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 thường được chỉ định cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, hiệu suất nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các thành phần bình chịu áp suất và lò nung, ống trao đổi nhiệt và đường ống trong các nhà máy hóa dầu hoặc phát điện.

Sự khác biệt kỹ thuật chính nằm ở khả năng ứng xử của chúng ở nhiệt độ cao: 321H được ổn định bằng titan để chống lại sự kết tủa crom cacbua và sự ăn mòn ranh giới hạt cũng như quá trình oxy hóa trong quá trình tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao, trong khi 304H dựa vào hàm lượng carbon cao hơn để duy trì độ bền ở nhiệt độ cao nhưng dễ bị nhạy cảm hơn nếu không được xử lý cẩn thận. Vì lý do này, hai loại thép này thường được so sánh để sử dụng ở nhiệt độ trung bình và cao, nơi có các vấn đề về oxy hóa, khả năng chống rão và ăn mòn sau hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung:
• ASTM/ASME: A240/A312 (tấm, tấm và ống cho thép không gỉ); A358/A213 cho một số ứng dụng nhiệt độ cao.
• EN: Dòng EN 10088 (thép không gỉ).
• JIS: Có các tiêu chuẩn tương đương JIS G4303/G4305 cho dòng 300.
• GB: Tiêu chuẩn GB/T cho thép không gỉ (tiêu chuẩn quốc gia của Trung Quốc).
• Phân loại:
• Cả 304H và 321H đều là thép không gỉ (austenitic).
• Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép cấp HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (% trọng lượng) — phạm vi phản ánh các dải thông số kỹ thuật chung; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn và hình thức sản phẩm.

Yếu tố	304H (phạm vi điển hình)	321H (phạm vi điển hình)
C	0,04 – 0,10	0,04 – 0,10
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	17,5 – 19,5	17,0 – 19,0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mo	Thường ≤ 0,6 (thường không có)	Thường ≤ 0,6 (thường không có)
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	≤ 0,7 (thường thấp đến không có)	5 × C (phút) đến ≈ 0,7
B	Theo dõi/kiểm soát	Theo dõi/kiểm soát
N	Dấu vết; số lượng nhỏ	Dấu vết; số lượng nhỏ

Ghi chú: - 304H là biến thể có hàm lượng carbon cao hơn của 304 được thiết kế để duy trì độ bền kéo ở nhiệt độ cao; các thành phần ổn định không được cố ý thêm vào. - 321H được ổn định bằng titan: titan liên kết cacbon dưới dạng titan cacbua/cacbonitride trong quá trình tiếp xúc nhiệt, ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua ở ranh giới hạt. - Sự có mặt của Ti trong 321H làm nên chiến lược hợp kim của nó: ổn định để sử dụng ở nhiệt độ cao và chống ăn mòn giữa các hạt sau các chu kỳ nhạy cảm.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ bền ở nhiệt độ cao nhưng làm tăng nguy cơ nhạy cảm (kết tủa crom cacbua) có thể dẫn đến ăn mòn giữa các hạt. - Crom có ​​khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao bằng cách tạo thành lớp oxit bảo vệ. - Niken ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo. - Titan (trong 321H) loại bỏ cacbon và làm giảm sự hình thành crom cacbua, cải thiện khả năng chống lại sự tấn công của ranh giới hạt trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình (ủ): cả hai loại đều hoàn toàn austenit (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Phân tán carbide hoặc Ti-carbide có thể xuất hiện tùy thuộc vào lịch sử nhiệt.
• 304H: hàm lượng carbon cao hơn tạo ra xu hướng kết tủa carbide (Cr23C6) nhiều hơn sau khi tiếp xúc trong phạm vi nhạy cảm (~450–850 °C). Sự kết tủa này xảy ra tại các ranh giới hạt và có thể dẫn đến sự suy giảm crom cục bộ và ăn mòn giữa các hạt. Nếu không được ổn định, cấu trúc vi mô sau khi tiếp xúc có thể hiển thị các mạng carbide liên tục tại các ranh giới.
• 321H: Titan tạo thành cacbua/nitrit titan ổn định hơn cacbua crom. Điều này dẫn đến ít sự suy giảm crom hơn ở ranh giới và cấu trúc vi mô có khả năng chống lại sự nhạy cảm ở nhiệt độ cao và sự tấn công giữa các hạt tốt hơn.

