430 so với 304L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

430 và 304L là hai loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi, nằm ở các điểm khác nhau trên phổ chi phí - hiệu suất. 430 là thép không gỉ ferritic thường được lựa chọn cho các ứng dụng nhạy cảm về chi phí, trang trí hoặc ăn mòn vừa phải; 304L là thép không gỉ austenit hàm lượng carbon thấp được lựa chọn vì khả năng chống ăn mòn cao, khả năng hàn vượt trội và đặc tính tạo hình tốt. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với quyết định lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn, hiệu suất cơ học và chi phí vật liệu.

Điểm khác biệt chính là 430 là loại thép ferritic gốc crom được tối ưu hóa về mặt kinh tế và khả năng chống ăn mòn vừa phải, trong khi 304L là loại thép austenitic gốc niken được tối ưu hóa về hiệu suất chống ăn mòn và độ tin cậy khi hàn. Những khác biệt cơ bản về luyện kim này quyết định các lựa chọn về thiết kế, chế tạo và chi phí vòng đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: Cả hai loại đều được đề cập trong các thông số kỹ thuật chung về thép không gỉ như ASTM A240 (tấm/lá) và các thông số kỹ thuật sản phẩm liên quan (ví dụ: A276 cho thanh) được ASME sử dụng.
• EN: Được bao gồm trong loạt EN 10088 (thép không gỉ) với các ký hiệu cụ thể cho các loại ferritic và austenitic.
• JIS: Thường được gọi là SUS430 (ferritic) và SUS304L (austenitic carbon thấp) trong Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản.
• GB (Trung Quốc): Xuất hiện trong các tiêu chuẩn thép không gỉ GB/T tương ứng với các giới hạn hóa học và dạng sản phẩm tương tự.

Phân loại: - 430: Thép không gỉ Ferritic. - 304L: Thép không gỉ Austenit (biến thể carbon thấp của 304 được thiết kế để hạn chế tình trạng nhạy cảm).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Sự khác biệt chính về hợp kim phản ánh các mục tiêu thiết kế riêng biệt: 430 dựa vào crom để cung cấp khả năng chống ăn mòn với ít hoặc không có niken; 304L sử dụng cả crom và niken đáng kể để ổn định cấu trúc austenit và cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai.

Yếu tố	Điển hình 430 (ferritic)	304L điển hình (austenit, C thấp)
C	≤ 0,12 wt% (được kiểm soát, có thể cao hơn loại L)	≤ 0,03 wt% (ít carbon để ngăn ngừa nhạy cảm)
Mn	≤ ~1,0–2,0 wt% (có giới hạn)	≤ ~2,0 wt% (được sử dụng để khử oxy và tăng cường độ)
Si	≤ ~1,0% khối lượng	≤ ~0,75–1,0% khối lượng
P	≤ ~0,04% khối lượng	≤ ~0,045% khối lượng
S	≤ ~0,03% khối lượng	≤ ~0,03% khối lượng
Cr	~16,0–18,0% khối lượng	~18,0–20,0% khối lượng
Ni	≤ ~0,75 wt% (thường rất thấp)	~8,0–12,0% khối lượng
Mo	Thông thường là không có	Thông thường là không có (304L không hợp kim Mo)
V, Nb, Ti, B, N	Không phải là chất bổ sung hợp kim tiêu chuẩn; có thể có mức vết	Ti hoặc N thường ở mức thấp; Ti đôi khi được sử dụng trong các biến thể nhưng 304L thường là austenit thông thường

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom cung cấp lớp oxit thụ động có khả năng chống ăn mòn; Cr càng nhiều thì khả năng chống ăn mòn nói chung càng tốt. - Niken ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai, độ dẻo dai và khả năng tạo hình, đồng thời giảm từ tính. - Hàm lượng carbon thấp trong 304L giúp giảm thiểu hiện tượng nhạy cảm (kết tủa crom cacbua) trong quá trình hàn, giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt. - Việc không có niken trong thép 430 làm giảm chi phí vật liệu nhưng hạn chế hiệu suất chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường clorua.

