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

Giới thiệu

Thép không gỉ loại 304 và loại 304H là hai loại thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến, bình chịu áp lực và chế tạo nói chung. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn, khả năng định hình, hiệu suất nhiệt độ cao và chi phí khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chỉ định vật liệu cho bình chịu áp lực hàn, lựa chọn ống cho bộ trao đổi nhiệt hoặc lựa chọn tấm cho chế tạo nói chung.

Đặc điểm phân biệt chính giữa hai loại thép này là hàm lượng carbon: 304H có thành phần carbon cao hơn so với thép 304 tiêu chuẩn. Sự thay đổi duy nhất này làm thay đổi hiệu suất theo những cách có thể dự đoán được—quan trọng nhất là tăng độ bền và khả năng chống rão ở nhiệt độ cao, đồng thời tăng nguy cơ kết tủa cacbua và nhạy cảm hóa liên quan trong một số chu kỳ nhiệt nhất định. Vì 304 và 304H rất giống nhau (cùng một nền austenit được ổn định bằng crom và niken), chúng được so sánh khi thiết kế đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất cơ học ở nhiệt độ cao với khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và khả năng tạo hình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn thông số kỹ thuật chính bao gồm 304 và 304H bao gồm: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm, lá), ASTM A312 (ống liền mạch và hàn), ASTM A269 (ống rèn), v.v. - EN: Dòng EN 10088 dành cho thép không gỉ (EN 1.4301 tương ứng với 304). - JIS: JIS G4303 / JIS G4305 (thép không gỉ; tương đương). - GB: GB/T 1220 và các tiêu chuẩn liên quan của Trung Quốc về thép không gỉ.

Phân loại: - Cả thép 304 và 304H đều là thép không gỉ (austenitic). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép cấp HSLA. - Chúng được chỉ định và sử dụng như hợp kim không gỉ (chống ăn mòn) thay vì thép cacbon kết cấu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các phạm vi thành phần điển hình từ các tiêu chuẩn chung (các giá trị được đưa ra dưới dạng phần trăm trọng lượng và được coi là các phạm vi chuẩn hóa điển hình chứ không phải là chứng chỉ nhà máy cụ thể).

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình)	304H (phạm vi điển hình)
C	≤ 0,08% khối lượng	0,04 – 0,10% khối lượng
Mn	≤ 2,0% khối lượng	≤ 2,0% khối lượng
Si	≤ 1,0% khối lượng	≤ 1,0% khối lượng
P	≤ 0,045% khối lượng	≤ 0,045% khối lượng
S	≤ 0,03% khối lượng	≤ 0,03% khối lượng
Cr	~18,0 – 20,0% khối lượng	~18,0 – 20,0% khối lượng
Ni	~8,0 – 10,5% khối lượng	~8,0 – 11,0% khối lượng
Mo	Không xác định (thường là ≈ 0)	Không xác định (thường là ≈ 0)
V, Nb, Ti, B	Không xác định / chỉ theo dõi	Không xác định / chỉ theo dõi
N	Dấu vết (thường ≤ 0,11)	Dấu vết (thường ≤ 0,11)

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Crom (Cr) có khả năng chống ăn mòn bằng cách tạo thành lớp màng oxit bảo vệ và là nguyên tố hợp kim chính tạo nên tính chất của thép không gỉ. - Niken (Ni) ổn định pha austenit và tăng cường độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Cacbon (C) làm tăng độ bền của austenit bằng cách gia cường dung dịch rắn và có thể tạo thành crom cacbua (Cr23C6) trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm; C tăng trong 304H làm tăng độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão nhưng làm tăng nguy cơ nhạy cảm. - Mangan (Mn) và silic (Si) là chất ổn định và khử oxy phụ của austenit; lưu huỳnh và phốt pho là các nguyên tố tạp chất được kiểm soát ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn.

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

Cả 304 và 304H đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ dung dịch ở nhiệt độ phòng. Trong quá trình xử lý tiêu chuẩn (cán nóng, ủ dung dịch, làm mát bằng không khí), cấu trúc vi mô là austenit đồng nhất với khả năng có ranh giới song sinh và một số ranh giới song sinh ủ.

