430 so với 446 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa thép không gỉ mác 430 và 446 là một điểm quyết định phổ biến đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất, những người phải cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ ổn định ở nhiệt độ cao, khả năng sản xuất và chi phí. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho vỏ thiết bị và phần trang trí trong nhà (khi chi phí và khả năng định hình là quan trọng) so với việc lựa chọn hợp kim cho hệ thống khí thải nhiệt độ cao, các bộ phận lò nung hoặc hệ thống xả (khi khả năng chống oxy hóa và khả năng chống đóng cặn lâu dài là rất quan trọng).

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là cả 430 và 446 đều là thép không gỉ ferritic, nhưng 446 là hợp kim ferritic hàm lượng crom cao được thiết kế để chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao vượt trội; 430 là loại ferritic đa dụng, hàm lượng crom thấp hơn, được tối ưu hóa về chi phí, khả năng định hình và khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình. Vì cả hai đều là ferritic (cấu trúc lập phương tâm khối), chúng thường được so sánh trong công việc thiết kế, nơi giao thoa giữa luyện kim ferritic, khả năng hàn và các lựa chọn dựa trên chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 430: UNS S43000 — thường được chỉ định trong các tiêu chuẩn ASTM/ASME (ví dụ: A240 cho tấm/lá), EN (ví dụ: 1.4016), JIS (SUS430) và GB. Phân loại: thép không gỉ ferritic.
• 446: UNS S44600 — thường thấy trong ASTM/ASME (ví dụ: các biến thể A240 cho ferritic hàm lượng Cr cao), EN (ví dụ: 1.4762/1.4763 tùy thuộc vào nền đất), JIS (SUS446) và các tiêu chuẩn tương đương của GB. Phân loại: thép không gỉ ferritic hàm lượng crom cao (ferritic).

Cả hai đều là thép không gỉ (không phải thép carbon, thép công cụ hoặc thép HSLA). Số hiệu chính xác và thành phần có thể thay đổi tùy theo tiêu chuẩn khu vực và nền đất; hãy luôn tham khảo tiêu chuẩn cụ thể được nêu trên bản vẽ hoặc đơn đặt hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%) — tham khảo tiêu chuẩn cụ thể hoặc giấy chứng nhận của nhà máy để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	430 (phạm vi điển hình)	446 (phạm vi điển hình)
C	≤ 0,12	≤ 0,20 (thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật)
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	0,5–1,5
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0–18,0	23,0–27,0
Ni	≤ 0,75	≤ 1,0
Mo	— (thường là 0)	0–1,5 (một số nền đất yếu)
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo và phụ thuộc vào tiêu chuẩn và nhà máy chính xác. 430 là loại thép không gỉ ferritic danh nghĩa có hàm lượng Cr 16–18% với hàm lượng Ni rất thấp và về cơ bản không có hợp kim gia cường. 446 là loại thép không gỉ ferritic có hàm lượng crom cao; hàm lượng Cr cao (thường là 23–27%) là chiến lược hợp kim chính để tối đa hóa khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và giảm hiện tượng đóng cặn. Một số thông số kỹ thuật của 446 bao gồm một lượng nhỏ Mo hoặc Si cao hơn để cải thiện hơn nữa khả năng chống ăn mòn/oxy hóa. - Chiến lược hợp kim: crom tạo màng thụ động và bám dính vảy ở nhiệt độ cao. Silic có thể cải thiện khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Hàm lượng cacbon thấp giúp ferit ổn định và cải thiện độ dẻo; hàm lượng cacbon cao hơn (nếu nằm trong giới hạn) có thể tăng độ bền 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 (khi chế tạo, ủ): Cả hai loại đều là ferit với các hạt ferit chủ yếu có dạng dải hoặc đẳng trục, và ở một số sản phẩm gia công nguội, có dạng sợi. Cả hai loại đều không chuyển thành austenit ở nhiệt độ phòng (không giống như austenit) và về cơ bản, cả hai đều không thể gia công nhiệt để tăng cường độ thông qua quá trình tôi cứng bằng cách thay đổi pha.
• Tác động của hợp kim: Hàm lượng Cr cao hơn và hàm lượng Si có thể có của thép 446 làm tăng sự hình thành và độ ổn định của lớp oxit ở nhiệt độ cao; tính chất hóa học của ranh giới hạt có thể ảnh hưởng đến khả năng chống bám cặn và thấm cacbon ở nhiệt độ cao.
• Xử lý nhiệt và chế biến:
• Ủ (giảm ứng suất) thường được áp dụng để khôi phục độ dẻo và giảm ứng suất dư. Ủ dung dịch điển hình cho ferit là trên $900^\circ\mathrm{C}$, sau đó làm nguội có kiểm soát; nhiệt độ chính xác tuân theo tiêu chuẩn hiện hành.
• Chu trình thường hóa hoặc tôi và ram thường không được sử dụng để tăng cường độ như trong thép cacbon; thép không gỉ ferritic không cứng lại bằng quá trình chuyển đổi martensitic. Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán nguội + ủ) kiểm soát các tính chất cơ học cuối cùng (giới hạn chảy, độ bền kéo, độ dẻo) thông qua quá trình tôi luyện và tái kết tinh.
• Việc kiểm soát kích thước hạt thông qua quá trình cán và ủ có kiểm soát rất quan trọng đối với độ dẻo dai và khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ vừa phải. Cấu trúc vi mô có hàm lượng Cr cao của 446 hướng đến tính ổn định khi hình thành vảy hơn là khả năng làm cứng.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình (ủ, nhiệt độ phòng). Các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo; kiểm tra bằng báo cáo thử nghiệm tại nhà máy.

