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

Giới thiệu

Thép không gỉ duplex 2205 và 2507 thường bị rỗ khi các nhà thiết kế và đội ngũ mua sắm phải cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học, khả năng hàn và chi phí vòng đời. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm lựa chọn đường ống ngoài khơi và thiết bị thượng tầng, thiết kế nhà máy hóa chất, các bộ phận chịu áp suất và bất kỳ ứng dụng nào có mối quan tâm về nứt hoặc rỗ do ăn mòn ứng suất clorua.

Sự khác biệt thực tế cốt lõi là 2507 là hợp kim "siêu song công" với hàm lượng hợp kim cao hơn (đặc biệt là crom, molypden và nitơ) và do đó có độ bền và khả năng chống ăn mòn cao hơn, trong khi 2205 là loại song công được sử dụng rộng rãi, mang lại sự cân bằng kinh tế giữa độ bền, độ dẻo và hiệu suất chống ăn mòn. Những khác biệt này khiến 2205 và 2507 trở thành lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng tương tự, với việc lựa chọn được thúc đẩy bởi tầm quan trọng tương đối của độ bền và khả năng chống ăn mòn so với chi phí và tính dễ chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tên gọi chung:
• ASTM/ASME: 2205 (các biến thể UNS S32205 / S31803), 2507 (UNS S32750 / S32760 tùy thuộc vào thành phần hóa học chính xác)
• EN: 1.4462 (2205), 1.4410 / 1.4501 đôi khi được tham chiếu cho các biến thể siêu song công (tương đương họ 2507)
• JIS/GB: có các tiêu chuẩn tương đương quốc gia nhưng sử dụng UNS/EN/ASTM cho việc mua sắm quốc tế
• Phân loại:
• Cả 2205 và 2507 đều là thép không gỉ; cụ thể chúng là thép không gỉ song pha (cấu trúc vi mô hỗn hợp austenit + ferit). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc hợp kim HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cung cấp phạm vi thành phần điển hình của các nguyên tố hợp kim chính được sử dụng để phân biệt 2205 (siêu song công) với 2507 (siêu song công). Các giá trị được trình bày dưới dạng phạm vi điển hình theo phần trăm trọng lượng và đại diện cho thông lệ của ngành; giới hạn chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật/nhà sản xuất.

Yếu tố	2205 (điển hình)	2507 (điển hình)
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	21,5 – 23,5	24,0 – 26,0
Ni	4,5 – 6,5	6.0 – 8.0
Mo	2,5 – 3,5	3.0 – 5.0
V	dấu vết	dấu vết
Lưu ý	— (không cố ý thêm vào)	— (không điển hình)
Ti	—	—
B	—	—
N	0,14 – 0,20	0,24 – 0,32

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom làm tăng độ ổn định của màng thụ động và khả năng chống ăn mòn/rỗ nói chung. - Molypden tăng cường khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở và góp phần vào PREN. - Nitơ là chất ổn định austenit mạnh trong hợp kim song pha, làm tăng giới hạn chảy, cải thiện khả năng chống rỗ và giảm hàm lượng niken cần thiết. - Niken cân bằng các thành phần pha (thúc đẩy austenit) và cải thiện độ dẻo dai. - Hàm lượng Cr, Mo và N cao hơn trong thép 2507 mang lại khả năng chống ăn mòn tốt hơn và độ bền cao hơn (nhưng cũng có khả năng làm cứng tốt hơn).

