304 so với 204Cu – 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 đánh đổi khi lựa chọn giữa thép không gỉ austenit đã được sử dụng rộng rãi như 304 và các lựa chọn thay thế có hàm lượng niken thấp hơn như 204Cu. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm cân bằng khả năng chống ăn mòn với chi phí vật liệu, lựa chọn khả năng hàn và khả năng định hình tối ưu cho chế tạo, và lựa chọn mức độ bền phù hợp cho các kết cấu chịu lực hoặc mỏng.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim: thép 304 dựa vào hàm lượng niken cao hơn để ổn định austenit và mang lại khả năng chống ăn mòn và tạo hình rộng, trong khi thép 204Cu giảm hàm lượng niken và sử dụng hợp kim thay thế — đáng chú ý là hàm lượng mangan cao hơn và đồng bổ sung — để duy trì austenit và tăng cường độ. Sự khác biệt này dẫn đến sự khác biệt về hiệu suất chống ăn mòn, tính chất cơ học, khả năng hàn và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 304: Các tên gọi phổ biến bao gồm UNS S30400 / S30403 (304L), EN 1.4301 (304), ASTM A240 / A276 / A312 (thay đổi tùy theo dạng sản phẩm), JIS SUS304.
• Thể loại: Thép không gỉ Austenit (dùng cho mục đích chung).
• 204Cu: Các ký hiệu phổ biến bao gồm UNS S20430 (đôi khi được liệt kê là AISI 204Cu trong tài liệu của nhà cung cấp); các ký hiệu EN/JIS tương đương có thể không được chuẩn hóa trên tất cả các nhà cung cấp.
• Thể loại: Thép không gỉ Austenit, hàm lượng niken thấp, chứa đồng (được thiết kế như một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí hơn cho dòng 300).

Lưu ý: Số lượng tiêu chuẩn chính xác và dạng sản phẩm có sẵn (tấm, cuộn, thanh, ống) tùy thuộc vào khu vực và nhà cung cấp; hãy xác minh tiêu chuẩn áp dụng cho hoạt động mua sắm quan trọng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Phạm vi thành phần điển hình được hiển thị bên dưới. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn hoặc nhà cung cấp; bảng này cung cấp phạm vi danh nghĩa tiêu biểu được sử dụng trong thực tiễn thương mại.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt%)	204Cu (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2.0	~5,5 – 7,5
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0 – 20,0	18,5 – 20,0
Ni	8,0 – 10,5	~3,5 – 5,0
Mo	≤ 0,25 (vết)	≤ 0,25 (thường không có)
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
Cu	≤ 0,50 (vết)	~1.0 – 2.0
N	≤ 0,10	lên đến ~0,20 (thay đổi tùy theo sản phẩm)

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Niken là chất ổn định austenit cổ điển và mang lại cho thép 304 độ dẻo, độ bền và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong nhiều môi trường. - Trong 204Cu, quá trình khử niken được bù đắp bằng hàm lượng mangan cao hơn và nitơ được kiểm soát; đồng được thêm vào để hỗ trợ tính ổn định của austenit và tăng cường độ thông qua hiệu ứng dung dịch rắn/gia công nguội và để giảm thiểu một số chế độ nứt. - Hàm lượng crom trong cả hai loại đều cung cấp khả năng thụ động cơ bản và khả năng chống rỗ; sự thiếu hụt Mo hạn chế tính phù hợp trong môi trường có nhiều clorua hoặc khe hở so với các loại có chứa Mo. - Hàm lượng Mn và N cao hơn làm thay đổi độ cứng khi làm việc và độ bền cơ học; đồng làm thay đổi hành vi cơ học và có thể cải thiện khả năng chống lại một số chế độ nứt ăn mòn ứng suất clorua nhưng không thay thế được hiệu suất ăn mòn rộng của hợp kim niken cao hơn trong điều kiện khắc nghiệt.

