304 so với 310S – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

304 và 310S là hai trong số những loại thép không gỉ austenit được chỉ định phổ biến nhất trong công nghiệp. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc giữa hiệu suất chống ăn mòn, độ ổn định ở nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí vật liệu khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết bị thực phẩm và dược phẩm (trong đó 304 thường được chỉ định để cân bằng chi phí và chống ăn mòn) so với phần cứng lò nung và thiết bị xử lý nhiệt độ cao (trong đó 310S được ưu tiên hơn về khả năng chống oxy hóa và chống rão).

Sự khác biệt chính thúc đẩy việc so sánh nằm ở thành phần hóa học của hợp kim: 310S chứa hàm lượng crom và niken cao hơn đáng kể so với 304, giúp 310S có khả năng oxy hóa và duy trì độ bền ở nhiệt độ cao tốt hơn nhiều, nhưng cũng có chi phí mua cao hơn và đặc tính chế tạo khác nhau. Vì cả hai loại đều là thép không gỉ austenit với thành phần kim loại cơ bản tương tự nhau, nên chúng thường được coi là lựa chọn thay thế trong thiết kế, với lựa chọn cuối cùng được quyết định bởi nhiệt độ vận hành, môi trường ăn mòn, nhu cầu chế tạo và ngân sách.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tên gọi chung:
• ASTM / ASME: 304 (UNS S30400), 310S (UNS S31008)
• EN: 1.4301 (khoảng 304), 1.4845 (khoảng 310S)
• JIS: SUS304, SUS310S
• GB (Trung Quốc): 06Cr19Ni10 (tương đương 304), 25Cr20Ni (tương đương 310/310S)
• Phân loại:
• Cả 304 và 310S đều là thép không gỉ austenit (họ thép không gỉ).
• Chúng không phải là thép cacbon, thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc loại HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (wt.%). Giới hạn thực tế phụ thuộc vào thông số kỹ thuật và nhà máy; các giá trị được liệt kê phản ánh phạm vi ASTM/EN thường được sử dụng để hướng dẫn chung.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt.%)	310S (phạm vi điển hình, wt.%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,5
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0 – 20,0	24,0 – 26,0
Ni	8,0 – 10,5	19,0 – 22,0
Mo	- (dấu vết)	- (dấu vết)
V	—	—
Nb (Cb)	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,10	≤ 0,10–0,20 (phụ thuộc vào thông số kỹ thuật)

