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

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa thép không gỉ 444 và 441 là một vấn đề nan giải thường gặp đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất làm việc trong môi trường ăn mòn, hệ thống nhiệt độ cao và ứng dụng khí thải ô tô. Quyết định này thường cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn (đặc biệt là rỗ và khả năng chống clorua), độ ổn định nhiệt lâu dài, khả năng hàn và tổng chi phí sở hữu (vật liệu cộng với chế tạo).

Ở cấp độ cao hơn, cả 444 và 441 đều là thép không gỉ ferritic được tối ưu hóa cho các ứng dụng khác nhau: một loại nhấn mạnh khả năng chống ăn mòn được cải thiện trong môi trường chứa clorua hoặc ẩm ướt thông qua việc bổ sung các thành phần như molypden và chất ổn định để ngăn ngừa nhạy cảm ranh giới hạt, trong khi loại còn lại nhấn mạnh khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và độ ổn định nhiệt thông qua quá trình ổn định titan và thành phần được thiết kế riêng cho các ứng dụng chịu nhiệt và khí thải ô tô. Vì cả hai đều là ferritic hàm lượng niken thấp, chúng thường được so sánh khi cần các giải pháp không chứa niken hoặc hàm lượng niken thấp.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Hệ thống tiêu chuẩn chính bao gồm các loại thép không gỉ ferritic bao gồm ASTM/ASME, UNS, EN (Châu Âu), JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) và GB (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc).
• Đặc điểm nhận dạng thương mại phổ biến: những vật liệu này được phân loại là thép không gỉ ferritic (ít cacbon, gốc crom, ít niken).
• Các dạng sản phẩm điển hình được quy định trong tiêu chuẩn: tấm, dải, cuộn, tấm và ống hàn cho bộ trao đổi nhiệt và bộ phận xả.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các đặc điểm hợp kim điển hình và sự hiện diện tương đối của các nguyên tố phổ biến trong 444 và 441. Các giá trị được trình bày theo hướng định tính (sự hiện diện tương đối hoặc chức năng) thay vì theo tỷ lệ phần trăm chính xác, vì quá trình lựa chọn và hiệu suất được kiểm soát bởi những khác biệt nhỏ trong chiến lược hợp kim.

Yếu tố	Vai trò / tác dụng	Lớp 444 (tương đối)	Lớp 441 (tương đối)
C (cacbon)	Độ bền, khả năng tôi luyện, sự hình thành cacbua	Rất thấp (được kiểm soát)	Rất thấp (được kiểm soát; ổn định Ti)
Mn (mangan)	Chất ổn định austenite, chất khử oxy	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình
Si (silicon)	Khử oxy hóa, độ bền nhiệt độ cao	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình
P (phốt pho)	Tạp chất (giòn ở mức độ cao)	Rất thấp	Rất thấp
S (lưu huỳnh)	Gia công tự do (không mong muốn vì sự ăn mòn)	Rất thấp	Rất thấp
Cr (crom)	Thụ động hóa, chống ăn mòn	Cao (cơ sở ferritic crom)	Cao (cơ sở ferritic crom)
Ni (niken)	Chất ổn định austenit (ít ferritic)	Rất thấp	Rất thấp
Mo (molypden)	Chống rỗ/kẽ hở, gia cố bằng dung dịch rắn	Trung bình-có ý nghĩa (yếu tố phân biệt chính)	Dấu vết thấp
V (vanadi)	Tăng cường, tạo hình cacbua	Có dấu vết hoặc không có dấu vết	Có dấu vết hoặc không có dấu vết
Nb (niobi)	Ổn định chống lại sự nhạy cảm; chất tạo thành cacbua	Hiện tại (hợp kim hóa vi mô/ổn định hóa)	Thông thường không được sử dụng
Ti (titan)	Ổn định carbon (ngăn ngừa nhạy cảm, cải thiện hiện tượng rão ở nhiệt độ cao)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ	Hiện tại (chất ổn định chính)
B (bo)	Chất tăng cường ranh giới hạt (rất thấp)	Dấu vết/không có	Dấu vết/không có
N (nitơ)	Tăng cường khả năng chống rỗ và tăng cường độ bền (hạn chế ở vật liệu ferritic)	Rất thấp	Rất thấp

