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

Giới thiệu

Thép không gỉ Austenit 304 và 321 là một trong những loại thép được chỉ định phổ biến nhất trong thiết kế, chế tạo và mua sắm. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, độ ổn định ở nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm chế tạo bình chịu áp lực, thiết bị thực phẩm và đồ uống, linh kiện trao đổi nhiệt và các cụm hàn tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Đặc điểm phân biệt chính là một loại được ổn định hóa chống lại sự kết tủa crom cacbua bằng cách bổ sung một cách có chủ đích chất tạo hình cacbua, cải thiện khả năng chống ăn mòn liên hạt trong phạm vi nhạy cảm nhiệt độ 425–870 °C. Do hai loại này có chung nền tảng crom-niken, chúng thường được so sánh về chi phí gia tăng và lợi ích về hiệu suất mà quá trình ổn định hóa mang lại trong các ứng dụng nhiệt độ cao hoặc hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc tế chung:
• ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240), 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
• VN: 1.4301 (304), 1.4541 (321)
• JIS: SUS304, SUS321
• GB (Trung Quốc): 06Cr19Ni10 (khoảng 304), 0Cr18Ni9Ti (khoảng 321)
• Phân loại: Cả hai đều là thép không gỉ austenit (không gỉ), không có từ tính khi ủ, không phải thép cacbon, hợp kim, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Điển hình 304 (wt%)	Điển hình 321 (wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2,00	≤ 2,00
Si	≤ 1,00	≤ 1,00
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,030	≤ 0,030
Cr	18,0–20,0	17,0–19,0
Ni	8,0–10,5	9,0–12,0
Mo	0,00–0,60 (thường không có)	0,00–0,60 (thường không có)
V	—	—
Nb (Nb)	— (không được thêm vào)	— (không phải chất ổn định chính; thường không có)
Ti	— (thường ≤ 0,10 nếu có)	0,15–0,70 (chất ổn định)
B	—	—
N	theo dõi lên đến ~0,10	theo dõi lên đến ~0,10

Ghi chú: - Bảng liệt kê các phạm vi thương mại phổ biến; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể và hình thức sản phẩm. - Lớp 321 cố tình chứa titan trong phạm vi được kiểm soát để liên kết cacbon dưới dạng titan cacbua/nitrit thay vì cho phép kết tủa crom cacbua ở ranh giới hạt. - Chiến lược hợp kim: Crom cung cấp khả năng chống ăn mòn; niken ổn định cấu trúc austenit; titan trong 321 ngăn ngừa sự nhạy cảm, cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình (đã ủ): Cả hai loại đều là austenit hoàn toàn với các hạt austenit phân bố đều. Hàm lượng cacbua rất ít trong thép 321 được ổn định đúng cách và thường phân bố mịn trong thép 304 đã ủ.
• Nhạy cảm và ổn định:
• Thép 304 dễ bị kết tủa crom cacbua ở ranh giới hạt khi giữ ở nhiệt độ 425–870 °C (nhạy cảm), điều này có thể thúc đẩy ăn mòn giữa các hạt.
• 321 tạo thành cacbua/nitrit titan ưu tiên tiêu thụ cacbon và nitơ, giảm thiểu sự hình thành crom cacbua và do đó làm giảm khả năng bị tấn công giữa các hạt.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Thép không gỉ austenit không được gia cường bằng phương pháp tôi và ram đặc trưng của thép ferritic/pearlitic. Ủ dung dịch (ví dụ: 1010–1150 °C tùy theo thông số kỹ thuật) sau đó làm nguội nhanh sẽ phục hồi khả năng chống ăn mòn và độ dẻo.
• Làm nguội giúp tăng cường độ thông qua quá trình tôi cứng và có thể làm thay đổi hiệu suất chống ăn mòn; quá trình phục hồi/ủ được sử dụng để khôi phục độ dẻo.
• Chuẩn hóa không áp dụng theo cùng nghĩa như đối với thép cacbon—ủ dung dịch và làm nguội khác với các quy trình chuẩn hóa/làm nguội & ram được sử dụng để điều chỉnh cấu trúc vi mô trong thép hợp kim.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (ủ)	Điển hình 304	Điển hình 321
Độ bền kéo (MPa)	~500–600	~500–600
0,2% Bằng chứng / Năng suất (MPa)	~170–275 (thường là ≈205)	~170–275 (thường là ≈205)
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	~40–60	~40–60
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp vừa phải	Tương tự như 304; duy trì độ dẻo dai tốt hơn ở nhiệt độ sử dụng cao do tính ổn định
Độ cứng (Brinell / HB)	~100 HB (~80–200 tùy thuộc vào độ cứng làm việc)	~100 HB (tương tự)