Ghi chú: - “—” biểu thị không cố ý thêm vào; chỉ có lượng dư sót lại rất nhỏ. - 310S là biến thể hợp kim 310 có hàm lượng carbon thấp; hàm lượng carbon thấp làm giảm lượng kết tủa cacbua trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao. - Hàm lượng crom và niken cao hơn trong 310S có mục đích ổn định austenit ở nhiệt độ cao và tạo thành lớp oxit bảo vệ tốt hơn trong quá trình oxy hóa.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom góp phần chống ăn mòn (hình thành màng thụ động) và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Hàm lượng Cr cao hơn trong 310S giúp cải thiện khả năng chống đóng cặn ở nhiệt độ cao. - Niken ổn định cấu trúc vi mô austenit và tăng cường độ dẻo dai cũng như độ bền ở nhiệt độ cao; hàm lượng Ni đáng kể trong 310S giúp cải thiện khả năng duy trì độ dẻo và tính chất rão ở nhiệt độ cao. - Cacbon tăng cường độ bền thông qua quá trình hình thành dung dịch rắn và cacbua nhưng làm tăng nguy cơ nhạy cảm; kiểm soát cacbon (như trong 310S) làm giảm lượng kết tủa cacbua trong quá trình sử dụng.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cả hai loại đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) khi ủ ở nhiệt độ phòng do có chứa Ni.
• Cả hai loại thép này đều không thể xử lý nhiệt bằng phương pháp tôi và ram được sử dụng cho thép ferritic hoặc martensitic. Các tính chất cơ học được thay đổi bằng phương pháp gia công nguội và ủ dung dịch.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Giải pháp ủ được khuyến nghị: thường ở nhiệt độ 1010–1150 °C sau đó làm nguội nhanh (làm nguội bằng nước hoặc không khí theo thông số kỹ thuật) để khôi phục khả năng chống ăn mòn và độ dẻo.
• 304: ủ dung dịch hòa tan bất kỳ loại cacbua nào và phục hồi độ dẻo; tiếp xúc lâu dài trong khoảng 425–850 °C có thể gây ra hiện tượng nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt do kết tủa crom cacbua nếu không kiểm soát được cacbon.
• 310S: hàm lượng cacbon thấp và hàm lượng Ni cao làm giảm nguy cơ kết tủa cacbua và nhạy cảm hóa; tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài trong phạm vi kết tủa pha sigma (khoảng 600–1000 °C) vẫn có thể thúc đẩy sự kết tủa liên kim loại (pha sigma) trong hợp kim Cr cao trong một số điều kiện. Ủ dung dịch thích hợp và tiếp xúc dịch vụ được kiểm soát sẽ giảm thiểu hiện tượng này.
• Xử lý nhiệt cơ:
• Làm nguội giúp tăng cường độ bằng cách làm cứng biến dạng nhưng lại làm giảm khả năng tạo hình và có thể làm tăng nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất trong một số môi trường nhất định.
• Đối với các ứng dụng quan trọng về độ rão ở nhiệt độ cao, 310S được ưu tiên hơn vì hợp kim mang lại khả năng chống rão tốt hơn; cả 304 và 310S đều không thể được làm cứng bằng phương pháp kết tủa.

4. Tính chất cơ học

Bảng: giá trị nhiệt độ phòng ủ điển hình (phạm vi chỉ định; giá trị thực tế phụ thuộc vào hình thức sản phẩm và thông số kỹ thuật).

Tính chất (ủ)	304 (điển hình)	310S (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	500 – 700	500 – 700
0,2% Bằng chứng / Năng suất (MPa)	~200 – 300	~200 – 300
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	≥ 40	≥ 40
Độ bền va đập (Charpy, J)	Cao; giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ T thấp	Cao; tương đương, vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ T thấp
Độ cứng (HB / HRB)	~120 – 200 HB (~80 HRB)	~120 – 200 HB (~80 HRB)

Giải thích: - Ở nhiệt độ phòng, tính chất cơ học của 304 và 310S nhìn chung là tương tự nhau; cả hai đều dẻo và dai. - Ở nhiệt độ cao, 310S thể hiện khả năng duy trì độ bền và khả năng chống rão vượt trội do hàm lượng Ni và Cr cao hơn. - Không nên dựa vào bất kỳ cấp độ nào cho các ứng dụng kết cấu có độ bền cao mà không tính toán thiết kế về hiện tượng rão và giãn nở phụ thuộc vào nhiệt độ.