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cả hai loại đều được thiết kế theo cấu trúc vi pha kép với khoảng 50% ferit và 50% austenit trong điều kiện ủ dung dịch. Cân bằng pha chính xác phụ thuộc vào thành phần hóa học và lịch sử nhiệt.
• 2205 thường đạt được sự cân bằng song công ổn định với các phương pháp nấu chảy thông thường; 2507 yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn về thành phần và xử lý nhiệt để tránh lượng ferit quá mức và đảm bảo hình thành đủ austenit.
• Xử lý nhiệt và chế biến:
• Tiêu chuẩn tân trang/ủ dung dịch: nung nóng đến phạm vi ủ dung dịch (thường là ≈ $1020–1100^\circ\text{C}$) sau đó làm nguội nhanh (làm nguội bằng nước) để khôi phục sự cân bằng song pha và hòa tan các pha liên kim loại.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán, rèn có kiểm soát) ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố pha; cả hai loại đều có thể được sản xuất ở dạng tấm và thanh với các đặc tính cơ học mong muốn bằng cách kiểm soát chu kỳ cán/ủ.
• Quá trình lão hóa hoặc làm nguội chậm qua $300–1000^\circ\text{C}$ thúc đẩy các pha liên kim loại (sigma, chi) và nitrua làm giòn vật liệu — 2507, do hàm lượng hợp kim cao hơn, cần phải kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt để tránh các kết tủa này và duy trì độ dẻo dai.
• Độ cứng:
• Hàm lượng hợp kim và nitơ cao hơn của 2507 làm tăng khả năng tôi luyện; điều này ảnh hưởng đến phản ứng HAZ của mối hàn và thúc đẩy độ bền cao hơn ở các vùng được làm mát.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu cho các dạng sản phẩm ủ dung dịch (tấm, thanh hoặc ống) thường được cung cấp. Tính chất thực tế phụ thuộc vào dạng sản phẩm, quy trình xử lý và tiêu chuẩn thử nghiệm.

Tài sản	2205 (điển hình)	2507 (điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	620 – 850 MPa	850 – 1.000 MPa
Độ bền kéo dài (độ bền 0,2%)	450 – 620 MPa	650 – 850 MPa
Độ giãn dài (A%)	20 – 35%	10 – 25%
Độ bền va đập (Charpy, nhiệt độ phòng)	thường tốt; giá trị thường là 50 – 120 J (tùy thuộc vào phần/nhiệt độ)	thường thấp hơn 2205 ở độ dày tương đương; giá trị thay đổi 30 – 100 J
Độ cứng (HRC)	~20 – 30 HRC (chuyển đổi điển hình)	~25 – 36 HRC (cao hơn do độ bền)

Giải thích: - Độ bền: Thép 2507 có độ bền kéo và độ bền giới hạn chảy cao hơn đáng kể do có hàm lượng Mo/Cr/N và nitơ cao hơn; điều này làm cho thép này trở nên hấp dẫn khi cần ứng suất thiết kế cao hoặc tiết diện mỏng hơn. - Độ dẻo dai và tính dễ uốn: 2205 thường có độ dẻo dai tốt hơn và có xu hướng duy trì độ dẻo dai khi va đập cao hơn, đặc biệt là sau khi chế tạo. 2507 có thể kém dẻo hơn và dễ bị giòn hơn do liên kết kim loại nếu xử lý không đúng cách. - Sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo dai là yếu tố cốt lõi: 2507 mang lại độ bền và khả năng chống ăn mòn nhưng lại mất đi một phần khả năng gia công và khả năng chống va đập ở nhiệt độ thấp nếu không được xử lý đúng cách.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn đối với thép không gỉ hai pha phải tính đến khả năng làm cứng/tương đương cacbon và kiểm soát cân bằng pha.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tương đương chống rỗ (thường dùng cho thép không gỉ):
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Công thức nhạy cảm với biến dạng cho xu hướng nứt mối hàn:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 2205: Khả năng hàn tốt cho loại hàn duplex khi sử dụng vật liệu trám phù hợp và kiểm soát các thông số hàn. Hàm lượng hợp kim thấp hơn và hàm lượng nitơ vừa phải giúp đạt được sự cân bằng ferit/austenit chấp nhận được trong vùng HAZ dễ dàng hơn so với hàn siêu duplex. Việc gia nhiệt trước thường không cần thiết; việc kiểm soát nhiệt lượng đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp hàn là rất quan trọng. - 2507: Hàn đòi hỏi khắt khe hơn. Hàm lượng hợp kim và nitơ cao hơn làm tăng khả năng tôi và xu hướng hình thành ferit hoặc liên kim quá mức trong vùng HAZ. Hàn đòi hỏi các quy trình hàn chất lượng, thường là nhiệt lượng đầu vào cao hơn hoặc các kỹ thuật được kiểm soát để khôi phục thành phần austenit, và lựa chọn kim loại đắp phù hợp (trám siêu song công phù hợp hoặc vượt trội). Xử lý nhiệt sau hàn hiếm khi khả thi trên các kết cấu lớn; trọng tâm là thực hành hàn duy trì cân bằng pha chấp nhận được và tránh hình thành sigma. - Ở cả hai cấp độ, việc kiểm soát hydro, độ sạch và chất lượng quy trình hàn đều cần thiết để tránh nứt và đáp ứng mục tiêu chống ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với các loại thép không gỉ kép (cả 2205 và 2507), khả năng chống ăn mòn là yếu tố nội tại và liên quan đến PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ (PRN cao hơn tương quan với khả năng chống rỗ cao hơn trong môi trường clorua).
• Ví dụ (chỉ mang tính minh họa): các hóa chất tầm trung thông thường tạo ra giá trị PREN vào khoảng giữa 30 đối với 2205 và thấp 40 đối với 2507, cho thấy khả năng chống rỗ cao hơn đáng kể đối với 2507 trong môi trường clorua xâm thực.
• Hướng dẫn thực tế:
• 2205: Khả năng chống ăn mòn tổng thể tuyệt vời và khả năng chống rỗ clorua và SCC tốt ở nồng độ clorua và nhiệt độ nhất định. Được sử dụng rộng rãi trong môi trường nước biển và quy trình đòi hỏi khả năng chống ăn mòn từ trung bình đến cao.
• 2507: Khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở vượt trội, khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua và môi trường hydro sunfua cao hơn; phù hợp với môi trường nước biển khắc nghiệt nhất, vùng bắn tung tóe ngoài khơi, thiết bị dưới biển và nhiệm vụ cấp nước khử muối.
• Các giải pháp thay thế không phải thép không gỉ: Khi không chọn bất kỳ loại thép nào và sử dụng thép cacbon/hợp kim, thì cần phải bảo vệ bề mặt (mạ kẽm, phủ epoxy, lót polyme, bảo vệ catốt) — các chiến lược bảo vệ này không thể thay thế cho hiệu suất của thép không gỉ hai pha trong môi trường có hàm lượng clorua cao hoặc môi trường chua.