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

• 304: Cấu trúc vi mô điển hình là hoàn toàn austenit (pha γ) sau khi ủ dung dịch chuẩn (khoảng 1000–1100 °C, làm nguội nhanh). Không thể tôi cứng bằng phương pháp tôi/ram nhiệt (không có chuyển biến martensitic khi làm nguội), nhưng có thể gia cường đáng kể bằng phương pháp gia công nguội, giúp tăng mật độ lệch và tăng cường độ bền kéo/giới hạn chảy.
• 204Cu: Cũng được thiết kế để trở thành austenit trong điều kiện ủ. Hàm lượng Mn và Cu cao cùng với khả năng bổ sung N giúp ổn định austenit mà không cần hàm lượng Ni cao. Cấu trúc vi mô trong quá trình xử lý tiêu chuẩn là austenit nhưng có xu hướng làm cứng cao hơn. Đồng vẫn ở dạng dung dịch rắn và có thể thay đổi đôi chút năng lượng đứt gãy xếp chồng và tương tác lệch vị trí.
• Các phương pháp xử lý nhiệt:
• Ủ và làm nguội bằng dung dịch: Khôi phục độ dẻo và khả năng chống ăn mòn cho cả hai loại; cần thiết sau khi gia công nguội hoặc hàn để làm giảm hiện tượng cứng khi gia công và hòa tan các sản phẩm nhạy cảm (hiện tượng nhạy cảm chủ yếu là vấn đề khi tiếp xúc với carbon và nhiệt).
• Xử lý nhiệt cơ học: Cán nguội hoặc chu trình ủ có kiểm soát sẽ làm tăng độ bền thông qua quá trình làm cứng biến dạng; 204Cu thường đạt được mức tăng độ bền cao hơn khi gia công nguội so với 304 do sự cân bằng hợp kim của nó.
• Không loại thép nào được làm cứng bằng phương pháp tôi và ram thông thường vì cả hai đều là thép không gỉ austenit; phương pháp làm cứng bằng kết tủa không áp dụng được.

4. Tính chất cơ học

Giá trị thay đổi tùy theo dạng sản phẩm (cán nguội so với ủ, tấm so với thanh) và nhà sản xuất. Sau đây là các phạm vi ủ điển hình mang tính chất tham khảo cho thép tấm/cuộn thép không gỉ thương mại; hãy kiểm tra bảng dữ liệu của nhà cung cấp để biết yêu cầu mua sắm chính xác.

Tính chất (ủ, chỉ định)	304	204Cu
Độ bền kéo (MPa)	~500 – 700	~550 – 750
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~200 – 300	~250 – 350
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	~40 – 60	~30 – 50
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	Độ dẻo dai cao, thường tốt	Nhìn chung là tốt; có thể thấp hơn một chút khi so sánh với cùng độ dày do có độ bền cao hơn
Độ cứng (HRB / HB)	~70 – 100 HRB (≈150 – 220 HB)	Cao hơn một chút so với mức trung bình do hợp kim hóa / tôi luyện

Giải thích: - 204Cu thường có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn ở trạng thái ủ và đặc biệt là sau khi gia công nguội, do thành phần hóa học Mn/N/Cu và tốc độ làm cứng cao hơn. - 304 thường có độ dẻo cao hơn và độ dai tốt hơn một chút đối với độ dày và lịch sử gia công tương đương, khiến nó được ưa chuộng khi cần kéo sâu hoặc tạo hình nghiêm ngặt. - Cả hai loại đều có độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ môi trường; độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp và giá trị va đập cụ thể phụ thuộc vào hàm lượng nitơ và quá trình xử lý.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào thành phần (cacbon, Mn, Ni, Cu, N), chu trình nhiệt và thiết kế mối nối.

