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

Giới thiệu

304L và 321 là hai loại thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi, việc lựa chọn thường là một bài toán khó đối với kỹ thuật. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng chế tạo và hàn, độ ổn định ở nhiệt độ cao và chi phí khi lựa chọn. Sự khác biệt thực tế chủ yếu nằm ở cách mỗi hợp kim xử lý cacbua trong quá trình hàn và làm việc ở nhiệt độ cao: 304L dựa vào hàm lượng cacbon thấp để tránh nhạy cảm, trong khi 321 dựa vào độ ổn định titan để liên kết cacbon và ngăn ngừa kết tủa crom cacbua.

Vì cả hai loại đều là thép không gỉ austenit có hàm lượng crom và niken tương tự nhau nên chúng thường được so sánh trong đường ống, bình chịu áp suất, bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận chế tạo, nơi khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao quyết định sự lựa chọn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và chỉ định quốc tế chung:
• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403), 321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100).
• EN: 304L tương ứng với EN 1.4307; 321 tương ứng với EN 1.4541 (hoặc các biến thể 1.4541/1.4550 tùy thuộc vào hàm lượng titan).
• JIS, GB: có các sản phẩm tương đương của quốc gia có thành phần hóa học và tính chất tương tự (tham khảo các tiêu chuẩn cụ thể để biết giới hạn chính xác).
• Phân loại: Cả 304L và 321 đều là thép không gỉ austenit (thuộc nhóm thép không gỉ). Chúng không phải là thép cacbon, thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc cấp HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các thành phần chính và phạm vi hoặc giá trị tối đa điển hình theo các thông số kỹ thuật chung (các phạm vi này là điển hình và phụ thuộc vào tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật và hình thức sản phẩm).

Yếu tố	304L (dải thông số kỹ thuật điển hình)	321 (dải thông số kỹ thuật điển hình)
C (tối đa, wt%)	≤ 0,03	≤ 0,08
Mn (khối lượng%)	≤ 2,00	≤ 2,00
Si (khối lượng%)	≤ 0,75	≤ 0,75
P (khối lượng%)	≤ 0,045	≤ 0,045
S (khối lượng%)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (khối lượng%)	17,5–20,0	17,0–19,0
Ni (khối lượng%)	8,0–12,0	9,0–12,0
Mo (khối lượng%)	— (thường ≤0,10)	— (thường ≤0,10)
V (khối lượng%)	—	—
Nb (khối lượng%)	—	—
Ti (khối lượng%)	—	thường là 0,15–0,70 (chất ổn định)
B (khối lượng%)	—	—
N (khối lượng%)	≤ 0,10	≤ 0,10

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Crom (Cr) có khả năng chống ăn mòn nói chung bằng cách tạo thành lớp màng oxit thụ động. - Niken (Ni) ổn định cấu trúc austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ bền. - Hàm lượng carbon thấp trong 304L làm giảm xu hướng kết tủa crom cacbua (nhạy cảm) trong quá trình làm nguội chậm sau khi hàn. - Titan trong hợp kim 321 tạo thành titan cacbua/nitrit ổn định, ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua trong quá trình tiếp xúc với dải nhiệt độ nhạy cảm (~425–850°C). Điều này mang lại cho hợp kim 321 lợi thế trong các ứng dụng nhiệt độ cao và liên quan đến việc tiếp xúc với nhiệt độ cao theo chu kỳ. - Không có Mo có nghĩa là không có cấp nào được tối ưu hóa cho khả năng chống rỗ clorua cao; cấp có Mo (ví dụ: 316) được ưu tiên dùng cho clorua.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 304L và 321 đều là thép austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Chúng thể hiện độ dẻo dai và độ dai tốt ngay cả ở nhiệt độ cực thấp. - 304L: ma trận austenit có lượng kết tủa cacbua tối thiểu khi được xử lý nhiệt đúng cách hoặc khi hàm lượng cacbon được giữ ở mức thấp. - 321: nền austenit với các kết tủa Ti(C,N) phân tán có tác dụng ổn định và làm giảm sự hình thành crom cacbua ở ranh giới hạt.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Thép không gỉ austenit không thể xử lý nhiệt để tăng cường độ bằng cách tôi và ram như thép ferritic/martensitic. Các tính chất cơ học đạt được thông qua gia công nguội hoặc bằng cách ổn định/ủ dung dịch. - Ủ dung dịch: nung nóng đến ~1010–1120°C sau đó làm nguội nhanh để khôi phục cấu trúc vi mô dẻo, chống ăn mòn cho cả hai loại. - 304L: do hàm lượng cacbon thấp nên ít bị ăn mòn liên hạt sau khi hàn và không cần ổn định. - 321: việc bổ sung titan làm cho nó chịu được quá trình làm nguội chậm từ nhiệt độ hàn hoặc nhiệt độ giảm ứng suất tốt hơn; Ti phải có đủ lượng để kết hợp với cacbon có sẵn (thường là ít nhất 5×C theo trọng lượng).

