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

Giới thiệu

440A và 440C là hai loại thép không gỉ martensitic có mối quan hệ gần gũi, được sử dụng rộng rãi trong các trường hợp cần sự kết hợp giữa độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng giữ cạnh hoặc tuổi thọ, và độ phức tạp trong chế tạo khi lựa chọn giữa chúng — ví dụ, lựa chọn giữa vật liệu chi phí thấp hơn, dễ gia công hơn và loại có hàm lượng carbon cao hơn với độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội.

Sự khác biệt chính về hiệu suất giữa các loại thép này bắt nguồn từ hàm lượng carbon khác nhau và cách carbon tương tác với crom và các nguyên tố hợp kim khác để kiểm soát khả năng tôi martensitic, hình thành carbide và các đặc tính cơ học cuối cùng. Do đó, thép 440C thường đạt độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn, nhưng độ dẻo dai lại giảm và quá trình hàn/gia công khó khăn hơn so với thép 440A.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các cấp độ này được quy định và tham chiếu chéo trong một số tiêu chuẩn quốc gia và tiêu chuẩn ngành. Các hệ thống chỉ định phổ biến mà bạn sẽ tìm thấy các cấp độ này bao gồm:

• AISI / ASTM / ASME: Thường được tham chiếu theo danh pháp AISI/UNS (thép không gỉ martensitic).
• EN (Tiêu chuẩn Châu Âu) / ISO tương đương: Có trong danh sách EN theo tên gọi thép không gỉ martensitic chứa crom.
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản): Được xác định là SUS440A và SUS440C.
• GB (tiêu chuẩn Trung Quốc) và các tiêu chuẩn quốc gia khác: Các thành phần tương tự xuất hiện dưới tên cấp địa phương.

Phân loại vật liệu: cả 440A và 440C đều là thép không gỉ martensitic (thường được sử dụng làm thép ổ trục/dụng cụ/dao). Chúng không phải là thép HSLA; chúng là thép không gỉ/dụng cụ có thể xử lý nhiệt, được thiết kế để có độ cứng và khả năng chống mài mòn hơn là độ dẻo dai hoặc khả năng định hình đặc biệt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình của hai loại thép theo phần trăm trọng lượng. Các phạm vi này đại diện cho các tiêu chuẩn chung (JIS/EN/AISI) và chỉ dùng cho mục đích so sánh.

Yếu tố	440A (phạm vi điển hình, wt%)	440C (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,60 – 0,75	0,95 – 1,20
Mn	≤ 1,00	≤ 1,00
Si	≤ 1,00	≤ 1,00
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0 – 18,0	16,0 – 18,0
Ni	≤ 0,75	≤ 0,75
Mo	≤ 0,75 (thường thấp)	≤ 0,75 (thường thấp)
V, Nb, Ti	Thông thường là không	Thông thường là không
B, N	Dấu vết / không xác định	Dấu vết / không xác định

Chiến lược hợp kim và hậu quả về luyện kim: - Crom ở mức ~16–18% mang lại đặc tính không gỉ thông qua lớp oxit thụ động đồng thời thúc đẩy sự hình thành cacbua (Cr-cacbua) ảnh hưởng đến hành vi mài mòn. - Carbon là yếu tố khác biệt chính: hàm lượng carbon cao hơn ở 440C tạo ra nhiều cacbua cứng hơn và tăng độ cứng martensitic sau khi tôi, cải thiện khả năng chống mài mòn và giữ lưỡi. - Mangan và silic là chất khử oxy và là nguyên tố hợp kim nhỏ; nếu có molypden thì khả năng làm cứng và chống ăn mòn sẽ được cải thiện đôi chút. - Hàm lượng thấp Ni, V và các nguyên tố hợp kim vi mô khác thường không có hoặc rất ít; thiết kế dựa vào tương tác Cr–C để có các đặc tính.

