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

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường lựa chọn giữa AISI 410 và AISI 420 khi chỉ định thép không gỉ martensitic cho các bộ phận cần cân bằng giữa chi phí, khả năng định hình, độ bền và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép cho các bộ phận van, trục, chốt hoặc dao kéo, trong đó việc cân bằng giữa khả năng chống mài mòn, khả năng tôi, khả năng hàn và chi phí hoàn thiện là rất quan trọng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là 420 là biến thể có hàm lượng carbon cao hơn so với 410, mang lại cho 420 độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn đáng kể sau khi tôi, trong khi 410 vẫn giữ được độ dẻo và độ bền tương đối tốt hơn trong nhiều điều kiện sử dụng. Vì cả hai đều là thép không gỉ martensitic với hàm lượng crom tương đương, chúng thường được so sánh cho các ứng dụng đòi hỏi phản ứng martensitic (làm cứng + ram) hơn là khả năng chống ăn mòn vượt trội của thép austenitic.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tên gọi chung:
• AISI/SAE/UNS: 410 (UNS S41000), 420 (UNS S42000)
• ASTM/ASME: vật liệu thường được tham chiếu có nguồn gốc từ các ký hiệu AISI cho thanh, tấm và vật liệu rèn
• EN: X12Cr13 (tương đương với 410); các biến thể của 420 xuất hiện dưới dạng các thành viên họ X20Cr13 hoặc các mã martensitic khác tùy thuộc vào cacbon
• JIS/GB: các loại thép không gỉ martensitic tương đương tồn tại trong các tiêu chuẩn của Nhật Bản và Trung Quốc (ví dụ: họ SUS410), nhưng các tiêu chuẩn địa phương sử dụng số hiệu riêng biệt
• Phân loại: Cả thép 410 và 420 đều là thép không gỉ martensitic (không gỉ, có thể tôi bằng không khí, có thể xử lý nhiệt). Chúng không phải là thép dụng cụ hoặc thép HSLA; chúng là hợp kim không gỉ, có thể xử lý nhiệt, có khả năng chống ăn mòn vừa phải và độ cứng cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Chiến lược hợp kim cho cả hai loại đều tập trung vào crom để chống ăn mòn và cacbon để tăng khả năng làm cứng và độ bền. 420 làm tăng hàm lượng cacbon so với 410 để có khả năng phản ứng làm cứng và chống mài mòn cao hơn nhưng lại làm giảm độ dẻo và khả năng hàn.

Yếu tố	Phạm vi / nốt nhạc điển hình — 410	Phạm vi / nốt nhạc điển hình — 420
C (cacbon)	Thấp-trung bình (hàm lượng carbon thấp hơn 420; được thiết kế để cân bằng giữa độ dẻo và khả năng làm cứng)	Hàm lượng carbon cao hơn (cố ý nâng cao để tăng khả năng tôi luyện và độ cứng khi tôi luyện)
Mn (mangan)	Bổ sung nhỏ (khử oxy hóa, tăng cường dung dịch rắn hạn chế)	Những bổ sung nhỏ tương tự
Si (silicon)	Nhỏ, để khử oxy; tăng cường nhỏ	Tương tự
P (phốt pho)	Kiểm soát mức thấp (kiểm soát tạp chất)	Mức độ thấp được kiểm soát
S (lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp (cải thiện khả năng gia công ở một số cấp độ khi có)	Kiểm soát mức thấp (có thể có trong các biến thể có thể gia công)
Cr (crom)	~12% (cung cấp khả năng chống oxy hóa/chống gỉ cơ bản và đặc tính thép không gỉ martensitic)	~12–14% (mức crom tương tự như 410)
Ni (niken)	Thông thường thấp hoặc không có (giữ nguyên cấu trúc martensitic)	Thông thường thấp hoặc không có
Mo, V, Nb, Ti, B, N	Thường không có hoặc ở lượng rất nhỏ; một số biến thể thương mại có thể bao gồm các chất bổ sung hợp kim nhỏ	Thông thường không có hoặc không có dấu vết; các biến thể 420 đặc biệt (ví dụ: 420HC) có thể có C/S/P được thiết kế riêng để có thể gia công/độ cứng

Ghi chú: Tỷ lệ phần trăm chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và dạng sản phẩm (thanh, dải, tấm, rèn). Các thành phần hợp kim chính là crom (để chống ăn mòn) và cacbon (để tăng khả năng tôi và độ cứng tối đa sau khi tôi).

