304 so với 305 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Cả thép không gỉ 304 và 305 đều là thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng gia công, thiết bị, kiến ​​trúc và công nghiệp. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa chúng. Vấn đề nan giải khi lựa chọn thường xoay quanh việc liệu một dự án cần khả năng định hình cao hơn và tốc độ làm cứng thấp hơn của một hợp kim so với các đặc tính cân bằng, toàn diện và tính sẵn có phổ biến của hợp kim kia.

Điểm khác biệt thực tế chính là thép 305 được hợp kim hóa để tăng độ dẻo và dễ tạo hình nguội so với thép 304 (chủ yếu thông qua chiến lược niken tăng cường và kiểm soát hàm lượng cacbon và nitơ). Sự khác biệt này tạo ra hiệu suất riêng biệt trong các quá trình kéo sâu, tạo hình kéo giãn và một số thao tác gia công, trong khi khả năng chống ăn mòn tổng thể và độ ổn định nhiệt độ cao vẫn tương đương nhau. Do sự chồng chéo về hàm lượng crom và sắt nền, thép 304 và thép 305 thường được so sánh khi các nhà thiết kế muốn tạo hình tốt hơn mà không bỏ qua hiệu suất chống ăn mòn thông thường.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc tế chung:
• ASTM/ASME: 304 thường tương ứng với ASTM A240/A666, UNS S30400; 305 tương ứng với ASTM A240 (nếu có) và UNS S30500.
• EN: 304 ≈ EN 1.4301 (X5CrNi18-10); 305 ≈ EN 1.4303 (X8CrNi21-7? — lưu ý: các chất tương đương EN trực tiếp thay đổi tùy theo thành phần hóa học chính xác; tham khảo tiêu chuẩn cụ thể).
• JIS: 304 ≈ SUS304; 305 ≈ SUS305 (nếu sử dụng).
• GB (Trung Quốc): Các ký hiệu GB/T phản ánh các chỉ định hóa học quốc tế (tham khảo bảng GB/T mới nhất để biết thông tin chính xác).
• Phân loại: Cả thép không gỉ 304 và 305 đều là thép không gỉ austenit (thuộc nhóm thép không gỉ), không phải thép carbon hay thép HSLA. Chúng không có từ tính (ở điều kiện ủ) và không phải là thép dụng cụ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện các phạm vi thành phần điển hình thường gặp trong các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn và các loại thương mại. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn và dạng sản phẩm cụ thể; đây là các phạm vi đại diện cho mục đích so sánh.

Yếu tố	Điển hình 304 (wt%)	Điển hình 305 (wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,12–0,15
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0–20,0	18,0–20,0
Ni	8,0–10,5	10,0–13,0 (điển hình)
Mo	- (dấu vết)	- (dấu vết)
V	—	—
Nb (Cb)	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,10 (kiểm soát vết)	≤ 0,10 (kiểm soát vết)

Ghi chú: - 305 có đặc điểm chủ yếu là hàm lượng niken cao hơn so với 304. Niken ổn định pha austenit, giảm hiệu suất và tốc độ làm cứng, đồng thời tăng độ dẻo. - Carbon được kiểm soát để hạn chế sự nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt; hàm lượng carbon tối đa được phép có thể khác nhau giữa các thông số kỹ thuật của sản phẩm và ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo. - Molypden và các nguyên tố hợp kim vi mô khác thường không có trong các loại thép này; khi có ở mức vết, chúng có tác động không đáng kể đến khả năng chống ăn mòn thông thường.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) cung cấp lớp màng oxit thụ động có khả năng chống ăn mòn nói chung. - Niken (Ni) ổn định austenit và tăng độ dẻo dai, độ dai. Hàm lượng Ni cao hơn trong thép 305 làm giảm hệ số biến dạng biến dạng và cải thiện khả năng kéo sâu. - Cacbon và nitơ làm tăng độ bền nhưng nếu quá mức có thể thúc đẩy quá trình nhạy cảm hóa (kết tủa crom cacbua ở ranh giới hạt) gây hại cho khả năng chống ăn mòn giữa các hạt trừ khi được giảm thiểu bằng các biến thể cacbon thấp hoặc ổn định.

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

• Cấu trúc vi mô (điển hình): Cả 304 và 305 đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ. Chúng không trải qua quá trình biến đổi martensit trong quá trình ủ thông thường; tuy nhiên, gia công nguội khắc nghiệt có thể tạo ra martensit do ứng suất ở một số mác austenit (304 dễ bị biến dạng hơn 305 vì 305 có hàm lượng Ni cao hơn và năng lượng đứt gãy xếp chồng thấp hơn).
• Xử lý nhiệt: Thép không gỉ austenit không được tôi cứng bằng cách làm nguội và ram. Các phương pháp xử lý tiêu chuẩn bao gồm ủ (ủ dung dịch ở khoảng 1010–1120°C, sau đó làm nguội nhanh) để phục hồi độ dẻo và hòa tan cacbua.
• Gia công nguội: Làm cứng bằng phương pháp tôi luyện làm tăng độ bền nhưng giảm độ dẻo. Vì thép 305 có hàm lượng niken cao hơn nên quá trình làm cứng chậm hơn và mang lại khả năng định hình vượt trội cho các ứng dụng kéo sâu, tạo hình kéo giãn và tạo hình cán.
• Xử lý nhiệt cơ học: Thông thường, không có loại nào phải trải qua quá trình thường hóa hoặc tôi-ram để tăng cường độ; việc điều chỉnh tính chất cơ học đạt được thông qua quá trình làm nguội và chu trình ủ dung dịch.

