420 so với 440A – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

AISI 420 và AISI 440A là thép không gỉ martensitic thường được cân nhắc khi cần cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ cứng và chi phí. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với sự đánh đổi: các loại thép hợp kim thấp hơn, dễ tạo hình và hàn hơn so với các loại thép có hàm lượng carbon cao hơn, hàm lượng crom cao hơn, đạt được độ cứng và khả năng giữ cạnh tốt hơn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết kế dao kéo và lưỡi dao, các bộ phận van và bơm, vòng bi và các bộ phận yêu cầu khả năng chống mài mòn cục bộ.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này là sự đánh đổi giữa độ cứng/khả năng chống mài mòn có thể đạt được và độ dẻo dai/độ bền kéo dài: 440A được thiết kế để đạt được độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi xử lý nhiệt, trong khi 420 mang lại độ dẻo dai tương đối tốt hơn, quy trình gia công đơn giản hơn, khả năng hàn và tạo hình được cải thiện trong nhiều quy trình sản xuất. Vì cả hai đều là thép không gỉ martensitic, chúng thường được so sánh cho các ứng dụng dụng cụ và dao kéo bằng thép không gỉ tầm trung.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 420: Thường được gọi theo AISI/ASTM/UNS là AISI 420 (UNS S42000); các cấp độ tương đương xuất hiện trong danh sách EN và JIS (thường được gọi là thép không gỉ martensitic). Được phân loại là thép không gỉ martensitic.
• 440A: Một thành viên của họ thép 440 (AISI 440A, UNS S44001), cũng được sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn quốc gia. Được phân loại là thép không gỉ martensitic.

Tóm tắt danh mục: - 420: Thép không gỉ Martensitic (thép dụng cụ/dao không gỉ). - 440A: Thép không gỉ Martensitic (loại thép không gỉ có hàm lượng carbon cao hơn, crom cao hơn dùng làm dụng cụ/dao).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình của các loại thép thương mại 420 và 440A; phạm vi thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp. Giá trị được tính theo phần trăm trọng lượng.

Yếu tố	420 (phạm vi điển hình, wt%)	440A (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,15 – 0,40	0,60 – 0,75
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	16,0 – 18,0
Ni	— (thường là dấu vết)	— (thường là dấu vết)
Mo	— (thường là không có)	— (thường là không có)
V	— (thường là không có)	— (thường là không có)
Nb / Ti / B / N	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon: Yếu tố chính quyết định khả năng tôi luyện và độ cứng martensitic đạt được. Hàm lượng carbon cao hơn (440A) cho phép độ cứng sau khi tôi cao hơn và khả năng giữ cạnh tốt hơn, nhưng lại làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Crom: Có khả năng chống ăn mòn và góp phần làm cứng thông qua quá trình hình thành cacbua. Hàm lượng Cr cao hơn của 440A mang lại khả năng thụ động tốt hơn trong nhiều môi trường. - Mn, Si, các nguyên tố vi lượng: Ảnh hưởng đến quá trình khử oxy, tính chất hạt và khả năng tôi luyện nhưng chỉ là yếu tố thứ yếu so với C và Cr trong các loại này.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều chủ yếu là ferritic/pearlitic tùy thuộc vào thành phần hóa học và quá trình chế biến chính xác, nhưng chúng hữu ích nhất khi được chuyển thành martensite thông qua xử lý nhiệt. - Sau khi ủ và làm nguội bằng dung dịch, cả hai đều tạo thành martensite cộng với crom cacbua. 440A tạo ra nhiều cacbua cứng hơn do hàm lượng C và Cr cao hơn, giúp tăng khả năng chống mài mòn. - Quá trình ram tạo ra martensite ram có sự phân bố cacbua và phản ứng ram phụ thuộc vào hàm lượng cacbon.

Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng: - Ủ: Trạng thái mềm, dễ gia công để tạo hình và gia công (ferit/perlit). - Làm cứng (austenit hóa → làm nguội → ram): Nhiệt độ austenit hóa và môi trường làm nguội kiểm soát lượng austenit giữ lại, sự hòa tan cacbua và độ cứng cuối cùng. 440A, với hàm lượng cacbon cao hơn, đạt được độ cứng cao hơn cho một lịch trình austenit hóa/ram nhất định nhưng dễ bị nứt hơn do ứng suất làm nguội. - Chuẩn hóa: Dùng để tinh chỉnh kích thước hạt trước khi làm cứng hoàn toàn; có lợi cho độ dẻo dai. - Xử lý nhiệt cơ: Ít được áp dụng hơn so với thép kết cấu, nhưng rèn có kiểm soát và làm nguội có kiểm soát có thể cải thiện các đặc tính bằng cách kiểm soát kích thước hạt và độ phân tán cacbua.

Lưu ý thực tế: phải chọn nhiệt độ tôi luyện chính xác để cân bằng độ cứng và độ dẻo dai; thép 440A có hàm lượng carbon cao hơn cần phải tôi luyện cẩn thận để tránh giòn trong khi vẫn giữ được độ cứng.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây đưa ra so sánh giữa định tính và điển hình. Giá trị thực tế phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp xử lý nhiệt và hình dạng sản phẩm.

Tài sản	420 (điển hình)	440A (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	Trung bình — tùy thuộc vào tính khí; thường thấp hơn 440A	Cao hơn — mức tối đa có thể đạt được vượt quá 420 khi được làm cứng hoàn toàn
Giới hạn chảy (MPa)	Vừa phải	Cao hơn trong điều kiện độ cứng cao
Độ giãn dài (%)	Cao hơn (độ dẻo tốt hơn ở trạng thái tương đương)	Thấp hơn (giảm độ dẻo khi được làm cứng)
Độ bền va đập	Độ dẻo dai được duy trì tốt hơn ở độ cứng tương đương	Độ dẻo dai thấp hơn ở độ cứng tương đương; giòn hơn khi cứng hoàn toàn
Độ cứng (HRC, tôi luyện)	Thông thường lên đến ~48–52 HRC tùy thuộc vào C và quy trình	Thông thường cao hơn; có thể đạt được HRC ở mức giữa 50 khi xử lý nhiệt đúng cách

Giải thích: - Thép 440A thường đạt độ bền kéo cao hơn và độ cứng tối đa cao hơn nhờ hàm lượng carbon và crom cao hơn. Điều này giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và giữ cạnh. - Thép 420 vẫn giữ được độ dẻo và khả năng chống va đập tốt hơn ở mức độ cứng vừa phải, khiến thép này ít có khả năng bị hỏng nghiêm trọng khi chịu tải trọng va đập hoặc uốn cong.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn của thép không gỉ martensitic tập trung vào hàm lượng cacbon, khả năng làm cứng và hợp kim vi mô.

