304 so với 309S – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa thép không gỉ austenit 304 và 309S là một sự cân nhắc kỹ thuật thường gặp, cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, hiệu suất nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí. Các nhóm mua sắm và sản xuất thường chọn thép 304 vì khả năng chống ăn mòn và khả năng định hình thông thường, trong khi thép 309S được lựa chọn khi mối quan tâm chính là khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và khả năng chống cáu cặn.

Điểm khác biệt cơ bản là 309S được hợp kim hóa để tăng cường độ ổn định nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa (hàm lượng crom và niken cao hơn với hàm lượng cacbon thấp), trong khi 304 được tối ưu hóa cho khả năng chống ăn mòn phổ rộng, khả năng định hình và hiệu quả chi phí. Vì cả hai đều là thép không gỉ austenit, chúng thường được so sánh khi thiết kế đáp ứng cả yêu cầu về ăn mòn và nhiệt độ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• 304 — AISI/UNS S30400; ASTM A240 (tấm/lá), A276 (thanh), A312 (ống).
• 309S — AISI/UNS S30908; ASTM A240 (cấp 309S) cho tấm/lá, A312 cho ống.
• EN (Châu Âu): 304 tương ứng với EN 1.4301/1.4306 (304L); 309S tương ứng gần đúng với các biến thể của họ EN 1.4828 dành cho các loại thép chịu nhiệt độ cao (lưu ý: cách ánh xạ tên EN trực tiếp có thể khác nhau).
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn địa phương cung cấp các ký hiệu tương đương (ví dụ: SUS304 cho 304).
• Phân loại: Cả hai đều là thép không gỉ austenit (hợp kim không gỉ, chống ăn mòn). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây liệt kê các giới hạn/phạm vi thành phần điển hình theo các thông số kỹ thuật thường dùng. Các giá trị này là giá trị tối đa hoặc phạm vi danh nghĩa điển hình cho các loại thương mại; tham khảo các bảng tiêu chuẩn hiện hành để biết giới hạn vật liệu theo hợp đồng.

Yếu tố	304 (điển hình, wt%)	309S (điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,03
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 0,75	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0–20,0	22,0–24,0
Ni	8,0–10,5	12,0–15,0
Mo	— (thường là không có)	— (thường là không có)
V	—	—
Nb (Cb)	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,10	≤ 0,10

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Crom (Cr): nguyên tố chính tạo nên khả năng thụ động hóa và chống oxy hóa. Hàm lượng Cr cao hơn trong 309S giúp cải thiện khả năng chống cáu cặn và rỗ ở nhiệt độ cao trong một số môi trường nhiệt độ cao. - Niken (Ni): ổn định cấu trúc austenit và cải thiện độ dẻo dai cũng như khả năng chống ăn mòn; hàm lượng Ni cao hơn trong 309S giúp ổn định austenit ở nhiệt độ cao và tăng độ bền nóng. - Carbon (C): hàm lượng carbon thấp hơn trong loại 309S (“S”) giúp giảm lượng kết tủa cacbua trong quá trình hàn và cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt; hàm lượng carbon tối đa trong loại 304 cao hơn nhưng vẫn được kiểm soát. - Silic (Si) có thể cải thiện khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao; mangan (Mn) góp phần khử oxy và xử lý lạnh. - Việc thiếu molypden có nghĩa là không có loại nào được tối ưu hóa về khả năng chống rỗ do clorua gây ra so với các loại có chứa Mo (ví dụ: 316).

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả 304 và 309S về cơ bản đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ dung dịch. Chúng không chuyển thành martensite ở nhiệt độ phòng trong điều kiện ủ tiêu chuẩn.
• Phản ứng với xử lý nhiệt:
• Ủ dung dịch (phổ biến): nung nóng đến khoảng 1010–1120°C sau đó làm nguội nhanh (bằng nước hoặc không khí tùy thuộc vào kích thước mặt cắt) để khôi phục cấu trúc austenit dẻo, kết tinh lại.
• Không có loại nào được làm cứng bằng cách làm nguội và ram (không làm cứng bằng phương pháp martensitic); độ bền được tăng cường bằng cách làm nguội (làm cứng bằng ứng suất) hoặc bằng cách hợp kim hóa.
• Ở nhiệt độ sử dụng cao, 309S vẫn giữ được độ ổn định cấu trúc và chống đóng cặn tốt hơn 304 nhờ hàm lượng Cr và Ni cao hơn. Tiếp xúc kéo dài trong phạm vi nhạy cảm (~450–850°C) có thể gây ra kết tủa cacbua ở các biến thể có hàm lượng carbon cao hơn; hàm lượng carbon thấp của 309S giúp tránh hiện tượng nhạy cảm giữa các hạt.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán nguội + ủ) tạo ra austenit dẻo, hạt mịn ở cả hai loại; nhiệt độ kết tinh lại tương tự nhau nhưng thành phần của 309S làm thay đổi đôi chút hành vi kết tinh lại.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là các phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu trong điều kiện ủ cho các sản phẩm tấm/tấm. Đây là các giá trị điển hình; giá trị thực tế phụ thuộc vào hình dạng, độ hoàn thiện và tiêu chuẩn của sản phẩm.

