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

Giới thiệu

AISI/SAE 431 và 440C là hai loại thép không gỉ martensitic được sử dụng rộng rãi, thường cạnh tranh nhau trong các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, khả năng chống mài mòn và hiệu suất chống ăn mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn giữa độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn so với sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn với chi phí hợp lý. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm ổ trục, linh kiện van, chốt, trục và các ứng dụng dao hoặc dụng cụ, trong đó lộ trình xử lý nhiệt, độ hoàn thiện bề mặt và môi trường chi phối sự lựa chọn tối ưu.

Sự khác biệt chính giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa của chúng: một loại được thiết kế để mang lại độ cứng và khả năng chống mài mòn rất cao nhờ hàm lượng carbon và crom cao (440C), trong khi loại còn lại hy sinh một số độ cứng tối đa tiềm năng để đạt được độ dẻo dai tốt hơn và khả năng chống ăn mòn cao hơn nhờ hợp kim hóa bổ sung (431). Sự đánh đổi này tạo nên sự khác biệt về phản ứng xử lý nhiệt, khả năng gia công, khả năng hàn và các ứng dụng thông thường.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và chỉ định quốc tế chung:
• AISI/SAE: 431, 440C
• ASTM/ASME: Nhiều thông số kỹ thuật ASTM khác nhau tham chiếu đến các hợp kim này ở dạng thanh, dây hoặc sản phẩm kéo (tham khảo các tiêu chuẩn sản phẩm ASTM cụ thể)
• EN: Các loại thép không gỉ martensitic EN đôi khi được ánh xạ gần nhất (kiểm tra bảng dữ liệu của nhà sản xuất)

• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có cấp thép không gỉ martensitic tương tự nhau; tham khảo bảng chuyển đổi khi cần số lượng tương đương chính xác.

• Phân loại:

• 431: Thép không gỉ Martensitic (hợp kim không gỉ có hàm lượng crom trung bình đến cao, có bổ sung niken và Mo nhỏ) — được sử dụng khi cần độ bền và khả năng chống ăn mòn cao hơn thép cacbon thông thường.
• 440C: Thép không gỉ martensitic hàm lượng carbon cao / thép không gỉ cấp dụng cụ — được tối ưu hóa về độ cứng và khả năng chống mài mòn; được coi là thép không gỉ dùng làm dụng cụ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần ngắn gọn thể hiện các phạm vi danh nghĩa điển hình thường gặp trong dữ liệu nhà cung cấp và thông số kỹ thuật chung. Đây chỉ là các phạm vi gần đúng — hãy luôn đối chiếu với chứng chỉ nhà máy hoặc tiêu chuẩn cụ thể được tham chiếu cho dạng sản phẩm dự định.

Yếu tố	Điển hình 431 (xấp xỉ wt%)	Điển hình 440C (xấp xỉ wt%)
C	0,15–0,25 (thấp–trung bình)	0,95–1,20 (cao)
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,03–0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	15,0–17,0	16,0–18,0
Ni	1,25–2,5	≤ 1.0 (thường thấp)
Mo	0,2–0,6	≤ 0,75 (thường thấp/không có)
V	dấu vết	dấu vết
Nb/Ti/B	dấu vết / không đáng kể	dấu vết / không đáng kể
N	dấu vết	dấu vết

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon: Sự khác biệt rõ ràng — hàm lượng carbon cao trong thép 440C tạo ra tỷ lệ thể tích martensite cao hơn với các hợp kim carbide, cho phép độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn nhiều sau khi tôi/ram. Hàm lượng carbon thấp hơn trong thép 431 giúp giảm độ cứng tối đa để duy trì độ dẻo dai. - Crom: Cả hai loại đều là thép không gỉ martensitic với hàm lượng crom tương đương về độ thụ động; khi kết hợp với cacbon, Cr ảnh hưởng đến quá trình hình thành cacbua và khả năng làm cứng. - Niken và molypden: Có trong thép 431 để tăng khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai; thép 440C thường loại bỏ đáng kể Ni và Mo để ưu tiên Cr tạo thành cacbua và cacbon cao để chống mài mòn. - Vật liệu tạo cacbua (Cr, V): Tạo ra cacbua cứng ở nhiệt độ 440C, cải thiện khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo dai.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• 431: Ma trận martensitic với tương đối ít cacbua lớn. Khi được austenit hóa, tôi và ram đúng cách, 431 tạo ra martensitic ram với độ dẻo dai tốt và hàm lượng cacbua mịn vừa phải. Nó phản ứng tốt với quá trình ram để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.

• 440C: Ma trận martensitic chứa nhiều cacbua giàu crom (M23C6 và các loại tương tự) do hàm lượng cacbon và crom cao. Sau khi tôi cứng, cấu trúc vi mô chứa một lượng lớn cacbua cứng được nhúng trong martensite, tạo ra độ cứng và khả năng chống mài mòn cao nhưng độ bền va đập thấp hơn.