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

Cấu trúc vi mô: - 430: Cấu trúc vi mô ferit (lập phương tâm khối, BCC) chủ yếu là ferit ổn định bằng crom. Từ tính. Không thể tôi cứng bằng cách làm nguội—độ bền chủ yếu đến từ quá trình tôi cứng dung dịch rắn và gia công nguội. - 304L: Cấu trúc vi mô austenit (lập phương tâm mặt, FCC) được ổn định bằng niken. Không từ tính trong điều kiện ủ dung dịch (có thể trở nên hơi từ tính sau khi gia công nguội mạnh). Không thể tôi cứng bằng nhiệt luyện; được gia cường chủ yếu bằng phương pháp tôi cứng.

Phản ứng xử lý nhiệt: - 430: Ủ sẽ tạo ra cấu trúc ferritic mềm; nung nóng phía trên vùng ferritic, sau đó làm nguội có kiểm soát sẽ khôi phục độ dẻo và giảm giòn. Sự phát triển hạt và giòn (đặc biệt là ở vùng HAZ của mối hàn) có thể xảy ra nếu nung nóng không đúng cách. Ferit không thể tôi cứng bằng phương pháp tôi. - 304L: Thường được ủ dung dịch (phạm vi xử lý dung dịch điển hình trong thực tế là khoảng 1000–1100°C) và sau đó làm nguội nhanh để giữ lại pha austenit và hòa tan các cacbua. Vì 304L có hàm lượng cacbon thấp, nên nó ít bị nhạy cảm hóa hơn khi làm nguội chậm so với 304. Các tính chất cơ học hầu như không bị ảnh hưởng bởi quá trình tôi; gia công nguội làm tăng độ bền và độ cứng.

Tuyến sản xuất: - Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán, làm nguội có kiểm soát) sẽ ảnh hưởng đến kích thước và kết cấu hạt ở cả hai loại. Thép ferit có thể bị phát triển hạt alpha khi tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao; thép austenit thường duy trì độ dẻo trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn.

4. Tính chất cơ học

Thay vì trích dẫn các số liệu tiêu chuẩn cụ thể, bảng dưới đây tóm tắt các đặc điểm cơ học tương đối có ý nghĩa đối với việc lựa chọn vật liệu, chế tạo và hiệu suất.

Tài sản	430 (ferritic)	304L (austenit, C thấp)
Độ bền kéo	Trung bình; có thể cao hơn ở một số trạng thái làm việc nguội	Trung bình đến cao; độ giãn dài đồng đều tốt
Sức chịu lực	Nói chung cao hơn austenitic ủ ở nhiệt độ phòng	Năng suất thấp hơn so với các đối tác ferritic trong điều kiện ủ
Độ giãn dài / Độ dẻo	Độ dẻo thấp hơn so với austenit (ít có khả năng định hình hơn)	Độ dẻo cao và khả năng định hình tuyệt vời
Độ bền va đập	Thấp hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ dưới mức nhiệt độ môi trường xung quanh (ferritic có thể giòn)	Độ bền vượt trội ngay cả ở nhiệt độ thấp
Độ cứng	Có thể tăng độ cứng bằng cách gia công nguội; không thể làm cứng bằng cách xử lý nhiệt	Công việc cứng lại đáng kể dưới sự biến dạng lạnh

Giải thích: - 304L thường có độ dẻo dai và độ dai vượt trội, mang lại lợi ích cho hoạt động tạo hình và khả năng chống va đập. 430 có thể mang lại năng suất cao hơn trong một số điều kiện và phù hợp khi cần độ cứng và độ bền nhất định, nhưng khả năng chịu va đập và nhiệt độ thấp kém hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được quyết định bởi hàm lượng cacbon, các nguyên tố hợp kim và khả năng tôi. Các chỉ số thực nghiệm sau đây thường được sử dụng để đánh giá khả năng nứt mối hàn và xu hướng độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của thép:

