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

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường xuyên phải đối mặt với một tình huống khó xử thường gặp khi lựa chọn vật liệu: ưu tiên khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn với chi phí tiết kiệm, hay đầu tư vào một hợp kim có độ bền cao hơn, chống ăn mòn cục bộ trong môi trường clorua khắc nghiệt. Thép không gỉ loại 304 (một loại thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi) và thép không gỉ loại 2205 (một loại thép không gỉ pha kép, pha hỗn hợp) thường được sử dụng làm vật liệu thay thế cho thiết bị quy trình, đường ống, bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận kết cấu đòi hỏi hiệu suất thép không gỉ.

Sự khác biệt cơ bản về mặt luyện kim giữa các loại thép này nằm ở thành phần pha của chúng: một loại về cơ bản là thép austenit một pha, ổn định bằng niken; loại còn lại là hợp kim hai pha với sự cân bằng cố định giữa ferit và austenit. Sự khác biệt này tạo nên sự tương phản về độ bền, khả năng chống ăn mòn clorua, tính chất nhiệt và đặc tính chế tạo—vì vậy chúng thường được so sánh trực tiếp trong quá trình thiết kế, mua sắm và lập kế hoạch sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Loại 304
• Tiêu chuẩn chung: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm/lá), ASTM A276 (thanh), ASTM A312 (ống), EN 1.4301 / X5CrNi18-10, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Phân loại: Thép không gỉ — austenit (không có từ tính trong điều kiện ủ dung dịch).
• Loại 2205
• Tiêu chuẩn chung: ASTM A240 (các loại ống song công theo ASTM thường được liệt kê là biến thể UNS S32205 hoặc S31803), ASTM A790/A815 dành cho đường ống song công, EN 1.4462/X2CrNiMoN22-5-3, JIS thường tham chiếu đến các loại ống song công tương đương, GB dành cho thép không gỉ song công.
• Phân loại: Thép không gỉ — song pha (ferit hỗn hợp + austenit).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình cho thép 304 và 2205 cấp thương mại. Các giá trị là phạm vi đại diện được sử dụng trong các tiêu chuẩn và thông lệ nhà máy thông thường; tham khảo chứng chỉ vật liệu để biết giá trị lô chính xác.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt%)	2205 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0,75	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,02
Cr	18,0–20,0	21,0–23,0
Ni	8,0–10,5	4,5–6,5
Mo	- (dấu vết)	2,5–3,5
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,10 (thường là ≤0,1)	0,12–0,20 (thêm vào để cân bằng song công)

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - 304 dựa vào hàm lượng niken đáng kể để ổn định austenit lập phương tâm mặt và mang lại độ dẻo, độ bền và khả năng chống ăn mòn tốt. - 2205 kết hợp crom cao, molypden bổ sung và nitơ với niken khử để tạo ra cấu trúc vi mô hai pha ferit + austenit giúp tăng cường độ bền và cải thiện khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong clorua. Nitơ cũng góp phần tăng cường độ bền và khả năng chống rỗ.

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

Cấu trúc vi mô: - 304: Thường là austenit một pha (FCC). Trong điều kiện ủ dung dịch, nó hoàn toàn là austenit và không từ tính (trừ từ tính nhẹ sau khi gia công nguội). Kết tủa cacbua (ví dụ: M23C6) có thể xảy ra ở ranh giới hạt nếu tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 450–850°C), làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt trừ khi được ổn định hoặc ủ dung dịch. - 2205: Mục tiêu vi cấu trúc song pha với khoảng 40–60% ferit (lập phương tâm khối) và 40–60% austenit. Các pha cân bằng mang lại độ bền cao hơn và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất được cải thiện trong nhiều môi trường clorua so với austenit.

Phản ứng xử lý nhiệt: - 304: Không thể tôi cứng bằng phương pháp xử lý nhiệt thông thường (không có biến đổi martensitic khi tôi). Độ bền có thể được tăng cường bằng cách gia công nguội (tôi cứng biến dạng). Để chống ăn mòn sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao, ủ dung dịch (ví dụ: 1010–1150°C sau đó làm nguội nhanh) sẽ phục hồi cấu trúc vi mô và hòa tan các chất kết tủa. - 2205: Cũng không được gia cường bằng phương pháp tôi thông thường; nó được xử lý nhiệt bằng cách ủ dung dịch (thường ở khoảng 1020°C) sau đó làm nguội nhanh để duy trì sự cân bằng song pha. Tiếp xúc kéo dài từ ~300°C đến 1000°C sẽ thúc đẩy sự hình thành các pha liên kim loại không mong muốn (sigma, chi) và nitrua, làm giòn vật liệu và giảm khả năng chống ăn mòn; do đó, cần kiểm soát các chu trình nhiệt. Các chu trình thường hóa hoặc tôi và ram được sử dụng cho thép cacbon/hợp kim không được áp dụng.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây liệt kê các đặc tính cơ học tiêu biểu cho điều kiện ủ dung dịch. Các giá trị này chỉ mang tính chất gần đúng và thay đổi tùy theo dạng sản phẩm, quy trình chế biến và tiêu chuẩn thử nghiệm.

