430 so với 201 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ loại 430 và loại 201 là những lựa chọn thay thế được sử dụng rộng rãi khi các nhà thiết kế phải cân bằng giữa chi phí vật liệu, khả năng chống ăn mòn, hiệu suất cơ học và khả năng chế tạo. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thường xoay quanh việc nên ưu tiên chi phí vật liệu và tính chất từ ​​tính thấp hơn (thường liên quan đến các mác ferritic) hay ưu tiên độ dẻo, độ dai và khả năng định hình được cải thiện từ hợp kim austenit, hàm lượng niken thấp.

Thép không gỉ 430 là thép không gỉ ferritic có khả năng chống oxy hóa tốt và hàm lượng niken thấp; thép không gỉ 201 là thép không gỉ austenit, hàm lượng niken thấp (hàm lượng mangan cao) được phát triển như một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí cho thép austenit hàm lượng niken cao. Các kỹ sư thường so sánh chúng khi chỉ định các chi tiết dạng tấm, dải hoặc hình dạng cho các thiết bị gia dụng, cấu kiện kiến ​​trúc và các hạng mục kết cấu nhẹ, nơi mà cả nhu cầu chống ăn mòn và hiệu quả kinh tế sản xuất đều quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tên gọi quốc tế phổ biến:
• 430: UNS S43000; AISI/SAE 430; EN 1.4016; JIS SUS430; GB12Cr17.
• 201: UNS S20100; AISI/SAE 201; EN 1.4372 (các đơn vị tương đương xấp xỉ có thể khác nhau); JIS SUS201; GB 0Cr17Mn6Ni5N (danh pháp khác nhau tùy theo tiêu chuẩn).
• Phân loại:
• 430 — thép không gỉ ferritic (từ tính).
• 201 — thép không gỉ austenit (thường không có từ tính trong điều kiện ủ; có thể trở nên hơi có từ tính sau khi gia công nguội nhiều).
• Các dạng sản phẩm tiêu biểu theo tiêu chuẩn: tấm/cuộn cán nguội, cuộn cán nóng, dải, tấm và các bộ phận kéo.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (% khối lượng) được sử dụng để so sánh thông số kỹ thuật và lựa chọn. Cần tham khảo các chứng chỉ hoặc tiêu chuẩn vật liệu thực tế để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	430 (khối lượng điển hình%)	201 (khối lượng điển hình%)
C	≤ 0,12	≤ 0,15
Mn	≤ 1,0	5,5 – 7,5
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,04	≤ 0,06
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0 – 18,0	16,0 – 18,0
Ni	≤ 0,75	3,5 – 5,5
Mo	- (dấu vết)	- (dấu vết)
V, Nb, Ti, B	- (dấu vết)	- (dấu vết)
N	≈ 0,01 (vết)	0,10 – 0,25 (được thêm vào một số thông số kỹ thuật)

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - 430: Cấu trúc ferit được ổn định bằng crom (Cr). Hàm lượng Ni thấp giúp giảm chi phí; hàm lượng Mn tối thiểu. Cr mang lại khả năng chống oxy hóa/ăn mòn và ma trận ferit từ tính. Hợp kim hạn chế đồng nghĩa với khả năng tôi cứng hạn chế và độ bền tương đối thấp từ hợp kim dung dịch. - 201: Austenit được ổn định bằng hàm lượng Mn cao hơn và hàm lượng Ni bổ sung (mặc dù hàm lượng Ni thấp hơn so với nhóm 300). Mn thay thế một phần Ni làm chất ổn định austenit; nitơ (khi được thêm vào) làm tăng độ bền và góp phần chống rỗ. Hỗn hợp hợp kim tạo ra nền austenit có độ dẻo và độ dai tốt.

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

• 430:
• Cấu trúc vi mô: chủ yếu là ferritic (hình lập phương tâm khối) trong quá trình xử lý tiêu chuẩn. Kích thước hạt và kết tủa thứ cấp (cacbua hoặc pha chi trong một số điều kiện) phụ thuộc vào lịch sử nhiệt.
• Xử lý nhiệt: thép không gỉ ferritic không thể tôi cứng bằng cách làm nguội. Ủ (khoảng 760–820 °C sau đó làm nguội có kiểm soát) giúp phục hồi độ dẻo và giảm ứng suất dư. Sự phát triển hạt và giòn có thể xảy ra khi tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ từ 600–900 °C.
• 201:
• Cấu trúc vi mô: austenit (lập phương tâm mặt) ổn định ở nhiệt độ phòng nhờ Mn và Ni. Gia công nguội gây ra hiện tượng cứng biến dạng và có thể gây ra biến dạng cục bộ hoặc phản ứng từ.
• Xử lý nhiệt: Cấu trúc vi mô austenit ủ hoàn toàn đạt được bằng cách ủ dung dịch (khoảng 1020–1120 °C) và làm nguội nhanh để hòa tan các cacbua/nitrit và thiết lập lại quá trình tôi luyện. Không giống như thép martensitic hoặc ferritic, austenit 201 không được gia cường bằng cách tôi-ram; độ bền chủ yếu được kiểm soát bằng phương pháp gia công nguội hoặc tôi luyện.

