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

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải cân nhắc giữa khả năng chịu nhiệt/chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn khi lựa chọn thép không gỉ cho các bộ phận như chốt, cánh, bộ phận van và tấm ốp thiết bị. Việc lựa chọn giữa mác 420 và mác 430 thường tập trung vào việc bộ phận đó cần độ cứng có thể xử lý nhiệt (và do đó có độ bền/khả năng chống mài mòn cao hơn) hay khả năng chống ăn mòn tổng thể được cải thiện với khả năng định hình tốt với chi phí thấp hơn.

Sự khác biệt cơ bản về mặt thực tế là một loại được thiết kế để có thể xử lý nhiệt đạt độ cứng và độ bền cao (thông qua quá trình biến đổi martensitic khi tôi), trong khi loại còn lại là hợp kim ferritic về cơ bản vẫn không bị tôi cứng bằng các phương pháp tôi tiêu chuẩn và có khả năng chống ăn mòn và định hình tốt hơn. Sự khác biệt này chi phối hầu hết các quyết định tiếp theo trong thiết kế, chế tạo và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Cả hai loại thép này đều được quy định chung trong các tiêu chuẩn thép không gỉ quốc tế. Các tiêu chuẩn và ký hiệu điển hình bạn sẽ gặp bao gồm:

• ASTM / ASME: phạm vi áp dụng chung cho các thông số kỹ thuật của thanh, tấm và ốc vít bằng thép không gỉ (ví dụ: họ A276/A240 — kiểm tra từng thông số kỹ thuật để biết danh sách cấp độ).
• EN (Châu Âu): các thuật ngữ thường được dùng để mô tả thép không gỉ ferritic và martensitic.
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản): Danh pháp SUS420, SUS430 phổ biến trong vật liệu có nguồn gốc từ Nhật Bản.
• GB (tiêu chuẩn Trung Quốc): có các tên gọi tương đương và cấp độ địa phương cho cả hai loại thép không gỉ.

Phân loại: - 420: thép không gỉ martensitic (thép không gỉ có thể xử lý nhiệt). - 430: thép không gỉ ferritic (không tôi, thép không gỉ ferritic crom).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh ngắn gọn về phạm vi thành phần điển hình được sử dụng để phân biệt hai loại. Giới hạn thực tế phụ thuộc vào tiêu chuẩn hoặc biến thể sản phẩm cụ thể; hãy luôn kiểm tra giấy chứng nhận của nhà máy.

Yếu tố	Phạm vi điển hình — 420 (wt%)	Phạm vi điển hình — 430 (wt%)
C	0,15 – 0,40	≤ 0,12
Mn	≤ 1,00	≤ 1,00
Si	≤ 1,00	≤ 1,00
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03 – 0,04	≤ 0,03
Cr	12,0 – 14,0	16,0 – 18,0
Ni	≤ 1,00	≤ 0,75
Mo	Thông thường là không có	Thông thường là không có
V, Nb, Ti, B, N	Dấu vết/thấp, phụ thuộc vào hợp kim	Dấu vết/thấp, phụ thuộc vào hợp kim

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon: hàm lượng carbon cao hơn trong thép 420 giúp thép cứng hơn và có độ cứng cao hơn sau khi tôi và ram; nó làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn. - Crom: 430 có hàm lượng crom cao hơn, cải thiện độ ổn định của màng thụ động và khả năng chống ăn mòn nói chung so với 420 trong nhiều môi trường. - Hàm lượng Ni thấp: cả hai loại đều có hàm lượng niken thấp (đặc biệt là 430), giúp chúng tiết kiệm chi phí hơn so với thép không gỉ austenit nhưng lại hạn chế độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp và khả năng chống ăn mòn so với các loại thép chứa Ni. - Các nguyên tố khác: hàm lượng Mo thấp và không có nitơ trong các loại tiêu chuẩn có nghĩa là không có hợp kim nào được tối ưu hóa cho môi trường rỗ mạnh.

