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

Giới thiệu

304H và 321H là hai loại thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi trong môi trường bình chịu áp lực, nhiệt độ cao và chế tạo nói chung. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, hiệu suất nhiệt độ cao và chi phí chế tạo khi lựa chọn giữa chúng. Các yếu tố quyết định phổ biến bao gồm: nhiệt độ làm việc (khả năng chống ăn mòn và thấm cacbon), khả năng nhạy cảm trong quá trình hàn và ăn mòn liên hạt sau đó, cũng như các cân nhắc về bảo trì trọn đời.

Sự khác biệt thực tế chính là một hợp kim được cố ý pha trộn với một nguyên tố ổn định để kiểm soát sự kết tủa cacbua và duy trì khả năng chống ăn mòn sau khi tiếp xúc với dải nhiệt độ trung bình, trong khi hợp kim còn lại dựa vào hàm lượng cacbon cao hơn để cải thiện độ bền nhiệt độ cao. Vì cả hai đều là dẫn xuất của họ austenit 300, chúng thường được so sánh khi cần cân bằng giữa độ bền cơ học ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn liên hạt lâu dài.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật quốc tế chung:
• ASTM/ASME: A240/A312 (tấm/tấm kim loại và ống cho thép không gỉ), A182 (cho thép rèn), v.v.
• EN: Dòng EN 10088 / EN ISO tương đương.
• JIS: JIS G4303, G4311, v.v.
• GB: Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc về thép không gỉ.
• Phân loại:
• 304H — Thép không gỉ, thép không gỉ austenit (biến thể có hàm lượng carbon cao của 304).
• 321H — Thép không gỉ, thép không gỉ austenit được ổn định bằng titan (biến thể 321 có hàm lượng carbon cao, trong đó "H" biểu thị hàm lượng carbon cao hơn để tăng cường độ bền kéo).

Lưu ý: Chỉ định số chính xác và giới hạn thành phần có thể thay đổi tùy theo tiêu chuẩn; luôn xác nhận với thông số kỹ thuật và giấy chứng nhận của nhà máy hiện hành.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%). Các giá trị là phạm vi đại diện thường được sử dụng trong các thông số kỹ thuật; tham khảo tiêu chuẩn kiểm soát hoặc báo cáo thử nghiệm nhà máy để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	304H (trọng lượng điển hình%)	321H (khối lượng điển hình%)
C	0,04 – 0,10	0,04 – 0,10
Mn	≤ 2,0 (điển hình 1,0–2,0)	≤ 2,0 (điển hình 1,0–2,0)
Si	≤ 0,75	≤ 0,75
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	17,0 – 19,0	17,0 – 19,0
Ni	8,0 – 10,5	8.0 – 12.0
Mo	~0 (dấu vết)	~0 (dấu vết)
V	dấu vết	dấu vết
Nb (Cb)	dấu vết/0	dấu vết/0
Ti	0 (dấu vết)	0,15 – 0,7 (chất ổn định)
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết (lên đến ~0,1)	dấu vết (lên đến ~0,1)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Cacbon (C): Hàm lượng cacbon cao hơn trong loại "H" làm tăng khả năng gia cường dung dịch và độ bền kéo dài ở nhiệt độ cao nhưng làm tăng nguy cơ hình thành crom cacbua ở nhiệt độ trung gian nếu không được ổn định. - Crom (Cr): Nguyên tố chính tạo nên khả năng chống ăn mòn nói chung và hình thành lớp màng thụ động. - Niken (Ni): Ổn định austenit, cải thiện độ dẻo dai, độ dai và giúp chống ăn mòn. - Titan (Ti) trong 321H: Hoạt động như một chất tạo thành cacbua có khả năng liên kết cacbon để tạo thành TiC/Ti(C,N) ổn định thay vì crom cacbua; điều này làm giảm sự nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm. - Các nguyên tố khác (Mn, Si, N): Điều chỉnh tính chất cơ học, khả năng khử oxy và khả năng chống rỗ (N).

