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

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự đánh đổi giữa khả năng chống ăn mòn, hiệu suất cơ học và chi phí khi lựa chọn thép không gỉ cho thiết bị quy trình, đường ống và các thành phần kết cấu. Thép không gỉ 304 được sử dụng rộng rãi khi yêu cầu chính là khả năng định hình, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn trung bình; thép không gỉ 2205 (thép không gỉ duplex) được lựa chọn khi cần độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn cục bộ được cải thiện.

Sự khác biệt cơ bản về mặt luyện kim là một loại là hợp kim austenit hoàn toàn, trong khi loại kia là hợp kim hai pha (ferit + austenit). Sự khác biệt này dẫn đến sự khác biệt về độ bền, độ dẻo dai, tính chất mối hàn và khả năng hình thành pha liên kim loại, đó là lý do tại sao hai loại này thường được so sánh trong các quyết định thiết kế và chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 304
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (biến thể 304, 304L)
• EN: EN 1.4301 (304), EN 1.4306 (304L)
• JIS: SUS304
• GB: 0Cr18Ni9 (tên gọi gần đúng)
• Phân loại: Không gỉ — austenit
• 2205
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (trước đây là UNS S32205 / S31803)
• EN: EN 1.4462
• Khác: UNS S32205, đôi khi được gọi là Duplex 2205
• Phân loại: Không gỉ — song pha (ferit + austenit)

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Phạm vi thành phần điển hình (giá trị đại diện cho các loại thương mại tiêu chuẩn). Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể và dạng sản phẩm.

Yếu tố	304 (điển hình)	2205 (điển hình)
C	≤ 0,08% khối lượng	≤ 0,03% khối lượng
Mn	≤ 2,0% khối lượng	≤ 2,0% khối lượng
Si	≤ 1,0% khối lượng	≤ 0,8% khối lượng
P	≤ 0,045% khối lượng	≤ 0,03% khối lượng
S	≤ 0,03% khối lượng	≤ 0,02% khối lượng
Cr	17,0–19,0% khối lượng	21,0–23,0% khối lượng
Ni	8,0–10,5% khối lượng	3,0–5,5% khối lượng
Mo	~0% khối lượng	2,5–3,5% khối lượng
V	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
Lưu ý	—	thường rất thấp / không có
Ti	—	thường rất thấp / không có
B	—	theo dõi nếu có
N	~0,03–0,10% khối lượng	0,14–0,20 wt% (có ý nghĩa)

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - 304: Ni là chất ổn định austenit chính; Cr cung cấp khả năng thụ động cho khả năng chống ăn mòn. Lượng C thấp hạn chế sự kết tủa cacbua và cải thiện khả năng hàn (biến thể 304L làm giảm lượng C hơn nữa). - 2205: Hàm lượng Cr, Mo và N cao giúp tăng khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở, đồng thời tăng cường độ bền. Hàm lượng Ni thấp hơn giúp giảm chi phí và ổn định cân bằng pha kép (ferit + austenit). Mo và N là chìa khóa cho khả năng chống ăn mòn cục bộ và tăng cường độ bền chảy.

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

• 304 (austenit):
• Cấu trúc vi mô: Hoàn toàn austenit (FCC) trong điều kiện ủ dung dịch.
• Xử lý nhiệt: Ủ dung dịch (khoảng 1010–1100°C) sau đó làm nguội nhanh giúp bảo quản austenit đơn pha; không bị tôi cứng bằng cách tôi/ram. Sự kết tủa cacbua (nhạy cảm hóa) có thể xảy ra ở nhiệt độ 450–850°C nếu duy trì, dẫn đến ăn mòn liên hạt; các mác thép ít cacbon (304L) hoặc ổn định (304H, 321/347) sẽ giải quyết vấn đề này.
• Xử lý nhiệt cơ học: Làm nguội làm tăng độ bền bằng cách làm cứng biến dạng và làm giảm độ dẻo; quá trình kết tinh lại xảy ra trong quá trình ủ.
• 2205 (song lập):
• Cấu trúc vi mô: Hỗn hợp ferit (α, BCC) và austenit (γ, FCC) với tỷ lệ ferit khoảng 40–60% ở điều kiện cân bằng. Ferrit mang lại độ bền và khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất; austenit mang lại độ dai và độ dẻo.
• Xử lý nhiệt: Ủ dung dịch (khoảng 1020–1100°C) sau đó làm nguội nhanh giúp khôi phục cân bằng pha và hòa tan các tạp chất liên kim loại có hại. Tiếp xúc kéo dài trong khoảng 600–1000°C sẽ thúc đẩy pha sigma và các tạp chất liên kim loại khác làm giòn vật liệu và giảm khả năng chống ăn mòn; do đó, các chu kỳ nhiệt được kiểm soát và làm nguội nhanh là rất quan trọng.
• Các tuyến đường nhiệt cơ học: Làm nóng và làm nguội có kiểm soát ảnh hưởng đến cân bằng pha; làm nguội quá mức làm tăng ứng suất và có thể cần ủ để khôi phục độ dẻo dai.

