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

Giới thiệu

Thép không gỉ 304 và 202 là hai loại thép austenit phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các thị trường chế tạo, kiến ​​trúc, chế biến thực phẩm và hàng tiêu dùng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải cân nhắc giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, hiệu suất cơ học, khả năng hàn và chi phí đơn vị. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chỉ định vật liệu cho thiết bị tiếp xúc thực phẩm trong nhà, đường viền kiến ​​trúc hoặc các thành phần kết cấu, trong trường hợp hạn chế về ngân sách khiến việc lựa chọn nghiêng về các lựa chọn có hàm lượng niken thấp hơn.

Sự khác biệt chính giữa 304 và 202 nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: 304 sử dụng hàm lượng niken và crom tiêu chuẩn cao hơn để đảm bảo khả năng chống ăn mòn mạnh mẽ và cấu trúc vi mô austenit ổn định, trong khi 202 giảm hàm lượng niken (và tăng mangan và nitơ) để đạt được giải pháp thay thế chi phí thấp hơn với khả năng chống ăn mòn giảm đôi chút nhưng vẫn có độ bền tương đương. Sự đánh đổi này - chi phí vật liệu so với hiệu suất chống ăn mòn và hành vi quy trình - là động lực chính cho hầu hết các so sánh trực tiếp.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 304
• Các ký hiệu phổ biến: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301 (và 304L là 1.4306), JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Phân loại: Thép không gỉ Austenitic (không gỉ).

• Tiêu chuẩn điển hình: ASTM A240/A480 (tấm và lá), ASME SA240, loạt EN 10088.

• 202

• Tên gọi phổ biến: AISI 202, UNS S20200, EN (không được chuẩn hóa rộng rãi ở Châu Âu, thường được chỉ định theo tiêu chuẩn quốc gia), tương đương JIS SUS202 ở một số thị trường, GB 202.
• Phân loại: Thép không gỉ Austenitic (không gỉ), thường được bán trên thị trường dưới dạng thép austenitic có hàm lượng niken thấp.
• Tiêu chuẩn điển hình: Được sử dụng trong các sản phẩm dạng tấm/cuộn và định hình; có các phạm vi thông số kỹ thuật độc quyền ở các khu vực khác nhau.

Cả hai loại thép này đều là thép không gỉ (chống ăn mòn) 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 thể hiện thành phần danh nghĩa hoặc phạm vi thường được trích dẫn (% khối lượng) cho các loại thép rèn thương mại. Giá trị thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhiệt độ; hãy sử dụng chứng chỉ nhà máy liên quan để mua hàng.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt %)	202 (phạm vi điển hình, wt %)
C	≤ 0,08	≤ 0,15
Mn	≤ 2.0	5,5 – 7,5
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,06
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0 – 20,0	17,0 – 19,0
Ni	8,0 – 10,5	4.0 – 6.0
Mo	≤ 0,08	≤ 0,20
V	dấu vết/không có	dấu vết/không có
Nb (Cb)	thường là không có	thường là không có
Ti	thường là không có	thường là không có
B	dấu vết	dấu vết
N	≤ 0,10	lên đến ~0,25–0,45 (thay đổi)

Quá trình hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) tạo lớp màng oxit thụ động và khả năng chống ăn mòn nói chung; cả hai loại đều có hàm lượng Cr tương tự nhau. - Niken (Ni) ổn định pha austenit và tăng khả năng định hình và chống ăn mòn; 304 có hàm lượng Ni cao hơn đáng kể so với 202. - Mangan (Mn) và nitơ (N) trong 202 được sử dụng để ổn định austenit thay thế một số niken và tăng cường độ bằng cách gia cường bằng dung dịch rắn. - Carbon ảnh hưởng đến độ bền và nguy cơ nhạy cảm; 202 thường có giới hạn carbon cao hơn một chút. Các biến thể carbon thấp hơn (ví dụ: 304L) được sử dụng để giảm nhạy cảm trong quá trình hàn. - Các nguyên tố và tạp chất nhỏ (P, S) ảnh hưởng đến khả năng gia công và ăn mòn cục bộ.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình (đã chế tạo)
• Cả 304 và 202 đều chủ yếu là austenit (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Độ ổn định của austenit phụ thuộc vào hàm lượng Ni, Mn và N.
• 202 có hàm lượng Mn/N cao hơn và Ni thấp hơn; austenit của nó có thể kém ổn định hơn một chút ở nhiệt độ cao và trong quá trình gia công nguội mạnh, nhưng vẫn giữ nguyên trạng thái austenit ở nhiệt độ phòng đối với các thành phần tiêu chuẩn.

