Thép không gỉ 401: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 401 được phân loại là thép không gỉ martensitic , có đặc điểm là độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Loại thép này chủ yếu bao gồm sắt, với các nguyên tố hợp kim đáng kể bao gồm crom (khoảng 11-13%) và một lượng nhỏ niken, molypden và cacbon. Sự hiện diện của crom rất quan trọng vì nó tăng cường khả năng chống ăn mòn của thép, trong khi cacbon góp phần tạo nên độ cứng và độ bền của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ 401 được biết đến với các tính chất cơ học tuyệt vời, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Sự kết hợp độc đáo giữa độ bền và độ dẻo cho phép nó chịu được tải trọng cơ học đáng kể trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc. Độ cứng của thép có thể được tăng lên thông qua xử lý nhiệt, khiến nó trở thành lựa chọn linh hoạt cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn.

Thuận lợi:
- Độ bền cao: Thép không gỉ 401 có độ bền kéo và độ bền chảy vượt trội so với nhiều loại thép không gỉ khác.
- Khả năng chống mài mòn tốt: Khả năng làm cứng thông qua xử lý nhiệt làm cho vật liệu này trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao.
- Khả năng chống ăn mòn trung bình: Mặc dù không có khả năng chống ăn mòn tốt như thép austenit, nhưng nó hoạt động tốt trong môi trường có mức độ ăn mòn nhẹ.

Hạn chế:
- Khả năng chống ăn mòn thấp hơn: So với thép không gỉ austenit, 401 có khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở kém hơn.
- Giòn trong một số điều kiện nhất định: Ở nhiệt độ cao, nó có thể trở nên giòn, hạn chế việc sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Theo truyền thống, thép không gỉ 401 đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm ô tô và hàng không vũ trụ, nơi mà độ bền và độ chắc chắn của nó là tối quan trọng. Vị thế thị trường của nó ổn định, với các ứng dụng từ ốc vít đến các thành phần trong máy móc.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	S40100	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 401
AISI/SAE	401	Hoa Kỳ	Thép không gỉ Martensitic
Tiêu chuẩn ASTM	A276	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép không gỉ
VI	1.4006	Châu Âu	Tính chất tương tự, sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS 401	Nhật Bản	Cấp độ tương đương với các ứng dụng tương tự

Sự khác biệt giữa các loại này có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi UNS S40100 và AISI 401 có liên quan chặt chẽ, sự thay đổi về hàm lượng carbon có thể ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chống ăn mòn.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,15 - 0,25
Cr (Crom)	11.0 - 13.0
Ni (Niken)	0,5 - 1,0
Mo (Molipden)	0,5 tối đa
Mn (Mangan)	1.0 tối đa
Si (Silic)	1.0 tối đa
P (Phốt pho)	0,04 tối đa
S (Lưu huỳnh)	0,03 tối đa

Vai trò chính của crom trong thép không gỉ 401 là tăng khả năng chống ăn mòn, trong khi carbon làm tăng độ cứng và độ bền. Niken góp phần tạo nên độ dẻo dai và độ mềm, còn molypden cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	550 - 750MPa	80 - 110 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	350 - 500MPa	51 - 73 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	15-25%	15-25%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Ủ	30-40HRC	30-40HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	-20°C	30 tháng	22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao làm cho thép không gỉ 401 phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tải trọng cơ học đáng kể. Độ cứng của nó cho phép nó chịu được sự mài mòn, trong khi độ giãn dài cho thấy độ dẻo tốt, cần thiết cho các quá trình tạo hình.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	-	7,75g/cm³	0,28 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1450 - 1510 °C	2642 - 2750 °F
Độ dẫn nhiệt	20°C	25 W/m·K	14,5 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	20°C	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	20°C	0,73 µΩ·m	0,73 µΩ·trong