Tài sản	304 (ủ, điển hình)	2205 (song công ủ dung dịch, điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~500–700	~600–900
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~200–300	~450–550
Độ giãn dài (phần trăm)	~40–60%	~25–35%
Độ bền va đập Charpy (nhiệt độ phòng)	Độ dẻo dai cao, tốt ở nhiệt độ thấp	Tốt, nhưng thấp hơn 304 trên cơ sở độ giãn dài phần trăm
Độ cứng (xấp xỉ HB hoặc HRC)	~120–200 HB	~200–300 HB

Giải thích: - 2205 có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn đáng kể so với 304 do cấu trúc vi mô kép và hàm lượng nitơ; độ bền chảy thông thường có thể gấp đôi 304. Độ bền cao hơn này làm giảm độ dày mặt cắt cần thiết trong nhiều ứng dụng kết cấu hoặc áp suất. - Thép 304 dẻo hơn và thường có độ giãn dài cao hơn và độ dẻo dai rất tốt, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Thép 2205 vẫn duy trì độ dẻo dai tốt nhưng độ dẻo dai kém hơn và dễ đàn hồi hơn trong quá trình tạo hình.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, hợp kim thúc đẩy khả năng làm cứng và khả năng tiếp xúc với các pha có hại.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (để giải thích định tính): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (đối với các đánh giá thép không gỉ phức tạp hơn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 304: Khả năng hàn tuyệt vời bằng các quy trình hàn nóng chảy thông thường (GMAW, GTAW, SMAW). Hàm lượng carbon thấp và niken cao làm giảm xu hướng nứt nóng và thúc đẩy kim loại mối hàn dẻo. Ép dung dịch sau hàn hiếm khi cần thiết, trừ khi mối hàn nhạy cảm với clorua và có thể xảy ra hiện tượng nhạy cảm. - 2205: Có thể hàn được, nhưng đòi hỏi khắt khe hơn. Cân bằng song công có thể bị phá vỡ do nhiệt đầu vào; việc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, kim loại điền đầy phù hợp (ví dụ: 2209 hoặc dây hàn song công được pha chế đặc biệt) và đôi khi cần ủ dung dịch sau hàn để khôi phục cân bằng pha mong muốn và giảm thiểu sự hình thành pha sigma. 2205 kém chịu được dải pha loãng rộng và làm nguội chậm, thúc đẩy sự hình thành pha liên kim loại; việc thẩm định trước các quy trình được khuyến nghị cho các dịch vụ quan trọng.

Tóm tắt về khả năng hàn: 304 dễ hàn hơn trong điều kiện xưởng thông thường; 2205 yêu cầu quy trình kiểm soát nghiêm ngặt hơn để tránh mất tính chất song công và duy trì khả năng chống ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với các loại thép không gỉ, khả năng chống ăn mòn cục bộ thường được định lượng bằng số tương đương khả năng chống rỗ (PREN): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này cho thấy hợp kim có hàm lượng Mo và N cao hơn và Cr thích hợp sẽ chống rỗ tốt hơn trong clorua.
• Inox 304 chứa ít hoặc không có molypden và thường có hàm lượng nitơ thấp, do đó hàm lượng PREN của nó thấp so với hợp kim duplex; nó có khả năng chống ăn mòn nói chung tốt nhưng dễ bị rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường giàu clorua (ví dụ: nước biển, nước muối).
• 2205 có hàm lượng crom cao, molypden đáng kể và nitơ bổ sung, mang lại chỉ số PREN cao hơn đáng kể và khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở tốt hơn nhiều trong môi trường chứa clorua. Nó cũng có khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất tốt hơn 304 trong nhiều trường hợp.
• Thép không gỉ: không áp dụng ở đây, nhưng hợp kim không gỉ thường cần được bảo vệ bề mặt (mạ kẽm, sơn, ốp) để tránh ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• 304: Khả năng gia công trung bình; thép này nhanh chóng tôi cứng, do đó, cần có dụng cụ sắc bén, tốc độ chạy dao được kiểm soát và khả năng kiểm soát phoi phù hợp. Khả năng gia công điển hình khoảng 40–50% thép cắt tự do.
• 2205: Khó gia công hơn do độ bền và độ cứng cao hơn; yêu cầu tốc độ cắt thấp hơn và dụng cụ chắc chắn. Tuổi thọ dụng cụ thường ngắn hơn so với 304.
• Khả năng định hình:
• 304: Khả năng tạo hình nguội tuyệt vời và khả năng kéo sâu; được sử dụng rộng rãi cho các thành phần định hình và sản phẩm ép.
• 2205: Việc tạo hình bị hạn chế so với 304 do giới hạn chảy cao hơn và độ giãn dài thấp hơn; tạo hình nguội nghiêm ngặt có nguy cơ nứt và phải được xử lý một cách thận trọng. Có thể sử dụng tạo hình nóng hoặc các quy trình chuyên biệt.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều được hoàn thiện theo tiêu chuẩn (đánh bóng, đánh bóng điện hóa). Duplex phải tránh tiếp xúc lâu với nhiệt độ cao gây kết tủa kim loại trong quá trình xử lý sau.