Thường hóa, tôi và ram: Đây là các thuật ngữ tiêu chuẩn cho thép cacbon và thép hợp kim. Đối với thép 304 và 2205, "tôi và ram" không được áp dụng làm phương pháp gia cường; ủ dung dịch và làm nguội có kiểm soát là các quy trình nhiệt liên quan.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học điển hình trong điều kiện ủ/xử lý dung dịch thông thường. Giá trị thay đổi tùy theo dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống) và tiêu chuẩn.

Tài sản	304 (ủ)	2205 (ủ dung dịch)
Độ bền kéo (MPa)	~490–750	~630–900
Giới hạn chảy 0,2% (MPa)	~200–300	~450–550
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	~40–60	~20–35
Độ bền va đập (Charpy, J)	Cao, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ T thấp	Tốt, nhưng thấp hơn 304 ở một số hướng; tuyệt vời ở môi trường xung quanh
Độ cứng (HRB/HRc xấp xỉ)	~70–100 HRB	Thông thường cao hơn, ~100–150 HRB

Giải thích: - 2205 có giới hạn chảy cao hơn đáng kể và thường có độ bền kéo cao hơn 304 do có pha ferritic và hợp kim nitơ/Mo. - Thép 304 có độ dẻo cao hơn và độ dai tốt hơn ở các phần gia công nguội nặng; thép 2205 vẫn giữ được độ dai tốt nhưng độ giãn dài giảm. - Việc lựa chọn phải cân nhắc giữa yêu cầu về độ bền so với nhu cầu về khả năng tạo hình và độ dẻo dai.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương, cân bằng pha và khả năng nứt hoặc hình thành liên kim loại.

Chỉ số khả năng hàn chung: - CE IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 304: Khả năng hàn tuyệt vời trong hầu hết các điều kiện; hàm lượng carbon thấp (đặc biệt là 304L) giúp giảm thiểu nguy cơ nhạy cảm. Cấu trúc austenit chống nứt nguội; thường không cần gia nhiệt trước và hiếm khi cần ủ sau khi hàn. - 2205: Có thể hàn được nhưng đòi hỏi khắt khe hơn. Cần kiểm soát nhiệt lượng đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp hàn để duy trì tỷ lệ ferit/austenit cân bằng trong vùng hàn. Nhiệt độ quá cao hoặc làm nguội chậm có thể tạo ra mối hàn liên kim loại (sigma) hoặc mối hàn ferit quá mức, giòn hoặc có khả năng chống ăn mòn kém. Việc sử dụng kim loại điền đầy duplex phù hợp và các quy trình phù hợp mang lại kết quả tốt; ủ dung dịch sau hàn đôi khi được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng, mặc dù không phải lúc nào cũng khả thi đối với các cụm lắp ráp lớn.

Ghi chú thực tế: - Đối với 2205, việc sử dụng vật liệu độn phù hợp và kiểm soát nhiệt chặt chẽ giúp đạt được sự cân bằng pha mong muốn (thường là 40–60% ferit). Tránh sử dụng nhiệt lượng cao và thời gian giữ nhiệt lâu trong cửa sổ hình thành pha sigma. - Đối với 304, việc lựa chọn vật liệu độn khá đơn giản (ví dụ: ER308/ER308L); hãy chú ý đến hiện tượng nhạy cảm nếu phải làm việc ở nhiệt độ cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ:
• Sử dụng Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) để so sánh khả năng chống ăn mòn rỗ trong môi trường clorua: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Ví dụ gần đúng (thành phần trung bình): 304 (Cr ≈ 18, Mo ≈ 0, N nhỏ) tạo ra PREN ≈ 18; 2205 (Cr ≈ 22, Mo ≈ 3,0, N ≈ 0,17) tạo ra PREN ≈ 34–35. Điều này minh họa tại sao hợp kim kép 2205 có khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn đáng kể trong môi trường chứa clorua.
• Thép không gỉ: Đối với thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp (không phải trường hợp này), mạ kẽm, sơn và bảo vệ catốt là phương pháp thông thường; đối với thép 304/2205, bảo vệ bề mặt thường không cần thiết khi lựa chọn cấp độ phù hợp với môi trường.
• Hạn chế:
• Inox 304 dễ bị tấn công cục bộ (rỗ, nứt) trong môi trường giàu clorua và dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất ở một số nhiệt độ và thành phần hóa học của clorua.
• Thép 2205 có khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất do clorua tốt hơn nhiều do hàm lượng ferit cao hơn và PREN cao hơn, nhưng dễ bị giòn do pha liên kim loại nếu xử lý không đúng cách.