Các tuyến xử lý nhiệt và chế biến: - Ủ: Nhiệt độ ủ điển hình cho thép không gỉ austenit (bao gồm 304H và 321H) là khoảng 1010–1120 °C, sau đó làm nguội nhanh để duy trì cấu trúc austenit đồng nhất. Làm nguội nhanh làm giảm sự kết tủa cacbua. - Chuẩn hóa không phải là tiêu chuẩn đối với các loại thép austenit này vì chúng không thể hiện sự chuyển đổi ferit-perlit đặc trưng của thép cacbon. - Làm nguội và ram: Không áp dụng cho thép cacbon; thép không gỉ austenit không được làm cứng bằng quá trình biến đổi martensit. - Xử lý nhiệt cơ học: Làm nguội để tăng cường độ thông qua quá trình làm cứng biến dạng cho cả hai loại; có thể áp dụng quá trình ủ cuối cùng tùy thuộc vào các đặc tính yêu cầu. - Đối với dịch vụ tuần hoàn qua nhiệt độ nhạy cảm hoặc yêu cầu độ ổn định ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, 321H yêu cầu kiểm soát nhiệt sau hàn ít hơn để tránh nhạy cảm so với 304H.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất điển hình ở nhiệt độ phòng ủ (mang tính chất tham khảo; tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm, độ dày và thông số kỹ thuật chính xác)

Tài sản	304H (ủ, điển hình)	321H (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	480 – 700	480 – 700
Giới hạn chảy, 0,2% (MPa)	190 – 310	190 – 310
Độ giãn dài (%)	40 – 60	40 – 60
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	Cao; độ dẻo tốt	Cao; độ dẻo tốt
Độ cứng (HB hoặc HRB, ủ)	Thấp-trung bình (mềm)	Thấp-trung bình (mềm)

Giải thích: - Ở nhiệt độ phòng và trong điều kiện ủ, 304H và 321H có đặc tính chịu kéo, chịu uốn và độ dẻo rất giống nhau vì cả hai đều là thép không gỉ austenit có hàm lượng Cr và Ni tương đương. - Sự khác biệt trở nên rõ rệt hơn khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài: 304H có thể mất khả năng chống ăn mòn cục bộ và độ dẻo ở ranh giới hạt nếu bị nhạy cảm; 321H vẫn giữ được tính chất hóa học ở ranh giới hạt ổn định hơn và do đó duy trì độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong các chế độ đó. - Việc lựa chọn tính chất cơ học phải tính đến hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống), chế độ làm việc nguội và liệu bộ phận đó có được sử dụng trong điều kiện nhiệt độ cao quan trọng hay không.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn bao gồm hàm lượng carbon (carbon cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ nhạy cảm), sự hiện diện của các thành phần ổn định và kiểm soát nhiệt đầu vào.

