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

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa thép không gỉ 409 và 430 là một điểm quyết định phổ biến đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất, đặc biệt là khi cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, chi phí, khả năng định hình và khả năng hàn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm môi trường oxy hóa nhiệt độ cao (thường được chỉ định sử dụng thép 409) so với các chi tiết yêu cầu khả năng chống ăn mòn tổng thể và độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn (thường sử dụng thép 430).

Điểm khác biệt chính là 409 là thép không gỉ ferritic ổn định crom, được chế tạo và tiếp thị để có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và chi phí vận hành thấp (thường được sử dụng trong hệ thống ống xả ô tô), trong khi 430 là loại thép không gỉ ferritic có hàm lượng crom cao hơn, được tối ưu hóa để cải thiện khả năng chống ăn mòn nói chung, hình thức bề mặt và tạo hình nguội. Hai loại thép này thường được so sánh vì chúng nằm trong cùng một phân khúc: cả hai đều là thép không gỉ ferritic, nhưng chiến lược cân bằng hợp kim và ổn định của chúng tạo ra các đặc tính cơ học và ăn mòn khác nhau.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính bao gồm các cấp độ sau: - ASTM/ASME: Loại 409 và Loại 430 (ASTM A240, A666, v.v. cho tấm/dải; các tiêu chuẩn sản phẩm khác cho ống và sản phẩm hàn). - EN: Các ký hiệu thép không gỉ ferritic tương đương xuất hiện trong các tiêu chuẩn EN cho các hợp chất hóa học tương tự (nhưng cách lập bản đồ trực tiếp 1:1 có thể khác nhau). - JIS/GB: Tiêu chuẩn quốc gia của Nhật Bản và Trung Quốc có sự tương đương gần đúng; số hiệu chi tiết cụ thể khác nhau tùy theo hình thức sản phẩm và độ ổn định. - UNS: 409 ~ UNS S40900 (và các biến thể ổn định như S40910 cho Ti-ổn định), 430 ~ UNS S43000.

Phân loại: - Cả 409 và 430 đều là thép không gỉ (nhóm ferritic). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Điển hình 409 (ferritic, ổn định Ti)	Điển hình 430 (ferritic)
C	≤ ~0,08% khối lượng	≤ ~0,12% khối lượng
Mn	≤ ~1,0% khối lượng	≤ ~1,0% khối lượng
Si	≤ ~1,0% khối lượng	≤ ~1,0% khối lượng
P	≤ ~0,04% khối lượng	≤ ~0,04% khối lượng
S	≤ ~0,03% khối lượng	≤ ~0,03% khối lượng
Cr	~10,5–11,75% khối lượng	~16–18% khối lượng
Ni	≈ dấu vết (thường <0,5 wt%)	≤ ~0,75% khối lượng
Mo	không có/đáng kể	không có/đáng kể
V	thường là không có	thường là không có
Lưu ý	không điển hình	không điển hình
Ti	được sử dụng để ổn định (ví dụ: 0,2–0,6 wt%)	theo dõi nếu có
B	dấu vết	dấu vết
N	thấp (vết tích)	thấp (vết tích)