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

• Khả năng gia công:
• 304: Khả năng gia công tốt; thép không gỉ austenit có độ cứng cao và đòi hỏi cấu hình cứng, dụng cụ sắc bén và tốc độ cắt phù hợp. Chèn và bộ điều khiển tốc độ cắt giúp ích.
• 2205: Khó gia công hơn 304 do độ bền và độ cứng cao hơn; lực cắt lớn hơn và tốc độ mài mòn dụng cụ nhanh hơn. Thường sử dụng dụng cụ cacbua và chiến lược giảm độ sâu cắt.
• Khả năng định hình:
• 304: Khả năng tạo hình nguội và kéo sâu tuyệt vời; độ dẻo cao hỗ trợ các hoạt động tạo hình phức tạp.
• 2205: Khả năng tạo hình nguội hạn chế so với 304; việc tạo hình có thể yêu cầu mức độ biến dạng thấp hơn hoặc ủ trung gian. Bán kính uốn phải lớn hơn và độ đàn hồi cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai loại đều có thể được đánh bóng và thụ động hóa; 2205 cần được cẩn thận để tránh bị nhuộm màu do nhiệt và kết tủa liên kim loại trong quá trình hàn; tẩy gỉ và thụ động hóa sẽ phục hồi oxit bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

304 — Công dụng điển hình	2205 — Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, đồ dùng nhà bếp, linh kiện HVAC, trang trí kiến ​​trúc trong nhà, đường ống xử lý hóa chất với dịch vụ nhẹ	Bộ trao đổi nhiệt hóa chất và dầu khí, đường ống nước biển, thiết bị trên cùng dầu khí, khử muối, mặt bích và phụ kiện tiếp xúc với clorua
Viền ô tô, ốc vít, thùng chứa thực phẩm	Các công trình ngoài khơi, các thành phần giếng khoan, môi trường clorua xâm thực, bình chịu áp suất yêu cầu độ bền cao hơn
Đường ống đa năng, thiết bị vệ sinh	Bể chứa khí lạnh và các ứng dụng kết cấu đòi hỏi độ bền trên trọng lượng cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép 304 khi định hình, dễ hàn và khả năng chống ăn mòn trong môi trường không ăn mòn là ưu tiên hàng đầu và khi giá thành là yếu tố quan trọng. - Chọn 2205 khi cần độ bền, khả năng chống ăn mòn rỗ/rãnh trong môi trường clorua và khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất thấp hơn, và khi chi phí vật liệu cao hơn là hợp lý.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Thép 304 thường có giá thành thấp hơn do hàm lượng Ni cao hơn một số loại thép ferritic nhưng hàm lượng Mo và N lại thấp hơn thép duplex; thép này được sản xuất với số lượng rất lớn, giúp giá cả luôn cạnh tranh.
• 2205 đắt hơn 304 tính theo kg do có Mo và hàm lượng N được kiểm soát cũng như yêu cầu xử lý phức tạp hơn.
• Khả dụng:
• Thép 304 có mặt ở khắp mọi nơi dưới dạng tấm, thanh, ống và chốt và được lưu kho trên toàn thế giới.
• 2205 được sử dụng rộng rãi nhưng ít phổ biến hơn; thường được dùng trong ống, phụ kiện, tấm và thanh cho thị trường công nghiệp. Thời gian giao hàng dài và nguồn cung cấp thép cán hạn chế có thể xảy ra đối với các sản phẩm có kích thước rất lớn hoặc đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tài sản	304	2205
Khả năng hàn	Tuyệt vời, dễ tha thứ	Tốt với các điều khiển; cần kết hợp chất độn và kiểm soát nhiệt
Sức mạnh – Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo cao	Độ bền cao, độ dẻo dai tốt cho sức mạnh
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (hợp kim cao cấp, chế biến)

Hướng dẫn kết luận: - Chọn 304 nếu bạn cần khả năng định hình và hàn tuyệt vời, chi phí thấp hơn và sử dụng trong môi trường ăn mòn nhẹ (thực phẩm, kiến ​​trúc, dây chuyền quy trình chung). - Chọn 2205 nếu thiết kế yêu cầu độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn, khả năng chống ăn mòn rỗ/kẽ hở và nứt do ăn mòn ứng suất clorua vượt trội hoặc tiết kiệm trọng lượng/không gian thông qua các phần mỏng hơn — và bạn có thể chấp nhận chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn.

Nếu môi trường ăn mòn, độ bền hoặc khả năng bị ăn mòn của SCC là yếu tố thiết kế quan trọng, hãy tiến hành nghiên cứu lựa chọn vật liệu tập trung (bao gồm tính toán PREN, xác nhận quy trình hàn và thử nghiệm ăn mòn) để xác nhận lựa chọn tốt nhất cho dịch vụ cụ thể.