ủ; tăng lớn sau khi tạo hình nguội	Vừa phải trong quá trình ủ; phản ứng làm cứng nhỏ hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt khi ủ nhưng giảm sau khi làm việc lạnh mạnh	Độ dẻo cao hơn thường thấy ở điều kiện ủ
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường; phụ thuộc vào thành phần và lịch sử công việc	Tốt ở nhiệt độ môi trường; thường ổn định trong mọi điều kiện
Độ cứng	Ít hơn khi ủ; có thể đạt độ cứng cao hơn nhiều sau khi làm nguội	Thấp hơn khi ủ; hạn chế làm cứng bằng phương pháp làm nguội so với 301

Giải thích: - 301 có thể đạt độ bền cao hơn 304 thông qua biến dạng nguội vì sự cân bằng hợp kim của nó (Ni thấp hơn, năng lượng lỗi xếp chồng hơi khác nhau) thúc đẩy sự tích tụ nhanh hơn của các sai lệch và, trong một số trường hợp, sự tích tụ martensite do biến dạng. Điều này tạo ra độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn sau khi tạo hình, rất có lợi cho các chi tiết lò xo và các chi tiết tạo hình có độ bền cao. - 304 vẫn giữ được độ dẻo dai đồng đều vượt trội và độ bền chắc hơn trong các ứng dụng đòi hỏi ít gia công nguội hoặc phải giữ biến dạng tạo hình ở mức thấp để duy trì khả năng chống ăn mòn hoặc độ hoàn thiện bề mặt.

5. Khả năng hàn

• Cả thép 301 và 304 đều dễ dàng hàn bằng các quy trình hàn thép không gỉ thông thường (TIG, MIG, hàn điện trở). Các yếu tố chính cần xem xét về khả năng hàn là hàm lượng cacbon (nguy cơ nhạy cảm), sự hiện diện của chất ổn định (Ti/Nb) và ứng suất dư.
• Cacbon và khả năng làm cứng: hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ nhạy cảm (kết tủa crom cacbua) ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt khi làm nguội chậm, đặc biệt đối với các loại có hàm lượng C cao hơn. Các biến thể có hàm lượng cacbon thấp (ví dụ: 304L, 301L) làm giảm nguy cơ này.
• Sử dụng chỉ số khả năng hàn:
• Lượng cacbon tương đương của IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Diễn giải $CE_{IIW}$ theo định tính: các giá trị cao hơn cho thấy nguy cơ nứt liên quan đến khả năng tôi luyện trong thép cao hơn; đối với thép không gỉ austenit, chỉ số này giúp xác định độ nhạy của khung mặc dù thép austenit thường có đặc tính khác với thép ferritic.
• Công thức Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Diễn giải $P_{cm}$ theo hướng định tính: các giá trị cao hơn cho thấy mối quan tâm lớn hơn đến hiện tượng nứt nguội và hành vi vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt hàn; đối với 301 và 304, các giá trị này thường thấp so với thép hợp kim cao, nhưng việc kiểm soát cacbon và lựa chọn vật liệu độn vẫn quan trọng.
• Hướng dẫn hàn thực tế:
• Sử dụng loại thép có hàm lượng carbon thấp hoặc ổn định cho mối hàn chống ăn mòn quan trọng hoặc cho các phần nặng có quá trình làm nguội chậm.
• Sử dụng chất độn có hàm lượng niken phù hợp hoặc cao hơn một chút cho các mối nối quan trọng dễ bị ăn mòn; đối với 301, hãy chọn chất độn duy trì được độ dẻo và khả năng chống ăn mòn sau khi gia công nguội và hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ:
• Crom cung cấp lớp màng thụ động; niken ổn định cấu trúc austenit và tăng khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua trong một số trường hợp.
• Sử dụng chỉ số PREN để đánh giá khả năng chống rỗ khi áp dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Lưu ý: PREN phù hợp nhất để đánh giá khả năng chống rỗ của các loại thép không gỉ hợp kim cao hơn (ví dụ: duplex, siêu austenit); 301 và 304 thường có điểm PREN thấp tương đối vì không loại nào chứa Mo.
• Khả năng chống ăn mòn so sánh:
• Thép 304 thường có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép 301 do có hàm lượng crom và niken cao hơn.
• Khi có nguy cơ rỗ clorua nghiêm trọng hoặc ăn mòn khe hở, cả 301 và 304 đều không lý tưởng; các loại có chứa Mo (ví dụ: 316) hoặc loại kép được ưu tiên.
• Các giải pháp thay thế không gỉ và bảo vệ bề mặt:
• Đối với thép không gỉ, người ta sử dụng các phương pháp như mạ kẽm, sơn hoặc phủ lớp mạ; những phương pháp này không áp dụng cho thép 301/304 nhưng có liên quan khi chi phí thay thế bắt buộc.
• Độ hoàn thiện bề mặt, gia công nguội và ứng suất dư ảnh hưởng đến hiệu suất ăn mòn. Gia công nguội nặng trên thép 301 có thể gây ra những thay đổi cục bộ về tính chất điện hóa; thụ động hóa sau khi tạo hình hoặc ủ có thể được sử dụng để phục hồi khả năng chống ăn mòn.