• Hàm lượng ferit delta rất nhỏ trong các thành phần này khi làm mát thông thường; một số quy trình xử lý có thể tạo ra các thành phần ferit nhỏ.

• Phản ứng với các phương pháp xử lý nhiệt/cơ học thông thường

• Ủ (xử lý dung dịch): Thông thường ở cả hai loại thép ở nhiệt độ ~1000–1150 °C, sau đó làm nguội nhanh để hòa tan cacbua và thiết lập lại cấu trúc vi mô. Cả hai đều lấy lại độ dẻo và khả năng chống ăn mòn sau khi ủ dung dịch.
• Gia công nguội (cán, kéo, uốn): Cả hai đều cứng lại khi gia công nguội; 202, do có hàm lượng Mn và N cao hơn, thường đạt được mức độ bền cao hơn sau khi gia công nguội ở cùng một mức biến dạng.
• Lão hóa/kết tủa: Thép không gỉ austenit không được làm cứng bằng phương pháp tôi và ram truyền thống; tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ trong khoảng 400–850 °C có thể gây ra các pha giòn (cacbua, pha sigma) làm giảm độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn—thép 304 có khả năng chống kết tủa liên kim loại tốt hơn do hàm lượng Ni cao hơn.
• Chuẩn hóa/làm nguội & ram: Không áp dụng làm phương pháp gia cường cho các loại thép không gỉ austenit; chúng không phản ứng với quá trình làm cứng martensitic như thép cacbon.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi đại diện cho các dạng sản phẩm rèn, ủ (tấm, tấm hoặc cuộn cán nguội). Tính chất thực tế phụ thuộc vào quá trình gia công nguội, độ dày và xử lý nhiệt.

Tài sản	304 (ủ, điển hình)	202 (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~500 – 700	~520 – 760
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~200 – 350	~240 – 420
Độ giãn dài (%)	~40 – 60	~30 – 50
Độ bền va đập (năng lượng khía, định tính)	Tốt, gãy dẻo	Thông thường tốt nhưng có thể thấp hơn sau khi làm việc lạnh
Độ cứng (HRB hoặc HV)	~70 – 95 HRB (đã ủ)	Cao hơn một chút so với mức trung bình do xu hướng làm việc cứng lại

Giải thích: - Thép 202 có xu hướng đạt được độ bền cao hơn—đặc biệt là sau khi gia công nguội—do hàm lượng Mn và N trong dung dịch rắn cao hơn. Giới hạn chảy và độ bền kéo của thép 202 thường cao hơn trong điều kiện tương đương. - 304 thường có độ dẻo cao hơn và độ dai được giữ lại tốt hơn sau khi tiếp xúc với nhiệt hoặc hàn do hàm lượng Ni cao hơn và độ ổn định austenit cao hơn. - Việc lựa chọn nên xem xét đến điều kiện cung cấp: thép 304 gia công nguội có thể bền hơn thép 202 ủ, nhưng thép 202 gia công nguội thường bền hơn thép 304 gia công tương tự.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ austenit nhìn chung là tốt, nhưng độ nhạy phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, hợp kim ảnh hưởng đến khả năng làm cứng và khả năng bị ăn mòn giữa các hạt.

Công thức chính được sử dụng để đánh giá rủi ro về khả năng hàn (diễn giải theo hướng định tính):

• Đương lượng cacbon (phương pháp IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Chỉ số $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện tăng lên và nguy cơ nứt tiềm ẩn ở một số loại thép; đối với thép không gỉ austenit, các nguyên tố này được sử dụng khác nhau, nhưng công thức đưa ra khái niệm so sánh.