Tài sản	430 (ủ, điển hình)	446 (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	400–600	450–650
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	200–350	220–400
Độ giãn dài (tính bằng 50 mm, %)	20–40	15–35
Độ bền va đập (Charpy, J)	Trung bình; dẻo ở nhiệt độ phòng; giảm ở nhiệt độ dưới 0	Nói chung thấp hơn 430 ở nhiệt độ thấp; tốt ở nhiệt độ phòng tùy thuộc vào dạng sản phẩm
Độ cứng (HB / HRB)	~120 HB (thay đổi tùy theo quá trình tôi luyện)	Có thể cao hơn một chút khi làm việc nguội

Giải thích: - Độ bền: Thép 446 có thể có độ bền cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm do tính chất hóa học và quá trình chế biến, nhưng không loại nào được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng có độ bền cao; độ bền của chúng chủ yếu phụ thuộc vào mức độ gia công nguội và dạng sản phẩm. - Độ dẻo dai và độ dai: Thép 430 có xu hướng dẻo dai và dễ định hình hơn ở nhiệt độ phòng, trong khi thép 446 — với hàm lượng Cr cao hơn (và đôi khi là C hoặc Si cao hơn) — thường có độ dẻo dai giảm và độ dai va đập thấp hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Cả hai đều kém hơn thép không gỉ austenit về độ dai va đập ở nhiệt độ cực thấp. - Các tính chất cơ học này phụ thuộc rất nhiều vào quy trình (tấm, tấm phẳng hay ống) và phải được xác nhận bằng dữ liệu của nhà cung cấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương, hợp kim và giãn nở nhiệt. Thép không gỉ ferit thường dễ hàn bằng các quy trình thông thường nhưng có những nhược điểm riêng (sự phát triển hạt, kiểm soát delta-ferit giòn không liên quan ở đây vì cả hai đều là ferit, nhưng sự nhạy cảm hóa và hình thành pha sigma ở nhiệt độ cao có thể là những vấn đề đáng lo ngại trong quá trình sử dụng).