Chỉ số khả năng hàn chung: - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Số tương đương khả năng chống rỗ (khi liên quan đến đánh giá ăn mòn rỗ): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả 304H và 321H đều dễ dàng hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn (TIG, MIG, SMAW, v.v.). Vì là thép austenit nên chúng không bị cứng theo kiểu martensitic và không dễ bị nứt nguội. - Hàm lượng carbon cao hơn trong thép 304H làm tăng nguy cơ nhạy cảm sau khi hàn nếu làm nguội chậm; điều này có thể dẫn đến ăn mòn liên hạt ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Ủ dung dịch sau hàn hoặc làm nguội nhanh có thể giảm thiểu hiện tượng này. - 321H, với khả năng ổn định titan, ít bị nhạy cảm hóa sau hàn hơn; Ti liên kết cacbon trong quá trình gia nhiệt/hàn và tạo thành các kết tủa Ti(C,N) ổn định, làm giảm sự suy giảm crom tại ranh giới hạt. Điều này khiến 321H trở thành lựa chọn ưu tiên cho các mối hàn tiếp xúc lâu dài trong phạm vi nhạy cảm hóa. - Đối với cả hai loại thép, việc thực hành hàn tốt—kiểm soát nhiệt lượng đầu vào, nhiệt độ giữa các lớp hàn và sử dụng kim loại hàn phù hợp—đảm bảo hiệu suất mối hàn chấp nhận được. Khi khả năng chống ăn mòn ở vùng HAZ là yếu tố quan trọng, hãy chọn thép cấp ổn định hoặc thép cấp L hàm lượng carbon thấp (ví dụ: 304L).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ (cả 304H và 321H): lớp oxit crom thụ động mang lại khả năng chống ăn mòn tổng thể. Cả hai loại đều không chứa molypden đáng kể, do đó khả năng chống ăn mòn rỗ cục bộ và khe hở trong môi trường clorua bị hạn chế so với các loại chứa Mo (ví dụ: 316).
• PREN (để tương đương khả năng chống rỗ khi Mo và N là quan trọng): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Vì Mo thường không có hoặc ở mức thấp trong 304H/321H và N thấp nên giá trị PREN sẽ khiêm tốn; PREN phù hợp hơn với austenit song công và chứa Mo.
• Ăn mòn / oxy hóa ở nhiệt độ cao:
• 321H chứng minh khả năng chống ăn mòn liên hạt liên quan đến nhạy cảm và bám cặn được cải thiện trong quá trình tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ từ 500–800 °C nhờ tính ổn định của titan.
• 304H, mặc dù được thiết kế để duy trì độ bền kéo ở nhiệt độ cao, nhưng có thể hình thành cacbua crom tại ranh giới hạt dẫn đến sự suy giảm crom cục bộ và giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt trừ khi lượng nhiệt đầu vào và quá trình làm mát được kiểm soát.
• Vật liệu không gỉ (không áp dụng ở đây): khi sử dụng thép không gỉ, các lựa chọn bảo vệ bao gồm mạ kẽm, hệ thống sơn hoặc lớp phủ chịu nhiệt độ cao; đối với thép không gỉ chịu nhiệt độ cao, đặc tính bảo vệ khỏi cặn oxit và lựa chọn hợp kim là chủ yếu.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép không gỉ austenit đều đặc trưng cho tính chất tôi cứng và dính của nó đòi hỏi dụng cụ cứng, tốc độ gia công phù hợp và lưỡi dao sắc bén. Khả năng gia công ở mức trung bình và tương tự nhau đối với 304H và 321H; 321H có thể khó gia công hơn một chút do sự hiện diện của Ti carbide ảnh hưởng đến độ mòn của dụng cụ.
• Khả năng định hình: Cả hai loại thép đều có độ dẻo cao và có thể định hình trong điều kiện ủ. Gia công nguội làm tăng độ bền thông qua quá trình tôi cứng ứng suất nhưng làm giảm độ dẻo.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều sử dụng các phương pháp hoàn thiện thép không gỉ thông thường (mài, đánh bóng, đánh bóng điện) và phản ứng tương tự nhau, mặc dù các tạp chất chứa Ti trong 321H có thể ảnh hưởng đến hành vi vi khắc.
• Hoạt động hàn và sau hàn: Như đã lưu ý, 321H làm giảm nhu cầu ủ dung dịch sau hàn khi dịch vụ bao gồm tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài; 304H có thể cần cẩn thận hơn để tránh gây nhạy cảm.