Giải thích về chiến lược: - 444: hợp kim nhấn mạnh crom để tăng tính thụ động cộng với molypden và hợp kim vi mô (ví dụ, Nb) để cải thiện khả năng chống rỗ/kẽ hở và ức chế kết tủa cacbua giữa các hạt—điều này hỗ trợ sử dụng trong dịch vụ ăn mòn ướt và chứa clorua. - 441: hợp kim nhấn mạnh vào việc ổn định titan của cacbon để cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao, giảm độ nhạy cảm trong quá trình tuần hoàn nhiệt và cung cấp khả năng chống oxy hóa tốt cho hệ thống xả; Mo thường ở mức tối thiểu.

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

Cả thép 444 và 441 về cơ bản đều là thép không gỉ ferit; cấu trúc vi mô ổn định ở nhiệt độ phòng của chúng là cấu trúc lập phương tâm khối (ferit). Các điểm cấu trúc vi mô chính:

• Pha chính: ferit với một lượng nhỏ hợp kim cacbua, nitrua hoặc kim loại liên kết tùy thuộc vào lịch sử nhiệt.
• 441: Quá trình ổn định Ti liên kết cacbon dưới dạng cacbua/nitrit titan, ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt trong quá trình tiếp xúc nhiệt—điều này cải thiện khả năng chống nhạy cảm hóa và thấm cacbon trong quá trình nhiệt độ cao tuần hoàn (thường thấy ở hệ thống xả).
• 444: việc bổ sung molypden và hợp kim vi mô thúc đẩy lớp màng thụ động ổn định và tăng khả năng chống ăn mòn tại chỗ; Nb hoặc các chất ổn định khác, khi có, giúp giữ chặt cacbon và giảm nguy cơ nhạy cảm.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Ủ dung dịch và làm nguội nhanh được sử dụng để hòa tan kết tủa và phục hồi khả năng chống ăn mòn. Thép không gỉ ferritic điển hình không phản ứng với quá trình tôi và ram để tạo ra martensite như một số loại thép khác—sự gia tăng độ bền chủ yếu đạt được thông qua gia công nguội thay vì ram. - Chuẩn hóa và ủ làm giảm ứng suất và có thể ảnh hưởng đến kích thước hạt; tiếp xúc kéo dài ở phạm vi nhiệt độ trung gian có thể thúc đẩy sự hình thành pha sigma hoặc pha liên kim loại trong ferit giàu Cr nếu cân bằng hợp kim không phù hợp—các chu trình nhiệt cẩn thận là quan trọng đối với 444 do có thêm hợp kim. - Xử lý nhiệt cơ học và làm nguội có kiểm soát là những phương pháp phổ biến để tăng cường độ cho cả hai loại thép; tính ổn định Ti của thép 441 giúp thép chịu được chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại tốt hơn.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học giữa hai loại thép này khá giống nhau vì cả hai đều là thép không gỉ ferritic; tuy nhiên, sự khác biệt về hợp kim ảnh hưởng đến độ bền, độ dẻo và độ dai.

Tài sản	Lớp 444 (so sánh điển hình)	Lớp 441 (so sánh điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình đến trung bình cao (tăng cường dung dịch rắn bằng Mo)	Trung bình (có thể tăng lên bằng cách làm nguội)
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Trung bình (tương tự, tùy thuộc vào công việc lạnh)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt nhưng bị giảm khi gia công nguội hoặc hợp kim nặng	Độ dẻo thường tốt hơn một chút ở mức xử lý tương đương (Ti ổn định cacbua)
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; có thể giảm ở nhiệt độ thấp như nhiều loại ferritic	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; tương đương, thường được giữ lại tốt hơn ở các chu kỳ nhiệt do ổn định Ti
Độ cứng	Trung bình (có thể làm cứng bằng lao động)	Trung bình (có thể làm cứng bằng lao động)

