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

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa 304 và 204Cu là một vấn đề nan giải thường gặp về mua sắm và thiết kế đối với các kỹ sư và nhà hoạch định sản xuất: nên trả tiền cho hàm lượng niken cao hơn và lịch sử lâu dài của 304, hay nên chọn một giải pháp thay thế có hàm lượng niken thấp hơn, chứa đồng, có thể cắt giảm chi phí vật liệu mà vẫn bảo toàn các đặc tính quan trọng? Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm sự đánh đổi giữa ăn mòn và chi phí, khả năng hàn và hiệu suất sau hàn, và liệu các yêu cầu gia công nguội hoặc tạo hình có làm thay đổi giới hạn cường độ hiệu dụng hay không.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là 204Cu là thép không gỉ austenit chứa đồng, tiết kiệm chi phí, được thiết kế để giảm hàm lượng niken trong khi sử dụng đồng (và đôi khi là nitơ/mangan) để tăng cường độ bền dung dịch rắn và kết tủa. 304 là thép không gỉ austenit thông thường với hàm lượng niken cao hơn, cho austenit ổn định và khả năng chống chịu môi trường rộng. Hai loại thép này được so sánh vì chúng cùng thuộc một nhóm thép không gỉ austenit nhưng áp dụng các chiến lược hợp kim khác nhau (niken so với đồng/mangan/nitơ) để đáp ứng các mục tiêu thiết kế.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 304:
• Các chỉ định phổ biến: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Phân loại: Thép không gỉ Austenitic (thép không gỉ đa dụng).
• Được bao phủ bởi các tiêu chuẩn như ASTM A240/A480 (tấm/lá/thanh), ASME SA240, EN 10088.
• 204Cu:
• Tên gọi thông thường: UNS S20430, thường được gọi là Loại 204Cu trong tài liệu thương mại; kiểm tra các tiêu chuẩn tương đương tại địa phương.
• Phân loại: Thép không gỉ Austenit, ít niken, hợp kim đồng, thường được chỉ định là giải pháp thay thế tiết kiệm hơn cho thép 304.
• Được bao phủ bởi nhiều thông số kỹ thuật thương mại khác nhau và một số mẫu ASTM; tính khả dụng và phạm vi tiêu chuẩn có thể không phổ biến bằng 304—hãy xác minh tiêu chuẩn sản phẩm cụ thể cho từng mẫu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây tóm tắt các phạm vi thành phần điển hình được sử dụng trong thương mại. Đây là các phạm vi đại diện được rút ra từ các thông số kỹ thuật chung; luôn xác nhận thành phần chính xác trong thông số kỹ thuật mua hàng.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt%)	204Cu (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2,0	~1,5–3,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0–20,0	~18,0–19,0
Ni	8,0–10,5	~3,5–5,0
Mo	0	0
V	dấu vết	dấu vết
Nb (Cb)	không có	không có
Ti	không có	không có
B	dấu vết	dấu vết
N	≤ 0,10	~0,03–0,20
Cu	~0	~1.0–3.0

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Niken (Ni) ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn—đặc biệt là trong môi trường clorua—và tăng khả năng tạo hình. Hàm lượng Ni cao hơn của 304 mang lại cho austenit ổn định mà không cần phụ thuộc vào hàm lượng Mn/N cao. - Đồng (Cu) trong 204Cu cung cấp khả năng gia cường dung dịch rắn và cải thiện khả năng chống chịu trong một số môi trường axit (ví dụ, axit sunfuric) và có thể tăng cường khả năng chống lại một số dạng ăn mòn cục bộ hoặc bám bẩn sinh học trong các điều kiện cụ thể. - Nitơ (N) và mangan (Mn) được sử dụng trong hợp kim Ni thấp để ổn định austenit và tăng cường độ nhờ hiệu ứng dung dịch xen kẽ và lão hóa ứng suất. - Crom (Cr) có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn thông qua quá trình hình thành lớp màng thụ động; cả hai loại đều có hàm lượng Cr tương đương nhau.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cả 304 và 204Cu đều là austenit hoàn toàn trong điều kiện ủ khi đạt được các giới hạn hóa học quy định. Cấu trúc vi mô thường là austenit đẳng trục với một lượng nhỏ ferit có thể có, tùy thuộc vào thành phần và quá trình làm nguội.
• Phản hồi xử lý:
• Ủ (ủ dung dịch) ở nhiệt độ austenit hóa danh nghĩa sau đó làm nguội nhanh sẽ tạo ra austenit dẻo, chống ăn mòn cho cả hai cấp.
• Làm nguội làm tăng mật độ sai lệch và tăng độ bền trong khi giảm độ dẻo. 204Cu thường đạt tốc độ làm cứng cao hơn do tác động kết hợp của Cu và N, do đó, mức độ làm nguội tương đương có thể tạo ra độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn 304.
• Thường hóa thường không được sử dụng cho thép không gỉ austenit; các chu trình tôi và ram thông thường được sử dụng trong hợp kim ferritic/HSLA không áp dụng được. Cả hai loại thép đều không thể tôi cứng bằng phương pháp tôi nhiệt thông thường; độ bền được đạt được bằng cách gia công nguội và hiện tượng kết tủa nhỏ.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán, làm nguội có kiểm soát) ảnh hưởng đến kích thước và kết cấu hạt; cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình xử lý có kiểm soát để điều chỉnh khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các đặc tính hiệu suất so sánh trong điều kiện thường được cung cấp (ủ/xử lý dung dịch). Giá trị chính xác thay đổi tùy theo dạng sản phẩm, phương pháp gia công nguội và nhà cung cấp.