Tính chất (ủ)	304 (điển hình)	309S (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~485–620	~515–690
Giới hạn chảy 0,2% (MPa)	~205–310	~215–360
Độ giãn dài (%)	≥40 (cỡ mỏng)	≥35 (cỡ mỏng)
Độ bền va đập (J, nhiệt độ phòng)	Tốt; độ dẻo dai cao	Tốt; tương đương, có thể thấp hơn một chút tùy thuộc vào quá trình xử lý
Độ cứng (HB)	~120–200	~130–220

Giải thích: - 309S thường có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn một chút trong điều kiện ủ do hàm lượng hợp kim cao hơn (gia cố bằng dung dịch rắn). - 304 thường dẻo hơn một chút và dễ tạo hình hơn, có độ dẻo dai tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ thấp. - Sự khác biệt ở mức vừa phải; các quyết định thiết kế nên sử dụng dữ liệu thử nghiệm được nhà cung cấp chứng nhận để phân tích xác định.

5. Khả năng hàn

• Cả 304 và 309S đều dễ hàn với kim loại hàn austenit tiêu chuẩn; 309S thường được sử dụng làm vật liệu hàn hoặc lớp phủ để ghép các loại thép không giống nhau hoặc để sử dụng ở nhiệt độ cao do có tỷ lệ Cr/Ni cao hơn.
• Khả năng nứt mối hàn và nứt nóng thường thấp ở cả hai loại, nhưng việc lựa chọn vật liệu trám, thiết kế mối nối và nhiệt đầu vào lại rất quan trọng.
• Sử dụng kiểm soát carbon (309S C thấp) giúp giảm nguy cơ nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn.
• Chỉ số khả năng hàn chung:
• Đối với lượng cacbon tương đương (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Để có dự đoán rộng hơn về khả năng hàn:
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải định tính: cả hai loại thép này đều có hàm lượng cacbon tương đương thấp so với thép martensitic hoặc thép hợp kim thấp cường độ cao, do đó hiếm khi cần gia nhiệt trước và các biện pháp phòng ngừa hàn đặc biệt. Đối với các mối hàn quan trọng, tiết diện dày hoặc chịu ứng suất tuần hoàn, hãy tham khảo thông số kỹ thuật quy trình hàn và cân nhắc sử dụng kim loại hàn phù hợp (ví dụ: ER309L để nối thép 304 với thép hợp kim cao).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất không gỉ: Cả hai đều không gỉ (tạo thành oxit giàu Cr bảo vệ), nhưng môi trường và chế độ nhiệt độ quyết định hiệu suất tương đối.
• PREN (chống rỗ) chủ yếu được áp dụng ở những nơi Mo và N đóng góp đáng kể. Để tham khảo:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Vì Mo thường không có và N thấp nên giá trị PREN đối với 304 và 309S ở mức khiêm tốn; không giá trị nào được tối ưu hóa cho hiện tượng rỗ clorua nghiêm trọng so với các loại chứa Mo.
• Hành vi ăn mòn tương đối:
• 304: Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong nhiều môi trường nước ở nhiệt độ môi trường xung quanh (chế biến thực phẩm, tiếp xúc với hóa chất nói chung).
• 309S: Khả năng chống oxy hóa và đóng cặn vượt trội ở nhiệt độ cao (linh kiện lò nung, ống khói nhiệt độ cao). Trong một số môi trường ăn mòn khí ở nhiệt độ cao, 309S vượt trội hơn 304.
• Bảo vệ bề mặt không phải thép không gỉ: Không áp dụng cho các loại thép này, trừ khi cần phủ thêm lớp phủ hoặc sơn vì lý do hao mòn hoặc thẩm mỹ. Đối với thép không phải thép không gỉ, mạ kẽm hoặc sơn là một lựa chọn, nhưng đối với thép 304/309S, trọng tâm là duy trì lớp màng thụ động và tránh các chất gây ô nhiễm (ví dụ: clorua).