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom tạo ra lớp màng oxit thụ động giúp thép không gỉ có tính chất ở nồng độ vừa phải (~11–14% trong các loại máctensite này). - Cacbon làm tăng độ cứng và độ bền của martensite sau khi tôi; hàm lượng cacbon cao hơn làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn và thúc đẩy sự hình thành cacbua trong quá trình tiếp xúc với nhiệt hoặc hàn. - Hàm lượng Ni và hợp kim thấp giúp các loại thép này có từ tính và tính martensitic, cho phép thực hiện các phương pháp xử lý nhiệt mà các loại thép austenitic không thể thực hiện được.

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

Cấu trúc vi mô: - Trong điều kiện ủ, cả hai loại thép này thường là ferritic/pearlitic hoặc một phần austenitic tùy thuộc vào thành phần hóa học và lịch sử nhiệt. Sau khi austenit hóa và tôi, cả hai đều tạo ra vi cấu trúc martensitic; sự phân bố austenit và cacbua còn lại phụ thuộc vào cacbon và tốc độ làm nguội. - 410: Với hàm lượng cacbon thấp hơn, martensite ít bão hòa cacbon hơn và thường mịn hơn; cacbua có mặt nhưng ít phổ biến hơn so với 420. - 420: Hàm lượng cacbon cao hơn tạo ra ma trận martensite cứng hơn và tỷ lệ thể tích cacbua crom lớn hơn (cacbua loại M23C6) sau một số chu kỳ nhiệt nhất định.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí sau quá trình austenit hóa): tinh chỉnh kích thước hạt và có thể đồng nhất cấu trúc vi mô; được sử dụng nhiều hơn để cải thiện độ ổn định kích thước và độ dẻo dai trong 410. - Làm nguội và ram: phương pháp chính để thu được cấu trúc martensitic cứng, ram ở cả hai loại. 420 đạt độ cứng cao hơn ở nhiệt độ ram tương đương do hàm lượng cacbon cao hơn; nhưng cũng cần ram cẩn thận để cân bằng độ dẻo dai và giảm độ giòn. - Xử lý nhiệt cơ học: rèn và cán có kiểm soát có thể tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước khi làm nguội và tăng độ dẻo dai ở cả hai loại; hiệu ứng này rõ rệt hơn ở 410 do khả năng làm cứng thấp hơn.

Lưu ý thực tế: 420 nhạy cảm hơn với hiện tượng quá nhiệt và kết tủa cacbua trong quá trình làm nguội chậm hoặc chu trình nhiệt hàn; điều này có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai tại chỗ.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt. Dưới đây là bảng tóm tắt so sánh, dễ áp ​​dụng cho các điều kiện thông thường (ủ so với tôi & ram hoặc tôi cứng + ram).

Tài sản	410 (hành vi điển hình)	420 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình trong quá trình ủ; tăng khi tôi/rau nhưng thấp hơn mức tối đa 420 ở quá trình tôi tương đương	Thấp hơn khi ủ nhưng có thể đạt được độ bền kéo cực đại cao hơn khi được làm cứng do hàm lượng carbon cao hơn
Cường độ chịu kéo	Trung bình; cân bằng tốt giữa độ dẻo và độ bền kéo	Năng suất đạt được cao hơn khi được làm cứng; độ dẻo thấp hơn ở cường độ tương đương
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo và độ giãn dài tốt hơn trong điều kiện ủ và ram	Độ giãn dài giảm sau khi tôi cứng; độ dẻo thấp hơn 410 ở cùng độ bền
Độ bền va đập	Độ dẻo dai tốt hơn (ít giòn hơn ở mức độ cứng vừa phải)	Độ bền va đập thấp hơn ở điều kiện tôi cứng; có xu hướng giòn hơn khi được đẩy đến độ cứng cao
Độ cứng (tối đa có thể đạt được)	Độ cứng tối đa vừa phải sau khi tôi cứng (phù hợp với một số loại mài mòn)	Độ cứng tối đa cao hơn (khả năng chống mài mòn và giữ cạnh tốt hơn), nhưng độ bền giảm

Diễn giải: 420 là lựa chọn cứng hơn, bền hơn sau khi xử lý nhiệt; 410 dễ uốn hơn — dễ đạt được độ dẻo dai và độ dai hợp lý trong khi vẫn cung cấp độ bền tôi vừa phải.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng carbon và độ tôi. Cả hai loại thép này đều là thép không gỉ martensitic và có những thách thức về mối hàn so với thép carbon thấp hoặc thép không gỉ austenitic.