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (hướng dẫn định tính): - Công thức tính đương lượng cacbon thường dùng: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số mối hàn liên quan đến rỗ/ăn mòn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 430: Hàm lượng cacbon và hợp kim thấp nhìn chung mang lại khả năng hàn tốt với các phương pháp hàn nóng chảy và hàn điện trở thông dụng. Khả năng chống ăn mòn sau hàn được chấp nhận trong nhiều môi trường trong nhà/dịch vụ. Độ biến dạng thấp do hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn so với thép austenit. - 446: Hàm lượng crom cao hơn và đôi khi là hàm lượng cacbon hoặc silic cao hơn có thể làm tăng nguy cơ phát triển hạt và giòn cục bộ ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt nếu sử dụng quy trình không phù hợp. Việc nung nóng sơ bộ hiếm khi cần thiết, nhưng việc lựa chọn vật liệu hàn và kiểm soát nhiệt đầu vào là rất quan trọng để tránh tăng độ cứng cục bộ và thay đổi cấu trúc vi mô. 446 khó gia công hơn 430 — cần chú ý nhiều hơn đến hóa học kim loại hàn và xử lý sau hàn. - Luôn lập kế hoạch thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) và lựa chọn vật liệu hàn với thông tin đầu vào từ nhà cung cấp; tiến hành thử nghiệm hàn cho các cụm lắp ráp quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ:
• 430: Khả năng chống ăn mòn trung bình trong môi trường ăn mòn nhẹ (khí quyển, trong nhà và hơi axit). Không thích hợp cho môi trường giàu clorua hoặc môi trường biển. Khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường oxy hóa nhẹ ở nhiệt độ môi trường xung quanh.
• 446: Hàm lượng crom cao cải thiện đáng kể khả năng chống oxy hóa và đóng cặn ở nhiệt độ cao; hiệu suất tốt hơn 430 trong khí thải, môi trường lò nung và trong một số môi trường sunfua hóa hoặc thấm cacbon. Nó cũng có khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn ở nhiệt độ cao.
• PREN (khả năng chống rỗ) thường được áp dụng cho các loại thép austenit/duplex nhưng có thể tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Diễn giải: PREN có tác dụng trực tiếp hạn chế đối với các loại ferritic vì đặc tính rỗ clorua của chúng khác nhau; tuy nhiên, hàm lượng Cr cao hơn (và bất kỳ Mo nào) trong 446 sẽ mang lại khả năng chống rỗ/oxy hóa hiệu quả cao hơn so với 430.
• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ: không áp dụng ở đây vì cả hai đều là thép không gỉ; tuy nhiên, để tăng tính thẩm mỹ hoặc bảo vệ, cả hai đều có thể được sơn, thụ động hóa hoặc hoàn thiện bằng phương pháp đánh bóng cơ học. Đối với môi trường khắc nghiệt, hãy cân nhắc sử dụng lớp phủ hoặc các phương án thay thế bằng hợp kim cao cấp hơn.

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

• Khả năng định hình:
• 430: Khả năng tạo hình tốt trong điều kiện ủ; thích hợp để kéo sâu, uốn và dập phổ biến trong các ứng dụng thiết bị và kiến ​​trúc.
• 446: Ít dẻo hơn; khả năng định hình thấp hơn, đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn. Bán kính uốn và bù dao phải tính đến độ cứng và độ đàn hồi cao hơn.
• Khả năng gia công:
• Cả hai loại ferritic đều gia công khá tốt khi sử dụng dụng cụ và tốc độ phù hợp. 430 thường được coi là dễ gia công hơn 446 do hàm lượng Cr thấp hơn và khả năng hình thành phoi thuận lợi hơn.
• Xu hướng tạo vảy cứng của 446 ở nhiệt độ cắt cao và hàm lượng hợp kim cao hơn có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ; hãy sử dụng dụng cụ cacbua và chất làm mát thích hợp.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có thể đánh bóng, mài và chải bằng máy. 446 có thể cần hoàn thiện mạnh hơn để loại bỏ lớp oxit cứng đầu khi tạo hình nóng.
• Việc lập kế hoạch trình tự hàn và tạo hình rất quan trọng: tạo hình trước khi ủ cuối cùng giúp cải thiện độ dẻo và giảm nguy cơ nứt cho 446.