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

So sánh cấu trúc vi mô: - Cả hai loại thép đều tạo thành ma trận martensitic sau khi tôi cứng, với crom cacbua phân bố khắp ma trận. Kích thước cacbua, tỷ lệ thể tích và sự phân bố phụ thuộc mạnh vào cacbon. - 440A (carbon thấp hơn): tạo ra ít cacbua hơn với phần thể tích cacbua nhỏ hơn; martensite có xu hướng ít bão hòa với cacbon hơn, tạo ra độ cứng thấp hơn và độ dẻo dai tương đối tốt hơn. - 440C (cacbon cao hơn): tạo ra phần thể tích crom cacbua cao hơn và hàm lượng cacbon cao hơn trong martensite; kết quả là độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn được cải thiện nhưng độ dẻo dai và độ dẻo thấp hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt điển hình: - Ủ: Cả hai loại đều được ủ để giảm ứng suất và làm mềm trước khi gia công. Cấu trúc vi mô được ủ thường là ferit/pearlit cộng với cacbua không hòa tan; độ cứng đủ thấp để gia công. - Làm nguội: làm nguội bằng dầu hoặc bằng không khí/dầu tùy thuộc vào kích thước tiết diện và tính chất mong muốn. Nhiệt độ austenit hóa được lựa chọn để hòa tan các cacbua thích hợp mà không làm tăng trưởng hạt quá mức. - Tôi luyện: Tôi luyện giúp giảm độ giòn và điều chỉnh độ cứng. Do hàm lượng carbon cao hơn, thép 440C đạt được độ cứng tôi luyện cao hơn ở cùng một nhiệt độ tôi luyện nhất định, nhưng dễ bị giòn hơn và cần lựa chọn chế độ tôi luyện cẩn thận. - Xử lý nhiệt cơ: rèn có kiểm soát và xử lý dung dịch có thể tinh chỉnh sự phân bố cacbua, cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn; cả hai loại đều đáp ứng các lộ trình như vậy nhưng 440C đòi hỏi quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh cacbua thô.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. Bảng sau đây tóm tắt hành vi so sánh thay vì các con số tuyệt đối đơn lẻ — bảng này được xây dựng để hỗ trợ các quyết định lựa chọn trong sản xuất và mua sắm.

Tài sản	440A (hành vi điển hình)	440C (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình đến cao (phụ thuộc vào độ cứng)	Cao hơn (khi đã cứng hoàn toàn)
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn (dẻo hơn)	Thấp hơn (giảm độ dẻo)
Độ bền va đập	Tốt hơn (khả năng chống gãy giòn tốt hơn)	Thấp hơn (giòn hơn khi cứng lại)
Độ cứng (HRC, phạm vi độ cứng điển hình)	~48 – 56 HRC	~56 – 62 HRC

Giải thích: - 440C đạt độ cứng và độ bền kéo cực đại cao hơn vì hàm lượng carbon cao hơn cho phép tạo ra martensite cứng hơn và nhiều crom carbide hơn. Điều này cũng làm giảm độ dẻo và độ bền va đập so với 440A. - Nếu ưu tiên độ bền và khả năng chống gãy vỡ nghiêm trọng, thép 440A thường sẽ hoạt động tốt hơn sau khi xử lý nhiệt tương đương. Nếu khả năng chống mài mòn và giữ cạnh là yếu tố quan trọng, thép 440C thường được ưu tiên hơn.

5. Khả năng hàn

Việc hàn thép không gỉ martensitic đòi hỏi sự cẩn thận vì chúng có xu hướng tạo thành martensitic cứng, giòn và nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm hàm lượng cacbon, khả năng tôi cứng (Cr và các hợp kim khác) và hợp kim vi mô.

Chỉ số thành phần hữu ích (giải thích theo định tính): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Chỉ số $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy nguy cơ nứt và cứng vùng HAZ cao hơn; 440C thường cho giá trị cao hơn 440A do hàm lượng carbon cao hơn.