Các chỉ số hữu ích (diễn giải định tính): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (quan trọng đối với khả năng nứt mối hàn thép): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 420 có hàm lượng cacbon cao hơn ở cả hai chỉ số, làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ nứt nguội cũng như hình thành martensite HAZ. Việc kiểm soát nhiệt độ nung nóng trước và giữa các lớp hàn cùng với quá trình ram sau hàn hoặc PWHT giúp giảm nguy cơ giòn do hydro. - Thép 410, có hàm lượng cacbon thấp hơn, dễ hàn hơn nhưng vẫn cần chú ý kiểm soát hydro và gia nhiệt trước khi hàn các phần đã gia công nguội nhiều hoặc các phần dày. - Sử dụng kim loại phụ phù hợp, quy trình ít hydro, gia nhiệt trước và ram sau hàn giúp ích cho cả hai loại; 420 thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn và xử lý nhiệt sau hàn cao hơn để khôi phục độ dẻo dai.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép không gỉ 410 và 420 đều là thép không gỉ martensitic: chúng có khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn thép cacbon thông thường trong môi trường khô và ôn hòa nhưng kém hơn thép austenitic (304/316) trong môi trường clorua hoặc axit.
• Hàm lượng crom là yếu tố chính góp phần tạo nên khả năng chống ăn mòn ở cả hai loại; vì cả hai đều có hàm lượng crom tương tự nhau nên khả năng chống ăn mòn cơ bản là tương đương nhau trong nhiều điều kiện.
• Hàm lượng cacbon cao hơn trong hợp kim 420 có thể thúc đẩy sự kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt trong quá trình làm nguội chậm hoặc hàn. Sự suy giảm crom cục bộ này có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.
• Công thức PREN (không thường được sử dụng cho các loại thép martensitic) (chỉ mang tính chất hướng dẫn trong một số loại thép không gỉ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này chủ yếu áp dụng cho thép không gỉ duplex và austenit; nó ít được sử dụng cho các loại thép martensitic vì Mo và N thường thấp hoặc không có.

Các tùy chọn bảo vệ bề mặt cho cả hai loại khi khả năng chống ăn mòn cần tăng cường: - Mạ kẽm (đối với thép 410 ở một số dạng) — nhưng mạ kẽm thép không gỉ không phổ biến và có thể không cần thiết đối với dịch vụ thông thường. - Sơn, lớp phủ polyme hoặc lớp phủ mạ (niken/crom) — được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận có yêu cầu cao về khả năng chống ăn mòn hoặc hình thức. - Xử lý thụ động và kiểm soát cẩn thận chu trình xử lý nhiệt/hàn để tránh gây nhạy cảm.

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

• Gia công: Cả hai loại thép này đều phải được gia công ở trạng thái mềm/ủ để có tuổi thọ dụng cụ tốt nhất. 420 có hàm lượng carbon cao hơn và độ cứng tiềm ẩn cao hơn trong một số điều kiện sản phẩm cần được cẩn thận; các biến thể có thể gia công (ví dụ: 420 có lưu huỳnh được kiểm soát) cải thiện quá trình hình thành phoi.
• Tạo hình và uốn cong: Thép 410 có hàm lượng cacbon thấp hơn và độ dẻo cao hơn ở trạng thái ủ, dễ tạo hình nguội và uốn cong hơn. Thép 420 cần các thông số tạo hình mạnh hơn hoặc phải được tạo hình ở trạng thái ủ và độ đàn hồi có thể cao hơn sau khi ram.
• Mài, đánh bóng và hoàn thiện: Thép 420 được ưa chuộng cho các ứng dụng yêu cầu giữ cạnh và lưỡi cắt được đánh bóng (dao kéo, lưỡi dao) vì thép này phản ứng tốt với quá trình làm cứng và đánh bóng; thép 410 có khả năng đánh bóng và hoàn thiện tốt nhưng có thể đạt được độ cứng thấp hơn.