Các công thức dự đoán quan trọng thường được sử dụng (giải thích theo định tính ở đây): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (tham số khả năng 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: - $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn ngụ ý xu hướng hình thành các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt cứng, giòn và nguy cơ nứt sau khi hàn cao hơn. - Thép 420 có hàm lượng carbon thấp hơn và chỉ số độ cứng thấp hơn thép 440A, do đó thép 420 nhìn chung dễ hàn hơn (cần phải nung nóng trước và ram sau khi hàn nếu cần). Hàm lượng carbon và crom cao hơn của thép 440A làm tăng nguy cơ hình thành martensite HAZ và nứt, do đó, hàn thép 440A đòi hỏi các biện pháp kiểm soát chặt chẽ: nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn, thực hành hàn ít hydro và ram sau khi hàn để làm mềm martensite giòn. - Việc sử dụng kim loại hàn phù hợp rất quan trọng; trong nhiều trường hợp, người ta chọn kim loại hàn có hàm lượng cacbon thấp hơn hoặc kim loại hàn gốc niken để giảm nguy cơ nứt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 420 và 440A đều là thép không gỉ nhờ hàm lượng crom, nhưng khả năng chống ăn mòn của chúng ở mức trung bình so với các loại austenit (304/316). 420 (12–14% Cr) có khả năng chống ăn mòn chấp nhận được trong môi trường ăn mòn nhẹ; 440A (16–18% Cr) thường có khả năng chống ăn mòn tốt hơn nhờ hàm lượng crom cao hơn và lớp màng thụ động ổn định hơn trong nhiều môi trường nước.
• PREN (hệ số tương đương khả năng chống rỗ) có thể được tính toán cho các hợp kim thép không gỉ chứa Mo và N bằng cách sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$. Đối với 420 và 440A, Mo và N thường không đáng kể, do đó PREN có tính hữu ích hạn chế.
• Bảo vệ không gỉ: Khi cần khả năng chống ăn mòn cao hơn, các phương pháp xử lý bề mặt (mạ điện, sơn, phủ) và bảo vệ catốt hoặc mạ kẽm là những lựa chọn tương đương không phải thép không gỉ — nhưng đối với các loại thép martensitic này, cách tiếp cận thông thường là chọn loại thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn cao hơn hoặc áp dụng lớp phủ bảo vệ, vì mạ kẽm lên thép không gỉ martensitic không phổ biến đối với các bộ phận chính xác.
• Lưu ý thực tế: đánh bóng và thụ động hóa ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất; 440A có bề mặt được đánh bóng tốt và thụ động hóa có thể đạt được khả năng chống ăn mòn cục bộ tốt hơn 420.

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

• Khả năng gia công: Ở trạng thái ủ, cả hai loại thép đều có thể gia công được. Thép 420, với hàm lượng cacbon thấp hơn và lượng cacbua ít hơn, thường dễ gia công theo kích thước hơn ở trạng thái ủ. Xu hướng tạo thành cacbon và cacbua cao hơn của thép 440A làm giảm khả năng gia công, đặc biệt là ở trạng thái tôi.
• Khả năng định hình và uốn cong: Cả hai đều bị hạn chế khi tạo hình nguội ở trạng thái tôi cứng. Ở trạng thái ủ, thép 420 dễ tạo hình hơn. Thép 440A yêu cầu các thông số tạo hình mạnh hơn hoặc phải được cung cấp ở trạng thái ủ dung dịch mềm hơn để tạo hình.
• Mài và hoàn thiện: 440A có thể mài mòn dụng cụ nhiều hơn do các hạt cacbua cứng hơn sau khi xử lý nhiệt; cả hai đều có thể được mài và đánh bóng để đạt độ hoàn thiện cao cần thiết cho dao kéo và dụng cụ phẫu thuật.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều đáp ứng tốt với đánh bóng cơ học và đánh bóng điện hóa. Lưu ý rằng sự phân bố cacbua ảnh hưởng đến chất lượng đánh bóng cạnh.