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

Cấu trúc vi mô - Cả hai loại đều là austenit (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ dung dịch. Đặc điểm chính là nền austenit với các cacbua mịn, nitrua và chất kết tủa ổn định tùy thuộc vào thành phần hóa học và lịch sử nhiệt. - 304H: Với hàm lượng cacbon cao hơn, xu hướng hình thành crom cacbua (Cr23C6) dọc theo ranh giới hạt tăng lên khi tiếp xúc với dải nhạy cảm (~425–850 °C). Nếu làm nguội từ quá trình ủ dung dịch mà không ổn định hóa, hiện tượng nhạy cảm có thể xảy ra trong một số chu kỳ nhiệt nhất định. - 321H: Titan chủ yếu tạo kết tủa TiC/Ti(C,N), liên kết cacbon và làm giảm hoặc ngăn ngừa kết tủa cacbua Cr ở ranh giới hạt.

Phản ứng xử lý nhiệt - Ủ dung dịch (điển hình cho thép không gỉ austenit): ủ ở nhiệt độ cao sau đó làm nguội nhanh sẽ phục hồi austenit đồng nhất và hòa tan hầu hết các chất kết tủa. Đối với cả hai loại, ủ dung dịch là phương pháp tiêu chuẩn để loại bỏ hiện tượng nhạy cảm trước đó nếu có thể thực hiện được bằng dung dịch hoàn chỉnh. - Ổn định: Hàm lượng titan của 321H không yêu cầu xử lý nhiệt ổn định đặc biệt ngoài quá trình ủ dung dịch thông thường; quá trình ổn định diễn ra trong quá trình luyện kim thông qua quá trình hình thành TiC. - Làm nguội và lão hóa: Làm nguội làm tăng độ bền nhưng có thể làm tăng khả năng nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường clorua đối với bất kỳ loại thép không gỉ austenit nào. - Chuẩn hóa/làm nguội & ram: Không áp dụng theo nghĩa truyền thống vì đây là loại thép không gỉ austenit, không biến đổi; chúng không phản ứng với quá trình làm nguội và ram theo cùng cách như thép ferritic hoặc martensitic.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình (nhiệt độ phòng, điều kiện ủ/ủ dung dịch). Những phạm vi này mang tính đại diện và phụ thuộc nhiều vào dạng sản phẩm, nhiệt độ và quá trình xử lý nhiệt.

Tài sản	304H (điển hình)	321H (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~500 – 700	~480 – 700
Giới hạn chảy (0,2% proof, MPa)	~200 – 310	~200 – 310
Độ giãn dài (%)	~40 – 60	~40 – 60
Độ bền va đập (Charpy V, J)	Tốt ở RT; giảm khi làm việc lạnh	Tốt ở RT; giảm khi làm việc lạnh
Độ cứng (HB/HRB)	Tương đối thấp trong điều kiện ủ	Tương tự như 304H trong điều kiện ủ

Giải thích - Độ bền: Cả hai loại thép đều có đặc tính chịu kéo và chảy tương đương nhau trong điều kiện ủ. Có thể có một số khác biệt nhỏ do hàm lượng Ni và sự khác biệt nhỏ về trạng thái carbon/chất ổn định. Lớp carbon "H" tăng cường độ bền nhiệt độ cao so với thép 304 tiêu chuẩn ở nhiệt độ sử dụng cao. - Độ dẻo dai/dẻo dai: Cấu trúc austenit mang lại độ dẻo dai và độ dai tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường cho cả hai loại vật liệu. Gia công nguội và kết tủa giòn (ví dụ: cacbua Cr liên tục) có thể làm giảm độ dẻo dai. - Nhiệt độ cao: 304H và 321H vẫn giữ được độ dẻo ở nhiệt độ cao; tuy nhiên, vì 321H chống lại sự kết tủa cacbua, nên nó được ưa chuộng ở những nơi có khả năng tiếp xúc nhiều lần hoặc kéo dài trong phạm vi nhạy cảm và nơi các đặc tính ăn mòn sau chu kỳ nhiệt là rất quan trọng. Để biết khả năng chống rão dài hạn ở nhiệt độ cao, hãy tham khảo dữ liệu về độ rão cụ thể cho từng sản phẩm/nhiệt độ.

