304 so với 430 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Khi các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất lựa chọn giữa thép không gỉ 304 và 430, họ thường cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, tính chất cơ học, phản ứng từ tính và chi phí. Các bối cảnh quyết định phổ biến bao gồm thông số kỹ thuật của thiết bị thực phẩm và y tế (trong đó khả năng chống ăn mòn và tính phi từ tính là quan trọng) so với trang trí thiết bị gia dụng và ô tô (trong đó chi phí, khả năng định hình và phản ứng từ tính là quan trọng).

Sự khác biệt chính xuất phát từ chiến lược hợp kim: thép không gỉ crom-niken austenit được tối ưu hóa về khả năng chống ăn mòn và độ bền, trong khi thép không gỉ crom ferritic 430 có hàm lượng hợp kim thấp hơn, phản ứng từ tính thấp hơn và thường có khả năng chống ăn mòn thấp hơn trong môi trường khắc nghiệt. Những thành phần hóa học tương phản này dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc vi mô, khả năng hàn, chế tạo và lựa chọn ứng dụng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 304: Tên gọi thông thường — UNS S30400, AISI 304, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10. Được phân loại là thép không gỉ, austenit.
• 430: Tên gọi thông dụng — UNS S43000, AISI 430, EN 1.4016 (hoặc các biến thể 1.4016/1.4010), JIS SUS430, GB 0Cr17. Được phân loại là thép không gỉ, ferritic.

Cả hai đều tuân theo các tiêu chuẩn tấm/tấm/ống như ASTM A240 (sản phẩm phẳng) và nhiều tiêu chuẩn tương đương EN/JIS. Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép mác HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng hiển thị các phạm vi thành phần điển hình cho thép 304 và 430 cấp thương mại (các phạm vi thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và hình thức sản phẩm; giá trị được thể hiện theo phần trăm trọng lượng).

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình)	430 (phạm vi điển hình)
C	≤ 0,08	≤ 0,12
Mn	≤ 2,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0–20,0	16,0–18,0
Ni	8,0–10,5	≤ 0,75
Mo	≈ 0	≈ 0
V	dấu vết / không có	dấu vết / không có
Nb (Cb)	không có (ngoại trừ các biến thể ổn định)	không có
Ti	không có (ngoại trừ các biến thể ổn định)	không có
B	dấu vết / không có	dấu vết / không có
N	≤ 0,11	≤ 0,1 (thường không được chỉ định)

Ý nghĩa của chiến lược hợp kim: - Crom cung cấp khả năng thụ động cơ bản cho thép không gỉ ở cả hai loại; Cr cao hơn cải thiện khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn nói chung. - Niken ổn định austenit, tăng độ dẻo dai và khả năng định hình, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường—đây là chìa khóa cho hiệu suất của 304. - Hàm lượng hợp kim thấp trong 430 làm giảm khả năng chống ăn mòn trong môi trường giàu clorua hoặc có tính axit nhưng vẫn có tính chất từ ​​tính và chi phí thấp hơn. - Việc không có các nguyên tố làm cứng mạnh (Mo, V, Nb) có nghĩa là không có loại nào được gia cường bằng phương pháp làm nguội và ram thông thường; việc gia cường chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp làm nguội (đối với austenit 304) hoặc trạng thái hợp kim/kéo (đối với 430).

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

• 304: Hoàn toàn austenit (lập phương tâm mặt, FCC) ở nhiệt độ phòng nhờ niken đầy đủ và Cr cân bằng. Austenit ổn định, mang lại độ dẻo dai và độ dẻo tuyệt vời trong phạm vi nhiệt độ rộng. Ủ dung dịch (thường ở khoảng 1000–1100 °C sau đó làm nguội nhanh) hòa tan các chất kết tủa và phục hồi khả năng chống ăn mòn sau khi hàn; gia công nguội làm tăng độ bền nhờ quá trình tôi biến dạng và có thể tạo ra một số chuyển biến martensit trong điều kiện gia công rất nguội (trong phản ứng từ).
• 430: Cấu trúc vi mô Ferritic (lập phương tâm khối, BCC) ở nhiệt độ phòng. Ferritic có từ tính và không chuyển thành martensite khi tôi ở nhiệt độ cao giống như thép martensitic. Thép không gỉ Ferritic không thể được làm cứng bằng phương pháp tôi và ram; ủ (khoảng 750–900 °C tùy theo thông số kỹ thuật, sau đó làm nguội chậm trong lò) được sử dụng để làm mềm và phục hồi độ dẻo. Gia công nguội làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo.

Tóm tắt phản ứng xử lý nhiệt: - Thường hóa/tôi & ram: không áp dụng làm lộ trình gia cường cho cả hai loại thép theo cách sử dụng cho thép cacbon hoặc thép hợp kim. - Ủ dung dịch là bước quan trọng đối với thép 304 sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao để tránh kết tủa crom cacbua (nhạy cảm) và phục hồi khả năng chống ăn mòn. - 430 dễ bị phát triển hạt và giảm độ dẻo khi có chu trình nhiệt hàn không phù hợp; ủ có kiểm soát sẽ khôi phục các đặc tính.

