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

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường lựa chọn giữa thép không gỉ 304 và 430 khi cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình, khả năng hàn và chi phí cho các linh kiện chế tạo. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết bị nhà bếp và các bộ phận tiếp xúc với thực phẩm (nơi khả năng chống ăn mòn và vệ sinh là tối quan trọng) so với các ứng dụng trang trí hoặc từ tính, nơi chi phí và phản ứng từ tính quan trọng hơn.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại thép phổ biến này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: 304 là thép không gỉ austenit, chứa niken, được tối ưu hóa cho khả năng chống ăn mòn và độ dẻo rộng, trong khi 430 là thép không gỉ ferritic, ít niken, được tối ưu hóa cho khả năng chống ăn mòn và phản ứng từ tính hiệu quả về mặt chi phí. Do những khác biệt này, 304 và 430 thường được so sánh khi sự đánh đổi giữa hiệu suất chống ăn mòn, khả năng chế tạo và từ tính có liên quan đến thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn quốc tế chính bao gồm 304 và 430 bao gồm:

• ASTM / ASME:
• 304: ASTM A240 (tấm, lá), A276 (thanh), A312 (ống/ống)
• 430: ASTM A240 (tấm, lá), tài liệu tham khảo A376 / A480
• EN (Châu Âu):
• 304 ≈ EN 1.4301 (còn được gọi là X5CrNi18-10)
• 430 ≈ EN 1.4016 (còn được gọi là X6Cr17)
• JIS (Nhật Bản): SUS304, SUS430
• GB (Trung Quốc): 304 (06Cr19Ni10), 430 (0Cr17)

Loại vật liệu: - 304: thép không gỉ (austenitic) - 430: thép không gỉ (ferritic)

Cả hai đều là thép không gỉ; chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ, thép hợp kim hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình (phần trăm trọng lượng) cho các mác thép thương mại phổ biến 304 và 430 trong điều kiện ủ. Đây là các phạm vi điển hình đã được công bố; nên tham khảo các chứng chỉ vật liệu riêng lẻ để biết giá trị chính xác.

Yếu tố	304 (điển hình)	430 (điển hình)
C	≤ 0,08	≤ 0,12
Mn	≤ 2.0	≤ 1,0
Si	≤ 0,75	≤ 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	— (thường là 0)	— (thường là 0)
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	dấu vết	dấu vết

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) tạo lớp oxit thụ động chống ăn mòn. Hàm lượng Cr cao hơn thường làm tăng khả năng chống oxy hóa/ăn mòn. - Niken (Ni) ổn định cấu trúc lập phương tâm mặt (austenit) ở nhiệt độ phòng; cải thiện độ dẻo dai, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn nói chung. Sự hiện diện của Ni là điểm khác biệt chính khiến thép 304 không từ tính (ở trạng thái ủ) và thép 430 có từ tính (ferritic). - Cacbon (C) ảnh hưởng đến độ bền và khả năng nhạy cảm. Các biến thể cacbon thấp hơn (ví dụ: 304L) làm giảm nguy cơ kết tủa cacbua. - Mangan (Mn) và silic (Si) là chất khử oxy và ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng gia công nóng và độ bền. - Mo và N (không có nhiều trong hai loại này) sẽ được sử dụng để cải thiện khả năng chống rỗ; sự thiếu hụt của chúng sẽ hạn chế hiệu suất trong môi trường clorua.

