304 so với 321 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ 304 và 321 là hai trong số các mác thép austenit được chỉ định rộng rãi nhất trong công nghiệp. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, độ ổn định ở nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa chúng. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thường xoay quanh việc nên ưu tiên khả năng chống ăn mòn nói chung và hiệu quả chi phí (304) hay chống kết tủa cacbua và ăn mòn giữa các hạt ở nhiệt độ cao (321).

Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là 321 được ổn định bằng cách bổ sung titan liên kết carbon dưới dạng carbonitride, cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn liên hạt sau khi tiếp xúc với dải nhiệt độ nhạy cảm. Vì cả hai đều là austenit, chúng thường được so sánh với các loại ống dẫn, bình chứa, bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận chế tạo được sử dụng trong các ứng dụng có thể chịu nhiệt độ cao và hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 304
• Các chỉ định phổ biến: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
• Loại: Thép không gỉ Austenitic (không gỉ)
• Tiêu chuẩn liên quan: ASTM A240 (tấm), ASTM A276 (thanh), ASTM A312 (ống), ASME SA-240, EN 10088
• 321
• Các ký hiệu phổ biến: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541 (hoặc các biến thể 1.4541/1.4878), JIS SUS321, GB 06Cr19Ni10Ti
• Loại: Thép không gỉ Austenit (thép không gỉ ổn định bằng titan)
• Tiêu chuẩn liên quan: ASTM A240, ASTM A312, ASME SA-240, EN 10088

Cả hai đều được phân loại là thép không gỉ austenit; chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình (%) theo các tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào các tiêu chuẩn cụ thể và dạng sản phẩm; các giá trị được liệt kê chỉ mang tính chất đại diện.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt%)	321 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18,0–20,0	17,0–19,0
Ni	8,0–10,5	9,0–12,0
Mo	— (0)	— (0)
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	phút (5 × C, 0,70) (thường là 0,20–0,70)
B	—	—
N	thường là ≤ 0,10	thường là ≤ 0,10

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - Crom và niken tạo ra nền austenit ổn định và có khả năng chống ăn mòn nói chung. Niken cũng cải thiện độ dẻo dai và khả năng định hình. - Titan trong hợp kim 321 ưu tiên tạo thành cacbua/nitrit titan (TiC, TiN) giúp ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt khi thép tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 450–850 °C). Sự ổn định này làm giảm khả năng bị ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc sử dụng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. - Giới hạn carbon thấp làm giảm lực đẩy cho quá trình kết tủa cacbua; trong 304L (304 carbon thấp), biến thể “L” cung cấp một phương pháp khác để giảm độ nhạy mà không cần ổn định.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả 304 và 321 đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Chúng đôi khi chứa ferit delta tùy thuộc vào quá trình nấu chảy và chế biến, nhưng chủ yếu là austenit.
• Phản ứng với chu kỳ nhiệt:
• Ủ: Ủ dung dịch (ví dụ: 1010–1150 °C tùy thuộc vào sản phẩm) sẽ hòa tan cacbua và đồng nhất hóa. Làm nguội nhanh được sử dụng để tránh nhạy cảm, nhưng 321 ít nhạy cảm hơn vì Ti tạo thành cacbua ổn định.
• Hàn: Việc gia nhiệt cục bộ trong khoảng 450–850 °C có thể cho phép kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt ở các cấp độ không ổn định. Titan của 321 liên kết cacbon và nitơ, hạn chế sự hình thành crom cacbua và duy trì khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.
• Gia công nhiệt cơ học: Gia công nguội làm tăng mật độ sai lệch và có thể dẫn đến biến dạng martensite trong một số loại thép không gỉ austenit (ít phổ biến hơn ở các loại thép đã ổn định hoàn toàn). Cả hai loại thép đều có thể được tôi cứng bằng gia công; quá trình phục hồi xảy ra khi gia nhiệt.
• Các phương pháp xử lý nhiệt như thường hóa, làm nguội và ram thường không được áp dụng cho thép không gỉ austenit để gia cường — chúng được gia cường bằng cách làm cứng bằng phương pháp làm cứng và dung dịch rắn; phương pháp làm cứng bằng kết tủa không áp dụng cho thép 304/321.

4. Tính chất cơ học

Các tính chất dưới đây là đặc trưng cho điều kiện ủ; hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh), độ dày và các giá trị ảnh hưởng tiêu chuẩn.