• Số tương đương khả năng chống rỗ (đối với ăn mòn chứ không phải nứt mối hàn): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• Pcm (chỉ số khả năng hàn được sử dụng nhiều hơn cho thép cacbon, nhưng hữu ích về mặt khái niệm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính cho 304 so với 202: - 304 thường thể hiện khả năng hàn rất tốt với các kim loại hàn tiêu chuẩn (ví dụ: 308L cho 304) và nguy cơ nứt nóng và giòn sau hàn thấp khi áp dụng đúng quy trình. Kiểm soát cacbon (304L) được sử dụng khi lo ngại về nhạy cảm. - 202 mối hàn có thể chấp nhận được bằng các phương pháp thông thường, nhưng hàm lượng Ni giảm sẽ làm tăng nguy cơ gặp một số vấn đề liên quan đến mối hàn, chẳng hạn như độ dẻo giảm nhẹ ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt và khả năng dễ bị ăn mòn cục bộ ở một số dạng trong môi trường khắc nghiệt. - Vệ sinh trước và sau khi hàn, lựa chọn vật liệu hàn phù hợp và tránh tiếp xúc lâu với nhiệt độ nhạy cảm là những biện pháp kiểm soát tiêu chuẩn. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy thực hiện kiểm tra quy trình hàn và thử nghiệm ăn mòn trên các cụm hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ
• Cả 304 và 202 đều dựa trên lớp màng oxit thụ động giàu crom để chống ăn mòn. 304, với hàm lượng niken cao hơn, thường có khả năng chống ăn mòn tổng thể vượt trội, hiệu suất tốt hơn trong môi trường có chứa clorua và khả năng định hình tốt hơn mà không bị nứt bề mặt có thể làm giảm khả năng thụ động.

• Thép 202 có khả năng chống ăn mòn chấp nhận được đối với nhiều môi trường trong nhà và môi trường ăn mòn nhẹ (viền trang trí, thiết bị trong nhà, linh kiện HVAC), nhưng không được khuyến khích sử dụng trong môi trường giàu clorua (ven biển, biển, dòng quy trình có clo) trong đó thép 304 hoặc các loại hợp kim cao hơn được ưa chuộng hơn.

• Sử dụng PREN (nếu có)

• Để đánh giá tình trạng ăn mòn rỗ, hãy sử dụng: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$

• PREN thường được áp dụng cho các loại thép duplex và austenit chứa Mo và N cao; điều này sẽ minh họa tại sao 304 (Mo thấp, N thấp) và 202 (Mo thấp, N vừa phải) đều bị hạn chế trong môi trường clorua khắc nghiệt.

• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ (không áp dụng ở đây)

• Nếu thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu mạ kẽm hoặc sơn, hãy lưu ý rằng đây là những chiến lược riêng biệt được sử dụng cho thép không gỉ; đối với thép không gỉ, hoàn thiện bề mặt và xử lý thụ động là những phương pháp bảo vệ chính.

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

• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• 304 có khả năng định hình tuyệt vời, khả năng kéo sâu và đặc tính đàn hồi nhờ hàm lượng Ni cao hơn và austenit ổn định—được ưa chuộng khi cần tạo hình phức tạp.

• Có thể tạo hình 202 nhưng có tốc độ làm cứng cao hơn; khuôn và dụng cụ phải thích ứng với lực tạo hình tăng lên và có thể cần chu kỳ ủ thường xuyên hơn để tạo hình bán kính hẹp.

• Khả năng gia công:

• Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon. Độ bền cao hơn và xu hướng làm cứng của thép 202 khiến việc gia công trở nên khó khăn hơn một chút so với thép 304; tuy nhiên, vì thép 202 thường chứa giới hạn lưu huỳnh cao hơn trong một số biến thể thương mại (cải thiện khả năng gia công) nên kết quả thực tế phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của sản phẩm.

• Sử dụng dụng cụ thích hợp (lưỡi dao cacbua, góc nghiêng dương cao), chất làm mát và tốc độ/bước tiến dao vừa phải để có kết quả đồng nhất.

• Hoàn thiện bề mặt:

• Cả phương pháp đánh bóng, tẩy chua và thụ động hóa đều là tiêu chuẩn. 304 chấp nhận các lớp hoàn thiện thông thường (2B, BA, Số 4) với kết quả có thể dự đoán được; 202 có thể cho thấy hành vi khắc hơi khác một chút và cần chú ý để duy trì vẻ ngoài đồng nhất trong các ứng dụng trang trí.