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

• 420: Ở trạng thái ủ, 420 thường chứa ferit cộng với cacbua. Khi tôi từ nhiệt độ austenit hóa, nó chuyển thành martensite, cho phép tăng đáng kể độ cứng và độ bền kéo. Tôi sau khi tôi giúp giảm độ giòn và điều chỉnh độ dai. Các phương pháp gia công điển hình: ủ (ở trạng thái mềm) để gia công, sau đó làm cứng (austenit hóa, tôi) và ram đến độ cứng/khả năng chống mài mòn cần thiết.
• 430: Chủ yếu là cấu trúc vi mô ferritic (lập phương tâm khối) ở nhiệt độ phòng và thông qua các chu trình nhiệt thực tế; về cơ bản, nó không thể chuyển đổi thành martensite bằng phương pháp tôi thông thường. Ủ dung dịch và khử ứng suất được sử dụng để làm mềm và tinh chế hạt, nhưng thép ferritic không đạt được độ cứng thông qua tôi và ram. Tiếp xúc quá mức với nhiệt độ cao có thể làm hạt thô, làm giảm độ dẻo dai và hiệu suất hàn.

Tác dụng của quá trình xử lý: - Chuẩn hóa/ủ: cả hai đều có thể được ủ để giảm ứng suất; 420 thường được ủ trước khi gia công. - Làm nguội và ram: hiệu quả để thép 420 đạt độ cứng/khả năng chống mài mòn cao; không hiệu quả với thép 430. - Các tuyến đường nhiệt cơ học: gia công nguội làm tăng độ bền ở cả hai loại (làm cứng bằng gia công) nhưng thường được sử dụng nhiều hơn để điều chỉnh các đặc tính trong ferritic 430 khi không thể làm cứng bằng nhiệt.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học thay đổi tùy theo hình dạng sản phẩm (tấm, thanh, dây) và phương pháp xử lý nhiệt. Thay vì các giá trị đơn lẻ, bảng dưới đây so sánh hành vi dự kiến ​​và các kỳ vọng điển hình phụ thuộc vào điều kiện.

Tài sản	420 (martensitic, có thể xử lý nhiệt)	430 (ferritic, không cứng)
Độ bền kéo	Có thể tăng đáng kể bằng cách làm nguội và tôi luyện; vừa phải trong điều kiện ủ	Trung bình và tương đối ổn định qua các phương pháp xử lý nhiệt; tăng hạn chế từ phương pháp xử lý nhiệt
Cường độ chịu kéo	Tăng theo quá trình tôi luyện/độ cứng; cao hơn 430 ở trạng thái tôi luyện	Độ bền kéo vừa phải; tăng chủ yếu nhờ gia công nguội
Độ giãn dài / Độ dẻo	Thấp hơn ở trạng thái tôi cứng; độ dẻo tốt hơn ở trạng thái ủ	Độ dẻo/dễ tạo hình nói chung tốt hơn thép 420 đã tôi
Độ bền va đập	Có thể thấp nếu dập tắt quá mức hoặc không đủ nhiệt	Độ dẻo dai được duy trì tốt hơn ở nhiệt độ phòng so với thép 420 được làm cứng cao
Độ cứng	Có thể đạt được độ cứng cao (phù hợp với dao, bộ phận chịu mài mòn) sau khi tôi và ram	Độ cứng vừa phải trong điều kiện ủ hoặc gia công nguội; không phù hợp với các bộ phận chịu mài mòn có độ cứng cao

Lưu ý: Các giá trị số cụ thể phụ thuộc vào loại hợp kim và phương pháp xử lý nhiệt cụ thể. Tham khảo bảng dữ liệu nhà máy và thực hiện thử nghiệm nghiệm thu khi các tiêu chí về độ bền hoặc độ dẻo dai là quan trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được xác định bởi hàm lượng cacbon tương đương, các nguyên tố hợp kim và phản ứng vi cấu trúc với các chu kỳ nhiệt. Hai chỉ số phổ biến được sử dụng để đánh giá nguy cơ cứng hoặc nứt là:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Và

