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

Giới thiệu

Thép không gỉ loại 430 và loại 446 là hai loại thép không gỉ ferritic thường được cân nhắc khi thiết kế cần cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ ổn định nhiệt, khả năng định hình và chi phí. Các đội ngũ mua sắm và kỹ thuật thường phải đối mặt với tình huống khó xử trong việc lựa chọn: chọn loại thép có chi phí thấp hơn, dễ định hình hơn với khả năng chống ăn mòn phù hợp cho môi trường ôn hòa, hay trả thêm tiền để có hàm lượng crom cao hơn, khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao được cải thiện và tuổi thọ dài hơn trong môi trường khắc nghiệt.

Sự khác biệt chính giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng trong nhóm ferritic: một loại là thép không gỉ ferritic 16–18% crom tiêu chuẩn, tiết kiệm (Loại 430), trong khi loại còn lại là thép không gỉ ferritic hàm lượng crom cao (Loại 446) được tối ưu hóa cho quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và tăng khả năng chống chịu với môi trường có hàm lượng clorua cao hoặc nhiệt độ cao hơn. Sự khác biệt này thúc đẩy việc lựa chọn chúng trong các thành phần dạng tấm, tấm phẳng, ống và chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• UNS: UNS S43000 (Loại 430); UNS S44600 (Loại 446)
• ASTM/ASME: Thường được chỉ định theo ASTM A240 / ASME SA-240 cho thép không gỉ sản phẩm phẳng
• JIS: SUS430; SUS446 (ký hiệu JIS/SUS phổ biến được sử dụng ở Châu Á)
• EN/ISO: Cả hai cấp độ đều xuất hiện trong loạt EN/ISO 10088 và các cấp độ tương đương quốc gia (các ký hiệu EN số cụ thể khác nhau tùy theo quốc gia và dạng sản phẩm)
• GB: Danh sách tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc tương đương (tiêu chuẩn sản phẩm thay đổi tùy theo hình thức và ứng dụng)

Phân loại: Cả thép không gỉ loại 430 và loại 446 đều là thép không gỉ ferritic (ma trận lập phương tâm khối, từ tính). Chúng không phải là thép austenit, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Nguyên tố (wt%)	Loại 430 (phạm vi điển hình)	Loại 446 (phạm vi điển hình)
C	≤ 0,12	≤ 0,20–0,25
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0–18,0	23,0–27,0
Ni	≤ 0,75	≤ 0,6
Mo	thường là 0	0–1.0 (một số điểm bao gồm Mo nhỏ)
V, Nb, Ti	thường có dấu vết hoặc không có	thường có dấu vết hoặc không có
N	rất thấp	rất thấp