4. Tính chất cơ học

Các tính chất cơ học dưới đây là đặc trưng của các dạng tấm/lá ủ và phải được xác nhận dựa trên các chứng chỉ vật liệu cho các nhiệt độ nung riêng và dạng sản phẩm.

Tài sản	304 (ủ, điển hình)	305 (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~500–700	~480–650
0,2% Proof/Yield (MPa)	~170–215	~150–200
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	~40–60	~45–65 (độ dẻo cao hơn)
Độ bền va đập	Tốt, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Có thể so sánh hoặc tốt hơn một chút do Ni cao hơn
Độ cứng (HB/HRB)	~70–95 HB (~76 HRB)	Tương tự hoặc thấp hơn một chút ở trạng thái ủ

Giải thích: - Cả hai loại đều có độ dẻo dai cao và độ dẻo tốt trong điều kiện ủ. 305 có xu hướng cho thấy giới hạn chảy thấp hơn một chút và độ giãn dài được cải thiện — đây là mục đích thiết kế để tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động tạo hình. - Độ bền của các loại thép không gỉ austenit này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi quá trình gia công nguội hơn là xử lý nhiệt; các nhà thiết kế nên chỉ rõ các đặc tính cơ học cần thiết trong các tài liệu hợp đồng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ austenit nhìn chung là tuyệt vời so với thép không gỉ ferritic, nhưng cần phải chú ý đến độ biến dạng, độ nhạy và các đặc tính sau khi hàn.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích: - Carbon tương đương ($CE_{IIW}$) để đánh giá định tính khả năng nứt nguội và hiệu ứng làm cứng: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm (để dự đoán khả năng nứt nguội trong mối hàn thép—ít được áp dụng cho thép không gỉ, nhưng hữu ích trong thảo luận định tính): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Giải thích định tính: - Cả 304 và 305 đều dễ hàn với các kim loại hàn thông dụng (ví dụ: họ 308L/309L cho 304). Vì 305 có hàm lượng niken cao hơn nên nó ít bị nứt do đông đặc hơn và vẫn giữ được độ dẻo trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. - Kiểm soát carbon rất quan trọng để tránh nhạy cảm; các biến thể carbon thấp (304L) được chỉ định khi hàn các phần lớn mà không cần ủ dung dịch sau khi hàn. - Ủ sau khi hàn thường không bắt buộc đối với hầu hết các môi trường làm việc; tuy nhiên, các biện pháp làm sạch và giảm ứng suất tốt nhất vẫn được áp dụng. - Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy chọn hợp kim hàn phù hợp với đặc tính chống ăn mòn và cơ học; tham khảo quy định hàn và bảng dữ liệu kim loại hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Ăn mòn chung: Với hàm lượng crom tương tự, inox 304 và 305 có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, axit trong công nghiệp thực phẩm và nhiều loại hóa chất hữu cơ và vô cơ tương tự nhau.
• Ăn mòn rỗ/kẽ hở: Cả hai đều không chứa nhiều molypden; đối với môi trường giàu clorua, nên sử dụng hợp kim PREN cấp 316 hoặc cao hơn.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) hữu ích cho thép không gỉ có chứa molypden: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Vì Mo ≈ 0 và N đều thấp ở cả 304 và 305 nên PREN thấp và chỉ số này không mang lại nhiều lợi thế ở đây — cả hai đều không được khuyến nghị sử dụng cho dịch vụ clorua mạnh nếu không có biện pháp bảo vệ.
• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ: Không áp dụng ở đây; cả hai đều là thép không gỉ. Khi cần bảo vệ thêm, có thể áp dụng thụ động hóa, đánh bóng điện hóa và phủ lớp phủ.
• Nhạy cảm: Kiểm soát carbon (và sử dụng các biến thể carbon thấp) hoặc ủ dung dịch làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn.