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - 420: Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với 430, do đó, việc nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và ram sau hàn thường là cần thiết để tránh nứt nguội do hydro gây ra và giảm ứng suất dư. Việc lựa chọn kim loại hàn phải cân bằng giữa tính chất ăn mòn và cơ học; dây hàn austenit đôi khi được sử dụng để giảm nguy cơ nứt, nhưng lại làm giảm hiệu suất ăn mòn cục bộ và sự không tương thích về mặt cơ học. - 430: Hàm lượng carbon thấp hơn cho khả năng hàn nội tại tốt hơn 420. Tuy nhiên, thép không gỉ ferit có thể nhạy cảm với sự phát triển của hạt trong vùng ảnh hưởng nhiệt, điều này có thể làm giảm độ dẻo dai và giòn nếu tiếp xúc với một số chu kỳ nhiệt nhất định. Thực hành thông thường sử dụng chất độn ferit hoặc austenit phù hợp tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng và chống ăn mòn.

Hướng dẫn thực tế: xác định quy trình hàn với lựa chọn vật liệu hàn trước/sau gia nhiệt và vật liệu hàn phụ phù hợp; thực hiện kiểm soát hydro và PWHT khi cần thiết đối với mối hàn martensitic 420.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với các bộ phận được sử dụng trong môi trường ăn mòn nhẹ, hàm lượng crom cao hơn của 430 thường mang lại khả năng chống ăn mòn đồng đều tốt hơn so với 420. Tuy nhiên, không loại nào có khả năng chống ăn mòn tốt bằng các loại austenit thông thường (ví dụ: 304/316).
• Đối với môi trường dễ bị rỗ hoặc ăn mòn khe hở, cả 420 và 430 đều không lý tưởng vì cả hai đều thường thiếu hàm lượng Mo và N đáng kể để tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ. PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống rỗ:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Diễn giải PREN: Vì Mo và N không đáng kể trong thép 420/430 tiêu chuẩn, PREN sẽ được điều khiển gần như hoàn toàn bởi Cr và vẫn ở mức thấp so với thép không gỉ chứa Mo. Do đó, PREN có ứng dụng hạn chế đối với các loại thép này, ngoại trừ việc làm nổi bật khả năng chống rỗ thấp. - Đối với thép không gỉ: cả hai loại thép đều có thể được xử lý bề mặt (thụ động hóa, mạ điện, sơn) để cải thiện vẻ ngoài hoặc khả năng chống ăn mòn cục bộ. Đối với thép không gỉ, mạ kẽm hoặc phủ polymer là phổ biến; đối với các loại thép không gỉ này, việc làm sạch và thụ động hóa (axit nitric hoặc axit citric) là phổ biến.

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

• Khả năng gia công: Thép 420 (đã ủ) có khả năng gia công khá tốt; ở trạng thái tôi cứng, khả năng gia công giảm. Các biến thể 420 chứa lưu huỳnh có thể được tối ưu hóa để cắt tự do. Thép 430 nhìn chung có đặc tính gia công tốt ở dạng ủ, mặc dù ferit có thể làm cứng khi gia công.
• Khả năng tạo hình: Thép 430 thường vượt trội hơn khi tạo hình và kéo sâu (tấm ốp thiết bị, viền) vì thép này vẫn dẻo và không cần xử lý nhiệt sau khi tạo hình. Thép 420 phải được ủ trước khi tạo hình đáng kể và quá trình làm cứng cuối cùng có thể làm biến dạng các bộ phận.
• Hoàn thiện bề mặt: 420 có khả năng đánh bóng cao và thường được chỉ định cho các ứng dụng làm dao kéo và lưỡi dao do khả năng làm cứng và đánh bóng. 430 được sử dụng khi hoàn thiện trang trí và bề mặt chải là phổ biến.
• Xử lý nhiệt và kiểm soát kích thước: làm nguội 420 có thể gây biến dạng; các nhà thiết kế phải tính đến quá trình gia công hoặc ổn định sau khi làm cứng.

