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

Giới thiệu

420 và 440C là hai loại thép không gỉ martensitic được sử dụng rộng rãi, thường xuyên xuất hiện trong danh sách mua sắm cho các chi tiết đòi hỏi sự cân bằng giữa độ cứng, khả năng chống mài mòn và hiệu suất chống ăn mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự cân bằng giữa chi phí, khả năng gia công và khả năng chịu độ cứng/chịu mài mòn cần thiết cho một chi tiết: lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào tải trọng làm việc, độ hoàn thiện bề mặt và môi trường ăn mòn dự kiến.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: một loại là thép không gỉ martensitic hàm lượng carbon thấp với hàm lượng crom vừa phải, mang lại khả năng chống ăn mòn và độ bền hợp lý; loại còn lại là thép không gỉ martensitic hàm lượng carbon cao, hàm lượng crom cao, được thiết kế để tạo thành một lượng lớn crom cacbua cứng, mang lại khả năng chống mài mòn vượt trội và độ cứng cao hơn. Sự khác biệt này thúc đẩy sự khác biệt về đặc tính xử lý nhiệt, tính chất cơ học, khả năng hàn và phạm vi ứng dụng của chúng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 420:
• Tên gọi thông thường: UNS S42000, EN X46Cr13 (hoặc X20Cr13 tùy theo biến thể), JIS SUS420J1 / SUS420J2.
• Tiêu chuẩn điển hình: ASTM A276 (thanh, thanh và hình dạng thép không gỉ), ASME, EN, JIS.
• Thể loại: Thép không gỉ Martensitic (thép không gỉ dùng làm dụng cụ/dao).
• 440C:
• Các chỉ định phổ biến: UNS S44004, EN X105CrMo17 (lịch sử), JIS SUS440C.
• Tiêu chuẩn điển hình: AMS, ASTM A582 / A666 (một số dạng sản phẩm), EN, JIS.
• Thể loại: Thép không gỉ/thép dụng cụ martensitic hàm lượng cacbon cao.

Thép 420 thường được chỉ định khi cần khả năng chống ăn mòn và độ cứng vừa phải; thép 440C được chỉ định khi cần độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng giữ cạnh cao hơn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	420 (phạm vi điển hình, wt%)	440C (phạm vi điển hình, wt%)
C (Cacbon)	0,15 – 0,40	0,95 – 1,20
Mn (Mangan)	≤ 1,00	≤ 1,00
Si (Silic)	≤ 1,00	≤ 1,00
P (Phốt pho)	≤ 0,04	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (Crom)	12,0 – 14,0	16,0 – 18,0
Ni (Niken)	≤ 0,60	≤ 0,50
Mo (Molypden)	dấu vết – ≤ 0,60 (biến thể)	dấu vết – ≤ 0,75 (một số thông số kỹ thuật)
V, Nb, Ti, B, N	thường theo dõi/không có	thường theo dõi/không có

Ghi chú: - Các giá trị trên là phạm vi đại diện từ các thông số kỹ thuật chung và bảng dữ liệu sản phẩm; thành phần chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn và nhà sản xuất. - Hàm lượng carbon và crom cao hơn đáng kể của 440C thúc đẩy tỷ lệ thể tích lớn hơn của các cacbua crom cứng (chủ yếu là loại M23C6/M7C3 trong cấu trúc vi mô thực tế), tăng khả năng chống mài mòn và độ cứng có thể đạt được. - Hàm lượng carbon thấp hơn của thép 420 tạo ra ít cacbua hơn và ma trận martensite dẻo hơn sau khi tôi và ram, cải thiện độ dẻo dai và khả năng gia công so với thép 440C.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon kiểm soát khả năng tôi luyện và độ cứng tối đa có thể đạt được sau khi tôi/rau; carbon cao hơn → độ cứng cao hơn nhưng độ dẻo dai và khả năng hàn giảm. - Crom có ​​khả năng chống ăn mòn bằng cách tạo thành lớp màng oxit thụ động; hàm lượng Cr cao hơn thường cải thiện khả năng chống ăn mòn, nhưng lượng kết tủa cacbua lớn có thể làm cạn kiệt crom trong ma trận. - Các nguyên tố hợp kim như Mo (nếu có) có thể cải thiện khả năng chống rỗ và khả năng tôi cứng; Mn và Si là các nguyên tố xử lý và khử oxy có tác động vi cấu trúc khiêm tốn.