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

• Khả năng gia công:
• Hợp kim duplex có khả năng làm cứng; chúng đòi hỏi thiết lập cứng, dụng cụ sắc bén và thông số cắt bảo thủ.
• Thép 2205 thường dễ gia công hơn thép 2507 vì độ bền thấp hơn và xu hướng làm cứng thấp hơn.
• Độ bền và độ dẻo dai cao hơn của 2507 làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và có thể yêu cầu tốc độ ăn dao chậm hơn, công suất cao hơn và dụng cụ/lớp phủ chuyên dụng.
• Tạo hình và uốn cong:
• Thép 2205 có khả năng tạo hình nguội tốt hơn; chịu được bán kính uốn cong hẹp hơn và tạo hình phức tạp hơn với độ đàn hồi ít hơn thép 2507.
• 2507 có khả năng tạo hình nguội hạn chế hơn — cần bán kính uốn lớn hơn, lực uốn lớn hơn và lập kế hoạch quy trình cẩn thận để tránh nứt. Đôi khi, các phương pháp tạo hình nóng và tạo hình gia tăng được sử dụng.
• Hoàn thiện:
• Cả hai đều sử dụng phương pháp hoàn thiện thép không gỉ thông thường (mài, đánh bóng điện). Độ cứng cao hơn của thép 2507 có thể làm quá trình hoàn thiện cơ học chậm hơn.
• Kiểm soát chế tạo:
• Cả hai loại đều yêu cầu kiểm soát lượng nhiệt đầu vào trong quá trình hàn và tránh tiếp xúc lâu với nhiệt độ hình thành liên kim loại; 2507 nhạy cảm hơn.