Mật độ của thép không gỉ 401 góp phần vào tổng trọng lượng của nó trong các ứng dụng, trong khi điểm nóng chảy của nó cho thấy sự phù hợp với môi trường nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5%	20-60°C (68-140°F)	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit	10%	20-40°C (68-104°F)	Nghèo	Không khuyến khích
Dung dịch kiềm	5-10%	20-60°C (68-140°F)	Tốt	Sức đề kháng vừa phải

Thép không gỉ 401 có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong môi trường có clorua, nơi nó có thể dễ bị rỗ. So với các loại austenit như 304 hoặc 316, 401 cho thấy hiệu suất giảm trong môi trường axit, khiến nó ít phù hợp hơn cho các ứng dụng liên quan đến axit mạnh.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	400°C	752°F	Thích hợp cho việc sử dụng không liên tục
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500°C	932°F	Bị giới hạn bởi khả năng chống oxy hóa
Nhiệt độ đóng băng	600°C	1112°F	Nguy cơ đóng cặn ở nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ cao, thép không gỉ 401 vẫn giữ được độ bền nhưng có thể gặp phải vấn đề oxy hóa. Hiệu suất của nó trong các ứng dụng nhiệt độ cao bị hạn chế so với các loại khác, đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận khi thiết kế.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
TIG	ER401 (AWS A5.9)	Khí Argon	Nên làm nóng trước
MIG	ER401 (AWS A5.9)	Hỗn hợp Argon + CO2	Có thể cần xử lý nhiệt sau khi hàn

Thép không gỉ 401 có thể được hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn, nhưng thường được khuyến nghị nên gia nhiệt trước để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ 401	AISI 1212 (Tiêu chuẩn)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	40	100	Khả năng gia công vừa phải
Tốc độ cắt điển hình	30 m/phút	60 m/phút	Sử dụng công cụ cacbua

Gia công thép không gỉ 401 đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận về dụng cụ và tốc độ cắt do khả năng gia công vừa phải. Các dụng cụ cacbua được khuyến nghị để có hiệu suất tối ưu.

Khả năng định hình

Thép không gỉ 401 thể hiện khả năng định hình tốt trong cả quá trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, quá trình làm cứng có thể xảy ra, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận bán kính uốn để tránh nứt.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	800-900°C / 1472-1652°F	1-2 giờ	Không khí hoặc nước	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Làm cứng	1000-1100°C / 1832-2012°F	30 phút	Không khí	Tăng độ cứng

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của thép không gỉ 401. Ủ làm mềm vật liệu, tăng độ dẻo, trong khi làm cứng làm tăng độ cứng thông qua quá trình biến đổi martensitic.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Ô tô	Linh kiện động cơ	Độ bền cao, chống mài mòn	Độ bền dưới ứng suất cơ học
Hàng không vũ trụ	Chốt	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Vật liệu nhẹ và bền
Dầu khí	Các thành phần van	Khả năng chống ăn mòn vừa phải, độ bền	Độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Dao kéo: Được sử dụng vì độ cứng và khả năng giữ cạnh.
- Thiết bị công nghiệp: Các linh kiện đòi hỏi độ bền và khả năng chống mài mòn cao.

Thép không gỉ 401 được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, phù hợp với những môi trường khắc nghiệt.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ 401	AISI 304	AISI 316	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Vừa phải	Vừa phải	401 nổi trội về sức mạnh
Góc nhìn ăn mòn chính	Vừa phải	Tốt	Xuất sắc	401 có khả năng chống ăn mòn kém hơn
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	401 cần phải được làm nóng trước
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	401 khó gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Tốt	401 có những hạn chế trong việc hình thành
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Cao hơn	Hiệu quả về mặt chi phí cho sức mạnh
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Rất phổ biến	Chung	401 có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép không gỉ 401, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học cụ thể. Mặc dù có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn thấp hơn so với các loại thép austenit có thể hạn chế việc sử dụng thép này trong một số môi trường nhất định. Ngoài ra, khả năng gia công và khả năng hàn của thép này đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến các điều kiện gia công để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng.