304 so với 347 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ loại 304 và loại 347 là hai trong số những loại thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí vật liệu ban đầu, khả năng chống ăn mòn (đặc biệt là sau khi hàn), khả năng hàn và độ bền khi sử dụng khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết bị thực phẩm và đồ uống, dây chuyền chế biến hóa chất, ứng dụng kiến ​​trúc và các cụm hàn tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là thép 347 được hợp kim hóa một cách có chủ đích với một nguyên tố ổn định, kết hợp ưu tiên với carbon, ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua trong quá trình làm nguội chậm hoặc hàn. Sự ổn định này làm giảm nguy cơ suy giảm crom giữa các hạt và ăn mòn liên quan, đây là lý do chính khiến các nhà thiết kế so sánh thép 304 và 347 khi quan tâm đến mối hàn và tiếp xúc với nhiệt độ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và các chỉ định quốc tế chung:

• ASTM/ASME: Loại 304 (UNS S30400), Loại 347 (UNS S34700). Thông số kỹ thuật sản phẩm chung: ASTM A240 (tấm, lá).
• EN: 1.4301 (304), 1.4550 / 1.4552 thường được tham chiếu cho các cấp độ ổn định (biến thể 347).
• JIS: SUS304 tương ứng với 304; SUS347 tương ứng với 347.
• GB (Trung Quốc): 0Cr18Ni9 (khoảng 304), 0Cr18Ni10Nb (khoảng 347).

Phân loại: cả hai đều là thép không gỉ (austenitic). Chúng không phải là thép cacbon, thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình (% khối lượng) của các loại thép thương mại đã ủ. Phạm vi này phản ánh các thông số kỹ thuật ASTM/EN phổ biến và thông lệ thương mại; giới hạn chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật và dạng sản phẩm.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt%)	347 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0,75	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18–20	17–19
Ni	8–10,5	9–13
Mo	~0	~0
V	- dấu vết	- dấu vết
Nb (niobi)	— không đáng kể	~0,10–1,0
Ti (titan)	— không đáng kể	đôi khi có mặt với số lượng nhỏ trong các biến thể đặc biệt
B	- dấu vết	- dấu vết
N	≤ ~0,10	≤ ~0,10

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Crom (Cr) tạo nên tính chất không gỉ bằng cách tạo thành lớp màng oxit thụ động. - Niken (Ni) ổn định cấu trúc austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Cacbon (C) làm tăng độ bền nhưng có thể kết hợp với Cr để tạo thành crom cacbua ở ranh giới hạt khi làm nguội chậm, gây ra sự suy giảm Cr cục bộ. - Niobi (Nb) trong 347 liên kết cacbon dưới dạng niobi cacbua (NbC hoặc (Nb,Ti)C), ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua—đây là chiến lược ổn định chính trong 347. - Hàm lượng molypden thấp hoặc không có nghĩa là cả hai loại đều kém chống lại hiện tượng rỗ clorua cục bộ hơn so với thép austenit chứa Mo.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại thép đều là thép austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Ma trận thép dẻo, có độ bền cao ở nhiệt độ môi trường và dưới nhiệt độ môi trường. - Ở 304, làm nguội chậm qua phạm vi nhạy cảm (khoảng 450–850 °C) có thể cho phép hình thành các cacbua giàu crom (Cr23C6) ở ranh giới hạt, tạo ra các vùng thiếu crom dễ bị ăn mòn giữa các hạt. - Ở 347, niobi tạo thành các hạt niobi carbide hoặc carbonitride ổn định, ưu tiên tiêu thụ carbon và ngăn ngừa sự hình thành Cr23C6 đáng kể ở ranh giới hạt. Điều này bảo toàn tính liên tục của crom và giảm thiểu sự ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc làm nguội chậm.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Thép không gỉ austenit không được tôi cứng bằng phương pháp tôi và ram như thép ferritic hoặc martensitic. Ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ khoảng 1.000–1.100 °C sau đó làm nguội nhanh) sẽ hòa tan các chất kết tủa và phục hồi khả năng chống ăn mòn. - Đối với 304: ủ dung dịch nếu vật liệu đã tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm để hòa tan lại các cacbua Cr và sau đó làm nguội nhanh để tránh kết tủa lại. - Đối với 347: quá trình ổn định làm giảm nhu cầu ủ dung dịch để ngăn ngừa nhạy cảm sau khi hàn hoặc làm nguội chậm, mặc dù ủ dung dịch vẫn được sử dụng để làm sạch các chất kết tủa do chế tạo hoặc cho các yêu cầu về tính chất cụ thể. - Gia công nguội làm tăng mật độ biến dạng và có thể tạo ra độ cứng gia công đáng kể; trong một số trường hợp, martensite do ứng suất có thể hình thành trong thép 304 trong quá trình biến dạng nguội mạnh, làm tăng độ bền nhưng giảm độ dẻo. Các mác thép ổn định có thể thể hiện tính chất cứng gia công hơi khác một chút nhưng vẫn giữ được tính chất austenit.

4. Tính chất cơ học

Các tính chất cơ học điển hình sau khi ủ thay đổi tùy theo dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh) và nhà sản xuất. Bảng này cung cấp các phạm vi đại diện cho các điều kiện ủ thường được cung cấp; người dùng nên chỉ định các thử nghiệm tính chất cơ học cần thiết để mua hàng.

Tính chất (ủ, điển hình)	304	347
Độ bền kéo (UTS)	~480–700 MPa	~480–700 MPa
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	~205–310 MPa	~205–310 MPa
Độ giãn dài (tính bằng 50 mm)	~40–60%	~40–60%
Độ bền va đập (Charpy)	Tuyệt vời, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ T thấp	Tuyệt vời, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ T thấp
Độ cứng (Brinell/Rockwell B)	Trung bình (mềm khi ủ)	Tương tự như 304

Giải thích: - Trong điều kiện ủ, cả hai loại thép đều có các tính chất cơ học rất giống nhau vì nền tảng cơ bản là thép không gỉ austenit. Sự khác biệt về độ bền hoặc độ dẻo dai thường nhỏ và phụ thuộc vào quá trình gia công nguội, lịch sử chế tạo hoặc mức độ hợp kim cụ thể (ví dụ, hàm lượng Ni cao hơn một chút trong một số biến thể 347). - Làm cứng có thể làm tăng cường độ đáng kể trong quá trình tạo hình; khi lựa chọn cần xem xét đến lịch trình tạo hình và xử lý sau tạo hình.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ austenit nhìn chung là tuyệt vời so với thép có hàm lượng carbon cao; tuy nhiên, khả năng nhạy cảm sau khi hàn lại khác.

Chỉ số khả năng hàn thường được sử dụng: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (một loại cacbon tương đương nhạy cảm hơn với mối hàn đối với thép có nhiều nguyên tố hợp kim): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả thép 304 và 347 đều có hàm lượng cacbon thấp và niken vừa phải, mang lại khả năng hàn tốt với hầu hết các quy trình hàn thông dụng (GTAW/TIG, GMAW/MIG, SMAW). - 304 có thể dễ bị ăn mòn liên hạt nếu quá trình hàn tạo ra quá trình làm nguội chậm trong phạm vi nhạy cảm; ủ dung dịch sau hàn hoặc các biến thể carbon thấp (304L) là những biện pháp khắc phục phổ biến. - Thành phần ổn định của 347 làm giảm nguy cơ nhạy cảm hóa sau khi hàn vì carbon được liên kết ưu tiên trong các kết tủa chứa Nb hơn là trong các cacbua crom. Do đó, trong các ứng dụng yêu cầu hàn cường độ cao, tiếp xúc lâu dài với dải nhạy cảm hóa, hoặc khi việc xử lý nhiệt sau hàn không khả thi, 347 thường được ưu tiên. - Thận trọng khi lựa chọn vật liệu độn: để duy trì hiệu suất chống ăn mòn, nên sử dụng kim loại độn có hàm lượng carbon thấp hoặc phù hợp cho cả hai loại khi khả năng chống ăn mòn là yêu cầu chính.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Là thép không gỉ, cả hai đều dựa vào lớp màng thụ động oxit giàu crom để chống ăn mòn. Cả hai đều không chứa nhiều molypden, do đó khả năng chống rỗ cục bộ trong môi trường clorua bị hạn chế so với các loại thép chứa Mo (ví dụ: 316).
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng để đánh giá khả năng chống rỗ clorua: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Vì Mo ≈ 0 cho cả hai loại và N thấp nên giá trị PREN cho 304 và 347 tương tự nhau và khiêm tốn, nghĩa là cả hai đều phải được sử dụng thận trọng trong môi trường clorua mạnh.

Ăn mòn giữa các hạt: - 304: Dễ bị tấn công giữa các hạt nếu bị nhạy cảm do làm nguội chậm hoặc hàn; các chiến lược giảm thiểu bao gồm sử dụng 304L (ít carbon), ủ dung dịch hoặc thụ động hóa sau hàn. - 347: Việc ổn định bằng niobi ngăn ngừa sự kết tủa đáng kể của crom cacbua, do đó nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc làm nguội chậm giảm đi đáng kể.

Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ không áp dụng ở đây; tuy nhiên, bề mặt thép không gỉ có thể được thụ động hóa (xử lý hóa học) để tăng tính đồng nhất của màng oxit và giảm thiểu sự bắt đầu ăn mòn.

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

• Khả năng tạo hình: Cả hai loại đều có khả năng tạo hình cao trong điều kiện ủ và được sử dụng để kéo sâu, uốn và tạo hình phức tạp. 304 được sử dụng rộng rãi để tạo hình; 347 tạo hình tương tự mặc dù hàm lượng hợp kim cao hơn một chút có thể ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng tạo hình.
• Làm cứng khi gia công: Thép không gỉ austenit làm cứng khi gia công nhanh; trình tự gia công và tạo hình phải tính đến lực đàn hồi và lực gia tăng.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép cacbon. Khả năng gia công điển hình vào khoảng 40–60% so với thép dễ cắt gọt; thép 304 có thể kém khả năng gia công hơn một chút do quá trình tôi cứng. Khuyến nghị sử dụng dụng cụ cứng, chèn cacbua, tốc độ cắt thấp và hình học góc nghiêng dương.
• Hoàn thiện: Cả hai đều có bề mặt hoàn thiện tốt và có thể đánh bóng để đạt tính thẩm mỹ cao. Đánh bóng điện hóa và thụ động hóa giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn và vẻ ngoài.
• Trình tự hàn và tạo hình nên được lên kế hoạch để giảm thiểu các chu kỳ nhiệt lặp lại có thể gây nhạy cảm (mối quan ngại đối với 304 nhưng đã được giảm nhẹ trong 347).