8. Ứng dụng điển hình

420 — Công dụng điển hình	430 — Công dụng điển hình
Dao kéo, dao, dụng cụ phẫu thuật (cần độ cứng và giữ được độ sắc bén)	Viền trang trí, tấm ốp thiết bị, nội thất lò nướng, tấm kiến ​​trúc
Các thành phần van, trục, bộ phận bơm yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn	Trang trí ô tô, phần cứng trang trí, kênh thoát nước
Các bộ phận chịu lực và các yếu tố mài mòn trong môi trường ăn mòn nhẹ (khi được làm cứng)	Bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận tấm chế tạo trong môi trường ăn mòn nhẹ
Dụng cụ và khuôn mẫu có khả năng chống ăn mòn là yếu tố thứ yếu so với hiệu suất cạnh/mài mòn	Các giải pháp thay thế bằng thép không gỉ giá rẻ cho các thành phần có thể nhìn thấy và định hình được

Cơ sở lựa chọn: - Chọn tùy chọn martensitic có thể xử lý nhiệt khi độ ổn định kích thước sau khi làm cứng, khả năng chống mài mòn và giữ cạnh là ưu tiên hàng đầu và khả năng ăn mòn bị hạn chế hoặc có thể giảm thiểu. - Chọn phương án ferritic khi khả năng tạo hình, hình thức bề mặt, khả năng chống ăn mòn nói chung và chi phí là những mối quan tâm chính.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép 430 thường rẻ hơn thép 420 ở dạng tấm và cuộn do thành phần và mục đích sử dụng trên thị trường cho các thiết bị và ứng dụng kiến ​​trúc. Thép 420 có thể đắt hơn khi được cung cấp dưới dạng thanh cứng hoặc sản phẩm mài chính xác do phải trải qua thêm quá trình xử lý nhiệt và hoàn thiện.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng tấm, tấm phẳng, thanh và dây. Các dạng sản phẩm đặc biệt (thanh tôi, thanh ram, mài chính xác hoặc hoàn thiện bề mặt cụ thể) có thể có thời gian giao hàng lâu hơn đối với thép 420.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	420	430
Khả năng hàn	Trung bình đến kém không có đối chứng (cao C)	Tốt đến trung bình (C thấp hơn; theo dõi sự phát triển của hạt HAZ)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Có thể đạt được độ bền cao; độ dẻo dai sẽ giảm nếu tôi luyện quá mức	Độ bền vừa phải; độ dẻo và độ dai tốt hơn ở trạng thái ủ
Trị giá	Trung bình đến cao hơn (xử lý nhiệt đặc biệt)	Nói chung là thấp hơn (hàng hóa ferritic)

Phần kết luận: - Chọn 420 nếu bạn cần các thành phần có thể được xử lý nhiệt để đạt độ cứng cao và khả năng chống mài mòn (ví dụ: lưỡi dao, bộ phận chịu mài mòn, trục cứng) và bạn có thể xử lý nhiệt trước/sau khi hàn, quy trình hàn cẩn thận và khả năng chống ăn mòn thấp hơn. - Chọn 430 nếu bạn cần vật liệu thép không gỉ tiết kiệm chi phí, có khả năng định hình tốt, khả năng chống ăn mòn chung tốt cho môi trường ôn hòa (thiết bị gia dụng, trang trí kiến ​​trúc) và dễ chế tạo hơn mà không cần phải xử lý làm nguội và ram.

Luôn xác nhận lựa chọn vật liệu cuối cùng theo các yêu cầu cụ thể của ứng dụng (tải trọng cơ học, môi trường, khả năng sản xuất và phê duyệt theo quy định) và xem xét chứng chỉ nhà máy và trình độ quy trình trước khi mua sắm.