Thép không gỉ 420: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 420 là thép không gỉ martensitic được biết đến với độ bền cao, khả năng chống ăn mòn vừa phải và khả năng được làm cứng thông qua xử lý nhiệt. Nó được phân loại theo loại thép không gỉ martensitic, được đặc trưng bởi hàm lượng carbon cao và sự hiện diện của crom là nguyên tố hợp kim chính. Thành phần điển hình của thép không gỉ 420 bao gồm khoảng 12-14% crom và 0,15-0,4% carbon, ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của nó.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ 420 chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Các nguyên tố hợp kim trong 420, đặc biệt là crom và cacbon, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của nó. Crom tăng cường khả năng chống ăn mòn và góp phần vào độ cứng của thép, trong khi cacbon tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn.

Ưu điểm của thép không gỉ 420:
- Độ cứng cao: Sau khi xử lý nhiệt, thép 420 có thể đạt độ cứng lên tới 50 HRC, thích hợp làm dụng cụ cắt và lưỡi dao.
- Khả năng chống mài mòn tốt: Hàm lượng carbon cao mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời, lý tưởng cho các ứng dụng liên quan đến ma sát.
- 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 của thép không gỉ 420:
- Độ dẻo dai thấp hơn: So với thép không gỉ austenit, thép 420 có độ dẻo dai thấp hơn, khiến nó ít phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống va đập cao.
- Khả năng chống ăn mòn hạn chế: Trong môi trường có tính ăn mòn cao, chẳng hạn như ứng dụng hàng hải, sản phẩm có thể không hoạt động tốt nếu không có lớp phủ bảo vệ.

Theo truyền thống, thép không gỉ 420 đóng vai trò quan trọng trong sản xuất dao kéo, dụng cụ phẫu thuật và nhiều ứng dụng công nghiệp khác do độ cứng và khả năng chống ăn mòn cân bằng. Vị thế thị trường của nó đã được khẳng định, đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất dao kéo và dụng cụ.

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	S42000	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 420
AISI/SAE	420	Hoa Kỳ	Tên gọi thường dùng
Tiêu chuẩn ASTM	A276	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép không gỉ
VI	1.4021	Châu Âu	Tên gọi tương đương ở Châu Âu
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS420J2	Nhật Bản	Tính chất tương tự với sự khác biệt nhỏ về thành phần

Bảng tương đương nhấn mạnh rằng trong khi các loại này thường được coi là có thể hoán đổi cho nhau, sự khác biệt nhỏ trong thành phần có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, SUS420J2 có hàm lượng carbon cao hơn một chút, có thể tăng độ cứng nhưng cũng có thể làm giảm 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 - 0,40
Cr (Crom)	12.0 - 14.0
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

Các nguyên tố hợp kim chính trong thép không gỉ 420 bao gồm crom, cung cấp khả năng chống ăn mòn và độ cứng, và cacbon, tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn. Mangan và silic có mặt với lượng nhỏ để cải thiện độ dẻo dai và khử oxy trong quá trình sản xuất thép.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	520 - 700MPa	75 - 102 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	350 - 500MPa	51 - 73 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	12-20%	12-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	40 - 50HRC	40 - 50HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20°C (-4°F)	30 tháng	22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Các tính chất cơ học của thép không gỉ 420 làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ cứng cao. Độ bền kéo và độ bền chảy của nó cho thấy khả năng chịu được tải trọng đáng kể, trong khi tỷ lệ giãn dài phản ánh độ dẻo của nó, phù hợp với nhiều ứng dụng. Các giá trị độ cứng đạt được thông qua xử lý nhiệt làm cho nó lý tưởng cho các công cụ cắt và các ứng dụng chống mài mòn.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	-	7,75 g/cm³	0,28 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1450 - 1510 °C	2642 - 2750 °F
Độ dẫn nhiệt	20 °C	25,4 W/m·K	17,5 BTU·in/h·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	0,00000073 Ω·m
Hệ số giãn nở nhiệt	20 - 100 °C	15,5 µm/m·K	8,6 µin/in·°F

Mật độ của thép không gỉ 420 cho thấy đây là vật liệu tương đối nặng, góp phần tạo nên độ bền của nó. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất cần thiết cho việc quản lý nhiệt trong các ứng dụng kỹ thuật. Hệ số giãn nở nhiệt rất quan trọng đối với các ứng dụng có dự kiến ​​nhiệt độ dao động.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20-60 °C (68-140 °F)	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit sunfuric	10-30	20-50 °C (68-122 °F)	Nghèo	Không khuyến khích
Axit axetic	5-20	20-40 °C (68-104 °F)	Tốt	Sức đề kháng vừa phải
Khí quyển	-	-	Tốt	Thích hợp cho tiếp xúc nhẹ

Thép không gỉ 420 có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong điều kiện khí quyển và khi có axit axetic. Tuy nhiên, nó dễ bị ăn mòn rỗ trong môi trường clorua và nên tránh sử dụng trong các ứng dụng có axit mạnh như axit sunfuric. So với các loại austenit như 304 hoặc 316, khả năng chống ăn mòn của 420 thấp hơn, khiến nó ít phù hợp với môi trường biển hoặc môi trường có tính ăn mòn cao.

