2205 so với 2507 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ duplex 2205 và 2507 (thường được gọi là "siêu duplex") được chỉ định rộng rãi khi cần độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với thép austenit. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn và mức độ chống ăn mòn cục bộ cần thiết để sử dụng trong môi trường chứa clorua. Các nhà lập kế hoạch sản xuất phải cân bằng giữa độ khó tạo hình và gia công với lợi ích tiết kiệm được từ việc giảm độ dày tiết diện nhờ độ bền cao hơn.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là 2507 chứa hàm lượng crom, molypden và nitơ cao hơn 2205, tạo ra khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở tốt hơn, cũng như độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn, nhưng bù lại khả năng định hình giảm đi đôi chút và chi phí vật liệu cao hơn. Chiến lược thành phần này - tăng Cr, Mo và N trong khi vẫn duy trì sự cân bằng ferritic-austenitic song pha - là lý do tại sao hai loại thép này được so sánh trong các môi trường khắc nghiệt và các ứng dụng chịu tải trọng lớn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 2205: Thường được gọi là UNS S32205 / S32266; được chỉ định trong ASTM/ASME (ví dụ: A240, A182 cho các sản phẩm rèn và rèn), EN (1.4462), JIS và GB tương đương.
• 2507: Thường được gọi là UNS S32750; được chỉ định trong ASTM/ASME và EN (1.4410 thường được sử dụng cho siêu song công) và các tiêu chuẩn khu vực khác.

Phân loại: - Cả thép 2205 và 2507 đều là thép không gỉ (cụ thể là thép không gỉ duplex). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép cấp HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các phạm vi thành phần điển hình của hai loại thép duplex này (các phạm vi được chứng nhận bởi nhà máy thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà sản xuất). Các nguyên tố không được liệt kê thường tồn tại ở dạng sắt cân bằng hoặc hàm lượng vết.

Yếu tố	2205 (phạm vi điển hình, wt%)	2507 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,03	≤ 0,03
Mn	≤ 2,0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,02	≤ 0,02
Cr	22,0–23,0	24,0–26,0
Ni	4,5–6,5	6.0–8.0
Mo	3,0–3,5	3,5–4,5
V	thường theo dõi/không có	thường theo dõi/không có
Nb / Ti	thường là không có	thường là không có
B	thường là không có	thường là không có
N	0,14–0,20	0,24–0,32
Fe	Sự cân bằng	Sự cân bằng

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Crom: là thành phần chính tạo nên lớp màng thụ động và khả năng chống rỗ; hàm lượng Cr cao hơn làm tăng khả năng chống ăn mòn nói chung và tăng nhẹ độ bền ở các loại thép hai pha. - Molypden: tăng khả năng chống rỗ và nứt trong môi trường chứa clorua. - Nitơ: ổn định pha austenit và tăng mạnh giới hạn chảy và khả năng chống rỗ (theo PREN), đồng thời cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất ở nhiều loại thép duplex. - Niken: cân bằng tỷ lệ pha ferit–austenit; hàm lượng Ni cao hơn trong 2507 giúp duy trì cấu trúc vi mô song công mặc dù hàm lượng Cr và Mo cao hơn. - Hàm lượng cacbon thấp giúp giảm thiểu sự kết tủa cacbua và khả năng ăn mòn giữa các hạt.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Cả hai loại đều là song pha — hỗn hợp ferit (δ) và austenit (γ) gần bằng nhau ở trạng thái ủ. Mục tiêu tỷ lệ thể tích thường gần bằng 50/50 nhưng thay đổi tùy theo dạng sản phẩm và lịch sử nhiệt. - 2205: cấu trúc vi pha kép ổn định với austenit được hình thành bởi sự phân chia Cr–Ni–N; cân bằng để có độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn tốt. - 2507: cấu trúc vi mô song công với hàm lượng hợp kim cao hơn; cần kiểm soát cẩn thận các chu trình nhiệt để tránh pha ferit quá mức hoặc pha liên kim loại có hại.

Tác động của quá trình nhiệt - Ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ ~1020–1100 °C đối với thép không gỉ hai pha) sau đó làm nguội nhanh giúp khôi phục cân bằng hai pha và hòa tan các kết tủa liên kim loại. Cả hai loại thép đều được hưởng lợi từ việc xử lý dung dịch thích hợp sau khi tạo hình nóng hoặc hàn mạnh để phục hồi các đặc tính. - Làm nguội chậm hoặc tiếp xúc kéo dài trong khoảng 600–950 °C sẽ thúc đẩy sự hình thành pha sigma, chi hoặc các pha liên kim loại khác, làm giòn vật liệu và làm giảm khả năng chống ăn mòn. Đây là mối lo ngại lớn hơn đối với hợp kim 2507 vì hàm lượng Cr và Mo cao hơn làm tăng động lực nhiệt động lực học của liên kim loại. - Làm nguội làm tăng độ bền bằng cách làm cứng và thay đổi sự cân bằng ferit-austenit; thép duplex thường được sản xuất ở dạng tấm hoặc thép khổ lớn với quá trình xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát để đạt được các đặc tính cơ học mong muốn. - Không giống như thép cacbon, các chu trình làm nguội và ram thông thường không được áp dụng cho thép không gỉ hai pha; việc kiểm soát chủ yếu thông qua ủ dung dịch và gia công nguội.

