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

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép không gỉ AISI 304 và 309S khi chỉ định các thành phần cho ứng dụng ăn mòn hoặc nhiệt độ cao. Quyết định này thường đánh đổi khả năng chống ăn mòn và chi phí (thép 304 tiết kiệm và có khả năng chống ăn mòn cao ở nhiệt độ môi trường) với độ ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa (thép 309S được chọn cho các ứng dụng nhiệt độ cao). Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho đường ống quy trình, các bộ phận lò nung, hệ thống xả hoặc các cụm hàn chịu nhiệt độ cao liên tục hoặc không liên tục.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép không gỉ austenit này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: 309S chứa hàm lượng crom và niken cao hơn đáng kể so với 304, và hàm lượng carbon thấp hơn (hậu tố "S" biểu thị hàm lượng carbon thấp). Sự cân bằng hợp kim này mang lại cho 309S khả năng chống oxy hóa và độ bền nhiệt độ cao được cải thiện, trong khi 304 vẫn là lựa chọn mặc định cho khả năng chống ăn mòn nói chung, khả năng định hình và các ứng dụng tiết kiệm chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung:
• ASTM/ASME: A240 / ASME SA240 (tấm, lá) — Có liệt kê các loại 304 và 309S.
• EN/ISO: Dòng EN 10088 (nhiều tên gọi khác nhau tùy thuộc vào hình thức sản phẩm).
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có các cấp độ tương ứng (tương đương SUS304; SUS309S).
• Phân loại:
• 304: Thép không gỉ Austenit (không gỉ).
• 309S: Thép không gỉ Austenit (không gỉ), hợp kim cao, hàm lượng carbon thấp, dùng cho mục đích sử dụng ở nhiệt độ cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây hiển thị các giới hạn và phạm vi thành phần điển hình được tham chiếu theo các thông số kỹ thuật chung (các giá trị là giá trị tối đa hoặc phạm vi danh nghĩa được sử dụng trong các tiêu chuẩn công nghiệp):

Yếu tố	304 (giới hạn điển hình)	309S (giới hạn điển hình)
C	≤ 0,08% khối lượng	≤ 0,03 wt% (carbon thấp “S”)
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	22,0–24,0% khối lượng
Ni	8,0–10,5% khối lượng	12,0–15,0% khối lượng
Mo	thường là không có	thường là không có
V, Nb, Ti, B	dấu vết/không có	dấu vết/không có
N	≤ ~0,10% khối lượng	≤ ~0,10% khối lượng

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom: nguyên tố chính cho khả năng chống oxy hóa và độ ổn định màng thụ động. Hàm lượng Cr cao hơn trong 309S giúp cải thiện khả năng bám dính của lớp oxit ở nhiệt độ cao và chống lại môi trường oxy hóa mạnh. - Niken: ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo và độ dai ở nhiệt độ cao; hàm lượng Ni cao hơn trong 309S làm tăng độ ổn định nhiệt và khả năng chống rão ở nhiệt độ cao. - Carbon: hàm lượng carbon thấp hơn trong thép 309S (cấp “S”) giúp giảm thiểu sự kết tủa cacbua và cải thiện khả năng chống nhạy cảm trong quá trình hàn và tiếp xúc với nhiệt độ cao. - Silic và các nguyên tố phụ ảnh hưởng đến quá trình đóng cặn oxy hóa; Si với hàm lượng nhỏ có thể cải thiện khả năng bám dính của cặn ở nhiệt độ cao.

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

• Cả 304 và 309S đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Chúng không chuyển thành ferit hoặc martensite trong các chu trình nhiệt thông thường ở nhiệt độ phòng.
• Cấu trúc vi mô dưới quá trình xử lý tiêu chuẩn:
• Ủ: austenit đẳng trục với cặp song sinh ủ. Kích thước hạt phụ thuộc vào nhiệt độ ủ cuối cùng và lịch sử cơ nhiệt.
• Làm nguội: mật độ sai lệch tăng lên và khả năng tạo ra martensite do ứng suất ở thép 304 khi làm nguội ở nhiệt độ cao; thép 309S, có hàm lượng Ni cao hơn, ít bị tạo ra martensite do ứng suất.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Thép không gỉ austenit không thể tôi cứng bằng phương pháp tôi và ram. Ủ dung dịch (ví dụ: 1010–1150 °C sau đó làm nguội nhanh) giúp phục hồi khả năng chống ăn mòn và độ dẻo bằng cách hòa tan cacbua.
• Độ nhạy cảm (kết tủa crom cacbua ở 450–850 °C) được giảm thiểu nhờ thành phần carbon thấp của 309S và quá trình ủ dung dịch; 304 có thể bị nhạy cảm nếu hàn không đúng cách hoặc giữ trong phạm vi nhạy cảm.
• Xử lý nhiệt cơ:
• Hàm lượng hợp kim cao hơn của 309S mang lại khả năng duy trì độ bền cơ học tốt hơn ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão được cải thiện; cả hai loại đều dựa vào quá trình gia công nguội ở nhiệt độ môi trường.

