Thép không gỉ 420C: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 420C được phân loại là thép không gỉ martensitic , được biết đến với độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Các nguyên tố hợp kim chính trong 420C bao gồm crom (khoảng 12-14%), cacbon (khoảng 0,15-0,40%) và một lượng nhỏ mangan, silic và phốt pho. Sự hiện diện của crom làm tăng 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 420C được đặc trưng bởi khả năng đạt được độ cứng cao thông qua xử lý nhiệt, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn. Cấu trúc martensitic của nó cho phép cân bằng giữa độ dẻo dai và độ bền, điều này rất cần thiết trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Thép có thể được làm cứng ở mức độ đáng kể, đạt được mức độ cứng lên đến 58 HRC khi được xử lý đúng cách.

Thuận lợi:
- Độ cứng cao: Khả năng đạt được độ cứng cao làm cho 420C trở nên lý tưởng cho các công cụ cắt và ứng dụng chống mài mòn.
- Khả năng chống ăn mòn trung bình: Mặc dù không có khả năng chống ăn mòn tốt như thép austenit, nhưng nó có khả năng bảo vệ tốt khỏi sự ăn mòn trong môi trường nhẹ.
- Tính chất cơ học tốt: Có sự cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo dai, giúp vật liệu này có thể ứng dụng linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Hạn chế:
- Khả năng chống ăn mòn thấp hơn: So với thép không gỉ austenit, 420C dễ bị ăn mòn hơn, đặc biệt là trong môi trường clorua.
- Giòn ở nhiệt độ cao: Độ cứng có thể dẫn đến giòn, đặc biệt nếu không được tôi luyện đúng cách.
- Khó hàn: Hàm lượng carbon cao có thể khiến việc hàn trở nên khó khăn, thường đòi hỏi phải làm nóng trước và xử lý nhiệt sau khi hàn.

Trong lịch sử, 420C đã được sử dụng trong các ứng dụng như dao kéo, dụng cụ phẫu thuật và nhiều thành phần công nghiệp khác, nơi mà sự kết hợp độc đáo giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn vừa phải mang lại lợi ích.

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	420C	Hoa Kỳ	Sự khác biệt nhỏ về thành phần so với AISI 420
Tiêu chuẩn ASTM	A276	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép không gỉ
VI	1.4021	Châu Âu	Tương đương với AISI 420, có các tính chất cơ học cụ thể
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS420J2	Nhật Bản	Tính chất tương tự nhưng có sự thay đổi nhỏ về thành phần

Sự khác biệt giữa các loại này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi AISI 420 và 420C tương tự nhau, hàm lượng carbon cao hơn trong 420C có thể tăng độ cứng nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai.

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)	0,5 - 1,0
Si (Silic)	0,1 - 1,0
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,03

Vai trò chính của crom trong 420C là tăng cường khả năng chống ăn mòn, trong khi carbon góp phần đáng kể vào độ cứng và độ bền. Mangan và silic cải thiện khả năng làm cứng và các tính chất cơ học tổng thể của 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	10-15%	10-15%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	50 - 58HRC	50 - 58HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20°C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao làm cho 420C phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống biến dạng dưới tải. Độ cứng của nó cho phép nó duy trì các cạnh sắc trong các ứng dụng cắt.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,75 g/cm³	0,28 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1450 - 1510 °C	2642 - 2750 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	25 W/m·K	17,3 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,72 µΩ·m	0,0000143 Ω·trong

Mật độ 420C cho thấy vật liệu tương đối nặng, có thể có lợi trong các ứng dụng đòi hỏi sự ổn định. Điểm nóng chảy của nó phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ cao, trong khi độ dẫn nhiệt của nó ở mức trung bình, khiến nó ít lý tưởng hơn cho các bộ trao đổi 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	20-40 °C / 68-104 °F	Nghèo	Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất
Dung dịch kiềm	5-10	20-60 °C / 68-140 °F	Tốt	Sức đề kháng vừa phải

