410 so với 420 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

410 và 420 là hai loại thép không gỉ martensitic được sử dụng rộng rãi, thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải cân bằng giữa độ cứng và khả năng chống mài mòn với độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí. Các nhà quản lý mua sắm, nhà lập kế hoạch sản xuất và kỹ sư thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa loại martensitic có hàm lượng carbon thấp hơn, dễ tạo hình và hàn hơn, và loại có hàm lượng carbon cao hơn, có thể đạt được độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn cao hơn đáng kể sau khi xử lý nhiệt.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là thép 420 chứa nhiều carbon hơn (và do đó có khả năng tôi luyện và độ cứng tiềm năng cao hơn) so với thép 410, trong khi thép 410 được thiết kế để có độ bền, độ dẻo và khả năng chế tạo đa năng tốt hơn. Sự khác biệt này quyết định cách thức xử lý nhiệt, gia công, bảo vệ và ứng dụng của từng loại thép trong công nghiệp.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các chỉ định và tiêu chuẩn quốc tế chung:
• ASTM/ASME: ASTM A276 (thanh), số AISI/UNS (các biến thể UNS S41000 cho 410, UNS S42000 hoặc S42000 cho 420).
• EN: Các giá trị tương đương EN thường được biểu thị là XxCrNi hoặc XxCr13, v.v., nhưng phép ánh xạ trực tiếp một-một thay đổi tùy theo giới hạn thành phần cụ thể.
• JIS và GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có các loại thép không gỉ martensitic tương ứng với thành phần hóa học tương tự nhưng giới hạn khác nhau.
• Phân loại:
• 410: Thép không gỉ martensitic (thép không gỉ cacbon/thép martensitic hợp kim thấp).
• 420: Thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon cao hơn (thường được gọi là “thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon cao”).
• Cả thép 410 và 420 đều không phải là thép HSLA, thép austenit hay thép dụng cụ theo nghĩa chính thức, mặc dù thép 420 thường được sử dụng khi cần khả năng chống mài mòn gần bằng thép dụng cụ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (xấp xỉ; báo cáo giới hạn thông số kỹ thuật thực tế từ tiêu chuẩn có liên quan khi chỉ định vật liệu)

Yếu tố	410 (phạm vi điển hình, wt%)	420 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,08–0,15	0,15–0,40
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	11,5–13,5	12,0–14,0
Ni	≤ 0,75	≤ 0,5
Mo	- (dấu vết)	— (vết tích nhỏ)
V, Nb, Ti, B, N	thường theo dõi hoặc không được chỉ định	thường theo dõi hoặc không được chỉ định

Ghi chú: - Các phạm vi này chỉ mang tính chất tham khảo và thay đổi tùy theo dạng sản phẩm và tiêu chuẩn. Thông số kỹ thuật mua sắm nên tham chiếu tiêu chuẩn hiện hành hoặc số UNS để biết giới hạn chấp nhận. - Chiến lược hợp kim: cả hai loại đều dựa vào crom để chống ăn mòn và hình thành martensite sau khi tôi. Hàm lượng cacbon cao của 420 làm tăng tỷ lệ thể tích của martensite và cacbua có thể làm cứng; 410 giữ hàm lượng cacbon thấp hơn để duy trì độ dẻo và độ dai sau khi xử lý nhiệt.

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

Cấu trúc vi mô: - Khi tôi, cả 410 và 420 đều tạo thành martensite (martensite tứ phương tâm khối) khi được làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa. Sự kết tủa cacbua (chủ yếu là crom cacbua) rõ rệt hơn ở 420 có hàm lượng cacbon cao hơn, điều này có thể dẫn đến tỷ lệ pha cacbua cứng, giòn cao hơn phân bố trong nền martensite. - Trong điều kiện ủ, cả hai thường được tìm thấy dưới dạng ferit/pearlit hoặc martensite mềm tùy thuộc vào quá trình chế biến. Lịch sử nhiệt cơ học (gia công nguội, kích thước hạt austenit trước đó) cũng ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng.

Hành vi xử lý nhiệt: - Ủ dung dịch điển hình: nung nóng đến nhiệt độ austenit hóa (khoảng 980–1050 °C, tùy thuộc vào thông số kỹ thuật và kích thước mặt cắt), sau đó làm nguội để tạo thành martensite. - Tôi luyện: được sử dụng để điều chỉnh cân bằng độ cứng/độ dẻo dai. Nhiệt độ tôi luyện thấp hơn (~150–300 °C) giữ được độ cứng cao hơn nhưng độ dẻo dai thấp hơn; tôi luyện cao hơn (~300–600 °C) làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai. - 420 phản ứng mạnh hơn với quá trình làm cứng do C cao hơn — nó có thể đạt độ cứng Rockwell cao hơn nhiều sau khi làm nguội và ram ở nhiệt độ thấp; 410 bị giới hạn bởi hàm lượng cacbon thấp hơn và do đó không thể đạt được độ cứng đỉnh tương tự nhưng vẫn giữ được độ dẻo và độ bền va đập tốt hơn. - Có thể sử dụng phương pháp làm nguội bình thường hoặc có kiểm soát để tinh chỉnh kích thước hạt và tối ưu hóa khả năng gia công hoặc độ dẻo dai trước khi ram cuối cùng.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình (phụ thuộc vào xử lý nhiệt; giá trị mang tính chỉ dẫn)