8. Ứng dụng điển hình

Loại 304 – Công dụng điển hình	Loại 347 – Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, đồ dùng nhà bếp, bồn rửa, trang trí kiến ​​trúc	Linh kiện máy bay và ống xả, bộ phận lò, cụm hàn nhiệt độ cao
Thiết bị hóa chất và dược phẩm không tiếp xúc với điều kiện clorua cao	Thiết bị xử lý hóa chất nơi diễn ra quá trình hàn và làm nguội chậm; bộ trao đổi nhiệt ở nhiệt độ tuần hoàn
Mặt tiền trang trí và kiến ​​trúc	Ống nồi hơi, ống siêu nhiệt và các ứng dụng yêu cầu ổn định chống nhạy cảm
Chốt, bu lông và chế tạo chung	Ống xả ô tô và các bộ phận hàn ở nhiệt độ cao khác

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 vì khả năng chống ăn mòn thông thường, chi phí thấp hơn và khả năng cung cấp rộng rãi ở những nơi không quan tâm nhiều đến hiện tượng rỗ clorua và nhạy cảm sau hàn hoặc những nơi có thể sử dụng các biến thể carbon thấp (304L) hoặc ủ dung dịch sau hàn. - Chọn 347 khi các thành phần hàn sẽ bị nguội chậm, nhiệt độ làm việc cao hoặc khi phải tránh ăn mòn giữa các hạt liên quan đến nhạy cảm mà không cần xử lý nhiệt sau khi hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 347 thường đắt hơn 304 do có thêm niobi và hàm lượng niken thường cao hơn. Giá cả thay đổi tùy theo nguồn cung niken và niobi trên thị trường, dạng sản phẩm và quy trình chế biến.
• Tính khả dụng: 304 là một trong những loại thép không gỉ phổ biến nhất ở nhiều dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống, thanh, dây). 347 phổ biến hơn nhưng ít phổ biến hơn 304; thời gian giao hàng có thể lâu hơn một chút đối với một số dạng sản phẩm hoặc sản phẩm có dung sai chặt chẽ.
• Đối với việc mua sắm: chỉ rõ loại yêu cầu, dạng sản phẩm, bề mặt hoàn thiện và bất kỳ yêu cầu xử lý nhiệt hoặc thử nghiệm nào (ví dụ: PMI, thử nghiệm ăn mòn) để tránh chậm trễ trong việc tìm nguồn cung ứng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	304	347
Khả năng hàn (chung)	Tuyệt vời; dễ bị nhạy cảm trừ khi được xử lý ở nhiệt độ thấp hoặc sau khi hàn	Tuyệt vời; cải thiện khả năng chống nhạy cảm nhờ ổn định
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Tính chất austenit điển hình tốt	Tương tự như 304 trong điều kiện ủ
Khả năng chống ăn mòn liên hạt do hàn gây ra	Trung bình không có giảm nhẹ	Tuyệt vời cho các thành phần hàn/làm mát chậm
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (do chất ổn định và đôi khi Ni cao hơn)
Khả dụng	Rất cao	Cao, nhưng ít phổ biến hơn 304

Kết luận — hướng dẫn thực tế: - Chọn 304 nếu: - Bạn cần loại thép không gỉ austenit đa năng, tiết kiệm chi phí cho khả năng chống ăn mòn nói chung, chế biến thực phẩm, thành phần kiến ​​trúc hoặc các ứng dụng có khả năng hàn hạn chế hoặc có thể chấp nhận tùy chọn ủ dung dịch/304L. - Rỗ clorua cục bộ không nghiêm trọng và có thể xử lý nhiệt sau khi hàn khi cần thiết.

• Chọn 347 nếu:
• Linh kiện sẽ được hàn chặt, sẽ nguội dần qua nhiệt độ nhạy cảm hoặc sẽ hoạt động ở nhiệt độ cao, nơi có nguy cơ xảy ra hiện tượng kết tủa cacbua.
• Bạn cần khả năng chống ăn mòn liên hạt tốt trong các kết cấu hàn mà không cần ủ dung dịch sau hàn.

Lưu ý cuối cùng: cả hai vật liệu đều là lựa chọn kỹ thuật mạnh mẽ. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy chỉ định chính xác tiêu chuẩn vật liệu, yêu cầu giấy chứng nhận nhà máy của nhà sản xuất thể hiện thành phần và kết quả kiểm tra cơ học, và xem xét thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (ví dụ: thử nghiệm ăn mòn, thử nghiệm mối hàn) trong các điều kiện đại diện trước khi lựa chọn cuối cùng.