Xử lý nhiệt cơ: - Làm nguội làm tăng độ bền và độ cứng cho cả hai loại bằng cách làm cứng biến dạng; quá trình kết tinh lại chỉ xảy ra sau khi ủ dung dịch. - Tiếp xúc với nhiệt độ cao: 321 hoạt động tốt hơn các loại thép không ổn định trong phạm vi 400–900°C vì Ti ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua gây ra hiện tượng nhạy cảm.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học điển hình (điều kiện ủ) phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh) và tiêu chuẩn—các giá trị dưới đây là phạm vi đại diện để so sánh kỹ thuật.

Tài sản	304L (ủ, điển hình)	321 (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~480–700 MPa	~480–700 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~170–300 MPa	~170–300 MPa
Độ giãn dài (tính bằng 50 mm)	≥40% (điển hình)	≥40% (điển hình)
Độ bền va đập (định tính)	Tốt, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Tốt, tương tự như 304L
Độ cứng (HRB/HV)	Vừa phải (ủ)	Vừa phải (ủ)

Giải thích: - Ở điều kiện ủ, 304L và 321 có độ bền, độ dẻo và độ dai rất giống nhau. - Sự khác biệt về hiệu suất cơ học thường nhỏ ở nhiệt độ môi trường; ưu điểm chính của 321 thể hiện ở tính ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng chống biến dạng/oxy hóa, trong khi tính ổn định của titan giúp duy trì các đặc tính sau thời gian dài tiếp xúc.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào cacbon, các nguyên tố hợp kim và khả năng nứt đông đặc hoặc nhạy cảm.

Chỉ số khả năng hàn có liên quan: - Carbon tương đương (IIW) là chỉ số được sử dụng rộng rãi để đánh giá ảnh hưởng của khả năng hàn và khả năng tôi: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số Pcm là một thước đo khác liên quan đến xu hướng nứt nguội và khả năng hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 304L: Hàm lượng carbon thấp được cân nhắc kỹ lưỡng giúp giảm thiểu $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ từ carbon, giảm nguy cơ ăn mòn liên hạt (nhạy cảm hóa) sau khi hàn. Do đó, 304L được coi là dễ hàn với kim loại hàn thông thường (thành phần tương ứng hoặc vật liệu hàn 308L), và nhiều xưởng chế tạo ưa chuộng loại vật liệu này cho các kết cấu hàn không chịu được nhiệt độ cao khắc nghiệt. - 321: Ổn định titan làm giảm độ nhạy với sự kết tủa cacbua trong vùng ảnh hưởng nhiệt; do đó, 321 có thể được hàn mà không cần hạn chế hàm lượng cacbon thấp tương tự và vẫn chống ăn mòn liên hạt khi làm nguội chậm. Tuy nhiên, thực hành hàn vẫn nên kiểm soát việc pha loãng và lựa chọn vật liệu hàn; việc sử dụng vật liệu hàn 321 phù hợp hoặc vật liệu hàn ổn định thường được khuyến nghị cho các ứng dụng quan trọng ở nhiệt độ cao. - Nứt đông đặc và nứt nóng nhìn chung không phải là vấn đề đối với các loại thép không gỉ austenit này trong quá trình chế tạo thông thường. Xử lý nhiệt trước và sau hàn thường không cần thiết cho độ dày kết cấu, nhưng các thông số phụ thuộc vào thiết kế và dịch vụ mối nối.