Tài sản	410 (phạm vi ủ / xử lý nhiệt)	420 (phạm vi ủ / xử lý nhiệt)
Độ bền kéo (MPa)	≈ 450–800 (ủ đến khi tôi)	≈ 600–1200 (tùy thuộc vào độ cứng)
Giới hạn chảy (MPa)	≈ 200–600	≈ 400–1100
Độ giãn dài (%)	≈ 15–30 (ủ)	≈ 8–25 (ủ đến khi tôi)
Độ bền va đập (J, Charpy)	Nói chung là cao hơn (độ dẻo dai tốt hơn)	Thấp hơn khi cứng lại; thay đổi theo nhiệt độ
Độ cứng (HRC)	≈ 16–28 (ủ/làm mềm) đến ≈ 35–40 (làm cứng/rau)	≈ 18–30 (ủ) lên đến ≈ 45–60+ HRC (tôi cứng/rau)

Giải thích: - Thép 420 có thể được tôi luyện để đạt độ cứng và độ bền kéo cao hơn đáng kể do có hàm lượng carbon cao hơn; điều này làm cho thép này trở nên vượt trội đối với các bộ phận chống mài mòn và các cạnh cắt. - 410 có độ dẻo dai và độ giãn dài tốt hơn trong điều kiện tương đương và thường là lựa chọn dẻo dai và chống va đập tốt hơn. - Tính chất chính xác phụ thuộc nhiều vào chu trình xử lý nhiệt và độ dày của mặt cắt; việc trích dẫn giá trị thiết kế đòi hỏi phải chỉ định độ cứng hoặc trạng thái xử lý nhiệt.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được kiểm soát bởi hàm lượng cacbon, các nguyên tố tôi cứng khác (Cr, Mo, V) và lượng nhiệt đầu vào/kiềm chế. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành mactenxit và nứt nguội trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Công thức hữu ích cho đánh giá định tính: - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm toàn diện 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: - 410, với hàm lượng carbon thấp hơn, thường có hàm lượng carbon tương đương thấp hơn 420 và do đó khả năng hàn tốt hơn (nguy cơ nứt và cứng vùng HAZ thấp hơn). - 420, đặc biệt là các biến thể có hàm lượng carbon cao, thường yêu cầu các quy trình hàn đặc biệt: làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn, vật tư hàn có hàm lượng hydro thấp và tôi sau khi hàn hoặc giảm ứng suất để tránh nứt vùng HAZ. - Việc sử dụng vật tư tiêu hao phù hợp là rất quan trọng để tránh độ cứng quá mức của kim loại hàn. Khi ưu tiên khả năng hàn, hãy chỉ định giới hạn cacbon thấp hơn hoặc chọn kim loại hàn được thiết kế cho mối hàn thép không gỉ martensitic.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép không gỉ 410 và 420 đều là thép không gỉ martensitic có khả năng chống ăn mòn trung bình do hàm lượng crom (≈12–14%). Chúng không có khả năng chống ăn mòn tốt như thép austenitic (304, 316) và dễ bị rỗ, ăn mòn khe hở và ăn mòn nói chung trong môi trường khắc nghiệt.
• Đối với môi trường ăn mòn, các chiến lược bảo vệ bề mặt bao gồm thụ động hóa, sơn, mạ hoặc mạ kẽm (nếu điều kiện luyện kim cơ bản và dịch vụ cho phép). Lưu ý rằng mạ kẽm thường được áp dụng cho thép cacbon và có thể không phù hợp khi yêu cầu tính toàn vẹn của bề mặt thép không gỉ; hãy tham khảo khả năng tương thích của lớp phủ.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) chủ yếu được sử dụng cho thép không gỉ austenit/ferritic có Mo và N: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PREN có liên quan hạn chế đến 410/420 vì hiệu suất chống ăn mòn của chúng bị chi phối bởi hàm lượng crom và các yếu tố vi cấu trúc, và cả hai đều thường có hàm lượng Mo và N thấp.
• Hướng dẫn thực tế: chỉ chọn thép 410 hoặc 420 cho môi trường ăn mòn nhẹ hoặc khi việc kiểm soát ăn mòn bằng lớp phủ/mạ là chấp nhận được. Đối với môi trường giàu clorua, hãy chọn thép không gỉ hợp kim cao hơn.