• Pcm (tham số khả năng hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ cao hơn tương quan với khả năng hàn kém hơn và nhu cầu xử lý nhiệt trước/sau hàn cao hơn.

Giải thích định tính: - 440A (ít carbon hơn) dễ hàn hơn 440C nhưng vẫn cần phải làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và ram sau khi hàn hoặc giảm ứng suất để tránh nứt vùng HAZ. - 440C (cacbon cao) khó hàn hơn. Trong nhiều trường hợp, việc hàn được tránh; có thể ưu tiên phương pháp cố định cơ học hoặc hàn đồng thau. Nếu cần hàn, bắt buộc phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình gia nhiệt trước, thông số hàn và xử lý nhiệt sau hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 440A và 440C đều không gỉ nhờ hàm lượng crom, nhưng khả năng chống ăn mòn của chúng chỉ ở mức trung bình so với thép không gỉ austenit (dòng 300). Crom cacbua có thể hình thành và làm suy giảm crom cục bộ (nhạy cảm hóa) nếu giữ ở nhiệt độ tới hạn, làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ.
• Đối với môi trường khắc nghiệt, cần cân nhắc biện pháp bảo vệ bề mặt (thụ động hóa, phủ lớp) hoặc hợp kim thay thế.

Công thức PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) cho thép không gỉ khi Mo và N là quan trọng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Ứng dụng: PREN có ý nghĩa nhất đối với các loại thép duplex và austenit có hàm lượng Mo và N đáng kể. Đối với thép 440A/440C, có hàm lượng Mo và N thấp, PREN thấp và không phải là chất phân biệt hữu ích. - Lưu ý thực tế: Khi khả năng chống ăn mòn là yếu tố quan trọng (ví dụ, trong môi trường biển, có tính axit), hãy chọn loại thép không gỉ có hàm lượng Mo/N cao hơn (hoặc hợp kim austenit/duplex) thay vì dựa vào martensitic.

Bảo vệ bề mặt cho mục đích sử dụng không phải thép không gỉ (nếu vật liệu không đủ): mạ kẽm, mạ điện, lớp phủ chuyển đổi và sơn là những lựa chọn cho thép cacbon/hợp kim, nhưng đối với 440A/440C, phương pháp thông thường là thụ động hóa (thụ động hóa bằng axit) và hoàn thiện bề mặt có kiểm soát để giảm thiểu sự hình thành khe hở/rỗ.

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

• Khả năng gia công: 440A (độ cứng thấp hơn) thường dễ gia công hơn trong điều kiện ủ so với 440C. Hàm lượng cacbon và cacbua cao hơn của 440C làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và giảm tốc độ cắt trừ khi vật liệu được ủ và sử dụng dụng cụ/lớp phủ đặc biệt.
• Mài và hoàn thiện: 440C đáp ứng tốt với mài và đánh bóng chính xác — do đó được ưa chuộng trong sản xuất lưỡi dao và các bộ phận ổ trục. Độ mài mòn cao hơn và chậm hơn 440A ở cùng tốc độ cấp liệu.
• Khả năng tạo hình và uốn cong: Cả hai loại thép này đều có khả năng tạo hình nguội hạn chế so với thép không gỉ austenit. Thép 440A dễ tạo hình hơn do có độ cứng thấp hơn; thép 440C thường chỉ được tạo hình khi ủ mềm rồi xử lý nhiệt.
• Xử lý nhiệt sau khi tạo hình là phương pháp thông thường; gia công cuối cùng thường được thực hiện sau khi xử lý nhiệt và ram hoặc thông qua các hoạt động mài.