8. Ứng dụng điển hình

410 — Công dụng điển hình	420 — Công dụng điển hình
Các chi tiết cố định, bu lông, trục, linh kiện van, bộ phận bơm cần có khả năng chống ăn mòn và độ bền vừa phải	Dao kéo, dụng cụ phẫu thuật, dao cạo, vòng bi, bộ phận chịu mài mòn, van nơi cần độ cứng cao hơn và khả năng giữ cạnh tốt hơn
Các thành phần cấu trúc trong môi trường không khắc nghiệt của ngành sản xuất điện, hóa dầu	Các công cụ và linh kiện đòi hỏi độ cứng bề mặt cao hơn hoặc khả năng chống mài mòn sau khi tôi cứng
Thép không gỉ martensitic thông dụng, dễ hàn/chế tạo	Các thành phần ưu tiên khả năng chống mài mòn và độ cứng cao; được lựa chọn để hoàn thiện/đánh bóng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 410 nếu ứng dụng coi trọng độ dẻo, dễ hàn/chế tạo và khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình với chi phí thấp hơn. - Chọn 420 nếu ứng dụng yêu cầu độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn (cạnh, gioăng, mặt chịu mài mòn) và thiết kế có thể chịu được độ dẻo dai thấp hơn cũng như các quy trình kiểm soát hàn/xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép 410 thường rẻ hơn thép 420 ở nhiều dạng sản phẩm do hàm lượng carbon thấp hơn và được sử dụng rộng rãi hơn; các biến thể thép 420 (đặc biệt là thép có hàm lượng carbon cao hoặc thép “HC”) có thể có giá cao hơn do được xử lý để tăng độ cứng và hoàn thiện cụ thể.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi dưới dạng phổ biến (thanh, tấm, dải, rèn), mặc dù các biến thể đặc biệt của thép 420 (ví dụ: 420HC, 420J2) thường được tiếp thị cho mục đích sử dụng trong dao kéo và phẫu thuật. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với các sản phẩm cán tiêu chuẩn; hãy chỉ định biến thể chính xác (ủ, tôi, lưu huỳnh để gia công) ngay từ đầu khi mua hàng để tránh bị thay thế.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	410	420
Khả năng hàn	Tốt hơn (ít carbon hơn)	Thách thức hơn (lượng carbon cao hơn)
Sự đánh đổi giữa sức mạnh và độ bền	Độ bền cân bằng với sức mạnh vừa phải	Độ bền/độ cứng có thể đạt được cao hơn nhưng độ dẻo dai thấp hơn
Trị giá	Nói chung là thấp hơn	Nói chung cao hơn đối với các biến thể có hàm lượng carbon cao/độ cứng cao

Kết luận: - Chọn 410 nếu bạn cần thép không gỉ martensitic có độ dẻo và độ bền tương đối tốt, dễ chế tạo và hàn hơn, và khả năng chống ăn mòn vừa phải — ví dụ như trục, van, chốt và các bộ phận ưu tiên khả năng hàn và độ bền. - Chọn 420 nếu bạn cần độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn (cạnh cắt, phớt, mặt chịu mài mòn, lưỡi dao chính xác) và thiết kế cho phép kiểm soát hàn chặt chẽ hơn cũng như xử lý nhiệt sau hàn để giảm thiểu nguy cơ giòn và ăn mòn.

Lời khuyên thực tế cuối cùng: hãy nêu rõ tình trạng sản phẩm chính xác và kế hoạch xử lý nhiệt sau khi chế tạo trong các tài liệu mua sắm (ví dụ: “420, tôi và ram đến X HRC với ram cuối ở Y°C” hoặc “410, chuẩn hóa để tăng độ dẻo dai”) và yêu cầu chứng nhận hóa học và cơ học để đảm bảo loại thép đã chọn đáp ứng được sự cân bằng mong muốn giữa độ cứng, độ dẻo dai và hiệu suất chống ăn mòn.