8. Ứng dụng điển hình

304 (sử dụng điển hình)	202 (sử dụng điển hình)
Thiết bị chế biến thực phẩm, bồn rửa và đồ dùng nhà bếp	Vật liệu trang trí, các yếu tố kiến ​​trúc trong nhà, các thành phần gia dụng giá rẻ
Thiết bị xử lý hóa chất trong môi trường ăn mòn nhẹ	Tấm thang máy, tấm ốp bên trong, ống không quan trọng và ốc vít
Bộ trao đổi nhiệt, ứng dụng đông lạnh, phụ kiện vệ sinh	Các bộ phận chế tạo đa năng trong đó ràng buộc về chi phí là chính
Các loại ốc vít và phụ kiện cần khả năng chống ăn mòn tốt hơn	Đồ nấu nướng giá rẻ bên ngoài, ống dẫn HVAC (môi trường không ăn mòn)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi cần khả năng chống ăn mòn, độ bền lâu dài trong điều kiện ẩm ướt hoặc môi trường khắc nghiệt nhẹ hoặc cần lắp ráp/hàn nhiều. - Chọn 202 khi chi phí vật liệu ban đầu là hạn chế chính và môi trường không có tác động mạnh (trong nhà, không khí được kiểm soát) và có thể chấp nhận được cường độ cao hơn với chi phí thấp hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá
• 202 thường rẻ hơn 304 tính theo kilôgam vì nó thay thế một phần hàm lượng niken bằng mangan và nitơ. Niken là một nguyên tố hợp kim có giá thành cao, vì vậy các loại có hàm lượng Ni thấp hơn thường được tiếp thị như những lựa chọn thay thế tiết kiệm hơn.

• Giá thị trường biến động theo giá trị hàng hóa niken và phế liệu thép không gỉ; mức chênh lệch giá tương đối của 304 có thể tăng đáng kể trong thời kỳ giá niken cao.

• Khả dụng

• 304 phổ biến trên toàn cầu ở dạng tấm, cuộn, tấm, thanh, ống và ốc vít. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với các dạng sản phẩm tiêu chuẩn.
• Thép 202 được cung cấp rộng rãi trên nhiều thị trường cho thép tấm và thép cuộn nhưng có thể ít phổ biến hơn ở dạng sản phẩm đặc biệt hoặc tiêu chuẩn quốc tế cụ thể. Vui lòng xác nhận tình trạng sẵn có cho các đơn hàng số lượng lớn hoặc kích thước đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Loại	304	202
Khả năng hàn	Tuyệt vời với các quy trình tiêu chuẩn; giảm nguy cơ nhạy cảm khi sử dụng 304L	Tốt nhưng cần kiểm soát quy trình; nguy cơ giảm độ dẻo của vùng HAZ cao hơn trong một số trường hợp
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt; độ bền vừa phải	Độ bền khi gia công cao hơn; độ dẻo dai có thể thấp hơn sau khi gia công nguội nặng
Trị giá	Cao hơn (do hàm lượng Ni)	Thấp hơn (Ni-khử, thay thế Mn/N)
Khả năng chống ăn mòn	Khả năng chống clorua và tổng thể tốt hơn	Phù hợp với môi trường trong nhà/nhẹ; không phù hợp với môi trường tiếp xúc với clorua mạnh
Khả năng định hình	Tuyệt vời (ưu tiên cho bản vẽ sâu)	Tốt nhưng độ cứng cao hơn; cần chú ý đến dụng cụ

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 304 nếu khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình vượt trội, tính sẵn có toàn cầu và độ bền lâu dài trong môi trường ít khắc nghiệt là những yếu tố quan trọng. Đây là lựa chọn an toàn hơn cho các ứng dụng tiếp xúc với thực phẩm, vệ sinh và tiếp xúc với biển/biển. - Chọn 202 nếu chi phí vật liệu ban đầu là yếu tố chính, môi trường làm việc an toàn (trong nhà, không chứa clorua) và chấp nhận cường độ xây dựng cao hơn hoặc hàm lượng niken thấp hơn. Xác nhận thông số kỹ thuật của nhà cung cấp về N, Mn và S để đảm bảo khả năng gia công và độ hoàn thiện bề mặt theo yêu cầu.

Lưu ý cuối cùng: Luôn ghi rõ hình dạng sản phẩm, bề mặt hoàn thiện, tình trạng cơ học (ủ hay gia công nguội) và tiêu chuẩn áp dụng trên đơn đặt hàng. Đối với mối hàn và các bộ phận quan trọng, hãy thực hiện kiểm định quy trình hàn và, nếu khả năng chống ăn mòn là mối quan tâm về an toàn hoặc vòng đời, hãy thực hiện thử nghiệm ăn mòn theo ứng dụng cụ thể thay vì chỉ dựa vào so sánh cấp độ chung.