8. Ứng dụng điển hình

420 — Công dụng điển hình	440A — Công dụng điển hình
Dao kéo và dao nhà bếp cần độ bền và khả năng chống ăn mòn với giá thành vừa phải	Dao kéo và lưỡi dao có độ bền sắc bén và độ cứng cao hơn được ưu tiên
Dụng cụ phẫu thuật (một số loại) và dụng cụ nha khoa có khả năng chống ăn mòn và khả năng định hình quan trọng	Vòng bi, linh kiện van và các bộ phận chịu mài mòn đòi hỏi độ cứng bề mặt cao hơn
Trục, ốc vít và các bộ phận bơm trong môi trường ăn mòn vừa phải	Các thành phần hao mòn nhỏ và phần cứng hao mòn cao, trong đó việc mài lại thường xuyên là chấp nhận được
Phần cứng và phụ kiện trang trí	Bộ dao kéo chính xác, lưỡi dao nhỏ, dây tóc đồng hồ (một số ứng dụng được chọn)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 420 khi độ bền khi sử dụng, khả năng tạo hình và khả năng hàn là ưu tiên hàng đầu và khi khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình là đủ. - Chọn 440A khi độ cứng cao hơn và khả năng giữ cạnh là yếu tố thiết kế chính và khi hàm lượng crom cao hơn có lợi cho khả năng chống ăn mòn cục bộ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép 420 thường có hàm lượng hợp kim thấp hơn (ít crôm hơn) và nhìn chung có giá thành tính theo kilôgam thấp hơn thép 440A. Hàm lượng crôm cao hơn của thép 440A và việc kiểm soát chặt chẽ hơn đối với carbon làm tăng giá thành một chút.
• Tình trạng hàng hóa: Cả hai đều có sẵn rộng rãi dưới dạng thanh, tấm, dải và dây từ các nhà cung cấp thép không gỉ; 420 thường được dự trữ cho dao kéo và phụ kiện, 440A là loại dao kéo/vòng bi thép không gỉ tiêu chuẩn và cũng được cung cấp rộng rãi. Các dạng sản phẩm cụ thể (dải mỏng được đánh bóng đến độ hoàn thiện dao kéo, thanh chính xác hoặc rèn đặc biệt) có thể có thời gian giao hàng khác nhau tùy theo nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Đặc điểm	420	440A
Khả năng hàn	Tốt hơn (C thấp hơn, khả năng làm cứng kém hơn)	Thấp hơn (nhiệt độ C cao hơn, thường yêu cầu làm nóng trước/PWHT)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt hơn ở độ cứng tương đương; độ bền vừa phải	Độ cứng và độ bền tối đa cao hơn; độ dẻo dai thấp hơn khi được tôi luyện
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn
Khả năng chống ăn mòn	Trung bình (12–14% Cr)	Khả năng chống ăn mòn cục bộ tốt hơn (16–18% Cr)
Khả năng gia công (ủ)	Tốt	Trung bình đến ít hơn (do hình thành cacbua)

Kết luận bằng những khuyến nghị trực tiếp: - Chọn 420 nếu bạn cần thép không gỉ martensitic dễ tạo hình và hàn hơn, có độ bền và khả năng chống ăn mòn cân bằng tốt với chi phí thấp hơn hoặc khi các bộ phận sẽ chịu ứng suất va đập hoặc uốn cong (ví dụ: dao kéo thông dụng, trục chịu lực vừa phải, ốc vít và dụng cụ phẫu thuật không yêu cầu độ cứng cạnh cực cao). - Chọn 440A nếu thiết kế của bạn ưu tiên độ cứng cao hơn, khả năng giữ lưỡi và khả năng chống mài mòn với khả năng chống ăn mòn cục bộ được cải thiện (ví dụ: dao có tuổi thọ lưỡi dao rất quan trọng, các bộ phận chịu lực nhỏ hoặc các bộ phận chịu mài mòn) và bạn có thể chấp nhận nhu cầu kiểm soát xử lý nhiệt chặt chẽ hơn, giảm độ dẻo dai và quy trình hàn được kiểm soát nhiều hơn.

Hướng dẫn thực hành cuối cùng: - Luôn ghi rõ điều kiện xử lý nhiệt và độ cứng cần thiết trong hồ sơ mua sắm. Đánh giá toàn bộ quy trình sản xuất (tạo hình, hàn, xử lý nhiệt, hoàn thiện) trước khi lựa chọn mác thép. Khi nghi ngờ về tải trọng va đập trong quá trình sử dụng hoặc yêu cầu hàn, hãy ưu tiên loại thép có độ dẻo cao hơn (420) hoặc tham khảo ý kiến ​​chuyên gia luyện kim để điều chỉnh thành phần hóa học/quy trình chế biến cho phù hợp với các yêu cầu cạnh tranh.