441 so với 444 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép không gỉ ferritic 441 và 444 khi chỉ định vật liệu cho các linh kiện chống ăn mòn, đặc biệt khi chi phí, khả năng định hình và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao là những yếu tố quan trọng. Những cân nhắc lựa chọn điển hình bao gồm khả năng chống ăn mòn so với giá cả, khả năng hàn so với hàm lượng hợp kim, và độ bền/độ dẻo dai so với khả năng định hình.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là cả hai đều là thép không gỉ ferritic được tối ưu hóa cho khả năng chống ăn mòn và khả năng định hình, nhưng 444 được hợp kim hóa để đạt được khả năng chống ăn mòn tổng thể và rỗ cao hơn (đặc biệt là thông qua molypden và các nguyên tố ổn định), trong khi 441 nhấn mạnh sự cân bằng giữa hàm lượng crom cao với khả năng ổn định titan để cải thiện hiệu suất nhiệt độ cao và khả năng định hình tốt. Sự khác biệt này thúc đẩy sự so sánh phổ biến của chúng trong các ứng dụng ô tô, hóa chất và bộ trao đổi nhiệt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và tên gọi chung cho hai cấp độ này bao gồm:

• 441
• UNS: S44100
• Tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật chung: ASTM A240 (tấm/lá thép không gỉ có thể tham chiếu đến các cấp ferritic tương tự trong thực tế), bảng dữ liệu của nhà sản xuất cụ thể, các tiêu chuẩn tương đương của JIS và EN khác nhau.

• Phân loại: Thép không gỉ Ferritic (ổn định bằng titan).

• 444

• UNS: S44400
• Tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật chung: Tiêu chuẩn sản phẩm ASTM và EN tham chiếu các loại ferritic có tính chất hóa học tương tự; thông số kỹ thuật thương mại cụ thể và danh mục nhà cung cấp cung cấp dữ liệu sản phẩm công nghiệp.
• Phân loại: Thép không gỉ Ferritic (ổn định, thường có niobi/columbi và chứa molypden để tăng khả năng chống ăn mòn).

Lưu ý: Các tiêu chuẩn tham chiếu chính xác và giới hạn thành phần cho phép thay đổi tùy theo dạng sản phẩm (cuộn, tấm, dải, ống) và nhà cung cấp; luôn xác nhận thông số kỹ thuật theo hợp đồng (ASTM/EN/JIS/GB hoặc tiêu chuẩn của nhà cung cấp).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần chỉ dẫn thể hiện các nguyên tố chính cần quan tâm. Đây là các dải danh nghĩa điển hình từ các bảng dữ liệu thương mại và cần được kiểm tra theo tiêu chuẩn cụ thể hoặc giấy chứng nhận nhà máy để mua sắm.

Nguyên tố (wt%)	441 — điển hình (mang tính chỉ dẫn)	444 — điển hình (mang tính chỉ dẫn)
C	≤ 0,03	≤ 0,03
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	~17,0–18,5	~17,5–19,5
Ni	≤ 0,5	≤ 0,5
Mo	~0	~1.0–2.0
V	thường theo dõi	thường theo dõi
Nb (Cb)	thường thấp/vết tích	~0,15–0,6
Ti	~0,15–0,45 (chất ổn định)	thấp/vết tích đến nhỏ (một số biến thể)
B	thường theo dõi	thường theo dõi
N	dấu vết	dấu vết

Quá trình hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr): Tạo lớp màng thụ động chính chống ăn mòn cho cả hai loại thép. Hàm lượng Cr tăng giúp cải thiện khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn nói chung. - Molypden (Mo, có trong 444): Cải thiện khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua và tăng cường lớp màng thụ động. - Titan (Ti, được sử dụng trong 441): Hoạt động như chất ổn định bằng cách liên kết cacbon và nitơ để ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua (nhạy cảm) và cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt và độ ổn định ở nhiệt độ cao. - Niobi (Nb, được sử dụng trong nhiều biến thể 444): Cũng ổn định chống lại sự nhạy cảm và có thể tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão. - Hàm lượng cacbon và niken thấp giúp bảo toàn cấu trúc vi mô của ferritic, giữ chi phí thấp hơn austenitic và cải thiện độ dẫn nhiệt.