• Tương đương crom (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: - 304L: Hàm lượng cacbon thấp làm giảm đáng kể sự kết tủa cacbua và nhạy cảm hóa trong quá trình hàn; cấu trúc austenit không bị cứng trong vùng HAZ, do đó khả năng nứt nguội thấp. Khả năng hàn nói chung là tuyệt vời với vật liệu hàn austenit tiêu chuẩn (vật liệu hàn tương đương hoặc cao hơn một chút). - 430: Hàm lượng carbon cao hơn (so với 304L) và luyện kim ferritic có thể gây ra các vấn đề trong quá trình nóng chảy và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)—sự phát triển của hạt và độ dẻo dai giảm là những vấn đề đáng lo ngại. Thép không gỉ ferritic thường cần kiểm soát chặt chẽ lượng nhiệt đầu vào, khả năng ủ sau hàn và lựa chọn vật liệu độn phù hợp để tránh giòn và độ dẻo dai kém. Khả năng hàn nhìn chung ở mức khá đến tốt nhưng đòi hỏi kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn so với 304L.

Lưu ý thực tế: Sử dụng các công thức trên để ước tính độ nhạy tương đối cho các thành phần cụ thể. Đối với thông số kỹ thuật mua sắm hoặc quy trình hàn, hãy kiểm tra khả năng hàn bằng dữ liệu nhà cung cấp và hồ sơ chứng nhận quy trình.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Hành vi ăn mòn khác nhau cơ bản do tính chất hóa học và cấu trúc vi mô.

• Thép 430 (ferritic): Khả năng chống oxy hóa và môi trường khí quyển ôn hòa tốt nhờ hàm lượng crom. Tuy nhiên, khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua kém hơn so với thép austenitic có bổ sung niken hoặc Mo. Trong môi trường khắc nghiệt, nên ưu tiên bảo vệ bề mặt (mạ kẽm không áp dụng trực tiếp cho thép không gỉ—sử dụng lớp phủ hoặc sơn) hoặc các loại thép không gỉ có hàm lượng hợp kim cao hơn. Các chiến lược bảo vệ điển hình bao gồm lớp phủ hữu cơ, xử lý thụ động hóa hoặc ốp.
• 304L (austenitic): Khả năng chống ăn mòn tổng thể vượt trội trong nhiều môi trường, bao gồm nhiều ứng dụng thực phẩm, đồ uống và hóa chất. Hàm lượng carbon thấp giúp giảm nguy cơ bị ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn.

Khi so sánh khả năng ăn mòn cục bộ, Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) là một chỉ báo hữu ích cho các loại thép không gỉ có chứa Mo và/hoặc N: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Đối với thép 304L, Mo thường không có và hàm lượng nitơ thấp, do đó PREN chủ yếu được thúc đẩy bởi Cr và một lượng nhỏ N. PREN hữu ích nhất khi so sánh các loại thép austenit chứa Mo và thép duplex; nó ít thông tin hơn đối với thép 304L Cr/Ni thông thường so với thép ferritic chỉ chứa Cr, nhưng vẫn cho thấy tiềm năng chống rỗ.

Khi thép không gỉ không đủ tiêu chuẩn, người ta sẽ sử dụng phương pháp xử lý bề mặt (đánh bóng điện, thụ động hóa) hoặc lớp phủ chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: Ferritic 430 có xu hướng gia công dễ dàng hơn 304L vì nó ít bị biến dạng khi gia công; tuổi thọ dụng cụ có thể cao hơn trên 430 nếu được trang bị dụng cụ phù hợp. Tuy nhiên, một số ferritic có thể bị dính tùy thuộc vào điều kiện.
• Khả năng tạo hình và kéo: 304L thường vượt trội hơn khi kéo sâu và tạo hình phức tạp do có độ dẻo cao và khả năng làm cứng khi gia công. 430 bị hạn chế hơn khi tạo hình nghiêm ngặt và tốt hơn khi uốn và cắt nhẹ.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng: Cả hai loại đều có thể được đánh bóng, nhưng 304L thường đạt được độ hoàn thiện bề mặt cao hơn, hữu ích cho các ứng dụng vệ sinh và kiến ​​trúc.
• Làm nguội: Thép 304L cứng lại và cần lực lớn hơn để tạo hình khi biến dạng tiến triển; thép 430 ít bị cứng lại khi làm nguội hơn nhưng có khả năng kéo dài tổng thể thấp hơn.