Giải thích: - Trong điều kiện ủ, cả hai loại thép đều có các tính chất cơ học cơ bản rất giống nhau vì thành phần hóa học của ma trận (austenit Cr–Ni) là tương đương nhau. - Làm nguội hoặc tôi cứng bằng biến dạng làm tăng đáng kể độ bền và độ cứng cho cả hai phương pháp. - Việc ổn định bằng titan có ảnh hưởng tối thiểu đến độ bền ở nhiệt độ phòng nhưng cải thiện hiệu suất trong các chu kỳ nhiệt bằng cách ngăn ngừa sự kết tủa cacbua ở ranh giới hạt có thể làm giòn ranh giới hạt trong 304 nhạy cảm.

5. Khả năng hàn

• Cả thép 304 và 321 đều được coi là dễ hàn bằng các quy trình hàn thông thường (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Hàm lượng carbon thấp giúp tránh hiện tượng kim loại hàn bị cứng và nứt do hydro thường gặp ở thép có hàm lượng carbon cao.
• Những lưu ý khi hàn:
• 304 có thể dễ bị ăn mòn giữa các hạt ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nếu quá trình làm mát chậm trong phạm vi nhạy cảm hoặc nếu quá trình sử dụng khiến các cụm hàn tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm.
• Chất ổn định titan của 321 liên kết carbon, làm giảm lượng kết tủa crom cacbua trong vùng HAZ; do đó, 321 được ưu tiên sử dụng cho các bộ phận hàn sẽ tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài.
• Chỉ số khả năng hàn phổ biến (giải thích theo định tính):
• Đương lượng cacbon (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
  Chỉ số $CE_{IIW}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ hơn; cả hai loại đều có hàm lượng carbon thấp tương đương với thép hợp kim cao.
• Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) không phải là chỉ số khả năng hàn nhưng hữu ích để xếp hạng khả năng ăn mòn (xem phần tiếp theo).
• Tham số kết hợp đơn giản:
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
  $P_{cm}$ cao hơn có thể chỉ ra xu hướng nứt cao hơn; titan làm tăng $P_{cm}$ một chút nhưng mang lại khả năng ổn định có lợi chống lại sự nhạy cảm.
• Hướng dẫn thực tế: Đối với chế tạo thông thường, nơi ít có khả năng tiếp xúc với nhiệt độ cao sau khi hàn, thép 304 là lựa chọn chấp nhận được và tiết kiệm chi phí. Đối với các chi tiết hàn hoạt động ở hoặc tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm, thép 321 giúp giảm nguy cơ ăn mòn liên hạt mà không cần ủ dung dịch sau khi hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép không gỉ:
• Sử dụng PREN để đánh giá khả năng chống rỗ khi Mo và N thay đổi:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
  Đối với thép 304 và 321, Mo và N thấp nên giá trị PREN ở mức khiêm tốn và cả hai đều không có khả năng chống rỗ cao so với thép duplex chứa Mo hoặc thép siêu austenit.
• Ăn mòn chung: Cả hai loại đều có khả năng chống ăn mòn nước tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường xung quanh nhờ hàm lượng crom.
• Ăn mòn giữa các hạt: 304 có thể dễ bị tổn thương sau khi tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm; 321 được ổn định để giảm thiểu rủi ro này.
• Thép không gỉ:
• Không áp dụng ở đây; các phương pháp bảo vệ bề mặt không gỉ thông thường (mạ kẽm, sơn) không liên quan đến 304/321 nhằm mục đích cung cấp khả năng chống ăn mòn theo thành phần.
• Khi thép không gỉ không đủ:
• Đối với môi trường bị ô nhiễm clorua hoặc nơi có hiện tượng rỗ, hãy cân nhắc các loại thép chứa Mo (ví dụ: 316) hoặc hợp kim duplex/superaustenit.