4. Tính chất cơ học

Các giá trị dưới đây là phạm vi điển hình cho các dạng sản phẩm ủ (tấm, lá, ống) và thay đổi tùy theo nhà máy và phương pháp xử lý nhiệt. Luôn sử dụng chứng chỉ nhà máy cho thiết kế.

Tài sản	2205 (điển hình, ủ)	2507 (điển hình, ủ)
Độ bền kéo (MPa)	~620–880	~800–1000
0,2% Bằng chứng / Năng suất (MPa)	~450–650	~620–800
Độ giãn dài (%)	~20–35	~10–25
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	nói chung là tốt, thường ≥40 J	nói chung là tốt nhưng thấp hơn 2205 trong một số điều kiện
Độ cứng (HRC/HB)	vừa phải	cao hơn do sức mạnh tăng lên

Diễn giải - Độ bền: Thép 2507 nhìn chung có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn nhờ hàm lượng nitơ và hợp kim bổ sung cao hơn. Điều này cho phép thiết kế giảm trọng lượng nhờ giảm độ dày tiết diện mà vẫn đảm bảo cùng khả năng chịu tải. - Độ dẻo dai và độ dai: 2205 thường có độ dẻo dai và khả năng định hình cao hơn; 2507 đánh đổi một phần độ dẻo dai để lấy độ bền cao hơn. Cả hai đều có thể có độ dẻo dai va đập tuyệt vời khi được xử lý đúng cách, nhưng 2507 nhạy cảm hơn với lịch sử nhiệt và kết tủa liên kim loại. - Nhà thiết kế phải xác minh độ bền cho các bộ phận chịu nhiệt độ thấp hoặc chịu va đập quan trọng.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn đối với thép không gỉ hai pha phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, nitơ và ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến khả năng làm cứng và cân bằng pha.

• Hàm lượng cacbon thấp ở cả hai loại, hạn chế sự hình thành cacbua và cải thiện khả năng hàn.
• Nitơ ổn định austenit; sự mất nitơ trong vũng hàn (do khử khí) có thể làm thay đổi sự cân bằng ferit-austenit, do đó, hóa chất độn và khí bảo vệ thích hợp là rất quan trọng.
• Hàm lượng Cr/Mo cao hơn trong 2507 làm tăng nguy cơ hình thành pha liên kim loại trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nếu tốc độ làm nguội chậm hoặc lượng nhiệt đầu vào sau hàn quá nhiều. Do đó, 2507 yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn lượng nhiệt đầu vào và nhiệt độ liên lớp so với 2205.

Chỉ số khả năng hàn phổ biến (sử dụng định tính) - Có thể sử dụng đương lượng cacbon (IIW) và Pcm để đánh giá khả năng chịu nứt nguội do hydro gây ra. Ví dụ về công thức: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Sử dụng các công thức này một cách định tính: cả hai loại thép này thường có CE/Pcm thấp so với thép có hàm lượng cacbon cao, nhưng hàm lượng hợp kim cao hơn của thép 2507 làm tăng CE/Pcm so với thép 2205.

Ghi chú thực tế - Đối với thép không gỉ duplex, việc làm nóng trước thường ở mức tối thiểu; tránh làm nóng trước quá mức và duy trì nhiệt độ giữa các lớp hàn thích hợp để ngăn ngừa hình thành sigma. - Sử dụng kim loại độn phù hợp hoặc hợp kim hóa quá mức để khôi phục sự cân bằng hợp kim trong kim loại hàn. Ủ dung dịch sau hàn hiếm khi khả thi đối với các kết cấu chế tạo lớn nhưng có thể được sử dụng cho các bộ phận quan trọng. - Kiểm tra cơ học sau khi hàn và kiểm tra ăn mòn (ví dụ: khả năng chống rỗ hoặc ASTM G48) được khuyến nghị cho các cụm lắp ráp quan trọng, đặc biệt là đối với 2507.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Đối với các loại thép không gỉ duplex, biện pháp bảo vệ bề mặt tiêu chuẩn bằng cách hoàn thiện và thụ động hóa là hiệu quả; mạ kẽm không áp dụng cho các loại thép không gỉ.

Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) - PREN thường được sử dụng để ước tính khả năng chống rỗ clorua: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ - Vì 2507 có hàm lượng Cr, Mo và N cao hơn 2205 nên nó có PREN cao hơn và do đó có khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn trong môi trường chứa clorua. PREN chỉ là một chỉ dẫn—cấu trúc vi mô, tạp chất và tình trạng bề mặt cũng ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế.