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

Cả hai loại đều là thép không gỉ martensitic trong điều kiện xử lý nhiệt thông thường, nhưng cấu trúc vi mô của chúng khác nhau đáng kể:

• 420:
• Cấu trúc vi mô sau khi tôi: chủ yếu là martensite với phần thể tích cacbua tương đối thấp; cacbua mịn hơn và ít hơn.
• Xử lý nhiệt: austenit hóa (phạm vi điển hình ~980–1030 °C tùy theo thông số kỹ thuật), tôi (dầu/khí tùy theo kích thước tiết diện), ram đến độ cứng yêu cầu (ram trong khoảng ~150–600 °C). Độ cứng thực tế tối đa bị giới hạn bởi hàm lượng carbon (thường lên đến ~48–52 HRC đối với các biến thể có nhiệt độ C cao hơn).

• Phản ứng: phản ứng tốt với các chu trình làm nguội và ram thông thường; hàm lượng austenit giữ lại thấp hơn; ram cải thiện độ dẻo dai.

• 440C:

• Cấu trúc vi mô sau khi tôi: nền martensitic với tỷ lệ thể tích đáng kể các cacbua giàu crom. Sự phân bố cacbua là yếu tố chính góp phần tạo nên khả năng chống mài mòn.
• Xử lý nhiệt: austenit hóa thường trong khoảng ~1010–1070 °C, tôi (dầu hoặc không khí cho các phần nhỏ), ram tùy thuộc vào độ cứng mong muốn. Xử lý nhiệt độ thấp đôi khi được sử dụng để khử austenit dư và chuyển đổi nó thành martensite, sau đó là ram ở nhiệt độ thấp để ổn định độ cứng.
• Phản hồi: hàm lượng cacbon cao cho phép đạt độ cứng sau khi tôi rất cao nhưng cũng làm tăng nguy cơ biến dạng và nứt. Quá trình tôi luyện đánh đổi độ cứng để lấy độ dẻo dai; quá trình tôi luyện tối ưu cân bằng độ cứng được duy trì với nguy cơ gãy giòn.

Xử lý chuẩn hóa, ram nhiều lần hoặc dưới 0 độ C có kết quả khác nhau: 440C được hưởng lợi nhiều hơn từ việc kiểm soát cacbua và xử lý lạnh để tối đa hóa độ cứng và độ ổn định về kích thước, trong khi 420 dễ chấp nhận hơn trong các chu kỳ nhiệt.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	420 (điển hình, tùy thuộc vào tình trạng)	440C (điển hình, tùy thuộc vào điều kiện)
Độ bền kéo	Trung bình đến cao sau khi làm cứng; tăng khi hàm lượng C và thành phần martensite cao hơn	Nói chung, độ bền kéo tối đa cao hơn sau khi tôi cứng do hàm lượng carbon cao hơn
Sức chịu lực	Trung bình; phụ thuộc vào xử lý nhiệt	Cao hơn khi cứng hoàn toàn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo cao hơn (ủ hoặc ram) — khả năng định hình tốt hơn	Độ giãn dài thấp hơn khi được làm cứng; có thể giòn nếu được tôi luyện quá mức
Độ bền va đập	Độ dẻo dai tốt hơn so với 440C (cùng độ cứng)	Độ dẻo dai thấp hơn do có nhiều cacbua và độ cứng cao hơn
Độ cứng (HRC)	Thông thường lên đến ~48–52 HRC (các biến thể C cao hơn tiếp cận mức trên)	Thông thường lên đến ~58–64 HRC trong điều kiện tôi luyện và tôi luyện đúng cách

Giải thích định tính: - Thép 440C đạt độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn do hàm lượng carbon cao hơn tạo thành một lượng lớn crom cacbua cứng được nhúng trong nền martensitic. Điều này làm tăng độ bền kéo và nén nhưng làm giảm độ dẻo dai và độ dai. - 420, với hàm lượng carbon thấp hơn và ít cacbua hơn, mang lại độ dẻo dai và khả năng gia công tốt hơn nhưng không thể sánh được về khả năng giữ cạnh hoặc khả năng chống mài mòn của 440C.