• Độ nhạy xử lý nhiệt:

• Nhiệt độ và thời gian austenit hóa kiểm soát quá trình hòa tan cacbua. 440°C đòi hỏi phải kiểm soát austenit hóa cẩn thận để tránh sự phát triển hạt quá mức hoặc austenit bị giữ lại. Quá trình tôi tiếp theo để tạo thành martensite cứng, sau đó ram ở nhiệt độ thấp đến trung bình sẽ đạt được độ cứng mong muốn; tuy nhiên, ram quá mức sẽ làm giảm độ cứng đáng kể.
• Thép 431 có thể chịu được cửa sổ tôi luyện rộng hơn, cho phép tôi luyện ở nhiệt độ cao hơn để tăng độ bền và độ dẻo dai khi cần thiết.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát, làm nguội có kiểm soát) có thể tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại, nhưng hàm lượng cacbon cao của 440C hạn chế mức độ cải thiện độ dẻo có thể đạt được.

4. Tính chất cơ học

Tính chất phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. Hành vi so sánh điển hình (phạm vi định tính và định lượng):

Tài sản	431 (điển hình sau HT)	440C (điển hình sau HT)
Độ bền kéo	Cao (trung bình – rất cao, tùy thuộc vào tính khí)	Rất cao (cao hơn 431 ở độ cứng tương tự)
Cường độ chịu kéo	Trung bình đến cao	Cao
Độ giãn dài / Độ dẻo	Cao hơn (độ giãn dài tốt hơn)	Thấp hơn (giòn ở độ cứng cao)
Độ bền va đập	Tốt hơn (độ dẻo dai cao hơn)	Thấp hơn (độ dẻo dai giảm ở độ cứng cao)
Độ cứng (HRC)	~38–52 (tùy theo tính khí)	~56–64 (độ cứng tối đa có thể đạt được)

Giải thích: - 440C đạt độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội nhờ hàm lượng cacbon và cacbua cao. Điều này cũng mang lại độ bền kéo cao hơn ở trạng thái tôi cứng nhưng lại làm giảm độ dẻo và độ bền va đập. - Thép 431 có độ bền và độ dẻo dai tốt hơn, khả năng chống nứt tốt hơn trong điều kiện hoạt động năng động hoặc chịu tải mỏi khi so sánh với thép 440C được tôi cứng hoàn toàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi lượng cacbon tương đương, khả năng làm cứng và hợp kim vi mô.

Chỉ số hữu ích: - Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm phổ biến để tính rủi ro 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: - 440C: Hàm lượng cacbon cao dẫn đến giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao — nguy cơ hình thành martensite, nứt và nứt nguội do hydro hỗ trợ cao trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt. Thông thường, cần phải nung nóng trước, xử lý nhiệt sau hàn và các quy trình hydro thấp; hàn thường không được khuyến khích đối với các chi tiết yêu cầu độ cứng hoàn toàn trừ khi đã áp dụng xử lý nhiệt sau hàn đáng kể. - 431: Hàm lượng cacbon thấp hơn và sự hiện diện của Ni/Mo giúp làm cứng và giảm khả năng nứt so với 440C. Tuy nhiên, thép không gỉ austenit hàm lượng cacbon thấp vẫn chưa dễ hàn; nên gia nhiệt trước và làm nguội có kiểm soát, và có thể cần ram sau khi hàn tùy thuộc vào ứng dụng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ:
• Cả hai loại thép này đều là thép không gỉ martensitic và có thể tạo màng thụ động nhờ crom. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào cấu trúc vi mô, kết tủa cacbua và việc bổ sung hợp kim.
• Ni của 431 và Mo vừa phải giúp thép này có khả năng chống ăn mòn tốt hơn một chút trong nhiều môi trường so với thép 440C, đặc biệt là khi crom của thép 440C bị liên kết trong cacbua.
• Sử dụng PREN:
• PREN thường được sử dụng cho các loại thép không gỉ austenit/ferritic; nó ít có ý nghĩa hơn đối với các hợp kim martensitic có hàm lượng nitơ thấp. Tuy nhiên, công thức là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với các loại này, nitơ thường thấp và phép tính PREN sẽ không nắm bắt được các hiện tượng đặc trưng của martensitic (ví dụ, kết tủa cacbua).
• Bảo vệ bề mặt cho môi trường không lý tưởng:
• 440C thường yêu cầu bảo vệ bề mặt hoặc thụ động hóa bổ sung, đặc biệt nếu sử dụng trong môi trường ẩm ướt hoặc có chứa clorua; cần cân nhắc mạ, thụ động hóa, phủ hoặc cho phép ăn mòn theo thiết kế.
• Khi cần khả năng chống ăn mòn cao hơn, hãy cân nhắc sử dụng thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ duplex thay vì thép martensitic.