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

Cả 441 và 444 đều là thép không gỉ ferritic; cấu trúc vi mô cân bằng và đã qua xử lý của chúng chủ yếu là ferit lập phương tâm khối (BCC).

• Cấu trúc vi mô điển hình (khi sản xuất): Ma trận ferritic hoàn toàn với các chất kết tủa ổn định phân tán (nitrit/cacbua titan trong 441; cacbua niobi hoặc cacbonitrit trong 444) và thỉnh thoảng là cacbua/nitrit hợp kim mịn tùy thuộc vào lịch sử nhiệt.
• Tác dụng của chất ổn định: Ti hoặc Nb liên kết C và N để hạn chế sự kết tủa crom cacbua ở ranh giới hạt, làm giảm khả năng ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm.
• Xử lý nhiệt:
• Ủ (ủ dung dịch sau đó làm nguội nhanh) giúp phục hồi độ dẻo, đồng nhất cấu trúc vi mô và hòa tan các chất kết tủa không mong muốn. Đối với ferit, ủ thường được theo sau bởi quá trình làm nguội có kiểm soát.
• Quá trình làm nguội và ram không áp dụng theo cùng nghĩa như đối với thép martensitic vì ferritic không chuyển thành martensitic khi làm nguội; chúng vẫn giữ nguyên dạng ferritic và có thể phát triển hạt nếu quá nhiệt.
• Làm nguội: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình làm nguội với độ bền tăng đáng kể do quá trình cứng hóa; do đó, các tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quy trình.
• Xử lý nhiệt cơ học (cán/làm nguội có kiểm soát) có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; quá trình ổn định giảm thiểu sự phân hủy trong quá trình tiếp xúc với nhiệt sau đó.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của thép không gỉ ferritic thay đổi tùy theo hình dạng sản phẩm và quá trình gia công nguội; bảng dưới đây cung cấp thông tin so sánh định tính thay vì các số liệu đơn lẻ. Khi thiết kế, hãy luôn sử dụng chứng chỉ của nhà cung cấp cho nhiệt độ và sản phẩm cụ thể.

Tài sản	441	444	Ghi chú
Độ bền kéo (điển hình ủ)	Trung bình, phù hợp cho các bộ phận kết cấu dạng tấm/dập	Tương tự như hơi cao hơn trong điều kiện ủ (Mo/Nb có thể tăng nhẹ)	Làm việc trong môi trường lạnh làm tăng đáng kể UTS cho cả hai
Sức chịu lực	Trung bình; khả năng tạo hình tốt	Tương tự như cao hơn một chút tùy thuộc vào Nb/Mo	Sự khác biệt nhỏ trong trạng thái ủ
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt trong điều kiện ủ	Độ giãn dài thấp hơn một chút so với 441 ở một số dạng sản phẩm	Chất ổn định làm giảm nhẹ độ dẻo so với ferritic không ổn định
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; giảm ở nhiệt độ thấp so với các loại austenit	Có thể so sánh được nhưng có thể thấp hơn một chút tùy thuộc vào quá trình gia công nguội và hàm lượng Nb	Các lớp ferit có hành vi chuyển đổi dẻo-giòn
Độ cứng	Tương đối thấp ở trạng thái ủ; tăng lên khi làm việc nguội	Độ cứng cơ bản tương tự; có thể cao hơn một chút sau khi làm việc	Độ cứng phụ thuộc vào quá trình

Loại nào bền hơn/dai hơn/dẻo hơn: Trong điều kiện ủ, chúng nhìn chung khá giống nhau. 444, với Mo và Nb, có xu hướng mang lại độ bền cao hơn một chút và độ dẻo giảm nhẹ so với 441; tuy nhiên, quá trình gia công (gia công nguội, độ dày) thường chiếm ưu thế.

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ Ferritic thường có thể hàn được, nhưng quá trình ổn định và hợp kim còn sót lại sẽ ảnh hưởng đến tính chất hàn.