Vật liệu nào bền hơn/dẻo hơn/dẻo hơn và tại sao: - Sự khác biệt về độ bền là khiêm tốn và phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý. 444 có thể đạt được độ bền cao hơn một chút khi cán từ quá trình gia cường dung dịch rắn Mo; độ ổn định cơ học của 441 ở nhiệt độ cao thường vượt trội hơn vì titan tạo thành cacbua ổn định ngăn ngừa sự kết tủa cacbua giòn. - Độ dẻo dai và độ dai chịu ảnh hưởng của mức độ gia công nguội và lịch sử nhiệt; không có cấp nào được tối ưu hóa về độ dẻo dai ở nhiệt độ cực thấp so với cấp austenit.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn đối với thép không gỉ ferritic phụ thuộc vào hàm lượng carbon thấp, các chất làm tăng độ cứng và chất ổn định:

• Hàm lượng carbon thấp ở cả hai loại đều làm giảm khả năng nứt nguội, nhưng thép không gỉ ferritic có thể dễ bị phát triển hạt ở các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt nếu sử dụng nhiệt lượng quá mức.
• Hợp kim với Mo và các nguyên tố hợp kim vi mô trong 444 làm tăng khả năng thay đổi các đặc tính HAZ so với ferit đơn giản hơn, do đó quy trình hàn phải kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và lượng nhiệt đầu vào.
• Việc ổn định Ti trong 441 làm giảm lượng cacbua kết tủa và làm cho mối hàn ít bị ăn mòn giữa các hạt hơn sau khi hàn và tuần hoàn nhiệt.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đơn vị cacbon tương đương (dạng IIW) thường được sử dụng để đánh giá nguy cơ đóng rắn: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm (WRC/IIW) cung cấp một biện pháp khác để đánh giá độ nhạy nứt mối 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 hai loại này thường có khả năng hàn tốt bằng phương pháp TIG/MIG/GMAW tiêu chuẩn khi nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát và sử dụng kim loại hàn tương thích với thép không gỉ ferritic. - 441 thường cho hiệu suất sau hàn dễ dàng hơn trong dịch vụ nhiệt độ cao theo chu kỳ do tính ổn định của Ti; 444 có thể cần chú ý đến việc lựa chọn vật liệu độn và lượng nhiệt đầu vào để duy trì khả năng chống ăn mòn gần mối hàn, đặc biệt là trong môi trường chứa clorua.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ (cả 444 và 441 đều là thép không gỉ), hiệu suất màng thụ động được thúc đẩy bởi crom với sự cải tiến từ Mo hoặc N.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) là một chỉ số hữu ích để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Giải thích:
• Thép 444 thường có PREN cao hơn thép 441 do hàm lượng molypden cao hơn, khiến thép này hoạt động tốt hơn trong môi trường có chứa clorua hoặc tiếp xúc với nước biển.
• Công nghệ ổn định Ti của 441 không làm tăng đáng kể PREN, nhưng nó cải thiện khả năng chống nhạy cảm và các vấn đề về oxy hóa/thấm cacbon ở nhiệt độ cao.

Khi cần bảo vệ không gỉ: - Nếu đang xem xét hợp kim không phải thép không gỉ, mạ kẽm, sơn hoặc phủ polymer là tiêu chuẩn. Đối với thép không gỉ ferritic, có thể phủ thêm lớp phủ để tăng tính thẩm mỹ hoặc bảo vệ chống mài mòn/hóa chất, nhưng khả năng chống ăn mòn vốn có của chúng thường đã đủ mà không cần phủ thêm lớp phủ.