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

• 304: Cấu trúc vi mô điển hình là hoàn toàn austenit (FCC) ở nhiệt độ phòng khi được sản xuất theo thông số kỹ thuật. Austenit ổn định ở nhiệt độ phòng nhờ niken. 304 không cứng lại khi tôi; nó được gia cường bằng phương pháp gia công nguội. Các quy trình nhiệt tiêu chuẩn:
• Ủ (thường ở nhiệt độ 1010–1150 °C sau đó làm nguội nhanh) giúp phục hồi độ dẻo và hòa tan chất kết tủa.
• Có thể xảy ra hiện tượng nhạy cảm (kết tủa cacbua ở ~450–850 °C) khi tiếp xúc lâu dài, gây nguy cơ ăn mòn giữa các hạt; nên sử dụng loại thép ít carbon (304L) hoặc thép ổn định (321/347) để tránh hiện tượng này.
• Chuẩn hóa hoặc làm nguội và ram không phải là những phương pháp có thể áp dụng để làm cứng thép 304.
• 430: Cấu trúc vi mô điển hình là ferritic (BCC) ở nhiệt độ phòng. Ferrite có từ tính. 430 không thể tôi cứng bằng phương pháp tôi và ram để tạo ra martensite theo cách tương tự như thép martensitic; giống như thép 304, nó chủ yếu được gia cường bằng phương pháp gia công nguội. Phản ứng nhiệt:
• Ủ dung dịch và chuẩn hóa được sử dụng để giảm ứng suất và khôi phục độ dẻo.
• Các loại thép ferit dễ bị phát triển hạt và giòn ở nhiệt độ nhất định; tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ 475 °C (khoảng giòn 475 °F) có thể làm giảm độ dẻo dai.
• Thép 430 không dễ bị ổn định austenit nên nó vẫn duy trì cấu trúc ferritic trong suốt quá trình xử lý thông thường.

Tóm lại, 304 có cấu trúc vi mô austenit chống lại sự hình thành pha giòn ở nhiệt độ phòng và vẫn giữ được độ dẻo dai cao; 430 là ferritic và phải được xử lý chú ý đến sự phát triển của hạt và độ giòn.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây liệt kê các phạm vi tính chất cơ học điển hình của vật liệu thương mại đã ủ; đây là các phạm vi mang tính chất chỉ dẫn và phụ thuộc vào dạng sản phẩm và độ cứng chính xác.

Tính chất (ủ)	304 (điển hình)	430 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~480–720	~450–600
Giới hạn chảy 0,2% (MPa)	~170–300	~200–300
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	~40–60	~20–35
Tác động Charpy (nhiệt độ phòng)	Nói chung là cao, độ dẻo dai tốt	Thấp hơn 304; độ dẻo dai vừa phải
Độ cứng (HB)	~120–200	~120–200

Giải thích: - 304 thường có độ dẻo cao hơn và độ bền va đập vượt trội do cấu trúc austenit và hàm lượng niken. - Phạm vi giới hạn bền có thể chồng chéo; 430 có thể cho thấy giới hạn bền tương tự hoặc cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm nhưng thường có độ giãn dài và độ dẻo dai kém hơn. - 304 là lựa chọn dẻo dai và bền hơn cho các ứng dụng tạo hình khắc nghiệt và nhiệt độ thấp; 430 có thể được chấp nhận khi yêu cầu về độ dẻo và khả năng chống va đập ở mức trung bình.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố liên quan đến khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và khả năng nứt, sự phát triển của hạt và độ nhạy cảm. Các chỉ số đại diện được sử dụng trong đánh giá khả năng hàn bao gồm:

• Đương lượng cacbon (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Chỉ số Pcm phức tạp hơn:
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 304: Khả năng hàn nhìn chung rất tốt. Cấu trúc austenit không chuyển thành pha giòn khi nguội, do đó nguy cơ nứt nguội do chuyển đổi martensitic là thấp. Tuy nhiên, chu kỳ nhiệt hàn có thể gây nhạy cảm (kết tủa cacbua) trong khoảng 450–850 °C; ủ dung dịch sau hàn hoặc sử dụng thép cacbon thấp (304L) hoặc thép ổn định là phương pháp phổ biến khi cần quan tâm đến sự ăn mòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt. Việc lựa chọn kim loại hàn và kết hợp vật liệu hàn rất đơn giản (ví dụ: vật liệu hàn ER304/308). - 430: Có thể hàn nhưng cần lưu ý. Cấu trúc ferit có thể bị phát triển hạt và giảm độ dẻo trong vùng ảnh hưởng nhiệt; việc gia nhiệt sơ bộ và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn có thể được khuyến nghị cho các tiết diện dày để hạn chế ứng suất nhiệt. Hàm lượng carbon và hợp kim thấp hơn của 430 làm giảm các vấn đề về độ cứng, nhưng bản chất ferit của nó có thể gây ra các vấn đề giòn delta-ferit trong điều kiện khắc nghiệt. Hợp kim độn và lựa chọn quy trình cần tính đến sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt và khả năng tương thích luyện kim.