5. Khả năng hàn

Cả 304H và 321H đều được coi là có thể hàn được bằng các quy trình tiêu chuẩn (SMAW, GMAW/MIG, GTAW/TIG, v.v.), nhưng có những lưu ý quan trọng sau:

• Cacbon/khả năng tôi cứng: Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ nhạy cảm hóa hoặc hình thành các liên kim giòn trong vùng HAZ. Ổn định hóa (321H) giảm thiểu rủi ro này bằng cách liên kết cacbon.
• Chỉ số khả năng hàn: Các công thức thực nghiệm thường được sử dụng để ước tính rủi ro khả năng hàn bao gồm:
• Tương đương Carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Chỉ số Dearden & Smith (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 (định tính): Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn tương quan với khả năng tôi cứng cao hơn và nguy cơ nứt HAZ tăng lên trong thép cacbon; đối với thép không gỉ austenit, các công thức này được sử dụng thận trọng. Hàm lượng cacbon cao hơn của 304H có thể làm tăng độ nhạy với kết tủa cacbua HAZ và cần chú ý đến nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý sau khi hàn. 321H thường cho khả năng chống ăn mòn giữa các hạt tốt hơn sau khi hàn do được ổn định bằng Ti; điều này làm cho 321H được ưa chuộng hơn trong các cụm hàn nhiệt độ cao, nơi xảy ra tiếp xúc với phạm vi nhạy cảm.

Hướng dẫn thực tế - Sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng oxy thấp, lưu huỳnh thấp và kim loại phụ thích hợp (tương đương hoặc tương đương ổn định). - Kiểm soát nhiệt lượng đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp để hạn chế lượng mưa ở ranh giới hạt. - Đối với dịch vụ quan trọng mà sự ăn mòn giữa các hạt là không thể chấp nhận được, hãy chọn các loại thép ổn định (321/321H) hoặc áp dụng phương pháp ủ dung dịch sau hàn nếu có thể.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Bối cảnh thép không gỉ Austenit: Cả hai đều là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn nói chung trong môi trường oxy hóa rất tốt nhờ lớp thụ động crom. Độ ăn mòn cục bộ (rỗ/kẽ hở) phụ thuộc vào hàm lượng clorua và không khác biệt đáng kể giữa hai loại khi thành phần và độ hoàn thiện bề mặt tương tự nhau.
• Nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt: 304H, với hàm lượng cacbon cao, có nhiều khả năng hình thành cacbua crom sau khi tiếp xúc nhiệt trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm, có thể dẫn đến ăn mòn giữa các hạt. Chất ổn định titan của 321H làm giảm nguy cơ này bằng cách thay vào đó hình thành cacbua titan.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không thực sự hữu ích đối với các hợp kim loại 300 không chứa molypden này, nhưng công thức chung là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Ở những cấp độ này, Mo thực tế bằng 0, do đó sự khác biệt về PREN là rất nhỏ và chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng nitơ.
• Bảo vệ bề mặt cho các trường hợp không phải thép không gỉ: Không áp dụng ở đây; tuy nhiên, trong môi trường có tính ăn mòn cao, có thể cần thêm lớp phủ hoặc bảo vệ catốt.

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

• Khả năng định hình: Cấu trúc austenit mang lại khả năng định hình và đặc tính kéo sâu tuyệt vời cho cả hai loại thép trong điều kiện ủ. Gia công nguội làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thông thường có khả năng gia công kém đến trung bình so với thép cacbon; hàm lượng cacbon cao hơn (304H/321H) không cải thiện đáng kể khả năng gia công. Sử dụng vật liệu dụng cụ phù hợp (đầu cacbua), thiết lập cứng vững và dụng cụ có góc nghiêng dương cao. Cần lưu ý đến quá trình tôi cứng trong quá trình gia công, vì vậy việc kiểm soát phoi và các thông số cắt là rất quan trọng.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng: Đánh bóng và hoàn thiện tốt; 321H có thể yêu cầu các thông số tẩy/đánh bóng hơi khác nhau nếu có các hạt TiN/TiC sau khi chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng phổ biến theo từng cấp độ