8. Ứng dụng điển hình

440A — Công dụng điển hình	440C — Công dụng điển hình
Dao kéo giá rẻ hơn, lưỡi dao rẻ tiền, dụng cụ phẫu thuật có độ giữ cạnh thấp hơn được chấp nhận	Lưỡi dao cao cấp, dao kéo chính xác, lưỡi dao cạo có độ bền lưỡi dài hơn
Vòng bi nhỏ, các thành phần van có tải trọng/mài mòn vừa phải và khả năng chống ăn mòn là đủ	Vòng bi, vòng đệm chặn, ghế van yêu cầu khả năng chống mài mòn cao hơn
Lò xo và trục có độ cứng và độ dẻo dai vừa phải được cân bằng	Vòng đệm, phớt và các bộ phận thủy lực chịu mài mòn trượt cao
Các bộ phận đa năng, nơi mà tính kinh tế gia công là quan trọng	Các ứng dụng đòi hỏi độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và bề mặt hoàn thiện tốt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 440A cho các ứng dụng ưu tiên chi phí, chế tạo dễ dàng hơn và độ bền cao hơn khi nhu cầu mài mòn ở mức vừa phải. - Chọn 440C khi khả năng giữ cạnh, khả năng chống mài mòn và độ cứng tối đa là yếu tố quyết định và có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn (xử lý nhiệt, mài hoàn thiện).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 440A thường có giá thấp hơn 440C do hàm lượng carbon thấp hơn và dễ gia công hơn. Tuy nhiên, giá thị trường phụ thuộc nhiều vào hàm lượng crom và hình dạng (thanh, dải) hơn là chỉ riêng carbon; cả hai đều là loại thép không gỉ thông dụng và được bán rộng rãi.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại đều có sẵn ở dạng thanh, dải, tấm/tấm (độ dày hạn chế), dây và lò xo. 440C đặc biệt phổ biến ở dạng thanh tôi và mài cho ổ trục, phôi dao và các thành phần chính xác.
• Thời gian hoàn thành: các hình thức thương mại tiêu chuẩn thường có thời gian hoàn thành ngắn; các hình thức đặc biệt (ví dụ, rèn lớn, chu trình xử lý nhiệt tùy chỉnh) có thể mất nhiều thời gian hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt — đánh giá tương đối:

Thuộc tính	440A	440 độ C
Khả năng hàn	Tốt hơn (nhưng vẫn cần phải cẩn thận)	Kém hơn (nguy cơ nứt cao)
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai tốt hơn	Độ bền/độ cứng cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn
Trị giá	Thấp hơn / tiết kiệm hơn	Cao hơn (chi phí xử lý và gia công)

Chọn 440A nếu: - Bạn cần loại thép không gỉ martensitic có khả năng chống ăn mòn hợp lý, độ cứng vừa phải, độ dẻo dai tốt hơn và chi phí chế tạo thấp hơn. - Khả năng gia công, dễ hàn (có biện pháp phòng ngừa) hoặc khả năng chống móp/phục hồi khi va đập quan trọng hơn tuổi thọ sử dụng tối đa hoặc khả năng giữ cạnh. - Ứng dụng này có chi phí thấp và môi trường sử dụng ở mức trung bình.

Chọn 440C nếu: - Độ cứng tối đa, khả năng chống mài mòn và giữ cạnh là những thuộc tính ưu tiên (ví dụ: dao chính xác, vòng bi, mặt phớt). - Bạn có thể điều chỉnh kiểm soát xử lý nhiệt chặt chẽ hơn, ram sau hàn/sau quá trình và có khả năng tăng chi phí gia công hoặc mài. - Thiết kế đòi hỏi các thành phần cứng hơn khi tuổi thọ hao mòn lớn hơn nhu cầu về độ bền cao hoặc dễ hàn.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều có thể hoạt động xuất sắc khi được chỉ định và xử lý chính xác. Các yếu tố quyết định chính là môi trường sử dụng (mài mòn so với va đập), các hạn chế chế tạo (hàn, gia công) và chi phí vòng đời. Đối với các linh kiện quan trọng, cần thử nghiệm và tham khảo ý kiến ​​các nhà luyện kim để xác định chu trình nhiệt luyện cụ thể và hoàn thiện bề mặt phù hợp với ứng dụng dự kiến.