Các chỉ số quan trọng: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tương đương Crom (Pcm) cho khả năng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 304: Hàm lượng Mn thấp hơn và hàm lượng Ni cao hơn thường mang lại khả năng hàn tuyệt vời, xu hướng nứt nóng thấp và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt tốt nếu sử dụng loại thép có hàm lượng cacbon thấp (304L) hoặc áp dụng phương pháp ủ sau hàn thích hợp. - 204Cu: Hàm lượng Mn và Cu cao hơn làm tăng các số hạng trong biểu thức CE/Pcm và có thể làm tăng khả năng tôi và nguy cơ nứt trong một số điều kiện cụ thể; tuy nhiên, 204Cu thường được sản xuất và đạt tiêu chuẩn để hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn (TIG, MIG, hàn điện trở) khi sử dụng kim loại độn và thiết kế mối hàn phù hợp. Nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn thường không cần thiết cho các tiết diện mỏng, nhưng vật liệu hàn và xử lý sau hàn cần được lựa chọn cẩn thận. - Lưu ý thực tế: Vì 204Cu có hàm lượng Ni thấp hơn, việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp và kiểm soát độ pha loãng là rất quan trọng để duy trì hiệu suất chống ăn mòn và cấu trúc vi mô austenit trong mối hàn. Khi mối hàn giàu clorua, có thể cần sử dụng kim loại hàn hợp kim 316 hoặc cao hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• 304: Khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí quyển, hóa chất nhẹ và thực phẩm. Dễ bị rỗ do clorua và ăn mòn khe hở trong môi trường clorua mạnh; không khuyến nghị sử dụng trong môi trường nước biển hoặc clorua có tính axit cao nếu không có biện pháp bảo vệ.
• 204Cu: Được thiết kế để mang lại khả năng chống ăn mòn tương đương với 304 trong nhiều môi trường từ nhẹ đến trung bình. Do Ni bị khử, khả năng chống rỗ và khe hở có thể tương tự nhau nhưng phụ thuộc vào hàm lượng Cr/N chính xác và sự hiện diện của Mo (thường không có). Đồng có thể cải thiện đáng kể khả năng chống lại một số nồng độ axit sulfuric nhất định và có thể ảnh hưởng đến khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất trong một số điều kiện, nhưng không thể thay thế hoàn toàn lợi ích của hàm lượng Ni cao hơn trong các ứng dụng clorua khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao.

Sử dụng chỉ số: - Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) hữu ích khi Mo và N thay đổi: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Đối với cả 304 và 204Cu (Mo ≈ 0), PREN được điều khiển bởi Cr và N; cả hai thường có giá trị PREN vừa phải và không được coi là hợp kim có khả năng chống rỗ cao.

Bảo vệ bề mặt cho lớp hoàn thiện không gỉ: - Nếu cân nhắc các lựa chọn không phải thép không gỉ hoặc hợp kim thấp, mạ kẽm, sơn hoặc phủ polymer là tiêu chuẩn. Cả 304 và 204Cu đều là loại thép không gỉ; nếu cần thêm lớp bảo vệ (ví dụ, trong môi trường biển), nên phủ lớp phủ hoặc sử dụng loại thép có khả năng chống ăn mòn cao hơn.

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

• Tạo hình: Thép 304 thường vượt trội hơn về khả năng kéo sâu và tạo hình nghiêm ngặt do độ dẻo cao hơn và tốc độ làm cứng thấp hơn trong nhiều điều kiện tôi luyện. Thép 204Cu, mặc dù có thể tạo hình, nhưng lại có độ cứng cao hơn, do đó có thể cần lực tạo hình lớn hơn và ủ trung gian cho bán kính hẹp hoặc hình dạng phức tạp.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit cứng nhanh; độ bền và xu hướng cứng cao hơn của thép 204Cu có thể làm giảm khả năng gia công so với thép 304. Cả hai loại thép này đều cần có dụng cụ phù hợp, thiết lập cứng và kiểm soát phoi; thép 204Cu có thể yêu cầu thông số cắt mạnh hơn hoặc dụng cụ cacbua để gia công hiệu quả.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều sử dụng lớp hoàn thiện tiêu chuẩn (đánh bóng, chải). Sự hiện diện của đồng trong 204Cu có thể ảnh hưởng nhẹ đến màu sắc/hình thức và có thể ảnh hưởng đến chu kỳ khắc/tẩy; hãy làm theo hướng dẫn của nhà cung cấp về xử lý hóa chất.
• Khuyến nghị về tạo hình/chế tạo: Đối với các chi tiết dập khối lượng lớn hoặc các chi tiết kéo sâu, nên sử dụng thép 304, trừ khi cân nhắc giữa chi phí/độ bền hoặc môi trường ăn mòn cho phép sử dụng thép 204Cu. Đối với các kết cấu định hình khổ lớn, yêu cầu độ bền là ưu tiên hàng đầu, thì thép 204Cu có thể có lợi thế nhờ năng suất cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