Tính chất (ủ)	304 (điển hình)	321 (điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	500–750 MPa	500–750 MPa
Cường độ chịu kéo 0,2%	205–310 MPa	205–310 MPa
Độ giãn dài (tính bằng 50 mm)	≥ 40%	≥ 40%
Tác động Charpy (nhiệt độ phòng)	Tốt; gãy dẻo, năng lượng hấp thụ cao	Tương tự như 304; vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ cao
Độ cứng (HB)	~150–220 HB tùy thuộc vào công việc lạnh	~150–220 HB tùy thuộc vào công việc lạnh

Giải thích: - Trong điều kiện ủ, 304 và 321 có các đặc tính chịu kéo, chảy và độ dẻo rất giống nhau vì thành phần hóa học nền của chúng nhìn chung tương đương nhau. Sự khác biệt về hiệu suất cơ học thường không đáng kể và bị lu mờ bởi lịch sử gia công (gia công nguội) hoặc hình dạng sản phẩm. - Cả hai loại đều có độ bền cao ở nhiệt độ môi trường; khả năng chống va đập ở mức vừa phải. Độ bền tăng lên khi gia công nguội ở cả hai loại.

5. Khả năng hàn

Cả thép 304 và 321 đều được coi là dễ hàn bằng phương pháp hàn thép không gỉ austenit tiêu chuẩn. Những lưu ý khi hàn: - Hàm lượng carbon và độ ổn định: Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng nguy cơ kết tủa crom cacbua trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Titan của hợp kim 321 giúp giảm nguy cơ này bằng cách hình thành TiC/TiN, đặc biệt có giá trị khi tiếp xúc với nhiệt sau hàn hoặc sử dụng lâu dài ở nhiệt độ nhạy cảm. - Khả năng làm cứng thấp; thép không gỉ austenit không thể làm cứng bằng cách làm nguội; các vấn đề về nứt do hydro và đông đặc phải được xử lý thông qua kim loại phụ và kỹ thuật phù hợp.

Sử dụng chỉ số khả năng hàn (hướng dẫn định tính): - Ví dụ về lượng cacbon tương đương dùng để hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Công thức này giúp dự đoán khả năng nứt nguội và nhu cầu xử lý nhiệt trước/sau hàn của thép. Đối với thép không gỉ austenit, giá trị CE tuyệt đối ít được áp dụng trực tiếp hơn, nhưng phương pháp này nhấn mạnh rằng các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến hành vi hàn. - Một thông số mở rộng được sử dụng trong thép không gỉ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ được sử dụng để ước tính xu hướng hình thành liên kim loại hoặc ferit delta trong mối hàn; giải thích định tính cho thấy rằng việc bổ sung Ti nhỏ (như trong 321) làm thay đổi sự cân bằng của các pha trong vùng HAZ và kim loại mối hàn.

Ý nghĩa thực tiễn: - Sử dụng kim loại hàn có hàm lượng carbon thấp hoặc phù hợp cho ứng dụng 304 để tránh gây nhạy cảm (ví dụ: ER308L để hàn 304). - Khi nối 304 sẽ được sử dụng trong phạm vi nhạy cảm, hãy cân nhắc vật liệu cơ bản 321, 304L ít carbon hoặc kim loại độn ổn định, tùy thuộc vào ứng dụng và chi phí.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Chỉ dành cho các loại thép không gỉ (304, 321):
• Khả năng chống ăn mòn nói chung phần lớn phụ thuộc vào hàm lượng crom và tính liên tục của lớp phủ thụ động Cr2O3. Cả hai loại đều không chứa molypden, do đó khả năng chống rỗ của chúng trong môi trường clorua bị hạn chế hơn so với các loại chứa Mo.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không có tính phân biệt đặc biệt ở đây vì sự đóng góp của Mo và N là nhỏ hoặc không có; để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Đối với 304/321 (Mo = 0), PREN về cơ bản là hàm lượng Cr cộng với bất kỳ hiệu ứng N nhỏ nào — cả hai loại đều có PREN tương tự nhau.
• Ăn mòn giữa các hạt: 304 dễ bị ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc trong phạm vi nhạy cảm nếu có cacbon và kết tủa cacbua xảy ra ở ranh giới hạt. Titan của 321 loại bỏ cacbon và làm giảm chế độ ăn mòn này, khiến 321 trở nên thích hợp hơn cho các bộ phận hàn hoặc các bộ phận tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài.
• Đối với thép không gỉ (không áp dụng ở đây): các biện pháp bảo vệ thông thường bao gồm mạ kẽm, sơn và phủ — không liên quan đến việc lựa chọn 304/321 trừ khi sử dụng hệ thống vật liệu hỗn hợp.