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 dịch vụ không liên tục
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500 °C	932 °F	Khả năng chống oxy hóa hạn chế
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ đóng cặn ở nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ cao, thép không gỉ 420 vẫn giữ được độ bền nhưng có thể bị oxy hóa. Nhiệt độ sử dụng liên tục tối đa cho biết khả năng của nó trong các ứng dụng nhiệt độ cao, trong khi nhiệt độ đóng cặn làm nổi bật nguy cơ bề mặt bị thoái hóa. Cần cẩn thận để tránh tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ vượt quá các giới hạn này.

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	ER420	Khí Argon	Nên làm nóng trước
MIG	ER420	Argon + CO2	Có thể cần xử lý nhiệt sau khi hàn

Thép không gỉ 420 có thể được hàn bằng quy trình TIG và MIG, 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, đảm bảo hiệu suất tốt hơn khi sử dụng.

Khả năng gia công

Thông số gia công	[Thép không gỉ 420]	[AISI 1212]	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	50%	100%	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất
Tốc độ cắt điển hình	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Điều chỉnh độ mòn của dụng cụ

Thép không gỉ 420 có khả năng gia công ở mức trung bình, có thể cải thiện bằng các điều kiện cắt và gia công phù hợp. Các dụng cụ cacbua được khuyến nghị để gia công nhằm đạt được độ hoàn thiện bề mặt và tuổi thọ dụng cụ tốt hơn.

Khả năng định hình

Thép không gỉ 420 không dễ định hình do cấu trúc martensitic của nó, khiến nó phù hợp hơn với các ứng dụng đòi hỏi phải cắt và định hình thay vì định hình rộng rãi. Có thể định hình nguội nhưng có thể dẫn đến quá trình tôi cứng, đòi hỏi phải kiểm soát quy trình cẩn thận.

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	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Làm nguội	1000 - 1100 °C (1832 - 2012 °F)	30 phút	Dầu hoặc Nước	Tăng độ cứng
Làm nguội	150 - 300 °C (302 - 572 °F)	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dẻo dai

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của thép không gỉ 420. Làm nguội làm tăng độ cứng, trong khi ram làm giảm độ giòn, khiến thép phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

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
Đồ dùng ăn uống	Dao nhà bếp	Độ cứng cao, chống mài mòn	Giữ cạnh
Thuộc về y học	Dụng cụ phẫu thuật	Khả năng chống ăn mòn, độ cứng	Khử trùng và độ bền
Ô tô	Các thành phần van	Độ bền, khả năng chống ăn mòn vừa phải	Hiệu suất dưới áp lực
Hàng không vũ trụ	Các thành phần bánh đáp	Độ bền cao, chống mỏi	An toàn và độ tin cậy

Thép không gỉ 420 thường được sử dụng trong ngành dao kéo và y tế do độ cứng và khả năng giữ cạnh sắc. Trong các ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ, độ bền và khả năng chống mỏi của nó khiến nó trở thành lựa chọn phù hợp cho các thành phần quan trọng.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ 420	Thép không gỉ AISI 304	Thép không gỉ AISI 316	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Độ dẻo tốt	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời	420 cứng hơn nhưng ít dẻo hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng vừa phải	Sức đề kháng tốt	Sức đề kháng tuyệt vời	420 ít phù hợp với môi trường khắc nghiệt
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Tốt	420 cần phải làm nóng trước
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	420 khó gia công hơn
Khả năng định hình	Nghèo	Tốt	Hội chợ	420 không thích hợp cho việc hình thành rộng rãi
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Cao hơn	420 thường tiết kiệm chi phí hơn
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Rất phổ biến	Chung	420 có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép không gỉ 420, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng chống ăn mòn và tính phù hợp để hàn và gia công. Mặc dù thép không gỉ 420 có ưu điểm về độ cứng và khả năng chống mài mòn, nhưng cần đánh giá cẩn thận những hạn chế về độ bền và khả năng chống ăn mòn của thép này so với các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Tóm lại, thép không gỉ 420 là vật liệu đa năng, có thể tìm thấy vị trí thích hợp trong các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Ý nghĩa lịch sử và vị thế thị trường đã được khẳng định của nó khiến nó trở thành lựa chọn đáng tin cậy cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.