Không có phép tính CE hoặc Pcm nào được cung cấp ở đây, nhưng các công thức này minh họa các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cả thép 304 và 430 đều là thép không gỉ (chúng tạo thành lớp màng thụ động oxit crom), nhưng khả năng ăn mòn của chúng lại khác nhau chi tiết.

• 304: Khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt trong nhiều môi trường, bao gồm tiếp xúc với khí quyển, chế biến thực phẩm và hóa chất nhẹ. 304 có khả năng chống ăn mòn clorua và ăn mòn tổng thể tốt hơn 430 nhờ hàm lượng niken cao hơn và cấu trúc vi mô austenit ổn định. Tuy nhiên, trong môi trường giàu clorua (biển, nước biển bắn tung tóe), 304 có thể bị rỗ và ăn mòn khe hở; trong những trường hợp này, các mác thép chứa Mo (ví dụ: 316) được ưu tiên sử dụng. 304 có nguy cơ bị nhạy cảm hóa (ăn mòn liên hạt) sau khi gia nhiệt kéo dài trong phạm vi nhạy cảm hóa; hãy sử dụng mác thép 304L hoặc mác thép ổn định nếu ứng dụng bao gồm hàn mà không ủ dung dịch.

• 430: Khả năng chống oxy hóa và môi trường ăn mòn nhẹ tốt; phù hợp cho các ứng dụng trang trí nội thất, thiết bị và trang trí ô tô. 430 có khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn khe hở kém hơn so với 304. Không nên sử dụng 430 trong môi trường khắc nghiệt.

Khi sử dụng số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) để so sánh các hợp kim: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Cả thép 304 và 430 đều không chứa Mo hoặc N đáng kể, do đó PREN không có nhiều tác dụng trong việc phân biệt chúng; nó sẽ cung cấp nhiều thông tin hơn khi mức Mo và N thay đổi (ví dụ: thép duplex, thép siêu austenit).

Bảo vệ bề mặt cho các bộ phận mà hiệu suất của thép không gỉ không đủ: - Đối với thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp (không áp dụng cho thép 304/430), mạ kẽm, sơn hoặc phủ lớp là phương pháp phổ biến. - Đối với 430 trong điều kiện khắc nghiệt hơn, các lớp phủ hoặc xử lý bề mặt bổ sung (mạ điện, thụ động hóa, hoàn thiện trang trí) có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng.

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

• Khả năng định hình:
• 304: Khả năng tạo hình và kéo tuyệt vời; được sử dụng rộng rãi để kéo sâu, tạo hình dạng ép phức tạp và ống khi cần độ giãn dài tốt.
• 430: Khả năng định hình tốt khi cán tấm và dập nhẹ nhưng độ dẻo thấp hơn 304 khi thực hiện các thao tác định hình khắc nghiệt.
• Khả năng gia công:
• Thép Austenitic 304 cứng lại nhanh chóng, có thể làm giảm tốc độ gia công và tuổi thọ của dụng cụ trừ khi sử dụng dụng cụ, nguồn cấp liệu và chất bôi trơn phù hợp.
• Ferritic 430 thường dễ gia công hơn 304; nó không bị cứng quá mức và thường tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt hơn khi sử dụng dụng cụ thông thường.
• Hoàn thiện:
• Cả hai loại đều có thể được đánh bóng, chải và hoàn thiện theo các lớp bề mặt thông thường (ví dụ: 2B, BA, Số 4). 304 có xu hướng đánh bóng mịn hơn cho các ứng dụng trang trí và vệ sinh.
• Uốn và hàn:
• Inox 304 có khả năng chịu uốn cong sâu và tạo hình phức tạp tốt hơn.
• 430 cần chú ý đến khả năng phục hồi và các hiệu ứng phát triển hạt tiềm ẩn nếu hàn.