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 cacbon do có độ cứng cao và độ dẫn nhiệt thấp.
• 304 và 321 có khả năng gia công tương đương nhau; dụng cụ chuyên dụng, tốc độ chậm hơn và lực đẩy lớn hơn là đặc điểm chung.
• Khả năng định hình:
• Độ dẻo và khả năng tạo hình tuyệt vời trong điều kiện ủ cho phép kéo sâu và tạo hình phức tạp cho cả hai loại.
• Độ đàn hồi và độ cứng khi làm việc lớn hơn thép mềm; dung sai định hình và ủ trung gian cho biến dạng nghiêm trọng.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều có thể hoàn thiện tiêu chuẩn (đánh bóng, thụ động hóa, điện hóa). Thụ động hóa bằng axit nitric hoặc axit citric thường được sử dụng để phục hồi oxit crom bề mặt sau khi chế tạo.
• Hàn và xử lý sau:
• Đối với các cụm lắp ráp phải tránh nhạy cảm và không thể xử lý bằng dung dịch sau khi hàn, 321 có thể loại bỏ nhu cầu xử lý nhiệt sau hàn tốn kém.

8. Ứng dụng điển hình

304 — Công dụng điển hình	321 — Công dụng điển hình
Thiết bị thực phẩm và đồ uống, đồ dùng nhà bếp, bồn rửa	Hệ thống xả máy bay, khớp nối giãn nở và các bộ phận lò nhiệt độ cao
Thiết bị hóa chất cho các dịch vụ không chứa clorua	Ống trao đổi nhiệt và cụm hàn tiếp xúc với nhiệt độ 500–800 °C
Trang trí kiến ​​trúc và lan can trong nhà	Ống dẫn khí nóng hóa dầu có nguy cơ gây dị ứng
Bình chịu áp suất và đường ống ở nhiệt độ môi trường đến trung bình	Hàng không vũ trụ và các thành phần công nghiệp nhiệt độ cao cần ổn định

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 khi khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình và chi phí là tiêu chí chính và không có khả năng tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ nhạy cảm. - Chọn 321 khi các cụm hoặc thành phần hàn sẽ trải qua nhiệt độ tuần hoàn hoặc duy trì trong phạm vi nhạy cảm hoặc khi ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với nhiệt là chế độ hỏng hóc nghiêm trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• Inox 304 phổ biến hơn và thường rẻ hơn inox 321 do sản lượng cao hơn và thành phần hóa học đơn giản hơn.
• 321 có mức giá cao hơn một chút vì có thêm titan và là loại thép chuyên dụng chịu được nhiệt độ cao.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Thép 304 được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, đĩa, cuộn, ống, thanh và ốc vít trên toàn cầu.
• 321 được sử dụng rộng rãi nhưng thời gian giao hàng và kích thước kho có thể ngắn hơn đối với một số dạng sản phẩm (ví dụ: ống chuyên dụng hoặc sản phẩm rèn có đường kính lớn) so với 304.
• Những cân nhắc về mua sắm:
• Đối với các dự án lớn, sự biến động giá trên thị trường niken ảnh hưởng đến cả hai loại; 321 có thể có độ nhạy cao hơn một chút do hoạt động sản xuất bị thắt chặt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	304	321
Khả năng hàn	Tuyệt vời cho hầu hết các ứng dụng; chú ý đến nguy cơ nhạy cảm với HAZ	Tuyệt vời; hóa học ổn định làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Tương đương; độ dẻo dai và độ dai tốt	Tương đương; độ dẻo dai tương tự với độ ổn định nhiệt được cải thiện
Trị giá	Thấp hơn (phổ biến hơn)	Cao hơn (cấp độ đặc biệt ổn định bằng titan)

Khuyến nghị: - Chọn 304 nếu: - Ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn thông thường ở nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc nhiệt độ trung bình. - Chi phí, tính khả dụng và sự tiện lợi trong việc tạo hình/gia công là những mối quan tâm hàng đầu. - Các cụm hàn sẽ không được tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm trong thời gian dài ở mức 425–870 °C hoặc có thể xử lý nhiệt sau khi hàn. - Chọn 321 nếu: - Bộ phận sẽ được hàn và sẽ hoạt động hoặc tiếp xúc nhiều lần với nhiệt độ thúc đẩy quá trình kết tủa crom cacbua (nhạy cảm) hoặc khi quá trình ủ dung dịch sau hàn không khả thi. - Độ ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt là rất quan trọng (ví dụ: bộ trao đổi nhiệt, hệ thống xả). - Chi phí vật liệu cao hơn một chút có thể chấp nhận được để giảm chi phí bảo trì và cải thiện độ tin cậy lâu dài.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép không gỉ austenit đều bền, được sử dụng rộng rãi. Việc lựa chọn giữa 304 và 321 thường phụ thuộc vào đặc điểm nhiệt độ tiếp xúc của chi tiết và liệu việc ổn định chống ăn mòn giữa các hạt (thông qua việc bổ sung titan) có đảm bảo hiệu suất lâu dài sau khi hàn hoặc sau khi gia nhiệt hay không.