Tài sản	304 (ủ)	204Cu (ủ/hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Độ bền kéo dẻo cân bằng tốt	Tương đương với mức thấp hơn một chút hoặc tương tự; có thể tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ lạnh
Sức chịu lực	Độ dẻo vừa phải, tốt	Năng suất cao hơn một chút trong một số điều kiện do dung dịch rắn Cu/N được tăng cường
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo cao (khả năng định hình tuyệt vời)	Nói chung là cao nhưng thấp hơn một chút so với 304 ở mức độ làm việc lạnh tương đương
Độ bền va đập	Rất tốt ở nhiệt độ phòng	Rất tốt ở nhiệt độ phòng; tương đương với 304
Độ cứng	Trung bình (mềm khi ủ)	Độ cứng tiềm năng cao hơn một chút sau khi tôi luyện

Giải thích - 304 thể hiện sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo với độ dai tuyệt vời nhờ hàm lượng niken cao hơn và austenit ổn định. - 204Cu sử dụng đồng và nitơ/mangan để gia cường; điều này giúp nó có thể đạt được mức độ chịu kéo tương tự khi gia công nguội và trong một số điều kiện ủ có thể cho thấy hiệu suất cao hơn một chút. Độ dẻo vẫn tốt nhưng có thể giảm nhẹ so với 304 ở mức độ gia công tương tự.