4. Tính chất cơ học

Hành vi cơ học điển hình phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh) và nhiệt độ (ủ so với gia công nguội). Các giá trị dưới đây chỉ là phạm vi điển hình mang tính chất tham khảo cho các sản phẩm thương mại đã ủ; tham khảo chứng chỉ vật liệu để biết giá trị thiết kế chính xác.

Tài sản	304 (ủ, điển hình)	430 (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~520–750 MPa	~450–620 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~200–310 MPa	~200–350 MPa
Độ giãn dài (đồng đều/tổng ​​thể)	~40–60% (độ dẻo tốt)	~20–40% (độ dẻo thấp hơn)
Độ bền va đập (môi trường xung quanh)	Cao, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ T thấp	Trung bình; giảm ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (HRB)	~70–95	~60–90

Giải thích: - 304 thường có độ dẻo và độ bền cao hơn do có cấu trúc vi mô austenit và hàm lượng niken. - Thép 430 có thể có độ bền kéo tương đương ở một số nhiệt độ nhất định nhưng thường có độ giãn dài và độ dẻo dai thấp hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ dưới mức nhiệt độ môi trường xung quanh. - Cả hai loại đều tăng độ bền khi gia công nguội; thép 304 cứng hơn rõ rệt, ảnh hưởng đến quá trình tạo hình và gia công.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào thành phần, lượng cacbon tương đương và độ nhạy của cấu trúc vi mô.

Chỉ số khả năng hàn chính (hữu ích về mặt định tính): - Viện Hàn Quốc tế quy đổi cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (độ nứt mối hàn chung): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 304: Khả năng hàn tuyệt vời bằng các quy trình hàn thông thường (GMAW, GTAW, SMAW). Các biến thể carbon thấp (304L) được chỉ định để giảm thiểu rủi ro nhạy cảm và tránh ăn mòn liên hạt sau hàn. Ủ dung dịch sau khi hàn cường độ cao hoặc duy trì nhiệt độ đầu vào thấp giúp giảm lượng kết tủa cacbua. Cấu trúc vi mô austenit chống nứt nguội nhưng độ cứng tăng lên gần mối hàn. - 430: Có thể hàn bằng vật tư tiêu hao và quy trình hàn phù hợp, nhưng cần cẩn thận. Thép không gỉ ferit có độ dẫn nhiệt cao hơn và độ lưu động của vũng hàn thấp hơn; sự phát triển hạt trong vùng ảnh hưởng nhiệt và sự hình thành pha sigma ở một số nhiệt độ nhất định có thể làm giảm độ dai và khả năng chống ăn mòn. Nhìn chung không cần gia nhiệt trước, nhưng việc lựa chọn vật liệu độn và kiểm soát nhiệt đầu vào để tránh giòn và giảm thiểu biến dạng là rất quan trọng. Việc sử dụng vật liệu độn ferit phù hợp hoặc vật liệu độn austenit phù hợp tùy thuộc vào đặc tính cuối cùng mong muốn.

Không có đánh giá CE hoặc Pcm số nào được đưa ra ở đây — các công thức này được các kỹ sư sử dụng để so sánh các trường hợp và lựa chọn phương pháp xử lý gia nhiệt trước/hàn sau.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Việc sử dụng PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) phổ biến khi molypden và nitơ ảnh hưởng đến khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 304 và 430, Mo ≈ 0 và N thấp, do đó PREN chủ yếu được điều khiển bởi Cr và ở mức khiêm tốn; 304 thường hoạt động tốt hơn trong nhiều môi trường nước so với 430 do hàm lượng niken cao hơn và lớp màng thụ động ổn định hơn.

Hướng dẫn thực tế về ăn mòn: - 304: Khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt (trong khí quyển, nhiều loại thực phẩm, hóa chất nhẹ). Không khuyến nghị sử dụng liên tục trong môi trường giàu clorua (biển, muối tan băng) mà không có các biện pháp bổ sung; đối với khả năng chống clorua, hãy cân nhắc sử dụng mác thép chịu Mo (ví dụ: 316) hoặc kiểm soát thiết kế và hoàn thiện bề mặt. Sau khi hàn, ủ dung dịch hoặc mác thép ít carbon (304L) giúp tránh ăn mòn liên hạt. - 430: Khả năng chịu khí quyển tốt và hóa chất nhẹ nhưng kém hơn 304 trong môi trường chứa clorua và axit. Dễ bị ăn mòn cục bộ (rỗ) trong môi trường clorua ăn mòn mạnh và dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất trong một số môi trường kém hơn austenit. - Bảo vệ bề mặt: Cả hai loại thép đều dựa trên màng oxit crom thụ động; đánh bóng cơ học, đánh bóng điện hóa hoặc xử lý thụ động hóa giúp tăng cường hiệu suất. Đối với thép không gỉ (không phải các loại thép này), biện pháp bảo vệ thông thường là mạ kẽm, sơn hoặc phủ — thường không cần thiết đối với thép không gỉ khi tính toàn vẹn thụ động được duy trì.