5. Khả năng hàn

• Cả thép 304 và 310S nói chung đều có khả năng hàn cao bằng các quy trình hàn nóng chảy tiêu chuẩn (TIG, MIG, SMAW). Thép không gỉ austenit không dễ bị nứt nguội do hydro, một hiện tượng thường gặp ở thép cacbon cường độ cao.
• Hàm lượng cacbon và khả năng làm cứng:
• Hàm lượng carbon thấp hơn làm giảm sự kết tủa cacbua và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn. 310S (carbon thấp) làm giảm nguy cơ nhạy cảm so với các biến thể có hàm lượng carbon cao hơn.
• Nguy cơ nứt và độ cứng thấp; tuy nhiên, quá trình tôi luyện và chu kỳ nhiệt có thể gây ra biến dạng, do đó thiết kế mối nối và đồ gá phù hợp là rất quan trọng.
• Chỉ số luyện kim hàn phổ biến (để giải thích định tính):
• Hiển thị công thức cacbon tương đương: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
• Công thức PCM Paris: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Giải thích định tính cho các điểm này:
• Cả hai loại đều có hàm lượng carbon thấp (đặc biệt là 310S) nên $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ đều thấp so với thép có thể tôi luyện; điều này dự đoán khả năng tôi luyện thấp và nguy cơ nứt do martensite thấp.
• Hàm lượng Ni cao hơn trong 310S làm tăng nhẹ CE số thông qua công thức, nhưng niken cũng cải thiện độ dẻo và giảm khả năng nứt nguội trong thực tế.
• Thực hành hàn:
• Sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc thích hợp với nhiệt độ sử dụng dự kiến.
• Đối với 304, tránh thời gian chuyển tiếp kéo dài trong phạm vi nhạy cảm mà không ủ dung dịch sau hàn nếu ứng dụng dễ bị tấn công giữa các hạt.
• Mối hàn 310S cần chú ý đến sự giãn nở nhiệt và biến dạng do hàm lượng hợp kim cao hơn và có thể kém chịu được ứng suất làm nguội nhanh ở các phần dày.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Ăn mòn chung (môi trường nước ở nhiệt độ phòng):
• Inox 304 có khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường làm việc bao gồm không khí, axit nhẹ và chế biến thực phẩm.
• 310S có khả năng chống ăn mòn tương tự hoặc tốt hơn một chút, nhưng ưu điểm chính của nó là hiệu suất ở nhiệt độ cao hơn là khả năng chống rỗ hoặc khe hở tốt hơn trong môi trường nước chứa clorua.
• Khả năng chống rỗ:
• Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) hữu ích khi Mo và N có ý nghĩa: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Cả 304 và 310S đều không chứa Mo; cả hai đều có hàm lượng N thấp—vì vậy PREN không phải là yếu tố phân biệt mạnh. Về khả năng chống rỗ clorua, hợp kim có Mo (ví dụ: 316) hoạt động tốt hơn.
• Ăn mòn/oxy hóa ở nhiệt độ cao:
• 310S có khả năng chống oxy hóa và đóng cặn tốt hơn đáng kể ở nhiệt độ cao (ví dụ, trong lò nung) do hàm lượng Cr và Ni cao hơn giúp ổn định lớp oxit bảo vệ.
• Nếu thép không gỉ không phù hợp, các biện pháp bảo vệ bề mặt thông thường dành cho thép không gỉ (mạ kẽm, phủ, lót, sơn) sẽ được áp dụng; đối với hai loại thép này, các biện pháp bảo vệ tập trung vào việc duy trì tính thụ động và tránh gây nhạy cảm.

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

• Khả năng định hình:
• Cả hai đều có khả năng định hình cao trong điều kiện ủ. 304 thường được sử dụng cho các hoạt động kéo sâu và tạo hình phức tạp.
• Thép 310S ít được sử dụng để tạo hình rộng rãi vì hàm lượng hợp kim cao hơn có thể làm tăng tốc độ làm cứng và độ đàn hồi; tuy nhiên, thép này vẫn có thể gia công được với chu trình ủ và dụng cụ thích hợp.
• Khả năng gia công:
• Thép không gỉ austenit có độ cứng cao và khó gia công hơn so với thép ít cacbon.
• Thép 304 có khả năng gia công ở mức trung bình đối với các loại thép không gỉ; khả năng kiểm soát phoi, thiết lập cứng, dụng cụ nghiêng dương và chèn cacbua có ích.
• Do có hàm lượng Ni cao hơn và hợp kim cứng hơn nên 310S có thể cứng hơn đối với các dụng cụ và có thể yêu cầu tốc độ cắt chậm hơn và dụng cụ chắc chắn hơn.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng:
• Cả hai đều đánh bóng tốt; thép 304 được sử dụng rộng rãi khi cần bề mặt sáng bóng. Thép 310S cũng có thể được hoàn thiện theo tiêu chuẩn cao nhưng có thể khó hoàn thiện hơn một chút do độ cứng của vật liệu.