Ghi chú: - Các phạm vi trên thể hiện thành phần điển hình của các loại ASTM/UNS thương mại ở điều kiện ủ. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật và nhà cung cấp. - Loại 430 là hợp kim ferritic giá thành thấp có hàm lượng crom vừa phải, có khả năng chống ăn mòn nói chung và khả năng định hình tốt. - Loại 446 làm tăng đáng kể hàm lượng crom (và đôi khi bổ sung thêm một lượng nhỏ molypden) để cải thiện khả năng chống oxy hóa, chống rỗ và nứt ở nhiệt độ cao và khả năng chống đóng cặn trong môi trường thấm cacbon hoặc oxy hóa.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom là nguyên tố chính tạo nên tính thụ động (tính chất không gỉ); tăng Cr lên mức 23–27% sẽ cải thiện quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn cục bộ mạnh hơn. - Cacbon làm tăng độ bền nhưng có thể thúc đẩy quá trình kết tủa cacbua ở ranh giới hạt; trong ferit, điều này có thể ảnh hưởng đến độ dẻo và độ rão ở nhiệt độ cao. - Molypden khi có mặt sẽ tăng khả năng chống rỗ và chống ăn mòn ở nhiệt độ cao. - Ni thấp và N thấp có nghĩa là chúng là hợp kim ferritic: khả năng làm cứng hạn chế thông qua xử lý nhiệt, từ tính và nói chung không thể làm cứng bằng phương pháp lão hóa hoặc kết tủa.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại đều thể hiện cấu trúc vi mô ferritic (hình lập phương tâm khối, BCC) trong điều kiện ủ. - Loại 430: ma trận ferritic có tương đối ít kết tủa; kết tủa cacbua có thể xảy ra ở ranh giới hạt nếu tiếp xúc với chu trình nhạy cảm với đủ cacbon. - Loại 446: ma trận ferritic có hàm lượng Cr cao hơn; có thể chứa crom cacbua hoặc chất kết tủa giàu crom ở nhiệt độ cao, nhưng hàm lượng Cr cao hơn tạo ra lớp màng thụ động bảo vệ tốt hơn và khả năng chống đóng cặn tốt hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Thép không gỉ ferit không thể tôi cứng bằng cách tôi và ram như thép martensitic. Độ cứng và độ bền chủ yếu được kiểm soát bởi quá trình gia công nguội, kích thước hạt và hàm lượng hợp kim. - Ủ: Cả hai đều được ủ trong dung dịch để phục hồi độ dẻo; ủ điển hình đối với ferit là khoảng 800–950 °C sau đó làm nguội có kiểm soát để tránh giòn. - Ổn định: Đối với các phiên bản có hàm lượng carbon cao hơn, có thể chỉ định các phương pháp xử lý ổn định (ví dụ, bổ sung Ti hoặc Nb vào các hợp kim khác) để liên kết carbon và giảm lượng kết tủa crom cacbua; Loại 430 và 446 thường dựa vào hàm lượng carbon thấp hoặc quá trình xử lý được kiểm soát. - Xử lý nhiệt cơ học (cán, làm nguội có kiểm soát) có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ bền và độ dẻo dai; Loại 446 được hưởng lợi từ việc kiểm soát quy trình khi được sử dụng cho các thành phần nhiệt độ cao để quản lý kết tủa và khả năng chống rão.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (ủ, phạm vi điển hình)	Kiểu 430	Loại 446
Độ bền kéo (MPa)	400–600	450–700
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	200–350	250–450
Độ giãn dài (%)	20–30	10–25
Độ bền va đập (Charpy, J)	vừa phải; cải thiện với hàm lượng carbon thấp hơn và hạt mịn	thường thấp hơn ở nhiệt độ phòng so với 430 do hàm lượng Cr cao hơn và độ dẻo thấp hơn; độ dẻo dai ở nhiệt độ cao được giữ lại tốt hơn
Độ cứng (HB)	120–180	140–220

Giải thích: - Loại 446 thường bền hơn và có độ bền ở nhiệt độ cao cũng như khả năng chống biến dạng/oxy hóa cao hơn Loại 430 do hàm lượng crom cao hơn và trong một số biến thể, hàm lượng carbon và Mo tùy chọn cao hơn một chút. - Loại 430 thường dẻo hơn và dễ tạo hình hơn; độ bền va đập ở nhiệt độ thấp có thể tốt hơn ở 430 tùy thuộc vào quá trình chế biến. - Giá trị chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống), cỡ và lịch sử gia công. Cả hai loại thép này đều có độ bền chủ yếu nhờ quá trình tôi luyện và kiểm soát cấu trúc vi mô hơn là gia cường bằng nhiệt luyện.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn đối với thép không gỉ ferritic xoay quanh hàm lượng cacbon, hợp kim ảnh hưởng đến khả năng tôi cứng và khả năng phát triển hạt và giòn.