5. Khả năng hàn

• Điểm chung:
• Cả hai loại thép này thường được hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Đối với các đoạn hàn mỏng, thường không cần gia nhiệt trước.
• Giới hạn cacbon thấp hơn giúp tránh kết tủa cacbua và nhạy cảm trong quá trình làm nguội chậm, nhưng việc kiểm soát quy trình hàn vẫn quan trọng đối với các bộ phận quan trọng dễ bị ăn mòn.
• Tác dụng của thành phần:
• Hàm lượng Ni cao hơn của thép 304 giúp thép này dễ xử lý cấu trúc vi mô của mối hàn và giảm nguy cơ nứt đông đặc trong nhiều điều kiện.
• Hợp kim 204Cu có hàm lượng Ni thấp hơn và hàm lượng Mn/Cu/N cao hơn, có thể thay đổi chế độ đông đặc và khả năng nứt nóng; một số kim loại hàn và thông số hàn có thể cần được điều chỉnh. Sử dụng vật liệu hàn phù hợp hoặc vật liệu hàn loại 308/309L tùy thuộc vào ứng dụng và khả năng chống ăn mòn yêu cầu.
• Chỉ số độ cứng và chỉ số tương đương cacbon:
• Để giải thích định tính về khả năng hàn, hãy sử dụng các chỉ số như: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Diễn giải: $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy xu hướng cứng và nứt tăng lên trong quá trình hàn và có thể cần xử lý nhiệt trước/sau khi hàn hoặc làm nguội có kiểm soát. Hàm lượng Ni thấp hơn nhưng hàm lượng Cu và Mn cao hơn của 204Cu sẽ làm thay đổi các chỉ số so với 304; về mặt định tính, 204Cu có thể hàn thành công nhưng cần các quy trình đủ tiêu chuẩn và chú ý đến việc lựa chọn vật liệu hàn và làm sạch sau khi hàn.
• Lưu ý thực tế: khi hàn 204Cu trong các ứng dụng quan trọng về chống ăn mòn, hãy xác định quy trình hàn và kiểm tra hiệu suất chống ăn mòn của mối hàn; lựa chọn vật liệu hàn thường chọn vật liệu hàn có chứa Ni để duy trì hiệu suất chống ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ:
• Cả hai hợp kim đều dựa vào lớp màng thụ động giàu crom để chống ăn mòn trong môi trường khí quyển và nhiều môi trường nước.
• 304 là loại thép không gỉ đa dụng đã được chứng minh có khả năng chống oxy hóa tốt trong môi trường, chế biến thực phẩm và nhiều loại hóa chất. Tuy nhiên, khả năng chống chịu của nó không bằng các loại thép chứa Mo (ví dụ: 316) trong môi trường clorua/rỗ.
• Vai trò của đồng:
• Đồng trong 204Cu có thể cải thiện khả năng chống lại một số axit khử (đặc biệt là axit sulfuric) và có thể giúp chống bám bẩn sinh học trong các điều kiện vận hành cụ thể. Tuy nhiên, đồng không thể thay thế molypden về khả năng chống rỗ trong môi trường clorua.
• Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN):
• Để xếp hạng pit, PREN thường được sử dụng: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Diễn giải: Vì cả 304 và 204Cu đều thiếu Mo, nên giá trị PREN ở mức khiêm tốn; nitơ trong 204Cu có thể làm tăng PREN đôi chút, nhưng PREN vẫn thấp hơn đáng kể so với thép không gỉ hợp kim Mo. PREN hữu ích nhất để so sánh các hợp kim có Mo; đối với các loại thép chứa Cu, PREN cung cấp thông tin hạn chế về tính axit.
• Bảo vệ bề mặt cho các thành phần không phải thép không gỉ:
• Nếu các thành phần không phải thép không gỉ (không áp dụng ở đây), các biện pháp bảo vệ thông thường bao gồm mạ kẽm, sơn hoặc phủ lớp chuyển đổi. Đối với 304/204Cu, các biện pháp bảo vệ thông thường là hoàn thiện bề mặt, thụ động hóa và vệ sinh phù hợp.

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

• Tạo hình và uốn cong:
• 304 có khả năng định hình tuyệt vời và đặc tính kéo sâu trong điều kiện ủ.
• 204Cu cũng có thể định hình được, nhưng vì nó dễ cứng lại nên độ đàn hồi và lực cần thiết có thể cao hơn đối với các biến dạng tương đương.
• Khả năng gia công:
• Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon do quá trình tôi cứng và độ dẫn nhiệt thấp. 204Cu có thể gia công tương tự hoặc tốt hơn 304 trong một số điều kiện nhất định do sự khác biệt về hợp kim, nhưng cần lựa chọn dụng cụ và vật liệu gia công cho thép không gỉ austenit.
• Hoàn thiện:
• Cả hai đều đạt được độ hoàn thiện bề mặt tốt với các quy trình hoàn thiện tiêu chuẩn (mài, đánh bóng). Hàm lượng đồng có thể ảnh hưởng nhẹ đến màu sắc ở một số lớp hoàn thiện, nhưng thường không phải là vấn đề thực tế.
• Chế tạo hàn:
• Cả hai loại đều cần phải lựa chọn cẩn thận kim loại hàn, nhiệt độ giữa các lớp hàn và thiết kế mối nối để tránh biến dạng và duy trì khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

304 (sử dụng phổ biến)	204Cu (sử dụng phổ biến)
Thiết bị chế biến thực phẩm, đồ dùng nhà bếp, bồn rửa, đồ gia dụng	Linh kiện thiết bị nhạy cảm với chi phí, viền trang trí, viền nội/ngoại thất ô tô
Ốp kiến ​​trúc và kết cấu, lan can	Các thành phần chống ăn mòn chung sử dụng thép 304 nhưng giá thành giảm là hấp dẫn
Bộ trao đổi nhiệt, bồn chứa, đường ống trong dịch vụ không có hàm lượng clorua cao	Bộ trao đổi nhiệt và phụ kiện trong một số dịch vụ có tính axit (sulfuric) trong đó Cu mang lại lợi ích
Chốt, lò xo (một số biến thể)	Các thành phần đòi hỏi độ bền cao hơn sau khi gia công nguội và khả năng chống ăn mòn vừa phải