• Chỉ số tương đương cacbon và độ cứng rất hữu ích để đánh giá nguy cơ nứt nguội và nhu cầu gia nhiệt trước/sau gia nhiệt. Hai biểu thức thường được sử dụng là:
• Chỉ số khả năng hàn (tương đương carbon IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Chỉ số kiểu chống rỗ (Pcm) để đánh giá khả năng hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải (định tính):
• Cả 441 và 444 đều có hàm lượng carbon và niken thấp, tạo ra các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ từ thấp đến trung bình so với thép không gỉ hợp kim cao; điều này thường cho thấy khả năng hàn thủ công và tự động tốt với các vật tư tiêu hao bằng thép không gỉ tiêu chuẩn.
• Việc ổn định bằng Ti (441) hoặc Nb (444) làm giảm nguy cơ nhạy cảm sau khi hàn vì các nguyên tố này liên kết với cacbon và nitơ.
• Molypden và Nb của 444 có thể làm tăng nhẹ khả năng tôi luyện và xu hướng hình thành liên kim loại (ví dụ, pha sigma) nếu giữ ở nhiệt độ 600–900 °C trong thời gian dài; nên kiểm soát nhiệt độ cẩn thận và lựa chọn chất độn.
• Nhiệt độ giữa các đường hàn được kiểm soát và làm nóng trước ít được yêu cầu hơn so với các loại thép martensitic, nhưng việc xác nhận quy trình hàn vẫn rất cần thiết cho các ứng dụng quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Bối cảnh không gỉ: Không áp dụng — cả hai đều là ferritic không gỉ và tạo thành màng giàu Cr thụ động.
• Đối với đánh giá thép không gỉ, Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) là một chỉ số so sánh hữu ích trong đó molypden và nitơ làm tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn cục bộ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Giải thích:
• 441: Hàm lượng crom và titan cao mang lại khả năng chống ăn mòn tốt và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao tuyệt vời; hàm lượng molypden hạn chế có nghĩa là khả năng chống rỗ vừa phải trong môi trường clorua.
• 444: Với sự bổ sung thêm molypden và niobi ổn định, 444 thường có khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn trong môi trường chứa clorua và khả năng chống chịu được cải thiện trong môi trường nước khắc nghiệt so với 441.
• PREN là chỉ số so sánh; đối với các loại ferritic, giá trị PREN tuyệt đối thường thấp hơn so với các loại austenit hợp kim cao hơn, nhưng PREN tương đối giúp dự đoán hành vi rỗ giữa 441 và 444.
• Bảo vệ bề mặt: Đối với thép không gỉ, nội dung thảo luận sẽ bao gồm mạ kẽm/sơn; đối với thép 441/444, hoàn thiện bề mặt (ngâm chua, thụ động hóa) và lớp phủ (gốm, nhôm hóa cho nhiệt độ rất cao) có thể kéo dài thêm tuổi thọ sử dụng.

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

• Tạo hình: 441 thường thể hiện hiệu suất dập và kéo sâu tốt trong quá trình ủ; 444 có thể kém tạo hình hơn một chút tùy thuộc vào mức Nb/Mo và nhiệt độ sản phẩm.
• Uốn cong: Cả hai loại đều có hiệu suất tốt khi ủ; đặc tính đàn hồi đòi hỏi phải có dụng cụ bù như các loại ferit khác.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ ferit dễ bị biến cứng khi gia công và có thể hơi “dính” trong quá trình gia công. Thực hành điển hình: sử dụng dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng và chất làm mát hiệu quả. Mo và Nb của thép 444 có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công so với thép 441.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có bề mặt hoàn thiện tốt, nhưng nên tẩy/thụ động hóa sau khi chế tạo để khôi phục tính toàn vẹn của màng thụ động.
• Làm nguội: Dễ dàng gia cường cả hai loại thép — các đặc tính thiết kế cho phép phải phản ánh được trạng thái cuối cùng.