8. Ứng dụng điển hình

304 (sử dụng phổ biến)	310S (sử dụng phổ biến)
Thiết bị chế biến thực phẩm, thiết bị nhà bếp, bồn rửa và đồ nấu nướng	Các bộ phận lò, bộ phận đầu đốt, ống tỏa nhiệt, lớp lót lò
Thiết bị dược phẩm và y tế (không cấy ghép)	Thiết bị xử lý nhiệt, giá đỡ lò nướng, đường ống xử lý nhiệt độ cao
Bồn chứa hóa chất (chất có tính ăn mòn nhẹ), tấm kiến ​​trúc	Dịch vụ nhiệt độ cao trong ngành hóa dầu và lọc dầu, buồng đốt
Chốt, bu lông và cụm hàn đa năng	Giá đỡ cách nhiệt nhiệt độ cao, phần cứng lò nung, lò nung lại

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ môi trường, hiệu quả về chi phí và tính khả dụng rộng rãi là những yếu tố chính. - Chọn 310S khi cần độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa và lượng kết tủa cacbua thấp ở nhiệt độ cao.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• Inox 310S đắt hơn inox 304 vì có hàm lượng Ni và Cr cao hơn đáng kể.
• Chênh lệch giá dao động theo thị trường niken và crom toàn cầu; hàm lượng niken là yếu tố chính thúc đẩy chi phí.
• Khả dụng:
• 304 là một trong những loại thép không gỉ được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới dưới dạng tấm, thanh, ống và ống tròn.
• 310S được sử dụng rộng rãi nhưng một số dạng sản phẩm (ví dụ: tấm rất lớn hoặc các phần cán nguội đặc biệt) có thể có thời gian giao hàng lâu hơn hoặc nhà cung cấp hạn chế so với 304.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các sự đánh đổi chính:

Đặc điểm	304	310S
Khả năng hàn	Tuyệt vời (xem độ nhạy cảm ở các biến thể C cao)	Tuyệt vời (C thấp làm giảm nguy cơ nhạy cảm)
Sức mạnh-Độ dẻo dai (RT)	Tốt, dẻo và dai	Tương tự ở RT; duy trì sức mạnh vượt trội ở T cao
Khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao	Vừa phải	Xuất sắc
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn
Khả dụng	Rất cao	Cao, nhưng đôi khi ít lựa chọn sản phẩm hơn

Khuyến nghị: - Chọn 304 nếu: - Ứng dụng chủ yếu là dịch vụ ở nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt độ cao vừa phải. - Bạn cần khả năng cung cấp rộng rãi, chi phí thấp hơn và khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt (thực phẩm, kiến ​​trúc, nhà máy chế biến chung). - Cần phải thực hiện các thao tác tạo hình mở rộng hoặc kéo sâu. - Chọn 310S nếu: - Yêu cầu chính là hiệu suất chịu nhiệt độ cao liên tục, khả năng chống oxy hóa hoặc cải thiện độ bền kéo dài (lò nung, phần cứng xử lý nhiệt độ cao). - Nguy cơ nhạy cảm phải được giảm thiểu trong môi trường tuần hoàn nhiệt độ cao. - Chi phí vật liệu cao hơn có thể chấp nhận được để kéo dài tuổi thọ và giảm hiện tượng đóng cặn.

Lưu ý cuối cùng: việc lựa chọn vật liệu luôn phải cân nhắc đến toàn bộ phạm vi sử dụng (nhiệt độ, khí quyển, tải trọng cơ học, thiết kế mối nối, lộ trình chế tạo và tổng chi phí vòng đời). Khi nghi ngờ về các dịch vụ quan trọng liên quan đến nhiệt độ cao hoặc ăn mòn, hãy xác nhận lựa chọn bằng thử nghiệm ăn mòn, tham khảo dữ liệu về độ rão và oxy hóa dài hạn, và thuê nhà cung cấp vật liệu hoặc chuyên gia tư vấn luyện kim để xác minh tính phù hợp.