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 không gỉ austenit nhưng có thể cứng hơn thép cacbon thông thường. Thép 444 chứa Mo có thể gây mài mòn dụng cụ nhiều hơn thép 441.
• Khả năng tạo hình: Thép 441 (có tính ổn định Ti) có xu hướng có khả năng tạo hình tốt hơn một chút trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ tuần hoàn; cả hai đều có thể được tạo hình bằng thao tác ép phanh và cán định hình tiêu chuẩn, nhưng tính đàn hồi là đặc trưng của thép ferit.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai loại đều chấp nhận các phương pháp hoàn thiện thông thường (chải, đánh bóng); hàm lượng Mo của 444 có thể ảnh hưởng đến quá trình khắc và tẩy và cần xử lý hóa học thích hợp để phục hồi tính thụ động sau khi chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Lớp 444 — Công dụng điển hình	Lớp 441 — Công dụng điển hình
Bộ trao đổi nhiệt nước biển, đường ống nước biển, máy bơm và van nước biển	Linh kiện ống xả ô tô, bộ giảm thanh, vỏ bộ chuyển đổi xúc tác, tấm chắn nhiệt
Khử lưu huỳnh khí thải, thiết bị xử lý hóa chất tiếp xúc với clorua	Các bộ phận lò nhiệt độ cao và giá đỡ cách nhiệt
Cuộn dây và tụ điện HVAC trong môi trường ăn mòn	Các thành phần chu trình nhiệt trong đó khả năng chống thấm cacbon là quan trọng
Thiết bị chế biến thực phẩm tiếp xúc với clorua (nơi cần hàm lượng Ni thấp)	Các thành phần cấu trúc tiếp xúc với quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao với tải trọng tuần hoàn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 444 khi mối quan tâm chính là ăn mòn cục bộ (rỗ/kẽ hở) trong môi trường clorua và yêu cầu hàm lượng niken thấp. - Chọn 441 có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, độ ổn định chu trình nhiệt và sản xuất ô tô ở quy mô tiết kiệm chi phí.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 444 thường có chi phí cao hơn 441 vì molypden và các nguyên tố hợp kim vi mô làm tăng chi phí nguyên liệu thô. 441 thường tiết kiệm hơn đối với các bộ phận ô tô sản xuất hàng loạt do hợp kim được thiết kế riêng và sản lượng lớn.
• Tính khả dụng: 441 được cung cấp rộng rãi dưới dạng cuộn và tấm cho các nhà sản xuất và nhà cung cấp ô tô; 444 được cung cấp thông qua các nhà phân phối thép không gỉ chuyên dụng dưới dạng tấm, tấm và ống hàn cho các ứng dụng trao đổi nhiệt và quy trình nhưng có thể có số lượng hạn chế hơn ở một số thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (đánh giá định tính: Tốt / Tốt hơn / Cao hơn / Thấp hơn)

Thuộc tính	444	441
Khả năng hàn	Tốt (yêu cầu kiểm soát nhiệt đầu vào)	Tốt (Ti ổn định HAZ)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt (Mo tăng sức mạnh)	Tốt (ổn định nhiệt với Ti)
Khả năng chống ăn mòn cục bộ (clorua)	Tốt hơn (Mo cao hơn)	Thấp hơn (ít Mo hơn)
Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và chu trình nhiệt	Tốt	Tốt hơn (ổn định Ti)
Trị giá	Cao hơn	Thấp hơn / Tiết kiệm hơn

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 444 nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn cục bộ tốt hơn (rỗ/kẽ hở) trong môi trường ẩm ướt hoặc chứa clorua và có thể biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn; loại thép này rất phù hợp cho ống trao đổi nhiệt nước biển, khử muối và dịch vụ hóa chất, trong đó Mo và chất ổn định kéo dài tuổi thọ. - Chọn 441 nếu ứng dụng yêu cầu độ ổn định nhiệt, khả năng chống thấm cacbon và tiếp xúc với nhiệt độ cao theo chu kỳ (ví dụ: hệ thống ống xả ô tô, bộ giảm thanh và tấm chắn nhiệt), yêu cầu khả năng định hình tốt và hiệu quả về chi phí ở quy mô lớn hoặc khi hành vi ổn định Ti để tránh nhạy cảm sau khi hàn là quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: cả 444 và 441 đều là thép không gỉ ferritic chuyên dụng, được tối ưu hóa cho các môi trường khác nhau. Việc lựa chọn vật liệu nên đi kèm với việc tham khảo bảng dữ liệu sản phẩm cụ thể, thông số kỹ thuật quy trình hàn và thử nghiệm ăn mòn theo ứng dụng cụ thể (bao gồm thử nghiệm rỗ, khe hở và oxy hóa ở nhiệt độ cao) để xác nhận hiệu suất lâu dài cho mục đích sử dụng dự kiến.