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

• Khả năng định hình: 304 dễ định hình hơn (kéo sâu, uốn) so với 309S do độ dẻo cao hơn một chút và tốc độ làm cứng thấp hơn. 309S có thể yêu cầu bán kính uốn cong hẹp hơn và lực mạnh hơn; ủ trước khi định hình là phương pháp phổ biến đối với 309S trong các ứng dụng định hình chặt chẽ.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép dễ cắt. Thép 304 dễ gia công hơn thép 309S một chút; cần phải điều chỉnh dụng cụ, tốc độ và tốc độ chạy dao; khuyến nghị sử dụng chất lỏng cắt chịu lực nặng và dụng cụ cacbua.
• Hoàn thiện: Cả hai đều cần nhiều phương pháp hoàn thiện bề mặt khác nhau (ủ sáng, ngâm chua, thụ động hóa). Các cụm hàn thường cần được ngâm chua và thụ động hóa để phục hồi khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

304 – Công dụng điển hình	309S – Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, bồn rửa, đồ dùng nhà bếp, bồn chứa và bình chứa thực phẩm và dược phẩm	Các bộ phận lò, lò chưng cất, buồng đốt và lò nung nhiệt độ cao
Trang trí kiến ​​trúc, lan can và các ứng dụng trang trí	Bộ trao đổi nhiệt và các thành phần ống khói tiếp xúc với khí nhiệt độ cao
Thiết bị xử lý hóa chất không bị ảnh hưởng bởi sự tấn công của clorua nghiêm trọng	Hàn phủ và hàn chuyển tiếp kim loại khác nhau; sửa chữa môi trường oxy hóa
Chốt, lò xo (trong nhiều trường hợp), ống và ống dẫn cho dịch vụ nhiệt độ vừa phải	Đồ nội thất lò nung, bộ phận giảm thanh và giá đỡ kết cấu chịu nhiệt độ cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi có yêu cầu chính là khả năng chống ăn mòn, tạo hình, hoàn thiện bề mặt và chi phí thấp. - Chọn 309S khi cần khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, chống đóng cặn hoặc hàn vào hệ thống hợp kim cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 309S thường đắt hơn 304 do hàm lượng crom và niken cao hơn. Giá thị trường thay đổi tùy theo chi phí niken.
• Tính khả dụng: 304 có mặt ở khắp mọi nơi và có nhiều dạng sản phẩm khác nhau (tấm, tấm, cuộn, ống, thanh, dây). 309S có sẵn rộng rãi nhưng có thể có ít sự kết hợp về độ hoàn thiện/cấp độ hơn và đôi khi có ít cỡ hoặc dạng đặc biệt hơn.
• Thời gian hoàn thành: 304 thường có thời gian hoàn thành ngắn hơn do khối lượng sản xuất cao hơn; đối với các đơn hàng 309S lớn hoặc đặc biệt, hãy tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp sớm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	304	309S
Khả năng hàn	Tuyệt vời; thực hành tiêu chuẩn	Tuyệt vời; thường được sử dụng cho mối hàn nhiệt độ cao hoặc không giống nhau
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Độ dẻo tốt, độ bền kéo/giới hạn chảy thấp	Độ bền cao hơn một chút, độ dẻo dai tốt
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (cao cấp cho hiệu suất nhiệt độ cao)

Sự giới thiệu: - Chọn 304 nếu bạn cần loại thép không gỉ tiết kiệm chi phí, dễ định hình và có khả năng chống ăn mòn rộng cho ứng dụng ở nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ cao vừa phải (ví dụ: chế biến thực phẩm, bồn chứa, ứng dụng kiến ​​trúc). - Chọn 309S nếu ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao kéo dài, môi trường oxy hóa mạnh hoặc yêu cầu chất độn/lớp phủ để ghép nối với vật liệu hợp kim cao hơn — đặc biệt là khi khả năng chống cặn và độ bền nhiệt độ cao được ưu tiên hơn tính dễ tạo hình và chi phí.

Lưu ý kết luận: cả hai loại đều là thép không gỉ austenit có khả năng chồng chéo; thông số kỹ thuật phải được hoàn thiện dựa trên nhiệt độ sử dụng thực tế, loài ăn mòn, phương pháp chế tạo và báo cáo thử nghiệm vật liệu được nhà cung cấp chứng nhận.