8. Ứng dụng điển hình

430 (Ferritic)	304L (Austenit, C thấp)
Viền trang trí, nội thất thiết bị, tấm ốp lò nướng hoặc bếp (khả năng chống oxy hóa vừa phải)	Thiết bị chế biến thực phẩm, thiết bị sản xuất sữa và bia
Phụ kiện trang trí và trang trí ô tô	Đường ống xử lý hóa chất, bình chịu áp suất và bể chứa yêu cầu khả năng chống ăn mòn
Các thành phần lò và các bộ phận trang trí chịu nhiệt	Phụ kiện kiến ​​trúc và vệ sinh đòi hỏi khả năng hàn và hàm lượng carbon thấp
Đồ đạc trong nhà bếp và bề mặt dụng cụ nấu nướng không quan trọng	Thiết bị y tế, thiết bị chế biến dược phẩm
Các thành phần HVAC, ống gió (trong môi trường ít ăn mòn)	Các thành phần nội thất tàu biển, ốc vít và phụ kiện tiếp xúc với nước biển nhẹ hoặc vùng nước bắn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép 430 khi giá thành, khả năng chống ăn mòn vừa phải, tính chất từ ​​tính là quan trọng và môi trường không có tính ăn mòn mạnh. - Chọn 304L khi cần khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn liên hạt sau khi hàn, khả năng định hình vượt trội và khả năng chống ăn mòn nói chung.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 430 thường rẻ hơn vì chứa ít hoặc không chứa niken. 304L có giá cao hơn vì có hàm lượng niken đáng kể và được sử dụng rộng rãi hơn trong các ngành công nghiệp dễ bị ăn mòn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại đều được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng tấm, cuộn, dải và một số dạng thanh và ống. 430 thường được ưa chuộng ở dạng mỏng cho các thiết bị và đồ trang trí; 304L được cung cấp rộng rãi ở dạng tấm, ống, ống và dạng đặc biệt cho các ứng dụng công nghiệp.

Mẹo mua sắm: Tổng chi phí vòng đời (chi phí vật liệu + chế tạo + bảo trì) cần được đánh giá — chi phí ban đầu cao hơn đối với 304L có thể được bù đắp bằng chi phí bảo trì thấp hơn và tuổi thọ dài hơn trong môi trường ăn mòn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	430	304L
Khả năng hàn	Trung bình đến Tốt (cần kiểm soát nhiệt độ; lo ngại về HAZ)	Tuyệt vời (hàm lượng carbon thấp làm giảm độ nhạy cảm)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai thấp hơn, hiệu suất nhiệt độ thấp hạn chế	Độ dẻo dai và độ dai tuyệt vời; độ giãn dài đồng đều tốt
Trị giá	Thấp hơn (không chứa niken hoặc ít niken)	Cao hơn (hàm lượng niken làm tăng chi phí)

Sự giới thiệu: - Chọn 430 nếu bạn cần một loại thép không gỉ tiết kiệm chi phí với khả năng chống oxy hóa hợp lý, tính chất từ ​​tính và bề mặt đẹp cho các ứng dụng trang trí hoặc tải nhẹ trong môi trường ôn hòa hoặc ăn mòn nhẹ. Đây thường là lựa chọn phù hợp cho các tấm ốp thiết bị, đồ đạc trong nhà và các ứng dụng mà chi phí niken là mối quan tâm hàng đầu. - Chọn 304L nếu ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn đáng tin cậy (bao gồm cả sau khi hàn), khả năng định hình và độ bền vượt trội, hoặc tiếp xúc với môi trường có độ ăn mòn trung bình. 304L được ưu tiên sử dụng trong các ứng dụng vệ sinh, thực phẩm, dược phẩm, hóa chất và nhiều ứng dụng kết cấu hàn khác, trong đó tuổi thọ cao và ít bảo trì là ưu tiên hàng đầu.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu nên được hướng dẫn bởi môi trường làm việc cụ thể, các bước chế tạo dự kiến ​​(hàn, tạo hình), các yêu cầu về quy định hoặc vệ sinh, và tổng chi phí vòng đời. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy tham khảo chứng chỉ nhà máy để biết thông số hóa học chính xác, xem xét bảng dữ liệu của nhà cung cấp và cân nhắc kiểm tra chất lượng (chống ăn mòn, quy trình hàn, kiểm tra cơ học) trước khi lựa chọn cuối cùng.