4. Tính chất cơ học

Vì tính chất thay đổi tùy theo hình dạng và tính chất của sản phẩm nên bảng dưới đây cung cấp các đánh giá định tính, so sánh thay vì đảm bảo về mặt số liệu tuyệt đối.

Tài sản	304	309S	Bình luận
Độ bền kéo	Phạm vi austenit điển hình	Cao hơn một chút (dung dịch được tăng cường bằng Ni/Cr)	309S thường có độ bền kéo cao hơn một chút trong điều kiện ủ do hợp kim
Sức chịu lực	Có thể so sánh	Có thể so sánh với cao hơn một chút	Hành vi năng suất tương tự; sự khác biệt phụ thuộc vào công việc nguội
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao (khả năng định hình tuyệt vời)	Tốt, nhưng thường thấp hơn 304 một chút	Hàm lượng hợp kim thấp hơn của 304 thường cho phép tạo hình dễ dàng hơn và độ giãn dài cao hơn
Độ bền va đập	Rất tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Rất tốt; giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ cao tốt hơn	Cả hai đều giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp; 309S cho thấy khả năng giữ độ dẻo dai ở nhiệt độ cao tốt hơn
Độ cứng	Thấp (làm việc cứng hơn)	Cao hơn một chút khi ủ	Độ cứng tăng lên khi gia công nguội cho cả hai loại

Diễn giải: 309S thường có độ bền cao hơn một chút và hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ cao, trong khi 304 có độ dẻo và khả năng định hình tuyệt vời cho các ứng dụng ở nhiệt độ phòng.

5. Khả năng hàn

• Cả hai loại thép này đều có khả năng hàn cao với kim loại đệm thép không gỉ austenit tiêu chuẩn. Vì cả hai đều là thép austenit, khả năng hàn nhìn chung rất tốt (trong hầu hết các trường hợp, không cần gia nhiệt trước để giảm thiểu nứt hydro).
• Mức độ cacbon và hợp kim:
• Thép 309S có giới hạn cacbon thấp hơn để giảm độ nhạy cảm; hàm lượng Ni cao hơn làm giảm xu hướng pha sigma và thúc đẩy cấu trúc kim loại hàn dẻo.
• 304 có thể dễ bị nhạy cảm hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) nếu quá trình làm nguội chậm; có thể sử dụng 304L ít carbon hoặc ủ dung dịch sau hàn để giảm thiểu tình trạng nhạy cảm.
• Độ cứng và nứt HAZ thường không phải là giới hạn đối với các loại thép austenit này.
• Sử dụng chỉ số khả năng hàn dự đoán:
• Lượng cacbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Crom–tương đương (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải: Hàm lượng Cr và Ni cao hơn của 309S làm tăng các điều khoản hợp kim, nhưng hàm lượng carbon thấp của nó làm giảm sự đóng góp của C. Trên thực tế, thợ hàn thường sử dụng vật liệu hàn phù hợp hoặc có hàm lượng hợp kim cao hơn một chút (ví dụ: vật liệu hàn 309L) khi nối các loại thép khác nhau hoặc khi cần mối hàn có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vượt trội.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thép không gỉ (cả 304 và 309S): khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào hàm lượng crom và tính toàn vẹn của lớp màng thụ động.
• Đối với sự ăn mòn trong nước ở nhiệt độ môi trường, 304 mang lại hiệu suất tuyệt vời trong nhiều môi trường (chế biến thực phẩm, tiếp xúc với hóa chất nhẹ). 309S thường không cải thiện đáng kể khả năng ăn mòn trong nước so với 304; ưu điểm của nó nằm ở nhiệt độ cao.
• Đối với quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và gia nhiệt tuần hoàn, 309S tạo thành lớp oxit bám dính, bảo vệ tốt hơn do có hàm lượng Cr và Ni cao hơn, khiến nó được ưa chuộng hơn cho các bộ phận lò, đầu đốt và bộ trao đổi nhiệt.
• Sử dụng PREN (để so sánh khả năng chống rỗ khi Mo và N có ý nghĩa): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PREN không cung cấp nhiều thông tin cho 304 hoặc 309S vì cả hai loại đều không chứa Mo đáng kể; hàm lượng nitơ rất nhỏ nên số PREN sẽ không phản ánh sự khác biệt về hiệu suất oxy hóa chính của chúng.
• Thép không gỉ: để tham khảo, thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp cần được phủ lớp (mạ kẽm, sơn, lớp phủ cách nhiệt) để bảo vệ chống ăn mòn; các biện pháp như vậy thường không được áp dụng cho các loại thép không gỉ theo cùng một cách.