8. Ứng dụng điển hình

441 — Công dụng điển hình	444 — Công dụng điển hình
Các bộ phận ống xả ô tô, bộ giảm thanh và ống phân phối cần khả năng chống oxy hóa và khả năng định hình	Ống trao đổi nhiệt và áo khoác trong các nhà máy hóa chất, hệ thống khử lưu huỳnh khí thải và thiết bị hàng hải nơi khả năng chống rỗ là rất quan trọng
Linh kiện lò nướng và lò sưởi, đồ trang trí và thiết bị tiêu dùng	Ống và ống dùng cho môi trường nước ăn mòn, ứng dụng ven biển có mức độ tiếp xúc với clorua cao
Tấm chịu nhiệt và bề mặt phản chiếu	Ống dẫn nhiệt độ cao và các thành phần có khả năng chống ăn mòn cục bộ và tổng thể được cải thiện giúp giảm chi phí hợp kim

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 441 khi cần hàm lượng crom cao, khả năng định hình tốt và hiệu suất thép không gỉ tiết kiệm chi phí (ví dụ: ống xả ô tô, hàng tiêu dùng). - Chọn 444 khi phải tiếp xúc với clorua hoặc môi trường ăn mòn hơn (môi trường rỗ/kẽ hở) hoặc có tuổi thọ cao hơn trong điều kiện ăn mòn ẩm ướt và chi phí hợp kim cao hơn một chút là hợp lý.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 444 thường đắt hơn 441 do có chứa molypden và niobi. Chênh lệch giá cả thay đổi tùy theo giá hàng hóa toàn cầu của Mo và Nb.
• Tính khả dụng: Thép 441 được sản xuất rộng rãi cho thị trường ô tô và thép tấm/cuộn; thép 444 phổ biến cho ống, cuộn và tấm trong thị trường hóa chất và điện nhưng với số lượng nhỏ hơn. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (ống, dải, tấm) và xử lý nhiệt sẽ khác nhau tùy theo khu vực và nhà cung cấp—hãy xác định dạng sản phẩm và nhiệt độ cần thiết ngay từ đầu khi mua hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (đánh giá định tính: Thấp / Trung bình / Cao hoặc Tương tự):

Thuộc tính	441	444
Khả năng hàn	Cao (tốt)	Cao (tốt), chú ý nhiều hơn một chút đến khả năng kiểm soát liên kim loại
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Độ dẻo trung bình / Tốt	Độ bền từ trung bình đến cao hơn một chút / độ dẻo thấp hơn một chút
Khả năng chống ăn mòn (chung)	Tốt	Tốt hơn (đặc biệt là vết rỗ/kẽ hở)
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (do Mo/Nb)
Khả năng định hình	Tốt hơn	Thấp hơn một chút (tùy thuộc vào tính chất/sản phẩm)
Khả năng cung cấp điển hình	Rộng	Tốt, nhưng hạn chế hơn ở một số dạng sản phẩm

Sự giới thiệu: - Chọn 441 nếu: - Bạn cần loại thép không gỉ ferritic tiết kiệm chi phí, có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, khả năng tạo hình tuyệt vời và mức độ tiếp xúc với clorua từ thấp đến trung bình (ví dụ: khí thải ô tô, ứng dụng tấm nói chung). - Chọn 444 nếu: - Ứng dụng liên quan đến môi trường nước hoặc clorua khắc nghiệt hơn, trong đó cần cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở hoặc nếu tuổi thọ sử dụng lâu hơn dưới tác động ăn mòn đòi hỏi chi phí vật liệu cao hơn (ví dụ: ống trao đổi nhiệt, thiết bị xử lý hóa chất, thành phần hàng hải).

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại đều là ferritic và được ổn định hóa để giảm nhạy cảm; tuy nhiên, hiệu suất chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm, nhiệt độ và lịch sử hàn/xử lý. Đối với các ứng dụng quan trọng, vui lòng yêu cầu nhà cung cấp chứng chỉ nhà máy, dữ liệu ăn mòn cho môi trường cụ thể và quy trình hàn trước khi đưa ra thông số kỹ thuật cuối cùng.