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

• Tạo hình: 304 (austenit) thể hiện khả năng tạo hình tuyệt vời và đặc tính kéo sâu; phải kiểm soát được độ đàn hồi mạnh và độ cứng khi làm việc. 430 (ferritic) có thể tạo hình trong điều kiện ủ nhưng có độ dẻo thấp hơn và khả năng kéo sâu hạn chế hơn.
• Khả năng gia công: Thép 430 thường dễ gia công hơn thép 304 trong điều kiện ủ vì cấu trúc ferritic có xu hướng cắt sạch hơn; thép 304 cứng lại nhanh chóng và có thể cần ủ trung gian, dụng cụ sắc bén và lực cắt cao hơn. Việc sử dụng vật liệu, tốc độ dụng cụ và dung dịch cắt phù hợp là điều cần thiết cho thép 304.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có thể được hoàn thiện thành bề mặt trang trí hoặc vệ sinh; 304 thường có bề mặt sáng hơn và dễ đánh bóng hơn do bản chất austenit của nó.

8. Ứng dụng điển hình

304 — Công dụng điển hình	430 — Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, bồn rửa nhà bếp, đồ nấu nướng, thiết bị dược phẩm	Viền thiết bị (mặt tiền máy rửa chén), tấm ốp lò nướng, bên trong lò vi sóng
Linh kiện xử lý hóa học, bộ trao đổi nhiệt (không chứa clorua)	Trang trí kiến ​​trúc, tấm ốp thang máy nơi có từ tính được chấp nhận
Dụng cụ y tế, dụng cụ phẫu thuật (bề mặt có thể khử trùng)	Trang trí nội thất/ngoại thất ô tô, tấm phản quang/tấm lót nơi phản ứng từ tính hữu ích
Các loại ốc vít và mặt bích đòi hỏi khả năng chống ăn mòn và độ bền	Tấm chống ăn mòn giá rẻ cho môi trường trong nhà

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn, vệ sinh sạch sẽ, tính chất không nhiễm từ và khả năng định hình. - Chọn 430 khi chi phí, tính chất từ ​​tính và khả năng chống ăn mòn hợp lý trong môi trường không ăn mòn là ưu tiên hàng đầu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 304 có chi phí vật liệu cao hơn do hàm lượng niken; biến động giá niken toàn cầu ảnh hưởng đến giá 304. Có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, cuộn, tấm mỏng, thanh và ống.
• 430 có giá thành thấp hơn và nguồn cung dồi dào cho cả tấm và cuộn, thường được dự trữ cho thị trường thiết bị gia dụng và kiến ​​trúc. Thời gian giao hàng thường ngắn hơn và giá cả ổn định hơn do hàm lượng niken thấp hơn.

Hình thức sản phẩm ảnh hưởng đến giá (cán nguội, cán nóng, đánh bóng) và bộ phận mua sắm nên cân nhắc thời gian hoàn thiện, hoàn thiện và chứng nhận (ví dụ: báo cáo thử nghiệm tại nhà máy).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	304	430
Khả năng hàn	Tuyệt vời (sử dụng 304L/dung dịch ủ để tránh nhạy cảm)	Tốt với các biện pháp phòng ngừa (kiểm soát nhiệt đầu vào và lựa chọn chất độn)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền cao; độ bền tốt	Độ bền đủ, độ dẻo dai và độ dẻo thấp hơn so với 304
Trị giá	Cao hơn (hàm lượng niken)	Thấp hơn (tiết kiệm cho nhiều ứng dụng)

Chọn 304 nếu: - Bạn cần khả năng chống ăn mòn tổng thể vượt trội, bề mặt vệ sinh và dễ lau chùi, không nhiễm từ và khả năng định hình/độ bền tuyệt vời (ví dụ: môi trường thực phẩm, y tế, hóa chất).

Chọn 430 nếu: - Bạn cần loại thép không gỉ giá rẻ hơn, có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển hợp lý, có tính chất từ ​​tính (ví dụ: khi cần phát hiện hoặc gắn từ tính) và khả năng định hình tốt cho các ứng dụng trong nhà và trang trí với mức độ tiếp xúc với clorua hạn chế.

Lưu ý cuối cùng: việc lựa chọn vật liệu phải cân nhắc đến môi trường sử dụng (clorua, nhiệt độ), tải trọng cơ học, lộ trình chế tạo (tạo hình, hàn), độ hoàn thiện bề mặt và tổng chi phí vòng đời. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy kiểm tra khả năng tương thích vật liệu (thử nghiệm ăn mòn trong phòng thí nghiệm hoặc dữ liệu thực địa) và tham khảo các thông số kỹ thuật ASTM/EN/JIS cập nhật để biết thành phần chính xác và các đặc tính cơ học có thể chứng nhận.