Ghi chú: - 409 được cố định bằng titan (hoặc trong một số biến thể bằng niobi) để liên kết cacbon và ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua trong quá trình sử dụng và hàn; điều này làm giảm độ nhạy và cải thiện khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. - 430 sử dụng hàm lượng crom cao hơn để cải thiện khả năng chống ăn mòn và chống đóng cặn nói chung, nhưng không ổn định.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Hàm lượng crom là yếu tố chính thúc đẩy sự hình thành lớp màng thụ động và khả năng chống oxy hóa; hàm lượng Cr (430) cao hơn mang lại khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt hơn ở điều kiện môi trường xung quanh. - Việc ổn định titan trong 409 ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua ranh giới hạt trong các chu trình nhiệt (quan trọng trong hệ thống xả và cụm hàn). - Hàm lượng niken thấp và không có molypden làm cho cả hai loại thép này đều kém khả năng chống rỗ và ăn mòn clorua hơn thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ chứa Mo.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 409 và 430 đều là ferritic ở trạng thái ủ (lập phương tâm khối, BCC) ở nhiệt độ phòng. Chúng không chuyển thành austenit khi làm nguội như các mác austenit. - 409 được ổn định bằng Ti cho thấy lượng kết tủa cacbua ở ranh giới hạt giảm sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao vì Ti tạo thành TiC/TiN ổn định thay vì Cr-cacbua.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Thép không gỉ ferit không thể tôi cứng bằng cách tôi như thép martensitic hoặc một số loại thép hợp kim. Các tính chất cơ học chủ yếu được điều chỉnh thông qua gia công nguội và kiểm soát kích thước hạt. - Chuẩn hóa/ủ: Ủ ở nhiệt độ thích hợp sẽ khôi phục độ dẻo và hòa tan các chất kết tủa không mong muốn; đối với 409, cần chú ý bảo quản các chất kết tủa ổn định. - Làm nguội và ram: Không áp dụng làm phương pháp gia cường cho các loại ferritic này. - Gia công nhiệt cơ: Khử nguội làm tăng độ bền bằng cách làm cứng biến dạng; cán và ủ có kiểm soát có thể tinh chỉnh kích thước hạt để tối ưu hóa độ dẻo dai và khả năng tạo hình.

Hậu quả thực tế: - Hóa chất ổn định của 409 cải thiện hiệu suất sau nhiều lần hàn và tuần hoàn nhiệt, giảm thiểu tình trạng nhạy cảm. - 430 ổn định và có thể dự đoán được trong điều kiện ủ và gia công nguội nhưng có thể xuất hiện sự phát triển hạt ở vùng HAZ trong quá trình hàn, ảnh hưởng đến độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	Điển hình 409 (ủ/phạm vi)	Điển hình 430 (ủ/phạm vi)
Độ bền kéo	Trung bình; phạm vi điển hình phụ thuộc vào công việc lạnh (ví dụ, vài trăm MPa)	Nói chung cao hơn 409 ở trạng thái ủ và làm nguội
Sức chịu lực	Trung bình; tăng lên khi làm việc ở nhiệt độ lạnh	Độ bền kéo cao hơn so với 409 ở chế độ xử lý tương đương
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt khi ủ; giảm khi làm nguội	Độ dẻo tốt nhưng thường thấp hơn 409 một chút trong điều kiện tương đương
Độ bền va đập	Phù hợp ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ cao để phục vụ nhiệt độ cao theo chu kỳ (có lợi từ sự ổn định)	Biến đổi — có thể thấp hơn 409 ở các phần dày hoặc HAZ do sự phát triển của hạt
Độ cứng	Thấp hơn ở trạng thái ủ; tăng lên khi làm việc nguội	Độ cứng cao hơn một chút ở trạng thái ủ; phản ứng tốt với quá trình làm cứng bằng gia công

Giải thích: - 430 thường có độ bền và độ cứng cao hơn 409 ở cùng mức độ xử lý do hàm lượng Cr cao hơn và hàm lượng chất ổn định thấp hơn, nhưng 409 có thể có độ dẻo dai vượt trội trong các dịch vụ tuần hoàn nhiệt do tính ổn định của Ti và hành vi vi cấu trúc. - Giá trị chính xác phụ thuộc vào quy trình và hình thức sản phẩm; kỹ sư phải chỉ rõ tình trạng (ủ, cán nguội, v.v.) và tham khảo chứng chỉ nhà máy để mua sắm.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn đối với thép không gỉ ferritic tập trung vào lượng cacbon tương đương và xu hướng phát triển hạt và giòn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ).