Sự khác biệt chính về cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt: - 304 (nhiệt độ C thấp hơn) ít có khả năng hình thành crom cacbua trong quá trình làm nguội chậm hoặc tiếp xúc với nhiệt độ trung gian; ủ dung dịch ở trên ~1.040–1.100 °C sau đó làm nguội nhanh sẽ khôi phục lại ma trận austenit không chứa cacbua. - 304H (C cao hơn) có lực tác động lớn hơn đến quá trình kết tủa crom cacbua khi tiếp xúc trong phạm vi nhạy cảm (~450–850 °C). Quá trình kết tủa cacbua xảy ra ở ranh giới hạt và có thể làm suy giảm crom cục bộ, làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. - Cả hai loại thép này đều không thể tôi cứng bằng phương pháp tôi và ram như thép martensitic; chúng không thể được xử lý nhiệt để tăng cường độ thông qua các biến đổi thông thường. Độ bền được điều chỉnh bằng phương pháp gia công nguội hoặc bằng cách chỉ định hàm lượng carbon cao hơn (304H) để tăng cường độ ở nhiệt độ cao. - Quá trình xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội, lịch trình ủ) ảnh hưởng tương tự đến mật độ lệch, kích thước hạt và kết cấu của cả hai loại mác thép. Ủ ở nhiệt độ hòa tan sẽ hòa tan cacbua nếu được giữ và làm nguội đúng cách; làm nguội chậm sau khi hàn hoặc sử dụng lâu dài ở nhiệt độ trung gian sẽ thúc đẩy quá trình kết tủa cacbua trong thép 304H dễ dàng hơn so với thép 304.

4. Tính chất cơ học

Cả hai loại thép đều có độ dẻo và độ bền tốt khi ủ; thép 304H thường có độ bền cao hơn một chút, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, do có hàm lượng carbon cao hơn.

Tài sản	304	304H
Độ bền kéo (tương đối)	Mức austenit tiêu chuẩn	Cao hơn một chút (đáng chú ý ở T cao)
Cường độ chịu kéo (tương đối)	Đường cơ sở cho thép austenit loại 300	Cao hơn 304 một chút
Độ giãn dài / Độ dẻo	Độ dẻo cao; khả năng định hình tốt	Độ dẻo giảm nhẹ so với 304
Độ bền va đập	Tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Có thể so sánh ở nhiệt độ môi trường xung quanh nếu không nhạy cảm; giảm nếu xảy ra kết tủa cacbua
Độ cứng	Độ cứng austenit ủ điển hình	Cao hơn một chút trong điều kiện ủ do C

Giải thích: - Ở nhiệt độ phòng, sự khác biệt là không đáng kể—cả hai loại đều có độ bền kéo và độ bền chảy tương tự nhau với độ giãn dài cao. 304H thường có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn một chút vì carbon là chất gia cường dạng dung dịch rắn. - Ở nhiệt độ cao hoặc trong điều kiện biến dạng, 304H vẫn giữ được độ bền cao hơn 304 và do đó được chỉ định sử dụng trong bình chịu áp suất ở nhiệt độ cho phép cao hơn. - Nếu 304H tiếp xúc với các chu kỳ nhiệt nhạy cảm (ví dụ, hàn mà không xử lý nhiệt sau hàn đúng cách hoặc sử dụng trong thời gian dài ở nhiệt độ 450–850 °C), sự ăn mòn giữa các hạt và độ dẻo dai giảm có thể xảy ra do kết tủa crom cacbua.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của 304 và 304H nhìn chung tốt; cả hai đều dễ dàng hàn bằng các quy trình thông dụng (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Tuy nhiên, hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến nguy cơ nhạy cảm và đặc tính HAZ.

