420 so với 431 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường xuyên phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép không gỉ martensitic AISI 420 và AISI 431 khi xác định các chi tiết đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ cứng, khả năng chống ăn mòn và chi phí. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thường xoay quanh các yếu tố đánh đổi như độ cứng và khả năng chống mài mòn tối đa có thể đạt được so với độ bền và khả năng chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt, cùng với các cân nhắc về khả năng hàn và chi phí sau xử lý.

Sự khác biệt quan trọng về vật liệu giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: thép 420 chủ yếu dựa vào hàm lượng cacbon cao hơn với hàm lượng crom vừa phải để tạo độ cứng và khả năng chống mài mòn, trong khi thép 431 bổ sung đáng kể niken và crom cao hơn để cải thiện độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn trong khi vẫn duy trì khả năng tôi martensitic. Vì cả hai đều là thép không gỉ martensitic được sử dụng trong các nhóm linh kiện tương tự (trục, chốt, van, cánh), các kỹ sư thường so sánh chúng khi chỉ định các bộ phận cần được tôi cứng nhưng vẫn chống ăn mòn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000 (thường được tham chiếu trong ASTM A666 đối với tấm/dải; ASTM A276 đối với thanh)
• 431: AISI 431 / UNS S43100 (có trong ASTM A582 đối với thanh, ASTM A276 đối với thanh/que)
• EN / EN tương đương:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13 (họ tương tự)
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-? (tham chiếu chéo chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn)
• JIS / GB: có các ký hiệu khu vực dành cho các loại thép không gỉ martensitic có thành phần hóa học tương tự.
• Phân loại:
• Cả thép 420 và 431 đều là thép không gỉ martensitic. Chúng không được phân loại là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA; chúng là thép không gỉ hợp kim được thiết kế để làm cứng bằng cách tôi và ram.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: thành phần điển hình (wt%) — các phạm vi hiển thị đại diện cho các thông số kỹ thuật chung; kiểm tra thông số kỹ thuật khi mua để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	420 (khối lượng điển hình%)	431 (khối lượng điển hình%)
C	0,15 – 0,40	0,15 – 0,25
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	12,0 – 14,0	15,0 – 17,0
Ni	≤ 1.0 (thường rất thấp)	1,5 – 3,0
Mo	dấu vết/không có	thường là không có
V	dấu vết	dấu vết
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Các giá trị hiển thị chỉ mang tính chất tham khảo; nhiều thông số kỹ thuật có giới hạn hẹp hơn. 420 là loại thép martensitic có hàm lượng cacbon cao hơn, hàm lượng Cr vừa phải; 431 là loại thép martensitic có chứa niken với hàm lượng crom cao hơn và cacbon được kiểm soát để có sự kết hợp tốt hơn giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn. - Niken trong hợp kim 431 làm tăng độ bền kéo và độ dẻo dai, đồng thời cải thiện khả năng chống gãy giòn trong quá trình xử lý nhiệt và vận hành. Hàm lượng crom kiểm soát sự hình thành màng thụ động và khả năng chống ăn mòn; hàm lượng Cr cao hơn trong hợp kim 431 giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn nói chung so với hợp kim 420.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon: độ cứng chính và độ cứng martensite; hàm lượng cacbon cao hơn mang lại độ cứng tối đa cao hơn nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Crom: thụ động hóa và khả năng làm cứng; Cr nhiều hơn thường cải thiện khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt. - Niken: ổn định ma trận martensitic theo hướng dẻo dai, giảm khả năng giòn do tôi luyện và cải thiện sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai. - Các nguyên tố phụ (Mn, Si, P, S, V) ảnh hưởng đến quá trình khử oxy, khả năng gia công và tính chất bao gồm; lưu huỳnh làm tăng khả năng gia công nhưng có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại thép này đều tạo thành martensite chủ yếu sau khi austenit hóa và tôi. Trong điều kiện ủ, chúng có thể chứa ferit + peclit hoặc martensite ram tùy thuộc vào quy trình và hàm lượng hợp kim. - 420: sau khi tôi và ram, cấu trúc vi mô là martensitic với các kết tủa cacbua (crom cacbua). Lượng cacbon giữ lại cao hơn dẫn đến độ cứng cao hơn nhưng nhiều cacbua hơn có thể đóng vai trò là điểm khởi đầu vết nứt nếu không được ram đúng cách. - 431: tạo thành martensitic với sự phân bố mịn hơn của các cacbua và một số austenit giữ lại tùy thuộc vào quá trình austenit hóa/làm nguội; niken thúc đẩy tạo ra ma trận martensitic dẻo hơn, cứng hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô; xử lý sơ bộ hữu ích trước khi làm nguội và ram cuối cùng. - Làm nguội và ram: cả hai loại đều phản ứng tốt. 420 đạt độ cứng cao (có thể vượt quá ~50 HRC trong nhiều phương pháp xử lý nhiệt) nhưng độ dẻo dai giảm ở mức độ cứng cao hơn. 431, với niken và Cr cao hơn, đạt tỷ lệ độ dẻo dai trên độ bền tốt hơn sau khi làm nguội và ram và có khả năng chống làm mềm khi ram tốt hơn. - Xử lý nhiệt cơ: lợi ích chủ yếu được nhận thấy ở các sản phẩm thanh/trục, trong đó quá trình cán có kiểm soát trước khi làm nguội giúp cải thiện cấu trúc hạt; cả hai loại thép đều có thể được sản xuất với độ dẻo dai cao hơn thông qua quá trình xử lý có kiểm soát, trong đó thép 431 thường có nhiều lợi ích hơn do sự cân bằng hợp kim của nó.