Công thức tương đương cacbon hữu ích: - Tương đương carbon IIW (chỉ số định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (dự báo khả năng nứt mối hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả 409 và 430 đều có hàm lượng cacbon và hợp kim thấp tương đối so với các loại mác thép martensitic, vốn thường cho khả năng hàn hồ quang tốt. Ổn định hóa trong 409 (Ti) giúp giảm nguy cơ nhạy cảm hóa và ăn mòn liên hạt sau khi hàn. - 409 lợi ích từ quá trình ổn định Ti: ít kết tủa crom-cacbua hình thành trong quá trình làm mát, cải thiện khả năng chống ăn mòn gần mối hàn. - 430 có thể hàn được bằng các quy trình tiêu chuẩn, nhưng do hàm lượng crom cao hơn và xu hướng phát triển hạt HAZ nên có thể xảy ra hiện tượng mềm hoặc giòn sau khi hàn; có thể cần phải gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt đầu vào đối với các phần dày. - Cả hai loại này thường yêu cầu vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và chú ý đến việc kiểm soát độ biến dạng; việc lựa chọn chất độn nên xem xét đến các yêu cầu về ăn mòn và tính chất cơ học.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• PREN chủ yếu được sử dụng cho thép không gỉ austenit và thép không gỉ duplex có hàm lượng Mo và N và không có nhiều thông tin hữu ích đối với hợp kim ferritic có hàm lượng Mo thấp, nhưng công thức là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 409 và 430, Mo và N không đáng kể; do đó PREN giảm gần bằng hàm lượng Cr và sẽ cao hơn đối với 430.

Hành vi ăn mòn thực tế: - 430 (Cr cao hơn) có khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong môi trường ôn hòa (khí quyển, môi trường hơi axit hoặc kiềm) so với 409. - 409 được thiết kế để chống oxy hóa ở nhiệt độ cao (ví dụ, khí thải) trong đó việc ổn định titan và hình thành oxit bảo vệ quan trọng hơn khả năng chống clorua ở môi trường xung quanh. - Cả thép 409 và 430 đều không có khả năng chống rỗ clorua như thép austenitic chứa Mo (ví dụ: 316). Đối với môi trường giàu clorua hoặc môi trường biển, nên sử dụng một loại thép không gỉ khác.

Các tùy chọn bảo vệ bề mặt: - Vì cả hai đều không gỉ nên việc mạ kẽm thường không cần thiết và thường không thực tế; đối với những trường hợp cần bảo vệ bổ sung (ví dụ: để ngăn ngừa vết bẩn bề mặt hoặc để cải thiện khả năng phát xạ ở nhiệt độ cao), có thể áp dụng các lớp phủ như phủ nhôm, sơn hoặc gốm/oxit. - Đối với môi trường ăn mòn nghiêm trọng, nên ốp hoặc lựa chọn thép không gỉ hợp kim cao cấp hơn.

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

• Khả năng định hình: Cả hai loại đều có khả năng định hình tốt trong điều kiện ủ. 409 thường được ưa chuộng để dập ô tô và kéo sâu vì tính ổn định của nó giúp cải thiện độ dẻo khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và giảm nứt cạnh. 430 có thể định hình được nhưng có thể bị đàn hồi nhiều hơn và yêu cầu dụng cụ và bôi trơn được tối ưu hóa.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ Ferritic gia công tốt hơn thép không gỉ Austenit trong nhiều trường hợp (ít phải tôi luyện). Thép 430, có độ bền cao hơn, có thể khó gia công hơn thép 409, nhưng cả hai đều đáp ứng tốt với các phương pháp gia công tiêu chuẩn với dụng cụ và tốc độ phù hợp.
• Hoàn thiện và xử lý bề mặt: 430 có khả năng đánh bóng và hoàn thiện trang trí tốt (được sử dụng trong các thiết bị gia dụng). 409 có bề mặt mờ hơn và thường được sử dụng ở những nơi không cần tính thẩm mỹ trang trí cao (ví dụ: các bộ phận ống xả).