Lưu ý: Các thông số cơ học chính xác phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng sản phẩm (thanh, tấm), kích thước tiết diện và các thông số xử lý nhiệt chính xác. Cần tham khảo bảng dữ liệu của nhà cung cấp để tính toán thiết kế.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và độ tôi. Hai chỉ số thực nghiệm phổ biến:

• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích: - Hàm lượng carbon và crom cao hơn đáng kể của 440C làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, cho thấy xu hướng hình thành các cấu trúc vi mô martensitic cứng trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cao hơn và do đó nguy cơ nứt nguội và giòn do hydro cao hơn. Để hàn 440C không gặp sự cố, thường cần phải gia nhiệt trước, kiểm soát đầu vào nhiệt, sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - Thép 420, có hàm lượng cacbon thấp hơn, có khả năng hàn tốt hơn khi so sánh nhưng vẫn cần lưu ý: có thể khuyên nên nung nóng trước và ram sau khi hàn cho các ứng dụng quan trọng để tránh vùng HAZ cứng của martensitic và giảm ứng suất dư. - Trên thực tế, cả hai loại thép này đều không dễ hàn như thép không gỉ austenit; việc hàn thường bị tránh đối với các chi tiết quan trọng, có độ cứng cao của thép 440C. Việc chế tạo bằng cách gia công từ phôi thép thanh là phổ biến.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• 420:
• Với hàm lượng crom khoảng 12–14%, thép 420 có khả năng chống ăn mòn vừa phải trong môi trường ôn hòa và hóa chất nhẹ. Nó thường được sử dụng trong dao kéo và các môi trường ít khắc nghiệt hơn. Hoàn thiện bề mặt (đánh bóng, thụ động hóa) giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn.
• Đối với môi trường khắc nghiệt hoặc môi trường biển, nên áp dụng biện pháp bảo vệ bổ sung như mạ, phủ hoặc chỉ định thép không gỉ hợp kim cao hơn.
• 440C:
• Hàm lượng crom cao hơn về mặt danh nghĩa sẽ cải thiện khả năng chống ăn mòn, nhưng tỷ lệ thể tích cacbua cao và sự kết tủa cacbua trong quá trình xử lý nhiệt có thể làm suy giảm crom cục bộ trong ma trận và làm giảm khả năng chống rỗ. Trong môi trường trung tính đến ăn mòn nhẹ, thép 440C hoạt động tốt; trong môi trường ăn mòn cao hoặc chứa clorua, thép 440C sẽ không tối ưu nếu không có lớp bảo vệ bề mặt.
• PREN (thường không quyết định đối với các loại thép martensitic này nhưng cung cấp thông tin về khả năng chống rỗ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 420 và 440C, giá trị PREN khiêm tốn vì Mo và N thấp hoặc không có; PREN có liên quan nhiều hơn đến thép không gỉ austenit/ferritic có Mo và N đáng kể.
• Các lựa chọn bảo vệ bề mặt cho môi trường ăn mòn không phù hợp: niken không điện, mạ crom, phủ PVD, thụ động hóa, sơn hoặc chỉ định hợp kim thay thế chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• 420: dễ gia công hơn trong điều kiện ủ; các biến thể 420HC có hàm lượng carbon cao hơn khó gia công hơn nhưng vẫn dễ gia công hơn 440C. Có thể đạt được bề mặt hoàn thiện tốt.
• 440C: khó gia công hơn do độ cứng cao và hàm lượng crôm cacbua mài mòn; khuyến nghị gia công ở trạng thái ủ mềm hơn và mài hoàn thiện sau khi tôi. Độ mài mòn dụng cụ cao hơn; sử dụng dụng cụ cacbua, giảm lượng ăn dao và dung dịch làm mát.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• 420: khả năng uốn cong và định hình tốt hơn ở trạng thái ủ; các bộ phận được tôi luyện ít dẻo hơn.
• 440C: định hình hạn chế sau khi làm cứng; thông lệ thường là thực hiện định hình và gia công trong điều kiện ủ, sau đó xử lý nhiệt đến độ cứng cuối cùng.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Thép 440C có thể được đánh bóng đến độ bóng cao nhưng cần nhiều công sức mài/đánh bóng hơn sau khi làm cứng. Thép 420 đánh bóng tương đối dễ và chịu được quá trình thụ động hóa tốt.