304 (sử dụng điển hình)	204Cu (sử dụng điển hình)
Thiết bị chế biến thực phẩm, thiết bị nhà bếp, bồn rửa, thiết bị y tế, trang trí kiến ​​trúc	Tấm ốp thiết bị, linh kiện HVAC, viền trang trí, hàng tiêu dùng có chi phí thấp hơn và khả năng chống ăn mòn hợp lý là đủ
Bộ trao đổi nhiệt, thiết bị xử lý hóa chất trong môi trường ôn hòa	Bộ trao đổi nhiệt và ống trong môi trường không khắc nghiệt, đồ nội thất và đồ đạc
Các ốc vít, bồn chứa và đường ống trong dịch vụ không chứa clorua	Các ứng dụng đòi hỏi hàm lượng niken giảm vì lý do chi phí hoặc cung cấp, các thành phần cấu trúc nhẹ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi cần khả năng chống ăn mòn đã được chứng minh, khả năng định hình và lịch sử ứng dụng rộng rãi—đặc biệt là khi tiếp xúc với thực phẩm, chất tẩy rửa hoặc tiếp xúc với clorua ở mức độ vừa phải. - Chọn 204Cu khi hàm lượng niken thấp hơn giúp giảm chi phí và môi trường không chứa nhiều clorua, đồng thời yêu cầu độ bền cao hơn một chút và bề mặt đẹp.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 304 là một trong những loại thép không gỉ được sản xuất và lưu kho rộng rãi nhất trên toàn thế giới; tính khả dụng ở dạng tấm, cuộn, tấm phẳng, thanh và ống rất cao. Chi phí liên quan chặt chẽ đến giá thị trường niken; khi hàm lượng Ni cao, 304 cũng đắt hơn tương ứng.
• 204Cu là một lựa chọn thay thế có hàm lượng niken thấp hơn và thường có giá thấp hơn 304 khi giá niken tăng đáng kể. Nguồn cung đang ngày càng tăng nhưng có thể hạn chế hơn ở một số dạng hoặc kích cỡ; thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể thay đổi tùy theo nhà cung cấp và khu vực.
• Đối với hoạt động mua sắm khối lượng lớn, hãy đánh giá xu hướng thị trường niken dài hạn và hàng tồn kho của nhà cung cấp địa phương; các lô hàng nhỏ hoặc hình thức đặc biệt có thể ưu tiên 304 do có sự hỗ trợ rộng rãi hơn từ nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Hệ mét	304	204Cu
Khả năng hàn	Xuất sắc (được mô tả tốt)	Tốt với vật tư tiêu hao và kiểm soát phù hợp
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai và độ bền cao	Độ bền cao hơn, độ dẻo dai tốt; ít dẻo hơn ở cùng trạng thái
Trị giá	Cao hơn (nhạy cảm với giá Ni)	Thấp hơn (giảm Ni; đồng bù)

Kết luận bằng hướng dẫn lựa chọn: - Chọn 304 nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn rộng đã được chứng minh (đặc biệt là trong môi trường thực phẩm, y tế hoặc tiếp xúc với clorua), khả năng định hình tối đa để kéo sâu và khả năng cung cấp rộng rãi nhất trên thị trường các dạng sản phẩm và vật liệu hàn. - Chọn 204Cu nếu chi phí mua sắm cao hoặc nguồn cung niken là vấn đề, và môi trường làm việc từ nhẹ đến trung bình (điều kiện clorua không ăn mòn). 204Cu có độ bền chế tạo cao hơn và có thể là vật liệu thay thế tốt cho các tấm, panel và các chi tiết kết cấu nhẹ có yêu cầu về khả năng định hình ở mức trung bình và môi trường ăn mòn không quá khắc nghiệt.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều có vai trò quan trọng trong sản xuất hiện đại. Đối với các ứng dụng quan trọng về an toàn, tiếp xúc với clorua hoặc có tính ăn mòn cao, hãy cân nhắc các loại thép không gỉ có hàm lượng hợp kim cao hơn hoặc chứa molypden (ví dụ: 316 hoặc siêu austenitic). Luôn xác nhận chính xác các giới hạn hóa học và cơ học với bảng dữ liệu của nhà cung cấp và thực hiện các đánh giá cụ thể cho từng ứng dụng (thử nghiệm hàn, thử nghiệm ăn mòn, thử nghiệm tạo hình) trước khi lựa chọn vật liệu cuối cùng.