8. Ứng dụng điển hình

409 (sử dụng phổ biến)	430 (sử dụng phổ biến)
Các bộ phận ống xả ô tô (bộ giảm thanh, ống xả, ống góp)	Tấm ốp thiết bị (lớp lót lò nướng, máy hút mùi), viền trang trí
Ống xả và vỏ bộ chuyển đổi xúc tác	Trang trí nội thất kiến ​​trúc, tấm ốp thang máy
Môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao, nơi chi phí là vấn đề quan trọng	Linh kiện HVAC, các bộ phận cán nóng và cán nguội
Bộ trao đổi nhiệt chống ăn mòn giá rẻ, ống dẫn	Lớp lót dao kéo, lớp lót đồ dùng ăn mòn vừa phải
Lò công nghiệp, tấm chắn nhiệt trong môi trường ăn mòn nhẹ	Trang trí nội thất ô tô, một số trang trí ngoại thất nơi ăn mòn ở mức độ vừa phải

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 409 khi khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, độ ổn định chu trình nhiệt và chi phí là những yếu tố chính (ví dụ, hệ thống ống xả ô tô sản xuất hàng loạt). - Chọn 430 khi bề mặt hoàn thiện, khả năng chống ăn mòn môi trường cao hơn và vẻ ngoài quan trọng và khi hàm lượng Cr cao hơn cung cấp khả năng bảo vệ cần thiết.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 409 thường rẻ hơn 430 tính theo trọng lượng vì hàm lượng crom thấp hơn đáng kể và hàm lượng niken tối thiểu. 430, với hàm lượng Cr cao hơn (và kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn một chút đối với mục đích trang trí), có giá cao hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai đều là thép không gỉ ferritic thông dụng có dạng cuộn, tấm, dải và ống. 409 có sẵn rộng rãi ở dạng cuộn và dải để sản xuất ống xả OEM. 430 có sẵn rộng rãi cho các ứng dụng thiết bị, kiến ​​trúc và trang trí.
• Thời gian giao hàng: hình dạng sản phẩm (cuộn so với tấm so với ống), bề mặt hoàn thiện yêu cầu và sản lượng nhà máy khu vực ảnh hưởng đến tính khả dụng; 409 và 430 thường được hỗ trợ tốt trên thị trường toàn cầu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	409	430
Khả năng hàn	Tốt (Ổn định Ti cải thiện khả năng chống ăn mòn sau khi hàn)	Tốt với các biện pháp kiểm soát (sự phát triển của hạt HAZ có thể làm giảm độ dẻo dai)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải; độ ổn định/độ bền nhiệt độ cao tốt	Độ bền sau khi xử lý cao hơn; độ dẻo dai phụ thuộc vào tiết diện và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn cho các bộ phận xả khối lượng lớn)	Cao hơn (khả năng chống ăn mòn và hoàn thiện tốt hơn)

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 409 nếu bạn cần loại thép không gỉ ferritic tiết kiệm được tối ưu hóa cho quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và các chu kỳ nhiệt lặp lại (ví dụ, hệ thống ống xả ô tô và ống dẫn nhiệt độ cao), đặc biệt là khi khả năng chống ăn mòn sau khi hàn là quan trọng và lớp hoàn thiện về mặt thẩm mỹ không phải là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 430 nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn môi trường tốt hơn, bề mặt đẹp hơn và độ bền cao hơn ở các bộ phận tạo hình nguội hoặc trang trí (ví dụ: thiết bị gia dụng, tấm ốp nội thất kiến ​​trúc và các ứng dụng yêu cầu bề mặt đánh bóng hoặc chải).

Nếu môi trường ăn mòn hoặc yêu cầu cơ học vượt quá giới hạn của một trong hai loại (ví dụ: tiếp xúc với clorua, nguy cơ ăn mòn ứng suất cao hoặc tải trọng kết cấu nặng), hãy đánh giá thép không gỉ hợp kim cao hơn (austenit hoặc duplex) hoặc các phương pháp xử lý bề mặt cụ thể. Khi mua hàng, hãy luôn nêu rõ hình dạng sản phẩm, quy trình xử lý sau (ủ, ngâm, ủ và ngâm), hoàn thiện bề mặt và chứng nhận tính chất cơ học cần thiết để đảm bảo nguồn cung phù hợp với mục đích sử dụng.