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

• Khả năng gia công:
• 440C: Khó gia công hơn trong điều kiện ủ (do hàm lượng cacbua cao) và trở nên khó gia công hơn sau khi tôi cứng. Mài thường được sử dụng để hoàn thiện; độ mòn dụng cụ lớn hơn. Việc sử dụng dụng cụ cacbua và tốc độ cắt phù hợp là tiêu chuẩn.
• 431: Khả năng gia công tốt hơn 440C, đặc biệt là trong điều kiện ủ hoặc ram mềm. Tuổi thọ dụng cụ và thông số cắt cũng dễ điều chỉnh hơn.
• Khả năng định hình:
• Thép 440C có khả năng định hình nguội hạn chế; việc định hình thường được thực hiện trong điều kiện ủ hoặc bằng cách gia công.
• Thép 431 dễ định hình hơn khi ủ; có thể định hình rồi xử lý nhiệt.
• Hoàn thiện:
• Cả hai đều có thể đánh bóng; 440C có thể đạt được độ bóng cao cho bề mặt ổ trục/dao do cacbua cứng giúp chống mài mòn, nhưng đánh bóng tốn nhiều thời gian hơn.

8. Ứng dụng điển hình

431 — Công dụng điển hình	440C — Công dụng điển hình
Trục, ốc vít, thân van, các bộ phận bơm cần khả năng chống ăn mòn vừa phải và độ bền tốt	Vòng bi, ổ bi, vòng mài mòn, lưỡi cắt, dao mài mòn cao, vòng bi nhỏ
Phần cứng ô tô và hàng không vũ trụ cân bằng giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn	Dụng cụ chịu mài mòn cao, lưỡi dao phẫu thuật (khi cần khử trùng và độ cứng cao), vòng bi chính xác
Các thành phần hàng hải có chiến lược bảo vệ chống ăn mòn vừa phải	Dao, lưỡi dao cạo, dụng cụ phẫu thuật cần độ giữ cạnh cao

Cơ sở lựa chọn: - Khi có tải trọng tuần hoàn, va đập hoặc tiếp xúc với sự ăn mòn vừa phải, 431 thường được chọn vì độ bền và khả năng chống ăn mòn. - Khi khả năng chống mài mòn, giữ cạnh và độ cứng cao là những yêu cầu thiết kế quan trọng, 440C là lựa chọn được ưu tiên mặc dù quá trình xử lý khó khăn hơn và độ dẻo dai thấp hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Thép 440C có xu hướng đắt hơn ở dạng hoàn thiện đã tôi/mài do hàm lượng hợp kim cao hơn, yêu cầu xử lý nhiệt và mài chặt chẽ hơn, cũng như độ mài mòn dụng cụ tăng lên khi gia công.
• 431 thường có chi phí sản xuất và gia công thấp hơn, đặc biệt là khi quy trình sản xuất không cần phải làm cứng hoàn toàn và chỉ cần ram ở mức vừa phải.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, tấm và dây từ các nhà cung cấp thép không gỉ và thép dụng cụ chuyên dụng. 440C trong các phôi dao và ổ trục đường kính nhỏ rất phổ biến; 431 phổ biến trong các thành phần thanh và rèn.
• Những cân nhắc về hình thức:
• Các bộ phận hoàn thiện, cứng ở nhiệt độ 440C có thể được mài và đánh bóng — những hình thức có giá trị gia tăng này làm tăng chi phí và thời gian hoàn thiện.
• Các chi tiết rèn lớn hoặc thành phần có thành dày trong 440C ít phổ biến hơn do khó đạt được các đặc tính đồng nhất; 431 thích ứng tốt hơn với mặt cắt ngang lớn hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Đặc điểm	431	440 độ C
Khả năng hàn	Tốt hơn (trung bình)	Kém hơn (nguy cơ nứt cao)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt (khó hơn)	Độ bền và độ cứng cao nhưng độ dẻo dai thấp hơn
Trị giá	Vừa phải	Cao hơn (chi phí chế biến/gia công)
Khả năng chống ăn mòn	Tốt hơn trong lớp martensitic	Khả năng thụ động tốt nhưng bị giảm bởi cacbua
Khả năng chống mài mòn / độ cứng	Vừa phải	Tuyệt vời (độ cứng đỉnh cao)

Kết luận — lựa chọn dựa trên các ưu tiên về chức năng: - Chọn 431 nếu bạn cần một hợp kim cân bằng có độ dẻo dai tốt hơn, khả năng chống ăn mòn được cải thiện trong nhiều môi trường làm việc và dễ chế tạo/hàn hơn — dành cho trục quay, bộ phận van, chốt và các bộ phận chịu va đập hoặc mỏi. - Chọn 440C nếu độ cứng tối đa, khả năng chống mài mòn và khả năng giữ cạnh là những yếu tố chính và bạn có thể quản lý quá trình mạ, hoàn thiện và xử lý nhiệt cũng như các ràng buộc hàn nghiêm ngặt hơn — đối với ổ trục, lưỡi cắt, bộ phận chịu mài mòn và dụng cụ chính xác.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai hợp kim đều cần được xử lý nhiệt, xử lý hậu kỳ và chuẩn bị bề mặt cẩn thận để đạt được sự kết hợp mong muốn giữa các đặc tính cơ học và khả năng chống ăn mòn. Luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy, bảng dữ liệu của nhà cung cấp và thực hiện các thử nghiệm cụ thể cho từng ứng dụng (độ mỏi, độ mài mòn, độ ăn mòn) trước khi lựa chọn cuối cùng.