Chỉ số tương đương carbon/khả năng hàn có liên quan: - Được giải thích theo định tính bằng cách sử dụng lượng cacbon tương đương của IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Đối với thép không gỉ, ảnh hưởng thành phần phức tạp hơn có thể được biểu thị bằng $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 304 (C thấp hơn) có hàm lượng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ từ cacbon thấp hơn 304H, nghĩa là 304 ít có khả năng hình thành các cấu trúc vi mô cứng, giòn trong vùng HAZ và ít nhạy cảm hơn với sự ăn mòn giữa các hạt do hàn nếu sử dụng chất độn và quy trình phù hợp. - Hàm lượng carbon cao hơn của 304H làm tăng khả năng tôi cứng trong các chu kỳ nhiệt nhanh và làm tăng nguy cơ nhạy cảm hóa trong và gần vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nếu các cacbua ranh giới hạt austenit hình thành. Đối với công việc hàn bình chịu áp lực ở nhiệt độ cao, 304H thường được chỉ định để đáp ứng các yêu cầu ứng suất cho phép; việc lựa chọn vật liệu hàn và thực hành hàn (ví dụ, sử dụng các cấp ổn định hoặc ủ dung dịch sau hàn nếu có thể) giúp giảm thiểu rủi ro. - Thông thường, các loại thép không gỉ austenit này không cần gia nhiệt trước, nhưng việc kiểm soát lượng nhiệt đầu vào và lựa chọn kim loại phụ thích hợp (ví dụ: loại có hàm lượng cacbon thấp/ổn định hoặc phù hợp) là một cân nhắc quan trọng đối với thép 304H để tránh hiện tượng giòn hoặc ăn mòn giữa các hạt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 304 và 304H đều có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khác nhau nhờ lớp thụ động crom. Cả hai loại đều không chứa molypden, do đó khả năng chống rỗ clorua kém hơn các loại chứa Mo (ví dụ: 316).
• Sự gia tăng cacbon trong 304H khiến hiện tượng nhạy cảm hóa và ăn mòn liên hạt trở thành mối lo ngại thực tế nếu vật liệu tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm hóa mà không được kiểm soát đầy đủ. Đối với các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống ăn mòn liên hạt sau khi hàn, có thể ưu tiên sử dụng thép 304L ít cacbon hoặc thép ổn định (321, 347).
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) là một phép đo hữu ích để xác định khả năng chống rỗ khi có Mo và N: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 304/304H, Mo ≈ 0 và N thấp, do đó PREN tương đối thấp; PREN có ý nghĩa hơn đối với austenit song công hoặc chứa Mo.
• Bảo vệ bề mặt cho các chất nền không phải thép không gỉ (không áp dụng ở đây) sẽ bao gồm mạ kẽm hoặc phủ lớp phủ; đối với thép không gỉ, phương pháp hoàn thiện bề mặt và xử lý thụ động thường được sử dụng để kéo dài tuổi thọ.

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

• Khả năng định hình: Thép 304 (hàm lượng carbon thấp) tốt hơn một chút cho việc kéo sâu và định hình nhờ độ dẻo cao hơn một chút và độ nhạy tôi cứng thấp hơn liên quan đến độ nhạy cảm sau khi gia nhiệt tiếp theo. Cả hai đều tốt cho các hoạt động định hình nếu sử dụng dụng cụ phù hợp và phương pháp định hình gia tăng.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon do tính chất tôi cứng và độ dẫn nhiệt thấp. Thép 304H có thể khó gia công hơn thép 304 một chút do hàm lượng cacbon cao hơn và độ bền cao hơn dẫn đến lực cắt và độ mòn dụng cụ tăng. Sử dụng dụng cụ sắc bén, cấu trúc cứng và chất bôi trơn phù hợp sẽ giảm thiểu các vấn đề này.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả đánh bóng và đánh bóng điện đều giống nhau; tuy nhiên, 304H có thể cần kiểm soát nhiệt độ cẩn thận hơn trong quá trình hoàn thiện để tránh kết tủa cacbua nếu vật liệu bị nung nóng.