4. Tính chất cơ học

Bảng: các tính chất cơ học điển hình (phạm vi đại diện; phụ thuộc vào xử lý nhiệt và kích thước mặt cắt)

Bất động sản (điển hình)	420 (Hỏi & Đáp/khắc nghiệt)	431 (Hỏi & Đáp/khắc nghiệt)
Độ bền kéo (MPa)	600 – 1200	700 – 1300
Giới hạn chảy (0,2% Rp0,2, MPa)	450 – 1000	600 – 1100
Độ giãn dài (%)	8 – 20	8 – 18
Độ bền va đập (Charpy J)	thấp đến trung bình (tùy thuộc vào tính khí)	trung bình đến cao (tốt hơn 420 ở độ cứng tương tự)
Độ cứng (HRC)	Đã ủ ~20; Q&T lên đến ~55+	Ủ ~20–30; Q&T lên đến ~50–55

Giải thích: - 431 thường có giới hạn chảy cao hơn và độ bền va đập tốt hơn ở mức độ bền kéo tương đương nhờ hàm lượng Ni và Cr cao hơn. Với cùng độ cứng mục tiêu, 431 thường ít giòn hơn và hiệu suất chịu mỏi tốt hơn. - 420 đạt độ cứng cao và khả năng chống mài mòn với thành phần hóa học tương đối đơn giản và thường được lựa chọn khi cần giữ cạnh tối đa hoặc khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai/ăn mòn chỉ là yếu tố thứ yếu.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn tập trung vào lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim làm tăng khả năng tôi và nguy cơ nứt nguội martensitic.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tham số quốc tế $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Hàm lượng carbon cao hơn và Cr/Mo/V cao hơn làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ — tăng nguy cơ hình thành martensite HAZ và nứt nguội. Hàm lượng carbon cao hơn của 420 có xu hướng khiến nó dễ bị cứng và nứt HAZ hơn nếu không được xử lý nhiệt trước hoặc sau khi hàn. - Hàm lượng niken của 431 làm giảm độ cứng của martensite trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và cải thiện độ dẻo; do đó, 431 thường có khả năng hàn hồ quang tốt hơn 420 ở độ dày tiết diện và quy trình hàn tương tự. - Hướng dẫn thực tế: cả hai loại thép này thường yêu cầu gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn để đảm bảo mối hàn ổn định. Tôi sau hàn (PWHT) được khuyến nghị cho các bộ phận quan trọng để giảm ứng suất dư và giảm độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép không gỉ 420 và 431 đều là thép không gỉ martensitic và không có khả năng chống ăn mòn tốt như thép austenitic (ví dụ: 304/316). Chúng phụ thuộc vào hàm lượng crom để tạo thành lớp màng thụ động.
• Việc sử dụng PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) ít phổ biến hơn đối với thép martensitic nhưng công thức là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này nhấn mạnh Mo và N về khả năng chống rỗ; vì cả 420 và 431 đều không chứa Mo hoặc N đáng kể nên PREN có tính ứng dụng hạn chế.
• Hành vi ăn mòn thực tế:
• 420: khả năng chống ăn mòn trung bình trong môi trường nhẹ; dễ bị rỗ và ăn mòn khe hở trong clorua và bị ăn mòn nói chung nếu không được hoàn thiện hoặc bảo vệ đúng cách.
• 431: khả năng chống ăn mòn tổng thể được cải thiện so với 420 do hàm lượng crom và niken cao hơn; được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nước biển và hóa dầu, nơi cần khả năng chống ứng suất clorua và mỏi do ăn mòn tốt hơn.
• Bảo vệ bề mặt không gỉ (cho cả hai loại khi cần bảo vệ thêm): có thể mạ kẽm cho một số dạng nhưng có thể hạn chế đối với các bộ phận có độ cứng cao; sơn, lớp phủ chuyển đổi, mạ điện hoặc xử lý thụ động thường được áp dụng tùy thuộc vào dịch vụ.