8. Ứng dụng điển hình

304 — Ứng dụng điển hình	430 — Ứng dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, bồn rửa nhà bếp, đồ nấu nướng và các thiết bị gia dụng	Viền trang trí, viền nội/ngoại thất ô tô, bảng điều khiển
Thiết bị xử lý hóa chất và bể chứa (môi trường không chứa clorua)	Máy hút mùi, vỏ ngoài máy rửa chén (trong môi trường ít khắc nghiệt hơn)
Thiết bị y tế, thiết bị dược phẩm	Các thành phần từ tính cần có tính sắt từ
Tấm kiến ​​trúc, lan can, ghế dài	Bồn rửa và tấm ốp thiết bị giá rẻ ưu tiên tính từ tính hoặc chi phí
Các loại ốc vít và phụ kiện cần có khả năng chống ăn mòn và tạo hình	Viền ống xả, bộ phận lưới tản nhiệt và phần cứng trang trí

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi yêu cầu chính là hiệu suất chống ăn mòn, vệ sinh, tạo hình sâu và độ bền ở nhiệt độ thấp. - Chọn 430 khi chi phí, phản ứng từ tính và khả năng chống ăn mòn phù hợp cho môi trường trong nhà hoặc môi trường ăn mòn nhẹ là yếu tố quan trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 304 thường đắt hơn 430 do hàm lượng niken đáng kể. Biến động giá niken ảnh hưởng trực tiếp đến chênh lệch giá thành tương đối của 304.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được cung cấp rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng tấm, cuộn, dải, ống và thanh. 304 có mặt ở khắp mọi nơi trong nhiều hình dạng và lớp hoàn thiện sản phẩm; 430 thường được dự trữ cho thị trường thiết bị gia dụng và trang trí và thường là lựa chọn tiết kiệm cho các ứng dụng không quan trọng.
• Dạng sản phẩm: 304 thường được chỉ định cho ống vệ sinh và tấm có thông số kỹ thuật cao; 430 thường được chỉ định cho các bộ phận dập và tấm trang trí.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	304	430
Khả năng hàn	Rất tốt (cẩn thận với dị ứng; sử dụng loại 304L hoặc loại ổn định nếu cần)	Tốt với các biện pháp phòng ngừa (phát triển hạt, cân nhắc về HAZ)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền cao; độ bền tốt	Độ dẻo dai vừa phải; độ bền vừa phải, độ dẻo thấp hơn
Khả năng chống ăn mòn	Khả năng chống ăn mòn chung vượt trội; tốt hơn trong môi trường clorua so với 430	Tốt trong môi trường nhẹ; kém hơn 304 trong clorua hoặc môi trường ăn mòn
Trị giá	Cao hơn (hàm lượng niken)	Thấp hơn (ferritic ít niken)
Phản ứng từ tính	Về cơ bản là không có từ tính (đã ủ)	Từ tính (ferritic)

Khuyến nghị: - Chọn 304 nếu: - Bạn cần độ dẻo cao, độ bền tuyệt vời ở nhiệt độ thấp và khả năng chống ăn mòn vượt trội trong môi trường clorua nói chung và môi trường nhẹ. - Ứng dụng liên quan đến thực phẩm, y tế, quy trình hóa học hoặc kiến ​​trúc, nơi vệ sinh và hình thức là quan trọng. - Yêu cầu phải có hành vi phi từ tính. - Chọn 430 nếu: - Bạn cần một giải pháp thép không gỉ tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng trang trí hoặc trong nhà, nơi không yêu cầu khả năng chống ăn mòn cao. - Tính chất từ ​​tính là bắt buộc hoặc hữu ích (ví dụ, vì lý do tương thích điện từ, gắn từ tính hoặc lý do thẩm mỹ). - Cần có khả năng gia công và tạo hình vừa phải với chi phí vật liệu thấp hơn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận thông số kỹ thuật vật liệu chính xác và chứng chỉ kiểm tra cơ học từ nhà cung cấp cho hình dạng và nhiệt độ sản phẩm dự kiến. Đối với các môi trường quan trọng (tiếp xúc với clorua, nhiệt độ cao hoặc bình chịu áp suất hàn), hãy tham khảo hướng dẫn và quy chuẩn kỹ thuật chống ăn mòn để chọn loại hợp kim phù hợp (ví dụ, xem xét các loại 316, duplex hoặc ổn định nếu cần).