Cơ sở lựa chọn - Chọn 304 khi cần một hợp kim đã được chứng minh, tiêu chuẩn hóa rộng rãi với khả năng chống ăn mòn được ghi chép đầy đủ và có sẵn rộng rãi—đặc biệt là đối với thực phẩm, vệ sinh và nhiều ứng dụng kiến ​​trúc. - Chọn 204Cu khi chi phí mua sắm là yếu tố thúc đẩy đáng kể, khi việc giảm niken là mong muốn và khi môi trường dịch vụ dự kiến ​​ở mức trung bình (không tiếp xúc với rỗ/clorua nghiêm trọng) hoặc đặc biệt tương thích với các lợi ích của Cu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 204Cu được thiết kế để giảm hàm lượng niken và do đó có thể rẻ hơn 304 khi giá niken cao. Lợi thế về chi phí gắn liền với giá thị trường của Ni và Cu.
• 304 có giá cả và chuỗi cung ứng ổn định, được thiết lập tốt; thường có thể dự đoán được hơn trong quá trình mua sắm dài hạn.
• Khả dụng:
• 304 là một trong những loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu và được cung cấp dưới nhiều dạng sản phẩm (tấm, cuộn, tấm, thanh, ống, dây).
• 204Cu ngày càng được cung cấp dưới dạng tấm, cuộn và một số dạng thanh/ống nhưng có thể không được dự trữ phổ biến ở mọi khu vực hoặc dạng sản phẩm; thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu cần được kiểm tra với nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Hệ mét	304	204Cu
Khả năng hàn	Tuyệt vời, dễ hiểu; dễ tha thứ	Tốt với các quy trình đủ tiêu chuẩn; lựa chọn chất làm đầy quan trọng
Sức mạnh – Độ dẻo dai	Độ bền cân bằng và độ dẻo dai cao; độ dẻo tuyệt vời	Độ bền kéo tương đương, năng suất cao hơn một chút khi gia công nguội; độ dẻo dai rất tốt
Trị giá	Nguồn cung vừa phải, giá tốt và ổn định	Chi phí vật liệu tiềm năng thường thấp hơn khi Ni đắt; nguồn cung thay đổi

Sự giới thiệu - Chọn 304 nếu: - Bạn cần một loại hợp kim đã được thiết lập tốt, tiêu chuẩn hóa rộng rãi với hiệu suất chống ăn mòn đã được chứng minh trong ứng dụng chung, đặc biệt là đối với thực phẩm, vệ sinh hoặc kiến ​​trúc ngoài trời trong thời gian dài. - Ưu tiên hàng đầu là đảm bảo tính sẵn có toàn cầu và khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu. - Bạn thích một mối hàn dễ hàn và cửa sổ chế tạo có nhiều lựa chọn về kim loại và quy trình hàn.

• Chọn 204Cu nếu:
• Việc giảm hàm lượng niken và chi phí vật liệu là rất quan trọng, và môi trường dịch vụ phải ở mức vừa phải (không bị rỗ clorua nghiêm trọng) hoặc được hưởng lợi từ hành vi điện hóa của đồng (ví dụ, một số dịch vụ axit).
• Bạn mong đợi quá trình gia công nguội đáng kể hoặc mong muốn năng suất gia công cao hơn một chút.
• Bạn đã chuẩn bị đủ điều kiện cho các quy trình hàn và xác nhận tình trạng cung ứng cho mẫu sản phẩm yêu cầu.

Lưu ý cuối cùng: cả hai hợp kim đều là thép không gỉ austenit với khả năng chồng chéo. Lựa chọn tối ưu phụ thuộc vào môi trường ăn mòn cụ thể, kế hoạch tạo hình/hàn, mục tiêu chi phí và các cân nhắc về chuỗi cung ứng. Đối với các thông số kỹ thuật hoặc linh kiện quan trọng, cần yêu cầu nhà cung cấp chứng nhận thành phần và thử nghiệm cơ học, đồng thời thực hiện các thử nghiệm ăn mòn hoặc hàn cụ thể theo ứng dụng nếu cần.