8. Ứng dụng điển hình

420 — Công dụng điển hình	440C — Công dụng điển hình
Dao kéo và dao nhà bếp (từ trình độ cơ bản đến trung cấp)	Dao kéo và dao cao cấp đòi hỏi khả năng giữ cạnh tốt hơn
Dụng cụ phẫu thuật và dụng cụ nha khoa (một số loại)	Các bộ phận hao mòn: bi van, ghế, vòng bi, ống lót
Trục, trục chính, các bộ phận bơm trong môi trường có tính ăn mòn vừa phải	Vòng bi chính xác, con lăn, cam, tấm chịu mài mòn
Phần cứng trang trí, ốc vít, viền	Dụng cụ cắt và khuôn mẫu yêu cầu khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn của thép không gỉ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 420 cho các ứng dụng ưu tiên khả năng chống ăn mòn và độ bền với chi phí thấp hơn và khi không yêu cầu độ cứng cực cao. - Chọn 440C cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn, giữ cạnh và khả năng đạt độ cứng rất cao, đồng thời có thể chấp nhận quá trình xử lý sau (mài, đánh bóng).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 440C thường đắt hơn 420 tính theo kg do hàm lượng hợp kim cao hơn, quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và nhu cầu trên thị trường dụng cụ/đồ mài mòn. Các dạng sản phẩm chuyên dụng (thanh mài chính xác, phôi tôi cứng trước) cho 440C có thể có giá cao hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở dạng thanh, tấm và que nhưng hình dạng sản phẩm khác nhau. Thép 420 phổ biến trong thị trường đồ dùng phẳng và thép không gỉ đa dụng. Thép 440C có sẵn ở dạng thanh chính xác và dạng tròn cho các ứng dụng gia công và ổ trục nhưng ít phổ biến hơn ở dạng tấm lớn.
• Mẹo mua sắm: Mua sản phẩm có kích thước thông thường và điều kiện tôi cứng trước có thể giảm thời gian và chi phí; xử lý nhiệt tùy chỉnh hoặc hoàn thiện bổ sung (mài/xử lý đông lạnh) sẽ làm tăng giá mua và thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	420	440 độ C
Khả năng hàn	Tốt hơn (C thấp hơn) — vẫn cần kiểm soát	Tệ hơn (C & Cr cao) — thường cần phải làm nóng trước/PWHT
Sự đánh đổi giữa sức mạnh và độ bền	Độ dẻo dai tốt hơn ở cường độ vừa phải	Độ cứng tối đa và khả năng chống mài mòn cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn 420 nếu: - Bạn cần khả năng chống ăn mòn vừa phải với độ bền và khả năng gia công hợp lý. - Ưu tiên hàng đầu là chi phí, khả năng định hình và chế tạo/hàn dễ dàng hơn. - Ứng dụng này liên quan đến độ mài mòn hoặc tải trọng va đập vừa phải khi không yêu cầu độ cứng cực cao. - Chọn 440C nếu: - Độ cứng tối đa, khả năng chống mài mòn và khả năng giữ lưỡi dao là rất quan trọng (vòng bi, đế van, dao cao cấp). - Bạn có thể áp dụng phương pháp xử lý nhiệt, hoàn thiện (mài, đánh bóng) phức tạp hơn và các biện pháp phòng ngừa hàn chặt chẽ hơn hoặc thích gia công từ vật liệu đã được tôi cứng trước. - Môi trường làm việc không có tính ăn mòn cao hoặc bạn không có ý định áp dụng biện pháp bảo vệ bề mặt.

Lưu ý cuối cùng: Cả thép không gỉ martensitic 420 và 440C đều là những lựa chọn hữu ích; việc lựa chọn nên dựa trên sự cân bằng giữa độ cứng/khả năng chống mài mòn cần thiết so với độ bền, tính dễ chế tạo và môi trường ăn mòn. Đối với các thành phần quan trọng, hãy chỉ định điều kiện xử lý nhiệt và yêu cầu nhà cung cấp cung cấp dữ liệu thử nghiệm cơ học để đảm bảo cấu trúc vi mô và các đặc tính được cung cấp đáp ứng các yêu cầu thiết kế.