420C có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình trong nhiều môi trường khác nhau, nhưng đặc biệt dễ bị rỗ trong điều kiện giàu clorua. So với các loại austenit như 304 hoặc 316, khả năng chống ăn mòn của 420C thấp hơn đáng kể, 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 mở rộng vượt quá nhiệt độ này

Ở nhiệt độ cao, 420C vẫn giữ được độ bền nhưng có thể bị oxy hóa và đóng cặn, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của nó trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Xử lý nhiệt thích hợp có thể tăng cường các đặc tính của nó, nhưng phải cẩn thận để tránh bị giòn.

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	Cần xử lý nhiệt sau khi hàn

Hàn 420C có thể là một thách thức do hàm lượng carbon cao, có thể dẫn đến nứt. Việc gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn thường là cần thiết để giảm thiểu những vấn đề này và đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	420C	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Yêu cầu dụng cụ sắc bén
Tốc độ cắt điển hình	30-50 m/phút	80-100 m/phút	Điều chỉnh độ mòn của dụng cụ

420C có khả năng gia công ở mức trung bình, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các công cụ cắt và tốc độ để đạt được kết quả tối ưu. Độ cứng cao có thể dẫn đến tăng độ mòn của công cụ, đòi hỏi phải thay đổi công cụ thường xuyên.

Khả năng định hình

420C không được biết đến nhiều về khả năng tạo hình do cấu trúc martensitic của nó. Có thể tạo hình nguội nhưng có thể dẫn đến quá trình làm cứng khi gia công, trong khi tạo hình nóng khả thi hơn nhưng đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ cẩn thận để tránh bị giòn.

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	200 - 600 °C / 392 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dẻo dai

Xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của 420C, biến đổi nó từ trạng thái mềm hơn sang trạng thái cứng thông qua quá trình làm nguội. Làm nguội là rất quan trọng để giảm ứng suất và cải thiện độ dẻo dai, làm cho nó 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, giữ cạnh tốt	Độ sắc nét và độ bền
Dụng cụ y tế	Dụng cụ phẫu thuật	Khả năng chống ăn mòn, độ cứng	Tiệt trùng và độ chính xác
Ô tô	Linh kiện van	Độ bền, khả năng chống mài mòn	Độ bền dưới áp lực
Hàng không vũ trụ	Các thành phần bánh đáp	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao	An toàn và độ tin cậy

Các ứng dụng khác bao gồm:
* - Lưỡi dao công nghiệp
* - Trục bơm
* - Chốt

Thép 420C được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi sự kết hợp giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn vừa phải, do đó lý tưởng cho các công cụ và thành phần phải chịu được sự mài mòn và duy trì độ sắc bén.

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

Tính năng/Thuộc tính	420C	AISI440C	AISI 304	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Độ cứng cao hơn	Độ cứng thấp hơn	440C có khả năng chống mài mòn tốt hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng vừa phải	Sức đề kháng công bằng	Sức đề kháng tuyệt vời	304 tốt hơn cho môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Khó	Khó	Tốt	304 dễ hàn hơn
Khả năng gia công	Vừa phải	Vừa phải	Tốt	304 dễ gia công hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Thấp hơn	304 tiết kiệm chi phí hơn
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Ít phổ biến hơn	Rất phổ biến	304 có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn 420C, cần cân nhắc đến sự cân bằng giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn, khiến nó phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, những hạn chế về khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn so với các loại austenit phải được cân nhắc so với các yêu cầu của ứng dụng dự định. Hiệu quả về chi phí và tính khả dụng của các loại thay thế cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình ra quyết định.

Tóm lại, thép không gỉ 420C là vật liệu đa năng với các đặc tính độc đáo giúp nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là khi cần độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Hiểu được các đặc điểm, ưu điểm và hạn chế của nó là rất quan trọng đối với các kỹ sư và nhà thiết kế khi lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng cụ thể.