Các chỉ số liên quan: - Phương trình cacbon tương đương (IIW) hữu ích để đánh giá xu hướng nứt nguội/khả năng tôi cứng trong ferit hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tham số $P_{cm}$ đưa ra thước đo về khả năng hàn và xu hướng cứng lại hoặc nứt: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Loại 430: nhìn chung có khả năng hàn tốt với các quy trình nóng chảy thông thường khi nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát; hàm lượng carbon thấp và Cr vừa phải mang lại giá trị CE và Pcm dễ quản lý. Sự phát triển của hạt có thể làm giảm độ dai ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn (HAZ). - Loại 446: Khả năng hàn khó khăn hơn loại 430 do hàm lượng Cr cao hơn và thường cao hơn cacbon; hiện tượng giòn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và độ dẻo dai giảm là những vấn đề đáng lo ngại. Các quy trình nung nóng trước, kiểm soát nhiệt đầu vào và ủ sau hàn hoặc khử ứng suất có thể được yêu cầu trong các ứng dụng quan trọng. Việc lựa chọn kim loại trám (nhựa austenit so với ferritic) ảnh hưởng đến hiệu suất mối hàn—cần phải xem xét việc phối hợp và pha loãng. - Trong cả hai trường hợp, tránh cung cấp nhiệt quá mức và làm nguội nhanh vì có thể tạo ra các cấu trúc vi mô cứng, giòn trong vùng HAZ. Sử dụng quy trình hàn đạt tiêu chuẩn cho các ứng dụng kết cấu hoặc chịu áp lực.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cả hai loại đều không gỉ (tạo thành lớp màng oxit crom thụ động), nhưng khả năng chống ăn mòn của chúng khác nhau:

• Ăn mòn nói chung: Loại 430 có khả năng chống chịu tốt trong môi trường khí quyển và môi trường ăn mòn nhẹ (trong nhà, độ ẩm nhẹ và điều kiện không phải môi trường biển). Loại này thường được sử dụng ở những nơi có nguy cơ ăn mòn rỗ và khe hở thấp.
• Ăn mòn cục bộ và oxy hóa ở nhiệt độ cao: Loại 446, với hàm lượng crom cao hơn đáng kể, cho thấy khả năng chống gỉ sét, oxy hóa và một số dạng ăn mòn cục bộ vượt trội ở nhiệt độ cao và trong môi trường chứa clorua khắc nghiệt. Khi Mo có mặt trong các biến thể 446, khả năng chống rỗ được cải thiện hơn nữa.

Số tương đương khả năng chống rỗ (nếu có): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN phù hợp nhất để đánh giá khả năng chống rỗ trong các hợp kim có hàm lượng Mo và N đáng kể. Đối với hợp kim 430 tiêu chuẩn có hàm lượng Mo và N thấp, PREN thấp và không phải là chỉ số phân biệt hữu ích; đối với một số biến thể 446 có Mo, PREN sẽ cao hơn, phản ánh khả năng chống rỗ tốt hơn.

Bảo vệ bề mặt cho các sản phẩm không gỉ: - Cả hai đều là thép không gỉ—việc bảo vệ bề mặt đặc biệt (mạ kẽm) là không cần thiết và ít khi được sử dụng. Hoàn thiện bề mặt (thụ động hóa, tẩy gỉ, đánh bóng cơ học) giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn và vẻ ngoài. Nếu dự đoán có sự ăn mòn clorua, hãy cân nhắc sử dụng hàm lượng hợp kim hoặc lớp phủ cao hơn.

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

• Khả năng gia công: Thép không gỉ ferit thường dễ gia công hơn thép austenit. Loại 430 gia công khá tốt với dụng cụ thông thường; quá trình tôi cứng có thể xảy ra nếu lượng ăn dao thấp. Loại 446, cứng hơn và có hàm lượng Cr cao hơn, khó gia công hơn với dụng cụ cắt và có thể yêu cầu dụng cụ chắc chắn hơn và tốc độ chậm hơn.
• Khả năng tạo hình: Thép 430 có đặc tính tạo hình nguội tốt hơn (kéo sâu, uốn cong) nhờ độ dẻo cao hơn. Thép 446 kém dẻo hơn và khó tạo hình hơn mà không bị nứt, đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn.
• Hoàn thiện: Cả hai đều có khả năng đánh bóng và hoàn thiện bề mặt tốt; 446 có thể có khả năng chống đổi màu cao hơn một chút trong quá trình xử lý nhiệt.

8. Ứng dụng điển hình

Loại 430 — Công dụng điển hình	Loại 446 — Công dụng điển hình
Thiết bị gia dụng (viền lò nướng, bảng điều khiển)	Các bộ phận lò nung nhiệt độ cao, lớp lót đầu đốt
Viền trang trí, tấm ốp kiến ​​trúc nội thất	Bộ trao đổi nhiệt trong môi trường ăn mòn ở nhiệt độ cao
Trang trí ô tô và các thành phần trang trí (không phải kết cấu)	Thiết bị quy trình công nghiệp tiếp xúc với môi trường oxy hóa
Vòng đệm, ốc vít, viền trang trí ở những nơi cần khả năng chống ăn mòn vừa phải	Hệ thống khí thải, ống lót nồi hơi, ống khói
Thiết bị phục vụ thực phẩm (trong môi trường ôn hòa)	Các thành phần ống khói và khí thải nhiệt độ cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Loại 430 khi chi phí, tính khả dụng và khả năng tạo hình là ưu tiên trong môi trường ăn mòn từ nhẹ đến trung bình. - Chọn Loại 446 khi khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, khả năng chống đóng cặn hoặc kéo dài tuổi thọ trong điều kiện khắc nghiệt hơn là điều cần thiết mặc dù chi phí vật liệu cao hơn và những thách thức tiềm ẩn trong quá trình chế tạo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Loại 430 thường là một trong những loại thép không gỉ có giá thành thấp hơn do hàm lượng crom vừa phải và tính khả dụng cao. Loại 446 có giá cao hơn do hàm lượng crom cao hơn nhiều và nếu có, sẽ có thêm hợp kim (Mo).
• Tính khả dụng: Loại 430 được lưu kho rộng rãi dưới dạng tấm, tấm mỏng, dải và các dạng chế tạo thông thường. Loại 446 ít được lưu kho hơn và thường được cung cấp thông qua các nhà cung cấp chuyên biệt dưới dạng sản phẩm cụ thể (tấm mỏng, tấm mỏng, ống) và có thể mất nhiều thời gian hơn cho khối lượng lớn hoặc hình dạng bất thường.
• Mẹo mua sắm: Đánh giá chi phí vòng đời—chi phí ban đầu cao hơn của 446 có thể được biện minh khi thời gian chết, thay thế hoặc bảo hành trong môi trường nhiệt độ cao/oxy hóa sẽ tốn kém.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Chỉ số hiệu suất	Kiểu 430	Loại 446
Khả năng hàn	Tốt (với các điều khiển tiêu chuẩn)	Thách thức hơn; cần có quy trình kiểm soát
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo tốt	Độ bền nhiệt độ cao cao hơn, độ dẻo ở nhiệt độ phòng thấp hơn
Ăn mòn (nhiệt độ cao/rỗ)	Phù hợp với môi trường nhẹ nhàng	Tuyệt vời cho môi trường nhiệt độ cao và khắc nghiệt
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn loại 430 nếu bạn cần loại thép không gỉ ferritic tiết kiệm, dễ tạo hình cho công trình kiến ​​trúc nội thất, trang trí thiết bị hoặc môi trường có độ ăn mòn vừa phải, trong đó quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và rỗ mạnh không phải là mối quan tâm chính. - Chọn Loại 446 nếu ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao, môi trường oxy hóa, các thành phần lò nung, khí thải hoặc môi trường xả thải, hoặc những tình huống mà khả năng chống đóng cặn vượt trội và khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao lâu dài đòi hỏi chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại đều là thép không gỉ ferritic và tốt nhất nên được chỉ định kèm theo hình dạng sản phẩm chi tiết, nhiệt độ làm việc dự kiến, yêu cầu hàn và độ hoàn thiện bề mặt. Đối với ứng dụng quan trọng hoặc nhiệt độ cao, hãy tham khảo dữ liệu vật liệu từ nhà cung cấp và thực hiện đánh giá ăn mòn và cơ học cụ thể cho từng ứng dụng.