Tác động của quá trình xử lý: - Cán nguội làm tăng độ bền bằng cách làm cứng ở cả hai loại thép; hiệu ứng này rõ rệt hơn ở thép austenit 201, thép này làm cứng mạnh và có thể đạt được độ bền cao sau khi tạo hình. - Chu kỳ nhiệt hàn có những tác động khác nhau: 430 dễ bị phát triển hạt và mất độ dẻo dai ở vùng chịu nhiệt (HAZ) nếu không được kiểm soát; 201 vẫn giữ được ma trận austenit trong suốt các chu kỳ hàn thông thường nhưng có thể bị nhạy cảm hoặc suy giảm nếu hợp kim không đúng cách hoặc nếu kim loại liên kết hình thành với kim loại độn không phù hợp.

4. Tính chất cơ học

Bảng này đưa ra các phạm vi tính chất cơ học điển hình cho các sản phẩm tấm/dải ủ thương mại; các giá trị phụ thuộc nhiều vào độ dày, quá trình gia công nguội và thông số kỹ thuật của nhà cung cấp.

Tính chất (ủ, điển hình)	430 (ferritic)	201 (austenit)
Độ bền kéo (MPa)	~400 – 600	~500 – 700
Giới hạn chảy (MPa)	~150 – 300	~250 – 450
Độ giãn dài (%)	~20 – 30	~35 – 60
Độ bền va đập (nhiệt độ phòng, định tính)	Trung bình; giảm ở nhiệt độ thấp	Cao; độ dẻo dai và độ bền tuyệt vời
Độ cứng (HB hoặc tương đương)	Trung bình; tăng lên khi làm việc ở nhiệt độ lạnh	Trung bình đến cao sau khi làm việc lạnh; làm việc cứng hơn

Giải thích: - 201 thường có độ dẻo cao hơn và độ dai được duy trì tốt hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp, do có ma trận austenit. - 430 thường có độ dẻo thấp hơn và độ bền kéo/giới hạn chảy thấp hơn một chút trong điều kiện ủ nhưng có thể hấp dẫn khi độ bền và phản ứng từ tính thấp hơn có thể chấp nhận được. - Làm nguội làm tăng đáng kể độ bền của thép 201 do quá trình làm cứng nhanh; hiện tượng này có thể được khai thác trong các hoạt động tạo hình để đáp ứng các yêu cầu về độ bền ứng dụng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, hợp kim (Cr, Ni, Mn, Mo) và khả năng bị cứng hoặc giòn do HAZ. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng:

• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (để dự đoán nứt nguội trong vùng HAZ của mối 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: - 201: Nhờ thành phần austenit và hàm lượng carbon vừa phải, 201 có thể hàn tốt với các kim loại hàn austenit tiêu chuẩn khi quy trình hàn có tính đến hàm lượng Mn và N. Hàm lượng Mn cao và hàm lượng N tiềm năng đòi hỏi phải kiểm soát việc lựa chọn vật liệu hàn và nhiệt đầu vào để tránh nứt nóng hoặc biến dạng quá mức. Cấu trúc vi mô austenit không ảnh hưởng đến độ bền vùng HAZ. - 430: Thép ferit như 430 nhạy cảm hơn với sự phát triển hạt HAZ và khả năng giòn hóa. Hàn 430 thường yêu cầu vật liệu độn ferit phù hợp hoặc tương thích, đồng thời chú ý đến nhiệt lượng đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp hàn để tránh mất độ dai. Nung nóng trước và ủ sau hàn thường không hiệu quả trong việc tăng độ tôi (vì ferit không phải là martensitic), nhưng việc kiểm soát nhiệt lượng đầu vào thấp và sử dụng vật liệu độn phù hợp sẽ giảm thiểu các vấn đề về HAZ. - Trong thực tế: 201 thường cung cấp hành vi hàn đơn giản hơn cho các mối hàn chồng và hàn đối đầu trong các phần mỏng; 430 yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn và lựa chọn vật liệu hàn phù hợp để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tổng quan:
• Cả hai loại thép đều chủ yếu dựa vào hàm lượng crom (~16–18%) để chống ăn mòn. Không loại nào chứa Mo đáng kể, do đó khả năng chống rỗ của chúng bị hạn chế so với thép không gỉ chứa Mo (ví dụ: 316).
• Sử dụng PREN:
• PREN hữu ích khi Mo và N ảnh hưởng đến khả năng chống rỗ: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Đối với 430 và 201, Mo thực tế bằng 0; 201 có thể chứa N bổ sung, do đó PREN chỉ cung cấp một phép so sánh sơ bộ và sẽ thấp hơn so với các loại hợp kim chứa Mo. Đối với cả hai hợp kim, giá trị PREN đều ở mức khiêm tốn; chúng không phải là ứng cử viên cho ứng dụng clorua mạnh.
• Hành vi ăn mòn thực tế:
• 201 (austenit) thường có khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt hơn trong nhiều môi trường ôn hòa và có độ bền vượt trội khi sử dụng lạnh. Tuy nhiên, vì 201 có hàm lượng Ni thấp hơn và hàm lượng Mn cao hơn so với dòng 300, nên khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn khe hở của nó kém hơn dòng 304/316 và thường tương đương hoặc kém hơn một chút so với dòng 430 tùy thuộc vào điều kiện tiếp xúc.
• Thép 430 (ferritic) có khả năng chống oxy hóa tốt trong khí quyển và axit hữu cơ nhẹ, nhưng khả năng chống rỗ/kẽ hở trong môi trường clorua bị hạn chế.
• Bảo vệ bề mặt:
• Khi khả năng chống ăn mòn tự nhiên không đủ, hãy áp dụng lớp phủ (mạ kẽm có thể thực hiện được đối với thép nhưng không phù hợp với tính thẩm mỹ của thép không gỉ), sơn hoặc sử dụng phương pháp thụ động hóa (tẩy axit và thụ động hóa bằng axit nitric). Đối với thép không gỉ, các phương pháp hoàn thiện cơ học và thụ động hóa sẽ khôi phục lớp màng bề mặt oxit crom.

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

• Khả năng định hình:
• 201: Khả năng kéo sâu và tạo hình kéo giãn vượt trội nhờ độ dẻo dai và độ cứng cao. Thích hợp cho bồn rửa kéo, dụng cụ nấu nướng và các hình dạng phức tạp.
• 430: khả năng định hình hạn chế hơn; cấu trúc ferritic tạo ra độ giãn dài kém đồng đều và độ đàn hồi lớn hơn. Việc định hình thành công 430 thường đòi hỏi bán kính uốn lớn hơn và kiểm soát bôi trơn tốt hơn.
• Khả năng gia công:
• Austenitic 201 cứng nhanh; điều này làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và đòi hỏi dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng chắc, và có thể cần đến máy bẻ phoi hoặc dụng cụ chuyên dụng. Tuy nhiên, ở điều kiện ủ với tốc độ và tốc độ chính xác, việc gia công vẫn có thể thực hiện được.
• Thép Ferritic 430 thường dễ gia công hơn thép không gỉ austenitic vì nó không bị cứng khi làm việc mạnh, nhưng vật liệu dụng cụ và các thông số cắt vẫn yêu cầu thực hành cụ thể đối với thép không gỉ để tránh làm hỏng cạnh và bề mặt.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng:
• 201 có thể được đánh bóng để có độ bóng gương tuyệt hảo; tuy nhiên, tạp chất mangan sulfua và quá trình làm cứng có thể ảnh hưởng đến độ bóng bề mặt nếu không được xử lý đúng cách.
• 430 có khả năng đánh bóng bề mặt tốt và thường được sử dụng cho các đường viền trang trí và tấm ốp thiết bị gia dụng khi cần bề mặt hoàn thiện được chải.