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

• Khả năng gia công:
• 420: khả năng gia công tốt trong điều kiện ủ; độ cứng cao sau khi xử lý nhiệt làm giảm khả năng gia công và tuổi thọ dụng cụ. Có thể có các biến thể chứa lưu huỳnh hoặc lớp nền gia công tự do.
• 431: khả năng gia công trung bình; ma trận cứng hơn có thể làm tăng lực dụng cụ nhưng vẫn tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt khi được kiểm soát. Gia công thường được thực hiện trong điều kiện ủ hoặc khử ứng suất trước khi tôi cứng.
• Tạo hình và uốn cong:
• Cả hai đều có thể định hình trong điều kiện ủ; tính đàn hồi và độ cứng hóa đòi hỏi phải kiểm soát quy trình. Có thể kéo sâu cho các tiết diện mỏng trong điều kiện ủ.
• Mài và hoàn thiện:
• Thép 420 ở trạng thái cứng thường được sử dụng cho lưỡi dao và các bộ phận chịu mài mòn; mài và đánh bóng là các hoạt động hoàn thiện tiêu chuẩn.
• Thép 431 có độ hoàn thiện tốt và có thể đánh bóng để có bề mặt sáng bóng; độ dẻo dai tốt hơn giúp giảm nứt trong quá trình mài và hoàn thiện mạnh.

8. Ứng dụng điển hình

420 – Công dụng điển hình	431 – Công dụng điển hình
Dao kéo và dao (lưỡi dao có khả năng giữ cạnh là chính)	Hàng không vũ trụ và các loại ốc vít có độ bền cao (bu lông, đinh tán)
Dụng cụ phẫu thuật và dụng cụ nha khoa (thường ở trạng thái cứng)	Trục bơm, linh kiện van trong dịch vụ hóa dầu và hàng hải
Lồng ổ trục, ống lót, các bộ phận hao mòn nhỏ	Trục, khớp nối, thanh xoắn yêu cầu kết hợp khả năng chống ăn mòn và độ bền
Viền trang trí, phần cứng có khả năng chống ăn mòn vừa phải	Các thành phần tiếp xúc với sự ăn mòn ứng suất cao (bu lông hàng hải, piston thủy lực)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 420 cho các ứng dụng ưu tiên khả năng chống mài mòn, giữ cạnh, xử lý nhiệt đơn giản và chi phí vật liệu thấp hơn khi khả năng ăn mòn trong quá trình sử dụng bị hạn chế. - Chọn 431 cho các thành phần phải kết hợp độ bền cao, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn được cải thiện (đặc biệt là trong môi trường chứa clorua hoặc tải trọng động) khi chi phí vật liệu gia tăng là hợp lý.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 420 thường rẻ hơn 431 vì nó chứa ít hoặc không chứa niken; niken là một trong những nguyên tố hợp kim đắt tiền hơn. Hàm lượng niken và crom cao hơn của 431 dẫn đến chi phí nguyên liệu thô cao hơn.
• Tình trạng hàng hóa: cả hai đều là loại thép công nghiệp thông dụng và được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, que, phẳng và chốt. Các kích thước đặc biệt hoặc bề mặt hoàn thiện có thể có thời gian giao hàng lâu hơn, và thép 431 có thể có lượng hàng tồn kho ít hơn thép 420 trên thị trường hàng hóa.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các sự đánh đổi chính:

Đặc điểm	420	431
Khả năng hàn	Trung bình-thách thức (cao C)	Tốt hơn (Ni cải thiện độ dẻo dai)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng cao, độ dẻo dai thấp hơn ở cùng độ cứng	Độ bền tốt hơn ở mức tương đương
Khả năng chống ăn mòn	Vừa phải	Tốt hơn (Cr + Ni cao hơn)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn 420 nếu: - Yêu cầu chính là độ cứng cao và khả năng chống mài mòn hoặc giữ cạnh ở mức chi phí thấp đến trung bình. - Linh kiện hoạt động trong môi trường tương đối lành tính hoặc sẽ được phủ lớp bảo vệ. - Các hoạt động gia công/hoàn thiện và tôi cứng được kiểm soát tốt và mối hàn ở mức tối thiểu.

Chọn 431 nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi tỷ lệ độ bền trên độ dẻo dai cao hơn, khả năng chống ăn mòn được cải thiện (đặc biệt là trong môi trường clorua) và khả năng chống giòn và mỏi tốt hơn. - Khả năng hàn và khả năng chống va đập rất quan trọng và ngân sách dự án có thể đáp ứng được chi phí vật liệu cao hơn. - Bộ phận sẽ chịu tải trọng động, tiếp xúc với nước biển hoặc yêu cầu độ bền gãy cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác minh các giới hạn hóa học và cơ học chính xác trong thông số kỹ thuật mua hàng của bạn và chọn các phương pháp xử lý nhiệt (nhiệt độ austenit hóa, môi trường làm nguội, chu trình ram và bất kỳ PWHT nào) để phù hợp với các yêu cầu thiết kế về độ cứng, độ dẻo dai và hiệu suất chống ăn mòn.