8. Ứng dụng điển hình

304 (sử dụng phổ biến)	304H (sử dụng phổ biến)
Thiết bị chế biến thực phẩm, bồn rửa, đồ dùng nhà bếp, trang trí kiến ​​trúc	Bình chịu áp suất và nồi hơi yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ cao
Đường ống và bể chứa quy trình hóa chất trong môi trường ôn hòa	Ống siêu nhiệt và ống tái nhiệt trong các ứng dụng nồi hơi (nơi cần độ bền kéo dài cao hơn)
Bộ trao đổi nhiệt, ống vệ sinh, ốc vít	Lò nung và các bộ phận chế tạo ở nhiệt độ cao nơi nhiệt độ vận hành được nâng cao
Chế tạo chung, các thành phần xây dựng trang trí	Các ứng dụng yêu cầu các tính chất cơ học của austenit có hàm lượng cacbon cao hơn ở nhiệt độ T cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi khả năng chống ăn mòn nói chung, khả năng tạo hình và khả năng hàn ở nhiệt độ sử dụng bình thường là những yêu cầu chủ yếu và khi việc giảm thiểu rủi ro nhạy cảm sau khi hàn là quan trọng. - Chọn 304H khi thiết kế yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn hoặc độ bền được cải thiện ở nhiệt độ cao (ví dụ: bình chịu áp suất hoạt động ở ngưỡng 300 °C thông thường) và khi dự án chỉ định các biện pháp kiểm soát chế tạo thích hợp để quản lý rủi ro nhạy cảm và ăn mòn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 304 là một trong những loại thép không gỉ phổ biến nhất trên toàn thế giới và có sẵn ở dạng tấm, lá, cuộn, ống và thanh. Giá thành của loại thép này thường cạnh tranh trong nhóm thép 300.
• 304H là một biến thể được công nhận và có sẵn ở các dạng sản phẩm thường được sử dụng cho ứng dụng nhiệt độ cao (tấm, ống cho nồi hơi và các bộ phận chịu áp suất). Loại thép này ít được lưu kho trên thị trường hàng hóa thông thường hơn 304 và có thể có mức giá cao hơn một chút tùy thuộc vào thông lệ lưu kho tại khu vực và nhu cầu chứng nhận hàm lượng carbon cụ thể của nhà máy.
• Thời gian giao hàng và tình trạng sẵn có phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm (tấm/tấm kim loại so với ống liền mạch) và chứng nhận bắt buộc cho dịch vụ bình chịu áp suất hoặc nhiệt độ cao.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	304	304H
Khả năng hàn	Tuyệt vời; nguy cơ nhạy cảm thấp hơn	Tốt, nhưng nguy cơ nhạy cảm cao hơn; cần kiểm soát thủ tục
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Cân bằng tốt; độ dẻo tuyệt vời	Độ bền cao hơn ở T cao; độ dẻo thấp hơn một chút khi so sánh trực tiếp
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi; giá thành thường thấp hơn	Có sẵn cho các ứng dụng áp suất-nhiệt độ; có thể mang tính chất bảo hiểm

Kết luận: - Chọn 304 nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn tổng thể tuyệt vời, khả năng chế tạo và định hình vượt trội, và nguy cơ nhạy cảm từ các quy trình hàn thông thường là tối thiểu. 304 là lựa chọn mặc định thực tế cho thiết bị vệ sinh, ứng dụng kiến ​​trúc và nhiều trường hợp dịch vụ hóa chất ở nhiệt độ môi trường đến trung bình. - Chọn 304H nếu thiết kế yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn hoặc khả năng chống biến dạng tốt hơn ở nhiệt độ làm việc cao (ví dụ: bình chịu áp suất, nồi hơi, bộ trao đổi nhiệt hoạt động ở nhiệt độ cao hơn) và bạn có thể chấp nhận và quản lý rủi ro kết tủa cacbua cao hơn thông qua các quy trình hàn thích hợp, xử lý sau hàn nếu khả thi hoặc bằng cách lựa chọn kim loại hàn và phương pháp chế tạo tương thích.

Nếu khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao và bảng ứng suất cho phép chi phối việc lựa chọn vật liệu (mã ASME, thông số kỹ thuật bình chịu áp suất), hãy tham khảo mã áp dụng để biết cấp độ và nhiệt độ yêu cầu; trong nhiều trường hợp, 304H sẽ xuất hiện ở những nơi mà giới hạn ứng suất cho phép của 304 không đủ cho nhiệt độ làm việc dự kiến.