Hướng dẫn thực tế: - Chọn vật liệu hàn có hàm lượng carbon thấp (ví dụ: 308L) cho kim loại nền 304L để duy trì hàm lượng carbon thấp trong kim loại hàn và tránh gây nhạy cảm. - Đối với 321, có thể chấp nhận sử dụng chất độn ổn định hoặc chất độn austenit thông thường khi xem xét đến nhiệt độ hàn và nhiệt độ làm việc.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 304L và 321 đều là thép không gỉ và dựa vào oxit giàu Cr thụ động để chống ăn mòn. Cả hai đều không có hàm lượng Mo đáng kể; do đó, cả hai đều không tối ưu cho môi trường giàu clorua, dễ bị rỗ (nên ưu tiên loại 316/316L hoặc loại kép).
• Sử dụng chỉ số:
• Chỉ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống rỗ trong thép không gỉ chứa Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 304L và 321, Mo ≈ 0 nên PREN giảm xuống còn xấp xỉ $\text{Cr} + 16\times\text{N}$; tuy nhiên, khái niệm PREN có liên quan hơn khi Mo và hàm lượng nitơ cao hơn tạo ra sự khác biệt có thể đo lường được.
• Nhạy cảm:
• 304L: hàm lượng carbon thấp giúp giảm thiểu sự kết tủa crom cacbua trong quá trình hàn — khả năng chống ăn mòn giữa các hạt tốt sau khi hàn.
• 321: Ti liên kết carbon, tạo khả năng chống nhạy cảm ngay cả khi hàm lượng carbon cao hơn, điều này có lợi cho các ứng dụng nhiệt độ cao kéo dài.
• Các phương pháp bảo vệ không phải thép không gỉ (dành cho thép không gỉ) như mạ kẽm hoặc sơn không áp dụng cho các loại thép không gỉ này để kiểm soát ăn mòn nói chung nhưng có thể được sử dụng cho mục đích thẩm mỹ hoặc bảo vệ bổ sung khi cần thiết.

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

• Khả năng tạo hình: Cả 304L và 321 đều vượt trội trong tạo hình nguội và kéo sâu nhờ tính dẻo austenit. 304L phổ biến hơn một chút trong tạo hình phức tạp do tính sẵn có rộng rãi và hàm lượng carbon thấp đồng đều.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit có khả năng gia công kém hơn so với thép cacbon do độ cứng cao; thép 321 có thể có khả năng gia công tương tự thép 304L, với một số khác biệt nhỏ tùy thuộc vào cấu trúc vi mô cuối cùng và hàm lượng tạp chất. Sử dụng dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng chắc, tốc độ cắt và bước tiến dao phù hợp.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều đáp ứng tốt với phương pháp đánh bóng và thụ động hóa. Đánh bóng điện hóa cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ hoàn thiện bề mặt.
• Chế tạo hàn: 304L thường yêu cầu chất độn loại L cho kim loại hàn có hàm lượng carbon thấp; 321 có thể sử dụng chất độn ổn định, đặc biệt khi cấu trúc phải duy trì ở nhiệt độ cao.