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

• Khả năng gia công:
• Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều gia công khá tốt. Khả năng gia công giảm mạnh khi độ cứng tăng.
• 420 ở trạng thái cứng có thể mài mòn dụng cụ và khó gia công; vật liệu dụng cụ và nguồn cấp dữ liệu phải được lựa chọn cho phù hợp.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Thép 410 ủ có khả năng định hình tốt hơn và có thể định hình nguội với độ đàn hồi thích hợp.
• Thép 420 (hàm lượng carbon cao hơn) có độ dẻo giảm và dễ bị nứt khi tạo hình nếu không được ủ.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai loại đều có bề mặt hoàn thiện tốt khi ủ; đánh bóng thép 420 cứng thành bề mặt gương thường được dùng để làm dao kéo và dụng cụ y tế.
• Những cân nhắc về xử lý nhiệt trong kế hoạch chế tạo: tạo hình theo kế hoạch và hàn ở trạng thái ủ nếu có thể, sau đó thực hiện quá trình làm cứng/ram cuối cùng như một thao tác riêng biệt để đạt được các đặc tính cần thiết.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình theo từng loại

410 — Ứng dụng điển hình	420 — Ứng dụng điển hình
Trục bơm, linh kiện van, ốc vít, các bộ phận kết cấu cần khả năng chống ăn mòn và độ bền vừa phải	Lưỡi dao kéo, dụng cụ phẫu thuật (một số loại), vòng bi, tấm mài mòn, dao nhỏ, lưỡi dao cạo cần có độ cứng cao và khả năng giữ cạnh tốt
Trang trí ô tô, linh kiện tua bin hơi nước và khí, các bộ phận không quan trọng trong ngành hóa dầu	Các bộ phận yêu cầu độ cứng bề mặt cao sau khi xử lý nhiệt: lưỡi cắt, khuôn cho các công cụ có khối lượng nhỏ, các bộ phận trượt chịu mài mòn cao
Các thành phần cơ khí chung với xử lý nhiệt đơn giản và khả năng hàn tốt	Các ứng dụng nhấn mạnh khả năng chống mài mòn và giữ cạnh; thường được làm cứng và mài sau khi xử lý nhiệt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 410 khi chế tạo, hàn, khả năng chống va đập và chi phí là những mối quan tâm chính và chỉ yêu cầu khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình. - Chọn 420 khi cần độ cứng bề mặt cao, khả năng chống mài mòn và giữ cạnh và khi có thể xử lý nhiệt sau.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Thép 410 thường rẻ hơn thép 420 vì hàm lượng carbon thấp hơn và quá trình chế biến đơn giản hơn ở nhiều dạng sản phẩm.
• Thép 420 có giá cao khi được cung cấp ở dạng có hàm lượng carbon cao, độ cứng chính xác và hoàn thiện tinh xảo (ví dụ: loại dùng làm dao kéo).
• Khả dụng:
• Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi dưới dạng thanh, tấm và sản phẩm rèn, nhưng các loại thép có độ cứng cụ thể (thanh dao kéo được làm cứng trước, mài mịn) có thể bị hạn chế hơn đối với một số mức cacbon nhất định của 420.
• Thời gian hoàn thiện có thể thay đổi tùy theo độ hoàn thiện bề mặt và độ cứng — các thành phần 420 được làm cứng và mài thường có thời gian hoàn thiện lâu hơn và chi phí xử lý cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh (định tính)

Đặc điểm	410	420
Khả năng hàn	Tốt (tốt hơn)	Từ trung bình đến kém (yêu cầu xử lý nhiệt trước/sau khi hàn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt hơn, độ bền vừa phải	Độ cứng/sức bền cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn khi được tôi luyện
Chống mài mòn / Giữ cạnh	Vừa phải	Cao (khi cứng lại)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (đặc biệt đối với các dạng có hàm lượng carbon cao, cứng)

Kết luận và khuyến nghị: - Chọn 410 nếu bạn cần thép không gỉ martensitic cân bằng, dễ hàn và chế tạo, có khả năng chống ăn mòn hợp lý trong môi trường ôn hòa, ưu tiên độ bền và chi phí thấp. Các trường hợp sử dụng điển hình: trục, chốt, van và các bộ phận yêu cầu chế tạo thường xuyên và dịch vụ sau hàn. - Chọn 420 nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ cứng bề mặt cao, khả năng chống mài mòn vượt trội hoặc các cạnh sắc (dụng cụ cắt, lưỡi dao, bề mặt chịu mài mòn) và bạn có thể đáp ứng các quy trình hàn và chế tạo hạn chế hơn cùng với lộ trình xử lý nhiệt chuyên dụng. 420 là lựa chọn tốt hơn khi độ cứng sau khi ram và khả năng giữ cạnh chiếm ưu thế trong các tiêu chí thiết kế.

Lưu ý cuối cùng: luôn ghi rõ trạng thái xử lý nhiệt cần thiết, độ cứng tối đa và tiêu chuẩn áp dụng trong tài liệu mua hàng. Hiệu suất cơ học và chống ăn mòn trong quá trình sử dụng sẽ chủ yếu được quyết định bởi xử lý nhiệt và tình trạng bề mặt chứ không chỉ dựa trên cấp danh nghĩa.