8. Ứng dụng điển hình

Loại 304 (sử dụng điển hình)	Loại 2205 (sử dụng điển hình)
Thiết bị chế biến thực phẩm, đồ dùng nhà bếp, bộ trao đổi nhiệt cho các dịch vụ không chứa clorua, tấm kiến ​​trúc, bồn chứa hóa chất cho môi trường ôn hòa	Đường ống và bình chứa quy trình hóa học trong môi trường chứa clorua, hệ thống nước biển và khử muối, các thành phần trên cùng và dưới biển của dầu khí, bồn chứa dung dịch giấy và bột giấy
Chốt, viền, ống dẫn HVAC, phụ kiện vệ sinh	Bình chịu áp suất và đường ống có độ bền cao hơn cho phép giảm độ dày thành, bộ trao đổi nhiệt trong nước lợ hoặc nước biển, phụ kiện và mặt bích cho môi trường khắc nghiệt
Các thành phần chống ăn mòn đa năng, trong đó hiệu quả về chi phí và khả năng định hình là ưu tiên hàng đầu	Các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống rỗ vượt trội, khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất được cải thiện và độ bền cơ học cao hơn

Cơ sở lựa chọn: Chọn thép 304 khi ưu tiên khả năng định hình, khả năng hàn và tính kinh tế cao, đồng thời hạn chế tiếp xúc với clorua. Chọn thép 2205 khi cần giảm độ dày tiết diện bằng cách tận dụng cường độ cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 2205 thường đắt hơn 304 do hàm lượng hợp kim cao hơn (Mo và N), quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và sản lượng sản xuất nhỏ hơn. Chênh lệch giá thay đổi tùy theo điều kiện thị trường và hình thức sản phẩm.
• Tính khả dụng: 304 là một trong những loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới ở dạng tấm, tấm phẳng, ống, thanh và ốc vít. 2205 được sử dụng rộng rãi cho tấm, ống và phụ kiện ở kích thước công nghiệp nhưng có thể có thời gian giao hàng lâu hơn hoặc chủng loại hạn chế đối với các loại hoàn thiện đặc biệt hoặc ốc vít đường kính nhỏ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	304	2205
Khả năng hàn	Tuyệt vời; dễ tha thứ	Tốt nhưng nhạy cảm với thủ tục
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai và độ bền cao	Độ bền cao, độ dẻo dai tốt, ít dẻo
Khả năng chống ăn mòn (rỗ/kẽ hở)	Giới hạn trong clorua	Vượt trội về clorua
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn
Khả năng định hình	Xuất sắc	Giới hạn

Sự giới thiệu: - Chọn 304 nếu: - Bạn cần khả năng chống ăn mòn tốt, khả năng định hình tuyệt vời và hàn dễ dàng với chi phí hợp lý thấp nhất. - Dịch vụ liên quan đến thực phẩm, vệ sinh hoặc môi trường hóa chất nhẹ mà không tiếp xúc lâu dài với clorua. - Dễ chế tạo, sẵn có và độ dẻo là những yếu tố chính.

• Chọn 2205 nếu:
• Linh kiện này sẽ hoạt động trong môi trường chứa clorua hoặc môi trường khắc nghiệt khác, nơi có nguy cơ xảy ra hiện tượng rỗ, ăn mòn khe hở hoặc nứt do ăn mòn ứng suất.
• Cần có độ bền cơ học cao hơn (cho phép tạo ra các phần mỏng hơn hoặc áp suất cao hơn).
• Hiệu suất vòng đời dài hạn trong môi trường xâm thực biện minh cho chi phí vật liệu và xử lý cao hơn; và dự án có thể đáp ứng các quy trình hàn và chế tạo được kiểm soát chặt chẽ hơn.

Lưu ý kết luận: Lựa chọn đúng đắn phụ thuộc vào việc cân bằng giữa môi trường ăn mòn, yêu cầu cơ học, khả năng chế tạo và chi phí vòng đời. Đối với các hệ thống quan trọng, hãy đánh giá bằng cách sử dụng thử nghiệm ăn mòn cục bộ, đánh giá quy trình hàn và mô hình chi phí vòng đời thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm ở cấp độ thành phần.