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

• Khả năng gia công:
• Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép mềm do phải tôi luyện và có độ dẫn nhiệt thấp.
• Thép 309S có thể khó gia công hơn thép 304 một chút do hàm lượng hợp kim cao hơn và xu hướng làm cứng khi gia công; tuổi thọ dụng cụ có thể ngắn hơn và tốc độ/bước tiến có thể được điều chỉnh.
• Khả năng tạo hình và kéo sâu:
• Thép 304 có khả năng định hình tuyệt vời và được sử dụng rộng rãi để kéo sâu, dập và tạo hình phức tạp.
• Thép 309S có thể định hình được nhưng ít phù hợp để gia công kéo sâu do độ dẻo giảm nhẹ và độ bền/giới hạn chảy cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả phương pháp đánh bóng và tẩy rửa đều là tiêu chuẩn; 309S đôi khi cần chú ý đến màu sắc bề mặt nhiệt sau khi sử dụng ở nhiệt độ cao và cặn oxit có thể cần loại bỏ bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học.

8. Ứng dụng điển hình

304 — Công dụng điển hình	309S — Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, đồ dùng nhà bếp, bồn rửa, đồ trang trí kiến ​​trúc, đường ống xử lý hóa chất ở nhiệt độ môi trường xung quanh/nhẹ	Lớp lót lò, phần cứng lò, ống tỏa nhiệt, ống dẫn nhiệt độ cao, đầu đốt, đồ gá xử lý nhiệt
Bộ trao đổi nhiệt, bồn chứa và bình chứa nước uống và nhiều loại hóa chất	Chất hàn để nối thép cacbon với thép không gỉ; mối hàn phủ yêu cầu khả năng chống oxy hóa
Phụ kiện trang trí ô tô, ốc vít và các bộ phận chế tạo đa năng	Ống xả và ống khói nhiệt độ cao (dịch vụ không liên tục)

Cơ sở lựa chọn: chọn 304 vì khả năng chống ăn mòn và tạo hình ở nhiệt độ môi trường tiết kiệm chi phí; chọn 309S khi dịch vụ liên quan đến nhiệt độ cao kéo dài hoặc theo chu kỳ hoặc khi lớp phủ/chất độn hàn phải chống oxy hóa.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 304 là một trong những loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi nhất và thường là loại thép không gỉ austenit có giá thành thấp nhất do có hàm lượng Ni vừa phải.
• Thép 309S chứa nhiều niken (và crom) hơn đáng kể, do đó chi phí nguyên liệu thô và chi phí thành phẩm cũng cao hơn.
• Khả dụng:
• Thép 304 có mặt ở khắp mọi dạng sản phẩm: tấm, đĩa, cuộn, ống, thanh, dây.
• 309S có sẵn ở dạng tấm, tấm phẳng, thanh và dạng hàn nhưng có thể ít phổ biến hơn ở một số dạng sản phẩm đặc biệt hoặc thị trường nhỏ. Thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể dài hơn đối với 309S ở một số kích cỡ nhất định.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	304	309S
Khả năng hàn	Tuyệt vời; nguy cơ nhạy cảm nếu không được kiểm soát	Tuyệt vời; hàm lượng carbon thấp làm giảm độ nhạy cảm
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai rất tốt, độ dẻo tuyệt vời	Độ bền nhiệt độ cao cao hơn một chút; độ dẻo dai tốt
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm, có sẵn rộng rãi)	Cao hơn (hợp kim nhiều hơn, chi phí cao hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn 304 nếu bạn cần thép không gỉ austenit có khả năng định hình cao, tiết kiệm chi phí cho các điều kiện làm việc từ môi trường xung quanh đến mức ăn mòn trung bình, trong đó khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao không phải là yêu cầu chính (ví dụ: thiết bị thực phẩm, các yếu tố kiến ​​trúc, đường ống quy trình chung). - Chọn 309S nếu chi tiết cần vận hành trong môi trường nhiệt độ cao (lò nung, ống xả, ống bức xạ), yêu cầu khả năng chống oxy hóa hoặc độ bền nhiệt độ cao được cải thiện, hoặc nếu ứng dụng liên quan đến lớp phủ hàn cho hoạt động ở nhiệt độ cao. Cũng nên chọn 309S khi cần hàm lượng carbon thấp để tránh nhạy cảm và cải thiện hiệu ứng HAZ của mối hàn trong các chu kỳ nhiệt độ cao.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu cuối cùng cần xem xét các thông số nhiệt độ làm việc, môi trường tiếp xúc (oxy hóa so với khử), tải trọng cơ học và yêu cầu về độ rão, quy trình chế tạo và chi phí vòng đời. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy xác nhận các chứng chỉ vật liệu cụ thể và thực hiện thử nghiệm ăn mòn và nhiệt độ cao theo ứng dụng cụ thể hoặc tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp vật liệu và các nguồn lực kỹ thuật luyện kim.