8. Ứng dụng điển hình

304H — Công dụng điển hình	321H — Công dụng điển hình
Bình chịu áp suất và đường ống cho hệ thống hơi nước ở nhiệt độ cao, nơi cần độ bền cacbon cao hơn nhưng có thể kiểm soát được độ nhạy cảm	Các bộ phận ống xả máy bay, bộ phận lò và ống trao đổi nhiệt tiếp xúc với nhiệt độ cao theo chu kỳ khi cần ổn định
Ống trao đổi nhiệt và đầu đốt trong nồi hơi nơi cần độ bền kéo ở nhiệt độ cao hơn	Thiết bị xử lý hóa chất và hóa dầu tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ nhạy cảm hoặc với chu trình nhiệt lặp đi lặp lại
Các thành phần và phụ kiện kết cấu chịu nhiệt độ cao nói chung có khả năng chống ăn mòn của họ thép 304 là chấp nhận được	Ống khói, vỏ bộ chuyển đổi xúc tác và ống giảm thanh lò đòi hỏi hóa học ranh giới hạt ổn định ở nhiệt độ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304H khi nhu cầu chính là độ dẻo dai ở nhiệt độ phòng và độ bền kéo ở nhiệt độ cao cao hơn một chút và khi có thể kiểm soát các hoạt động hàn và làm mát để hạn chế độ nhạy cảm. - Chọn 321H khi dịch vụ liên quan đến việc tiếp xúc kéo dài trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm, chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại hoặc khi có lo ngại về hiện tượng oxy hóa/kẽ hở trong vùng HAZ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 321H thường đắt hơn 304H một chút do có thêm titan và ứng dụng đặc thù ở nhiệt độ cao. Giá thị trường dao động theo thị trường Ni và các nguyên tố hợp kim.
• Tính khả dụng: 304H được cung cấp rộng rãi ở dạng tấm, lá, ống và thanh. 321H cũng có sẵn ở các dạng sản phẩm thông thường nhưng có thể mất nhiều thời gian hơn đối với một số kích thước hoặc lớp hoàn thiện đặc biệt tùy thuộc vào khu vực.
• Mẹo mua sắm: Chỉ định rõ ràng hình dạng sản phẩm, yêu cầu xử lý nhiệt và bất kỳ yêu cầu ủ sau khi hàn nào để tránh sự không phù hợp trong chuỗi cung ứng hoặc chi phí chế tạo không mong muốn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Tiêu chí	304H	321H
Khả năng hàn	Tốt, nhưng có nguy cơ nhạy cảm với HAZ khi làm mát chậm	Rất tốt; Ổn định Ti làm giảm nguy cơ nhạy cảm với HAZ
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Tương tự ở nhiệt độ phòng; độ bền kéo ở nhiệt độ cao tốt	Tương tự ở nhiệt độ phòng; giữ được độ dẻo dai giữa các hạt khi sử dụng ở nhiệt độ cao
Khả năng chống nhạy cảm/oxy hóa ở nhiệt độ cao	Thấp hơn (dễ bị kết tủa cacbua hơn)	Cao hơn (ổn định Ti cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (khiêm tốn)

Kết luận — Chọn 304H nếu: - Linh kiện này cần hàm lượng carbon cao hơn để tăng độ bền kéo ở nhiệt độ cao nhưng quy trình bảo dưỡng hoặc hàn giúp giảm thiểu thời gian trong cửa sổ nhạy cảm 450–850 °C. - Chi phí và tính khả dụng rộng rãi là những yếu tố cần cân nhắc hàng đầu và khả năng bị rỗ/ăn mòn ở mức trung bình.

Kết luận — Chọn 321H nếu: - Dịch vụ này liên quan đến việc tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao, chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại hoặc các tình huống mà tình trạng nhạy cảm sau hàn và ăn mòn giữa các hạt là mối quan tâm. - Bạn cần một hợp kim austenit ổn định có khả năng bảo toàn tốt hơn crom ranh giới hạt và khả năng chống oxy hóa ở vùng HAZ và trong thời gian dài sử dụng ở nhiệt độ cao.

Khuyến nghị cuối cùng: - Đối với các ứng dụng kết cấu hoặc áp suất nhiệt độ cao nói chung, nơi chế tạo có thể kiểm soát quá trình làm mát và mức độ ăn mòn không quá nghiêm trọng, 304H là một lựa chọn kinh tế. Đối với các chi tiết chịu nhiệt độ cao liên tục, nhiệt độ tuần hoàn hoặc môi trường nhạy cảm với mối hàn, 321H là một lựa chọn bền bỉ hơn, ít rủi ro hơn mặc dù chi phí cao hơn một chút. Hãy xác thực lựa chọn hợp kim cụ thể với hồ sơ nhiệt độ vận hành thực tế, quy trình hàn và dữ liệu ăn mòn cho môi trường dự định.