304H – Ứng dụng điển hình	321H – Ứng dụng điển hình
Các bộ phận lò, đường ống nhiệt độ cao và bình chịu áp suất cần tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao và có thể quản lý được rủi ro nhạy cảm	Các bộ phận xả và tăng áp, ống dẫn máy bay và hàng không vũ trụ, đường ống xử lý hóa chất và bộ trao đổi nhiệt tiếp xúc với chu trình nhiệt và nhiệt độ nhạy cảm
Các thành phần nồi hơi, ống quá nhiệt/nung nóng lại (nơi tăng cường carbon được chỉ định cho hiện tượng rão)	Các thành phần động cơ phản lực và tua-bin khí trong đó sự ổn định chống lại sự tấn công giữa các hạt là rất quan trọng
Chế tạo chung khi cần độ bền nhiệt độ cao với độ nhạy về chi phí	Các cụm hàn tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ trung gian yêu cầu khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn

Cơ sở lựa chọn - Chọn 304H khi cần độ bền ở nhiệt độ cao và chu trình nhiệt hoặc lộ trình chế tạo sẽ tránh được tình trạng nhạy cảm kéo dài hoặc khi có thể ủ dung dịch sau khi hàn. - Chọn 321H khi thực hiện chu trình nhiệt hoặc hàn các bộ phận tiếp xúc với môi trường làm việc khiến việc bảo vệ chống lại sự nhạy cảm trở nên cần thiết và khi khả năng chống ăn mòn liên hạt lâu dài là ưu tiên hàng đầu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai loại đều được sản xuất phổ biến và có sẵn rộng rãi. 321H thường có giá cao hơn 304H một chút do có thêm titan và yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hàm lượng chất ổn định. Giá cả phụ thuộc vào hàm lượng Ni, điều kiện thị trường và hình dạng (tấm, ống, thanh).
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, lá, ống và ống dẫn; các sản phẩm rèn liền mạch hoặc rèn có độ toàn vẹn cao đặc biệt có thể có thời gian giao hàng. 304H thường được chỉ định cho thép chế tạo bình chịu áp lực; 321H thường được dự trữ cho các ứng dụng nhiệt độ cao và ổn định.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh (định tính)

Thuộc tính	304H	321H
Khả năng hàn	Tốt nếu được chăm sóc; C cao hơn làm tăng nguy cơ nhạy cảm	Rất tốt cho các cụm hàn, lắp ráp tuần hoàn nhiệt (ổn định)
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ cao)	Độ bền nhiệt độ cao tốt do nhiệt độ C cao hơn	Độ bền nhiệt độ cao tốt; độ ổn định duy trì độ dẻo dai sau khi đạp xe
Trị giá	Thấp đến trung bình	Trung bình (cao hơn một chút)

Khuyến nghị - Chọn 304H nếu: bạn cần cải thiện độ bền nhiệt độ cao từ thép không gỉ austenit hàm lượng carbon cao trong các ứng dụng mà việc tiếp xúc nhiệt giúp tránh thời gian dài trong phạm vi nhạy cảm, hoặc có thể áp dụng quy trình ủ dung dịch sau chế tạo và quy trình hàn cẩn thận. Thép 304H phù hợp khi chi phí là một yếu tố quan trọng và không yêu cầu lợi ích của chất ổn định. - Chọn 321H nếu: bộ phận sẽ trải qua quá trình hàn, chu kỳ nhiệt lặp lại hoặc sử dụng lâu dài trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt là rất quan trọng. 321H được ưu tiên khi giảm thiểu xử lý nhiệt sau hàn hoặc khi yêu cầu chính là duy trì khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn giữa 304H và 321H nên được cân nhắc dựa trên nhiệt độ làm việc cụ thể, chu kỳ nhiệt, môi trường ăn mòn và các yêu cầu quy định/tiêu chuẩn cho linh kiện. Tham khảo chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy, dữ liệu về độ rão/đứt gãy để biết nhiệt độ vận hành dự kiến ​​và các tiêu chuẩn về quy trình hàn khi chỉ định loại thép nào.