8. Ứng dụng điển hình

Lớp 430 – Công dụng điển hình	Lớp 446 – Công dụng điển hình
Thiết bị gia dụng (bếp, máy hút mùi, tấm ốp tường)	Các bộ phận lò, lớp lót buồng đốt
Trang trí ô tô, trang trí nội thất và trang trí trang trí	Ống khói, ống dẫn khí thải, các bộ phận nồi hơi
Tấm HVAC, trang trí kiến ​​trúc trong nhà	Các bộ phận xả và bộ trao đổi nhiệt ở nhiệt độ cao
Thiết bị phục vụ thực phẩm (không vô trùng, ít clorua)	Hệ thống xử lý khí nhiệt độ cao và hệ thống sưởi ấm công nghiệp
Tấm và dải chống ăn mòn đa năng	Các bộ phận tiếp xúc với quá trình oxy hóa và sunfua hóa ở nhiệt độ cao theo chu kỳ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 430 khi ưu tiên chi phí, khả năng tạo hình và khả năng chống ăn mòn môi trường chấp nhận được và nhiệt độ sử dụng từ thấp đến trung bình. - Chọn 446 khi dịch vụ liên quan đến nhiệt độ cao liên tục hoặc theo chu kỳ, môi trường oxy hóa mạnh hoặc khi cần khả năng chống cặn lâu dài mặc dù chi phí vật liệu cao hơn và khả năng định hình giảm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 430 là loại thép không gỉ ferritic được sản xuất rộng rãi với số lượng lớn và thường nằm trong số các loại thép không gỉ có chi phí thấp. 446, với hàm lượng crom cao hơn đáng kể và thường được xử lý chuyên biệt hơn, có giá cao hơn tính theo kilôgam/mét và kém kinh tế hơn đối với các bộ phận lớn, chịu ứng suất thấp.
• Tính khả dụng: Thép 430 được sử dụng rộng rãi ở nhiều dạng sản phẩm (tấm, tấm, cuộn, dải, ống). Thép 446 cũng có sẵn nhưng ở ít dạng sản phẩm cán và cỡ hơn; thời gian giao hàng có thể lâu hơn, và số lượng đặt hàng tối thiểu hoặc các nhà sản xuất chuyên biệt có thể áp dụng cho các hình dạng sản phẩm cụ thể.
• Ghi chú mua sắm: đối với các dự án nhạy cảm về ngân sách, hãy xác nhận tổng chi phí vòng đời: 446 có thể giảm chi phí bảo trì và thay thế trong các ứng dụng nhiệt độ cao ngay cả khi chi phí trả trước cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh (định tính)

Thuộc tính	430	446
Khả năng hàn	Tốt — dễ tha thứ với chất độn tiêu chuẩn	Công bằng — yêu cầu đầu vào nhiệt được kiểm soát và chất độn phù hợp
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo tốt; độ bền vừa phải	Có thể có độ bền cao hơn một chút; độ dẻo/độ dai thấp hơn
Khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao	Vừa phải	Xuất sắc
Khả năng định hình	Xuất sắc	Trung bình đến kém (tùy thuộc vào thước đo)
Trị giá	Thấp (tiết kiệm)	Cao hơn (phí bảo hiểm do hợp kim)
Khả dụng (mẫu chuẩn)	Rất tốt	Trung bình — chuyên ngành

Khuyến nghị: - Chọn 430 nếu bạn cần thép không gỉ ferritic có thể định hình, tiết kiệm chi phí cho các điều kiện sử dụng trong nhà hoặc nhẹ nhàng, nơi quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao không phải là mối quan tâm chính (thiết bị gia dụng, tấm HVAC, đường viền trang trí, các bộ phận kim loại tấm nói chung). - Chọn 446 nếu ứng dụng khiến vật liệu tiếp xúc với nhiệt độ cao liên tục hoặc theo chu kỳ, khí thải hoặc môi trường oxy hóa/thấm cacbon, trong đó yêu cầu khả năng chống cáu cặn và oxy hóa lâu dài (các bộ phận lò sưởi hoặc nồi hơi, ống khói, ống xả và ống khói nhiệt độ cao), và bạn có thể chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn và các yêu cầu chế tạo hạn chế hơn.

Lưu ý cuối cùng: Cả 430 và 446 đều là thép không gỉ ferritic; lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào việc cân bằng nhiệt độ làm việc, môi trường (tiếp xúc với oxy hóa/halogen/clorua), khả năng định hình, quy trình hàn và chi phí vòng đời. Luôn xác nhận thành phần và dữ liệu cơ học bằng chứng chỉ kiểm tra nhà máy và xác nhận quy trình hàn và thử nghiệm định hình cho các bộ phận quan trọng.