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

• Khả năng định hình: Thép 305 được thiết kế để cải thiện hiệu suất kéo sâu và tạo hình kéo giãn. Hàm lượng niken cao hơn làm giảm tốc độ làm cứng, cho phép biến dạng từng bước lớn hơn và ít phải ủ trung gian hơn.
• Khả năng gia công: Cả thép 304 và 305 đều khó gia công hơn thép cacbon. Tốc độ tôi cứng thấp hơn của thép 305 có thể giúp một số thao tác gia công dễ dàng hơn (giảm áp lực dụng cụ và giảm xu hướng tôi cứng nhanh), nhưng cả hai đều không thể sánh bằng thép có khả năng cắt tự do (ví dụ: thép 303). Hãy sử dụng dụng cụ sắc bén, cấp liệu và bôi trơn phù hợp.
• Uốn cong và dập nổi: Thép 305 thường tạo ra các đường uốn cong mượt mà hơn, ít bị nảy trở lại và nứt hơn khi gia công tấm mỏng.
• Hoàn thiện bề mặt và tạo hình: 305 làm giảm nguy cơ bề mặt bị nhám trong quá trình tạo hình; để có bề mặt hoàn thiện có thể nhìn thấy chất lượng cao, hãy chọn bề mặt hoàn thiện phù hợp và kiểm soát dụng cụ để tránh bị trầy xước.

8. Ứng dụng điển hình

304 – Công dụng điển hình	305 – Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, bồn rửa nhà bếp, bồn rửa và mặt bàn bếp	Các thành phần thiết bị gia dụng được kéo sâu, các vật dụng gia đình được hình thành
Đường ống và bể chứa quy trình hóa chất (chung)	Các bộ phận được kéo và tạo hình đòi hỏi độ dẻo cao (ví dụ: các bộ phận được kéo nông)
Trang trí kiến ​​trúc và lan can	Các tấm có hình dạng phức tạp, các thành phần trang trí đòi hỏi bán kính hẹp
Chốt, lò xo (nếu có)	Trang trí nội thất ô tô, các bộ phận dập nhỏ đòi hỏi khả năng định hình vượt trội
Bộ trao đổi nhiệt, ống dẫn và chế tạo chung	Các ứng dụng có khả năng kéo vượt trội giúp giảm các bước xử lý

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép 304 khi hiệu suất chống ăn mòn rộng, tính khả dụng và tính chất cơ học cân bằng là ưu tiên hàng đầu. Đây là tiêu chuẩn công nghiệp cho thép không gỉ đa dụng. - Chọn thép 305 khi kéo sâu, tạo hình kéo giãn và độ dẻo vượt trội giúp giảm các bước sản xuất hoặc phế liệu; thép 305 có thể giảm chi phí gia công cho các thành phần tạo hình phức tạp mặc dù chi phí vật liệu cao hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Vì thép 305 thường chứa nhiều niken hơn, nên giá tính theo kilôgam của nó thường cao hơn thép 304, nếu các yếu tố khác không đổi. Sự biến động của thị trường niken dẫn đến chênh lệch giá tương đối.
• Tính khả dụng: 304 là loại thép không gỉ austenit được lưu kho phổ biến nhất và có sẵn ở dạng tấm, tấm, ống, dây và thanh. 305 có sẵn ở các dạng thông thường (tấm, dải, cuộn) nhưng có thể không được lưu kho rộng rãi ở tất cả các dạng sản phẩm và độ dày; thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với các dạng đặc biệt.
• Mẹo mua sắm: Đối với các chi tiết dập khối lượng lớn, chỉ nên chọn thép 305 nếu chi phí tạo hình hạ nguồn bù đắp được chi phí vật liệu cao hơn trên mỗi đơn vị. Đối với các sản phẩm chế tạo đơn chiếc hoặc số lượng ít, lợi thế về nguồn cung của thép 304 thường chiếm ưu thế.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	304	305
Khả năng hàn	Xuất sắc (thực hành tiêu chuẩn)	Tuyệt vời (độ dẻo HAZ tốt hơn một chút)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Sức mạnh và độ bền cân bằng	Độ dẻo dai tương tự, năng suất thấp hơn một chút, độ dẻo cao hơn
Trị giá	Thấp hơn (phổ biến hơn)	Cao hơn (nhiều Ni hơn)

Kết luận: - Chọn 304 nếu bạn cần loại thép không gỉ austenit đa dụng, phổ biến và tiết kiệm chi phí với khả năng chống ăn mòn tốt và các đặc tính hàn/tạo hình thông thường. - Chọn 305 nếu quy trình sản xuất đòi hỏi khả năng tạo hình nguội vượt trội, kéo sâu hoặc giảm độ đàn hồi và độ cứng khi làm việc; 305 có thể giảm các bước tạo hình và phế liệu trong các bộ phận dập khối lượng lớn hoặc tạo hình sâu mặc dù giá vật liệu cao hơn.

Hướng dẫn thực hành cuối cùng: - Xác minh các giới hạn hóa học và cơ học chính xác bằng báo cáo thử nghiệm tại nhà máy của nhà cung cấp và tiêu chuẩn có liên quan (ASTM/EN/GB/JIS) trước khi lựa chọn cuối cùng. - Đối với các bộ phận hàn, tiếp xúc với clorua hoặc chịu tải trọng cao, hãy đánh giá các hợp kim thay thế (ví dụ: 316, cấp độ song công) hoặc xử lý sau chế tạo thay vì dựa vào sự khác biệt nhỏ giữa 304 và 305.