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

• Khả năng cắt và gia công:
• Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon do quá trình tôi luyện và độ dẫn nhiệt thấp. Trên thực tế, thép 304 dễ gia công hơn thép 321 một chút, nhưng sự khác biệt không đáng kể.
• Sử dụng thiết lập cứng, dụng cụ sắc bén, tốc độ nạp liệu cao hơn và chất làm mát thích hợp để giảm thiểu hiện tượng cứng khi gia công.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Cả hai loại đều có khả năng định hình tuyệt vời trong điều kiện ủ và có thể được kéo sâu và định hình. Tính ổn định titan của 321 có thể làm giảm nhẹ khả năng bị ảnh hưởng bởi tác động lão hóa do ứng suất trong một số trường hợp nhưng không làm thay đổi đáng kể khả năng định hình đối với hầu hết các hoạt động.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều phản ứng tốt với phương pháp đánh bóng và đánh bóng điện; lưu ý rằng quá trình mài hoặc hàn sẽ cần quá trình thụ động hóa sau xử lý để khôi phục khả năng chống ăn mòn trong các ứng dụng quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

304 — Công dụng điển hình	321 — Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, đồ dùng nhà bếp, bồn rửa và đồ dùng	Ống xả máy bay và hàng không vũ trụ và các bộ phận động cơ
Thiết bị xử lý hóa chất không tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài	Các thành phần lò và lò nướng, bộ trao đổi nhiệt hoạt động ở nhiệt độ cao
Trang trí kiến ​​trúc, lan can, ứng dụng trang trí	Khớp nối giãn nở, ống thổi và đường ống trong dịch vụ hóa dầu nhiệt độ cao
Chốt, lò xo và đồ trang trí ô tô	Các thành phần của lò hấp và hơi nước có nguy cơ gây nhạy cảm
Đường ống và bồn chứa chung cho nước, hóa chất nhẹ	Ống trong dịch vụ nhiệt độ cao; cụm hàn có khả năng nhạy cảm với HAZ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 vì khả năng chống ăn mòn thông dụng, tiết kiệm chi phí và nơi nhiệt độ vận hành thấp hơn phạm vi nhạy cảm hoặc nơi chỉ định 304L có hàm lượng carbon thấp cho các kết cấu hàn. - Chọn 321 khi các cụm hoặc thành phần hàn tiếp xúc với nhiệt độ lặp lại hoặc liên tục trong phạm vi nhạy cảm và nguy cơ ăn mòn giữa các hạt phải được giảm thiểu hoặc khi yêu cầu khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vừa phải.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Giá thép 321 thường cao hơn thép 304 một chút do hàm lượng titan bổ sung và nhu cầu thấp hơn. Mức chênh lệch này thay đổi tùy theo điều kiện thị trường và hình thức sản phẩm.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được cung cấp rộng rãi ở dạng tấm, tấm, cuộn, ống, ống dẫn và thanh. 304 phổ biến hơn trên toàn cầu, do đó thời gian giao hàng và tính linh hoạt trong việc tìm nguồn cung ứng thường tốt hơn đối với 304 so với 321, đặc biệt là ở các dạng sản phẩm đặc biệt.
• Mẹo mua sắm: Đối với các dự án lớn, hãy xác định sớm về lớp hoàn thiện, hình thức sản phẩm và bất kỳ yêu cầu chứng nhận nào; hãy xem xét 304L như một lựa chọn thay thế cho 321 khi mối quan tâm chính là độ nhạy của mối hàn và kiểm soát chi phí.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	304	321
Khả năng hàn	Tuyệt vời với các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn; sử dụng chất độn nhiệt độ thấp để kiểm soát độ nhạy cảm	Tuyệt vời; ổn định làm giảm nguy cơ nhạy cảm với HAZ
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Độ dẻo dai cao, độ dẻo tốt; độ bền tương đương với 321	Độ bền và độ dẻo dai tương đương; độ ổn định tốt hơn sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao
Trị giá	Thấp hơn (phổ biến hơn)	Cao hơn (ổn định titan)

Kết luận và hướng dẫn thực hành: - Chọn 304 nếu bạn cần thép không gỉ austenit đa năng, tiết kiệm chi phí cho dịch vụ ở nhiệt độ môi trường, môi trường thực phẩm và đồ uống hoặc các ứng dụng mà quá trình hàn có thể được kiểm soát bằng kim loại hàn có hàm lượng carbon thấp hoặc khả thi khi ủ dung dịch sau hàn. - Chọn 321 nếu linh kiện sẽ được hàn và sau đó tiếp xúc với nhiệt độ trong phạm vi nhạy cảm (ví dụ: 450–850 °C) hoặc nếu linh kiện phải chịu được chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại hoặc hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, nếu không thì kết tủa cacbua sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn và độ ổn định cơ học.

Lưu ý cuối cùng: việc lựa chọn vật liệu phải xem xét chính xác các điều kiện vận hành (nhiệt độ, hóa chất hiện diện, trạng thái ứng suất và lộ trình chế tạo). Nếu không chắc chắn, hãy tham khảo dữ liệu thử nghiệm ăn mòn hoặc tham khảo ý kiến ​​kỹ sư luyện kim, và nếu cần, hãy chỉ định thử nghiệm (ví dụ: thử nghiệm ăn mòn liên hạt) hoặc chọn hợp kim ít cacbon hoặc hợp kim ổn định để giảm thiểu rủi ro nhạy cảm.