Thép không gỉ 431: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 431 là thép không gỉ martensitic được biết đến với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, độ bền cao và độ cứng tốt. Được phân loại là thép không gỉ martensitic, nó chủ yếu chứa crom (16-18%) và niken (2-4%), cùng với một tỷ lệ nhỏ cacbon (0,1-0,2%). Sự hiện diện của crom làm tăng khả năng chống ăn mòn của nó, trong khi niken góp phần vào độ dẻo dai và độ dẻo của nó. Hàm lượng cacbon rất quan trọng để đạt được độ cứng và độ bền mong muốn thông qua xử lý nhiệt.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ 431 được công nhận rộng rãi vì sự kết hợp độc đáo của các đặc tính, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Cấu trúc martensitic của nó cho phép nó được làm cứng thông qua xử lý nhiệt, tạo ra một vật liệu có độ bền kéo và độ cứng cao. Khả năng duy trì các đặc tính cơ học của hợp kim ở nhiệt độ cao càng làm tăng thêm tiện ích của nó trong các môi trường khắc nghiệt.

Thuận lợi:
- Khả năng chống ăn mòn: Thép không gỉ 431 có khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả điều kiện khí quyển và axit nhẹ.
- Độ bền và độ cứng cao: Thép có thể đạt được độ cứng cao thông qua xử lý nhiệt, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn.
- Tính linh hoạt: Tính chất của nó cho phép sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ các bộ phận ô tô đến môi trường biển.

Hạn chế:
- Khả năng hàn: Mặc dù có thể hàn nhưng phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa đặc biệt để tránh các vấn đề như nứt.
- Độ giòn: Trong một số điều kiện nhất định, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp, 431 có thể trở nên giòn, hạn chế ứng dụng trong một số trường hợp.

Theo truyền thống, thép không gỉ 431 đã được sử dụng trong các ứng dụng mà cả độ bền và khả năng chống ăn mòn đều quan trọng. Vị thế thị trường của nó vẫn vững mạnh nhờ sự cân bằng các đặc tính, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

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	S43100	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 431
AISI/SAE	431	Hoa Kỳ	Tên gọi thường dùng
Tiêu chuẩn ASTM	A276	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép không gỉ
VI	1.4057	Châu Âu	Tính chất tương tự, sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS431	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 về khả năng chống ăn mòn hoặc cơ học cụ thể. Ví dụ, trong khi UNS S43100 và AISI 431 thường có thể hoán đổi cho nhau, các quy trình xử lý nhiệt cụ thể có thể mang lại các đặc tính hiệu suất khác nhau.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,1 - 0,2
Cr (Crom)	16.0 - 18.0
Ni (Niken)	2.0 - 4.0
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 431 đóng vai trò quan trọng:
- Crom: Tăng khả năng chống ăn mòn và góp phần hình thành lớp oxit bảo vệ.
- Niken: Cải thiện độ dẻo dai và độ dai, giúp thép chịu được biến dạng mà không bị gãy.
- Carbon: Tăng độ cứng và độ bền thông qua xử lý nhiệt, cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn.

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	620 - 750MPa	90 - 110 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	450 - 600MPa	65 - 87 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	12-20%	12-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Ủ	Nhiệt độ phòng	30-40HRC	30-40HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Ủ	-20°C (-4°F)	30 tháng	22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Các tính chất cơ học của thép không gỉ 431 làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai 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, cho phép nó biến dạng mà không bị gãy. Các giá trị độ cứng cho thấy nó có thể chống mài mòn, làm cho nó lý tưởng cho các thành phần chịu ma sát.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,75g/cm³	0,28 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	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	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,72 µΩ·m	0,00000072Ω·m
Hệ số giãn nở nhiệt	Nhiệt độ phòng	16,0 x 10⁻⁶/K	8,9 x 10⁻⁶/°F

Các đặc tính vật lý chính như mật độ và độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến quản lý nhiệt. Điểm nóng chảy tương đối cao cho thấy thép không gỉ 431 có thể hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao, trong khi độ dẫn nhiệt của nó cho thấy nó có thể tản nhiệt hiệu quả, khiến nó phù hợp với các thành phần trong động cơ hoặc tua bin.