8. Ứng dụng điển hình

2205 (Song lập)	2507 (Siêu song công)
Bộ trao đổi nhiệt, đường ống và phụ kiện trong nhà máy hóa chất	Rốn ngầm, ống đứng nước sâu và các thành phần ngầm có tính ăn mòn cao
Đường ống, van và trục bơm trên mặt nước ngoài khơi cần có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn nhưng vẫn nhạy cảm về chi phí	Môi trường nhà máy khử muối, hệ thống làm mát nước biển cho nồng độ clorua cao và nhiệt độ cao
Bể dằn, giếng khoan biển và dịch vụ nước biển trong điều kiện tiếp xúc với clorua ở mức độ vừa phải	Các thành phần giếng khoan và giếng tiếp xúc với H2S/clorua và nơi cần khả năng chống SCC tối đa
Thiết bị xử lý trong ngành công nghiệp bột giấy và giấy, hóa dầu và dược phẩm	Các mặt bích quan trọng, thân van và các bộ phận kết cấu chịu ứng suất cao trong môi trường clorua hoặc axit khắc nghiệt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 2205 khi cần sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống ăn mòn và chi phí cho hầu hết các ứng dụng xử lý nước biển/quy trình. - Chọn 2507 khi môi trường hoặc tải trọng thiết kế đòi hỏi sự kết hợp thực tế cao nhất giữa khả năng chống rỗ/SCC và độ bền, và khi chi phí vòng đời biện minh cho chi phí vật liệu ban đầu và chế tạo cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 2507 đắt hơn đáng kể so với 2205 do hàm lượng hợp kim cao hơn và quy trình kiểm soát sản xuất nghiêm ngặt hơn. Chi phí vật liệu trên mỗi kg và tổng chi phí lắp đặt (bao gồm cả hàn/chế tạo) cao hơn.
• Tính khả dụng: 2205 được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, ống, phụ kiện và thanh từ nhiều nhà sản xuất. 2507 cũng có sẵn nhưng ít nguồn cung cấp hơn và thời gian giao hàng lâu hơn, cũng như có thể có ít kích thước/độ dày sản phẩm hơn.
• Ý nghĩa về mua sắm: Đối với khối lượng lớn hoặc kích thước tiêu chuẩn, 2205 thường là lựa chọn có chi phí thấp hơn và dễ dàng tìm thấy hơn. Đối với các kích thước chuyên biệt hoặc yêu cầu siêu song công, hãy lập kế hoạch lựa chọn nhà cung cấp và thời gian giao hàng sớm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tài sản	2205	2507
Khả năng hàn	Tốt (dễ kiểm soát hơn)	Đòi hỏi khắt khe hơn (yêu cầu kiểm soát quy trình)
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Cân bằng mạnh mẽ; độ dẻo dai/độ bền tốt hơn	Độ bền cao hơn; độ dẻo giảm đi một chút; nhạy cảm hơn với các pha giòn
Khả năng chống ăn mòn (rỗ/SCC)	Cao (PREN thường ở mức giữa 30)	Rất cao (PREN thường thấp-40)
Chi phí và tính khả dụng	Tiết kiệm hơn, có sẵn rộng rãi	Chi phí cao hơn, thời gian giao hàng dài hơn

Sự giới thiệu: - Chọn 2205 nếu: - Bạn cần loại thép không gỉ hai mặt tiết kiệm chi phí, có khả năng chống ăn mòn tổng thể mạnh và khả năng chế tạo tốt cho đường ống, bộ trao đổi nhiệt, trục và dịch vụ xử lý/nước biển nói chung. - Sự đơn giản trong chế tạo, thời gian hoàn thành ngắn hơn hoặc khả năng tạo hình nguội tốt hơn đều quan trọng. - Chọn 2507 nếu: - Điều kiện sử dụng bao gồm nồng độ clorua cao, nhiệt độ cao hơn, môi trường chua (H2S) hoặc khi thiết kế yêu cầu độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn và khả năng chống rỗ và SCC tối đa. - Dự án có thể đáp ứng được chi phí vật liệu cao hơn, kiểm soát chặt chẽ hơn về hàn/chế tạo và thời gian cung ứng tiềm năng.

Lưu ý cuối cùng: cả hai hợp kim đều có khả năng ứng dụng cao khi được chỉ định và xử lý chính xác. Lựa chọn phù hợp đòi hỏi phải cân nhắc mức độ ăn mòn của môi trường, yêu cầu về tải trọng cơ học, năng lực chế tạo và tổng chi phí vòng đời. Đối với các hệ thống quan trọng, hãy thực hiện thử nghiệm ăn mòn theo ứng dụng cụ thể, thẩm định quy trình hàn và xác minh chuỗi cung ứng trước khi lựa chọn cuối cùng.