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

• Khả năng định hình:
• Thép 301 thường được chỉ định cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng kiểm soát độ đàn hồi cao và tăng cường độ bền sau khi tạo hình vì thép này có khả năng làm cứng mạnh; tuy nhiên, tạo hình mạnh có thể làm giảm độ dẻo và nguy cơ nứt nếu gia công quá mức.
• Thép 304 có khả năng định hình tuyệt vời trong điều kiện ủ, với đặc tính kéo giãn, kéo sâu và uốn cong tuyệt vời.
• Khả năng gia công:
• Cả hai đều có khả năng gia công tương đối kém so với thép cacbon; thép 301 có thể khó gia công hơn ở điều kiện làm việc nguội do độ cứng tăng lên.
• Việc lựa chọn dụng cụ, tốc độ cắt và chiến lược làm mát là rất quan trọng.
• Hoàn thiện bề mặt và hoàn thiện:
• Gia công nguội bằng thép 301 có thể gây biến dạng bề mặt hoặc tạo vết hằn do ứng suất; phương pháp đánh bóng và thụ động hóa thường được sử dụng để khôi phục lại vẻ ngoài và khả năng chống ăn mòn.
• 304 thường dễ hoàn thiện bề mặt thẩm mỹ hơn khi ủ.

8. Ứng dụng điển hình

301 (cách sử dụng thông thường)	304 (sử dụng điển hình)
Lò xo, khung ghế, viền ô tô, tấm đục lỗ khi cần độ bền sau khi tạo hình cao	Thiết bị chế biến thực phẩm, đồ dùng nhà bếp, tấm kiến ​​trúc, linh kiện nhà máy hóa chất, nơi khả năng chống ăn mòn là ưu tiên hàng đầu
Các thành phần cấu trúc được tạo hình nguội, các dải có độ bền cao	Các bộ phận kéo sâu, ốc vít, phụ kiện vệ sinh
Viền trang trí khi cần độ bền cao hơn sau khi tạo hình	Các thành phần thép không gỉ đa năng có khả năng hàn và chống ăn mòn tốt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 301 khi ưu tiên độ bền cao sau khi tạo hình nguội và độ nhạy về chi phí (Ni thấp hơn) và khi ứng dụng chấp nhận khả năng chống ăn mòn thấp hơn một chút hoặc khi các bộ phận sẽ được xử lý sau. - Chọn 304 khi hiệu suất chống ăn mòn đồng đều, khả năng định hình và khả năng ứng dụng rộng rãi trong dịch vụ vệ sinh hoặc kiến ​​trúc chiếm ưu thế.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 301 thường có chi phí hợp kim thấp hơn 304 do hàm lượng niken thấp hơn; điều này làm cho nó trở nên hấp dẫn ở những nơi mà độ nhạy về giá niken và độ bền khi tạo hình là ưu tiên hàng đầu.
• 304 đắt hơn 301 xét về hàm lượng hợp kim nhưng vẫn là một trong những loại thép không gỉ được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, cuộn, dải, thanh và ống hàn. 304 thường có phạm vi sản phẩm rộng hơn và độ sâu tồn kho lớn hơn do tính đa dụng của nó.
• Các biến thể đặc biệt hoặc sản phẩm có dung sai chặt chẽ có thể có thời gian giao hàng; hãy chỉ định chứng nhận nhà máy và hình thức sản phẩm ngay từ đầu khi mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	301	304
Khả năng hàn	Tốt; xem xét các biến thể C thấp hoặc ổn định cho các khớp quan trọng	Rất tốt; các biến thể C thấp cải thiện hành vi HAZ
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền ủ thấp hơn nhưng tiềm năng làm cứng cao → độ bền cao hơn sau khi làm nguội; độ dẻo dai có thể giảm khi làm nguội nhiều	Cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo trong điều kiện ủ; ít tăng hơn khi gia công nguội
Trị giá	Nói chung chi phí hợp kim thấp hơn (Ni thấp hơn)	Giá hợp kim cao hơn nhưng được cung cấp rộng rãi và đa dạng

Phần kết luận: - Chọn 301 nếu bạn cần độ bền cao hơn từ quá trình tạo hình nguội (ví dụ: lò xo, các bộ phận dập có độ bền cao), muốn giảm chi phí vật liệu bằng cách sử dụng hàm lượng niken thấp hơn và có thể quản lý bất kỳ phương pháp xử lý sau tạo hình cần thiết nào để duy trì hiệu suất chống ăn mòn. - Chọn 304 nếu yêu cầu chính là khả năng chống ăn mòn, độ dẻo dai ổn định, khả năng hàn rộng và khả năng ứng dụng cho mục đích chung—đặc biệt là đối với các ứng dụng thực phẩm, dược phẩm, kiến ​​trúc và nhiều ứng dụng dịch vụ hóa chất.

Nếu yêu cầu của dự án bao gồm tiếp xúc với clorua nghiêm trọng, hoạt động ở nhiệt độ cao hoặc khả năng chống rỗ nghiêm ngặt, hãy cân nhắc các loại hợp kim cao cấp hơn (ví dụ: 316, thép không gỉ hai lớp) thay vì lựa chọn giữa 301 và 304.