Khi PREN không áp dụng - PREN nhắm đến khả năng chống rỗ trong môi trường clorua; đối với ăn mòn nói chung, tốc độ ăn mòn đồng đều trong dung dịch axit hoặc kiềm oxy hóa không thể chỉ dựa vào PREN. Khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) phụ thuộc vào điều kiện luyện kim, trạng thái ứng suất và môi trường; thép duplex thường có khả năng chống nứt do ăn mòn SCC tốt hơn thép austenit, nhưng đặc tính của SCC có thể khác nhau.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều được tôi cứng trong quá trình cắt. Độ bền và hàm lượng hợp kim cao hơn của thép 2507 khiến việc gia công trở nên khó khăn hơn một chút — đòi hỏi cấu hình cứng, dụng cụ sắc bén, độ sâu cắt nhỏ và tốc độ chạy dao thường chậm hơn. Vật liệu dụng cụ và lựa chọn chất làm mát là rất quan trọng.
• Tạo hình/uốn cong: Thép 2205 dễ tạo hình hơn thép 2507 do có độ dẻo cao hơn. Thép 2507 có thể cần bán kính uốn lớn hơn, giảm biến dạng trên mỗi lần uốn và các bước ủ thường xuyên hơn để tạo hình phức tạp.
• Hoàn thiện bề mặt: Đánh bóng cơ học và hóa học đều giống nhau ở cả hai loại, nhưng 2507 có thể yêu cầu các phương pháp mạnh hơn để loại bỏ biến dạng dưới bề mặt do gia công.

8. Ứng dụng điển hình

2205 (Ứng dụng)	2507 (Ứng dụng)
Bộ trao đổi nhiệt, đường ống và phụ kiện trong các nhà máy hóa chất và hóa dầu	Các thành phần dưới biển và trên bề mặt trong dầu khí nước sâu
Hệ thống nước biển, các thành phần khử muối có mức clorua vừa phải	Môi trường clorua có tính ăn mòn cao, ví dụ như giếng giàu clorua, nước muối có nhiệt độ cao
Bình chịu áp suất, bồn chứa cần có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn nhưng ngân sách hạn chế	Các mặt bích, ống rốn, van và ống phân phối quan trọng đòi hỏi khả năng chống rỗ và khe hở cao nhất
Máy nghiền bột giấy và giấy và thiết bị xử lý	Ứng dụng trong trường hợp cần giảm độ dày tiết diện do tải trọng cao và môi trường ăn mòn

Cơ sở lựa chọn - Chọn 2205 khi cần cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn ở mức độ tiếp xúc với clorua vừa phải và khi hiệu quả tạo hình và hàn là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 2507 ở nơi có môi trường đặc biệt khắc nghiệt (nhiều clorua, nhiệt độ cao), nơi có ứng suất cho phép cao hơn cho phép giảm độ dày hoặc nơi yêu cầu khả năng chống rỗ/kẽ hở tối đa.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 2507 luôn đắt hơn 2205 do hàm lượng hợp kim cao hơn (đặc biệt là Ni, Mo và N) và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn. Chênh lệch chi phí vật liệu có thể rất đáng kể và cần được cân nhắc dựa trên lợi ích vòng đời và khả năng tiết kiệm chi phí.
• Tính khả dụng: 2205 được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, ống, phụ kiện và ốc vít. 2507 có sẵn trên thị trường nhưng ít phổ biến hơn; thời gian giao hàng có thể kéo dài đối với một số dạng sản phẩm hoặc kích thước tùy chỉnh. Các nhà hoạch định mua sắm nên cân nhắc thời gian giao hàng và các yêu cầu thử nghiệm tại nhà máy khi chỉ định 2507.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	2205	2507
Khả năng hàn	Tốt hơn (khoan dung hơn)	Tốt nhưng cần kiểm soát nhiệt đầu vào chặt chẽ hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao với độ dẻo tốt	Độ bền cao hơn, độ dẻo thấp hơn một chút
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (cao cấp)

Chọn 2205 nếu: - Bạn cần loại thép duplex bền chắc có khả năng chống ăn mòn và SCC tốt, khả năng tạo hình tốt hơn và dễ hàn hơn, cùng chi phí vật liệu thấp hơn. - Dịch vụ liên quan đến việc tiếp xúc với clorua ở mức độ vừa phải, trong đó PREN và cấu trúc vi mô của 2205 là đủ.

Chọn 2507 nếu: - Môi trường có tính ăn mòn cao (nồng độ clorua cao, nhiệt độ cao hoặc có khe hở hẹp) và yêu cầu khả năng chống rỗ/khe hở cao nhất. - Bạn cần độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn để giảm độ dày của tiết diện hoặc đáp ứng các yêu cầu tải trọng nghiêm ngặt và sẵn sàng chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn cũng như kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn.

Lưu ý cuối cùng: Giấy chứng nhận nhà máy, hình dạng sản phẩm thực tế, lịch sử chế tạo và thử nghiệm tại hiện trường (ví dụ: thử nghiệm ăn mòn rỗ/rãnh trên các mối hàn) là những dữ liệu đầu vào thiết yếu để hoàn thiện việc lựa chọn cấp độ. Luôn xác thực các giá trị thiết kế với dữ liệu của nhà cung cấp và các quy chuẩn liên quan cho các thành phần quan trọng về an toàn.