8. Ứng dụng điển hình

430 — Công dụng điển hình	201 — Công dụng điển hình
Tấm ốp và viền thiết bị (mặt trước lò nướng, máy hút mùi), tấm ốp kiến ​​trúc trang trí, viền ô tô, các chi tiết trang trí chịu nhiệt, một số đồ dùng nhà bếp có thể chịu được từ tính	Đồ dùng nhà bếp, bồn rửa, đồ nấu nướng (ứng dụng austenit giá rẻ), ốc vít, linh kiện tạo hình nguội, nội thất kiến ​​trúc, ống và đường ống phục vụ cho dịch vụ ăn mòn từ thấp đến trung bình
Các bộ phận lò, lớp lót lò và các thành phần tiếp xúc với quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao	Các thành phần được kéo và tạo hình đòi hỏi độ dẻo dai và độ bền tốt; giải pháp thay thế giá rẻ cho 304 trong môi trường hạn chế

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 430 khi tính chất từ ​​tính, khả năng chống ăn mòn vừa phải trong môi trường khí quyển/nhẹ và chi phí vật liệu thấp là những yếu tố chính. - Chọn 201 khi cần độ dẻo cao hơn, độ dai vượt trội (đặc biệt là khi kéo sâu hoặc sử dụng ở nhiệt độ thấp) và tính chất phi từ tính, đồng thời vẫn đạt được chi phí thấp hơn so với thép austenit dòng 300.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• Thép 430 thường nằm trong số các loại thép không gỉ có giá thành thấp hơn vì nó chứa hàm lượng niken không đáng kể; chi phí cho crom vẫn được áp dụng nhưng độ phức tạp của hợp kim thấp.
• Thép 201 chứa hàm lượng niken có thể đo được và hàm lượng mangan cao hơn; mặc dù được phát triển để giảm sự phụ thuộc vào Ni, chi phí sản xuất thép này có thể cao hơn thép 430 nhưng thấp hơn thép loại 300 ở nhiều thị trường.
• Khả dụng:
• Cả hai loại đều được lưu kho rộng rãi dưới dạng tấm, cuộn và dải. Khả năng cung cấp theo khu vực phụ thuộc vào nhu cầu thị trường—430 phổ biến trong chuỗi cung ứng thiết bị gia dụng và kiến ​​trúc; 201 phổ biến ở những nơi yêu cầu tấm austenit hàm lượng Ni thấp.
• Cân nhắc về hình thức sản phẩm:
• Đối với các chi tiết kéo và tạo hình sâu, tấm 201 ở dạng ủ thường được dự trữ. Đối với các tấm từ tính trang trí và viền trang trí, tấm 430 có sẵn rộng rãi với lớp hoàn thiện chải và tráng gương.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	430 (ferritic)	201 (austenit, ít Ni)
Khả năng hàn	Trung bình — cần chú ý đến vùng HAZ và lựa chọn chất độn	Tốt — hành vi austenit; chú ý đến nguy cơ nứt nóng và Mn/N
Sức mạnh – Độ dẻo dai	Độ bền trung bình; độ dẻo dai và độ dai kém hơn (đặc biệt ở nhiệt độ thấp)	Độ dẻo dai và độ bền cao hơn; có thể làm cứng để đạt độ bền cao hơn
Trị giá	Thấp hơn (thường là lựa chọn rẻ hơn)	Trung bình (cao hơn 430 nhưng thấp hơn nhiều loại 300)

Sự giới thiệu: - Chọn 430 nếu bạn cần loại thép không gỉ từ tính giá rẻ có khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí quyển nhẹ hoặc môi trường oxy hóa vừa phải và khi độ phức tạp của hình thức bị hạn chế (ví dụ: tấm ốp thiết bị, đường viền trang trí, bộ phận mỹ phẩm chịu nhiệt). - Chọn 201 nếu bộ phận của bạn yêu cầu độ uốn sâu, độ dẻo dai cao, khả năng tạo hình tuyệt vời và tính chất không từ tính, và bạn muốn một loại thép không gỉ thay thế austenit có chi phí thấp hơn cho loại thép không gỉ dòng 300 để sử dụng trong môi trường ăn mòn không gây hại.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn xác nhận tính chất hóa học và cơ học chính xác từ chứng chỉ nhà máy để mua sắm và thực hiện quy trình hàn. - Đối với môi trường có clorua hoặc khắc nghiệt, hãy cân nhắc sử dụng loại thép hợp kim cao cấp hơn (thép không gỉ chứa Mo) thay vì sử dụng thép 430 hoặc 201. - Đối với chế tạo và hàn, hãy phát triển các quy trình xưởng liên quan đến việc kiểm soát nhiệt đầu vào, lựa chọn vật liệu độn và bất kỳ xử lý sau hàn cần thiết nào để duy trì khả năng chống ăn mòn và độ bền.