8. Ứng dụng điển hình

304L — Công dụng điển hình	321 — Công dụng điển hình
Thiết bị xử lý hóa chất cho môi trường ăn mòn vừa phải (không có clorua nặng)	Hệ thống xả máy bay và ống phân phối nhiệt độ cao
Thiết bị chế biến thực phẩm, sữa, bồn ủ bia và thiết bị nhà bếp	Bộ trao đổi nhiệt và các thành phần lò tiếp xúc với dịch vụ nhiệt độ cao theo chu kỳ
Đường ống, bể chứa và cụm hàn nơi khả năng chống ăn mòn sau hàn là quan trọng	Các thành phần ô tô và hóa dầu hoạt động trong phạm vi 400–900°C
Các ứng dụng kiến ​​trúc và kết cấu trong đó khả năng hàn và khả năng tạo hình là ưu tiên hàng đầu	Các thành phần cần ổn định chống lại sự nhạy cảm trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng 304L khi tính kinh tế trong chế tạo, khả năng hàn với thao tác xử lý đặc biệt tối thiểu và khả năng chống ăn mòn nói chung là ưu tiên hàng đầu. - Sử dụng 321 khi dịch vụ bao gồm việc tiếp xúc nhiều lần với nhiệt độ cao, chu kỳ nhiệt hoặc khi cần ổn định chống lại sự kết tủa cacbua.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 304L thường tiết kiệm chi phí hơn 321 vì được sản xuất với số lượng lớn hơn và không cần tồn kho nguyên tố ổn định đắt đỏ cũng như các quy trình xử lý phức tạp. Giá thị trường thay đổi tùy theo điều kiện thị trường niken và crom.
• Tính khả dụng: 304L thường được lưu kho dưới nhiều dạng khác nhau (tấm, tấm, ống, thanh, dây) và bề mặt hoàn thiện. 321 được lưu kho rộng rãi nhưng có thể ít phổ biến hơn ở một số dạng sản phẩm đặc biệt hoặc phần dày.
• Lưu ý mua sắm: Đối với các dự án lớn, hãy xác nhận chứng chỉ nhà máy và thời gian giao hàng; các loại thép ổn định như 321 có thể có thời gian giao hàng lâu hơn đối với một số dạng sản phẩm nhất định.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	304L	321
Khả năng hàn	Tuyệt vời cho chế tạo chung (nhiệt độ C thấp làm giảm độ nhạy)	Rất tốt; vượt trội về độ ổn định sau hàn ở nhiệt độ cao nhờ tính ổn định Ti
Sức mạnh-Độ dẻo dai (môi trường xung quanh)	Tương tự, độ dẻo dai và độ bền tốt	Tương tự, độ dẻo dai và độ bền tốt
Độ ổn định ở nhiệt độ cao	Trung bình (có thể nhạy cảm nếu không kiểm soát được carbon)	Tuyệt vời cho việc tiếp xúc theo chu kỳ/nhiệt độ cao (ổn định Ti)
Trị giá	Nói chung là thấp hơn	Nói chung là cao hơn
Khả dụng	Rất cao	Cao, nhưng đôi khi thấp hơn ở các hình thức đặc biệt

Sự giới thiệu: - Chọn 304L nếu: ứng dụng của bạn yêu cầu khả năng chống ăn mòn tuyệt vời cho mục đích chung, hàn thường xuyên với quy trình chế tạo thông thường, khả năng định hình tốt và chi phí vật liệu thấp hơn. 304L là lựa chọn mặc định cho nhiều thành phần chế biến thực phẩm, dược phẩm, kiến ​​trúc và hóa chất nói chung, nơi tiếp xúc với clorua bị hạn chế. - Chọn 321 nếu: các thành phần sẽ tiếp xúc trong thời gian dài hoặc theo chu kỳ với nhiệt độ cao (thường trong khoảng 400–900°C) hoặc khi tính ổn định ở nhiệt độ cao sau khi hàn và khả năng chống kết tủa cacbua là rất quan trọng. 321 được ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng xả, lò nung và một số bộ trao đổi nhiệt trong đó quá trình ổn định titan ngăn ngừa hiện tượng nhạy cảm nếu không có sự kiểm soát chặt chẽ về hàm lượng carbon thấp.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép không gỉ austenit đều đã trưởng thành và được chỉ định rộng rãi. Việc lựa chọn tối ưu phụ thuộc vào sự cân bằng giữa các quy trình chế tạo (đặc biệt là quy trình hàn), hồ sơ nhiệt độ vận hành, mức độ ăn mòn (clorua so với mức độ ăn mòn thông thường) và chi phí vòng đời. Đối với các kết cấu hàn quan trọng tiếp xúc với nhiệt độ cao, hãy tham khảo các tiêu chuẩn vật liệu và kỹ sư hàn để chỉ định kim loại bổ sung, xử lý trước/sau khi hàn và các thử nghiệm kiểm soát chất lượng phù hợp.