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 sunfuric	10%	20°C (68°F)	Nghèo	Không khuyến khích
Axit axetic	5%	20°C (68°F)	Tốt	Sức đề kháng vừa phải
Khí quyển	-	-	Xuất sắc	Sức đề kháng tốt

Thép không gỉ 431 có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tốt và khả năng chống ăn mòn vừa phải đối với một số loại axit. Tuy nhiên, nó dễ bị ăn mòn rỗ trong môi trường clorua, đây có thể là mối quan tâm đáng kể trong các ứng dụng hàng hải. So với các loại thép không gỉ khác, chẳng hạn như 304 và 316, khả năng chống ăn mòn của 431 thường thấp hơn, đặc biệt là trong môi trường giàu clorua, nơi 316 vượt trội hơn do hàm lượng niken cao hơn.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	600°C	1112°F	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	650°C	1202°F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ thang đo	800°C	1472°F	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ cao
Cân nhắc về sức bền biến dạng	500°C	932°F	Bắt đầu mất sức

Ở nhiệt độ cao, thép không gỉ 431 vẫn giữ được độ bền và độ cứng, phù hợp với các ứng dụng như cánh tua bin và hệ thống xả. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 600°C có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và đóng cặn, có thể làm giảm tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của thép.

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	Số 431	Khí Argon	Nên làm nóng trước
MIG	ER308L	Argon + CO2	Có thể cần xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E431	-	Cần kiểm soát cẩn thận để tránh nứt

Thép không gỉ 431 có thể được hàn bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng cần kiểm soát cẩn thận lượng nhiệt đầu vào để tránh nứt. Làm nóng trước khi hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn có thể giúp giảm thiểu những rủi ro này. Việc lựa chọn kim loại phụ là rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và duy trì khả năng chống ăn mòn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ 431	AISI 1212 (Tiêu chuẩn)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Khả năng gia công vừa phải
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	50 m/phút	Sử dụng công cụ cacbua

Thép không gỉ 431 có khả năng gia công ở mức trung bình, có thể cải thiện bằng dụng cụ và tốc độ cắt phù hợp. Nên sử dụng dụng cụ cacbua và duy trì bôi trơn thích hợp để nâng cao hiệu suất trong quá trình gia công.

Khả năng định hình

Thép không gỉ 431 có khả năng định hình hạn chế do cấu trúc martensitic của nó. Có thể định hình nguội, nhưng có thể cần lực lớn hơn và có thể dẫn đến quá trình làm cứng khi gia công. Định hình nóng khả thi hơn, cho phép định hình tốt hơn mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của vật liệu.

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 cứng	1000 - 1100 °C (1832 - 2012 °F)	30 phút	Dầu	Tăng độ cứng và sức mạnh
Làm nguội	400 - 600 °C (752 - 1112 °F)	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của thép không gỉ 431. Làm cứng làm tăng độ bền và độ cứng, trong khi tôi giúp giảm độ giòn, giúp vật liệu phù hợp hơn 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
Hàng không vũ trụ	Linh kiện máy bay	Độ bền cao, chống ăn mòn	Nhẹ và bền
Hàng hải	Trục bơm	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Tiếp xúc với nước biển
Ô tô	Van xả	Chịu nhiệt độ cao, độ cứng	Hiệu suất dưới nhiệt độ cao
Dầu khí	Các thành phần van	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Môi trường khắc nghiệt

Thép không gỉ 431 được lựa chọn cho các ứng dụng mà sự kết hợp giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng. Trong hàng không vũ trụ, đặc tính nhẹ của nó góp phần vào hiệu quả nhiên liệu, trong khi trong các ứng dụng hàng hải, khả năng chống ăn mòn của nó là tối 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 431	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	431 có độ bền cao hơn nhưng khả năng chống ăn mòn thấp hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Công bằng trong clorua	Xuất sắc	Xuất sắc	431 ít phù hợp với môi trường biển
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Tốt	431 đòi hỏi kỹ thuật hàn cẩn thận
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	431 khó gia công hơn 304
Khả năng định hình	Giới hạn	Tốt	Tốt	431 ít có khả năng định hình hơn do độ cứng của nó
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp	Cao	431 có giá cạnh tranh hơn so với 316
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Cao	431 ít phổ biến hơn 304 và 316

Khi lựa chọn thép không gỉ 431, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng chống ăn mòn và đặc điểm chế tạo của nó. Mặc dù có độ bền cao, nhưng khả năng bị ăn mòn trong môi trường clorua có thể hạn chế việc sử dụng nó trong một số ứng dụng nhất định. Hiệu quả về chi phí và tính khả dụng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp có hạn chế đáng kể về ngân sách.

Tóm lại, thép không gỉ 431 là vật liệu đa năng với sự kết hợp độc đáo của các đặc tính khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Điểm mạnh của nó nằm ở độ bền và độ cứng cao, trong khi những hạn chế về khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn phải được cân nhắc cẩn thận trong quá trình lựa chọn.