310 so với 310S – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Loại 310 và 310S là thép không gỉ austenit thường được chỉ định cho ứng dụng nhiệt độ cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, độ bền nhiệt độ cao và khả năng hàn khi lựa chọn giữa chúng—đặc biệt là khi các bộ phận lò nung, bộ trao đổi nhiệt hoặc cụm hàn sẽ hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này nằm ở thông số kỹ thuật carbon: thép 310 cho phép hàm lượng carbon tối đa cao hơn thép 310S, trong khi hàm lượng crom và niken của chúng về cơ bản là như nhau. Sự khác biệt về carbon này quyết định khả năng dễ bị kết tủa carbide (nhạy cảm hóa), khả năng hàn, và đôi khi là sự khác biệt nhỏ về độ bền ở nhiệt độ cao. Vì chúng có cùng thành phần hóa học austenit, nên chúng được so sánh chặt chẽ trong các quyết định thiết kế và chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và chỉ định chung cho các cấp độ này bao gồm: - ASTM/ASME: Loại 310 (UNS S31000), Loại 310S (UNS S31008); được tham chiếu trong ASTM A240 (tấm, lá và dải), A312 (ống liền mạch và hàn) và các tiêu chuẩn sản phẩm khác. - EN: 1.4841 (310), 1.4845 (310S) trong một số chương trình chỉ định của Châu Âu. - JIS: SUS310, SUS310S (tiêu chuẩn Nhật Bản tương ứng chặt chẽ). - GB (Trung Quốc): Tiêu chuẩn sản phẩm GB/T dành cho thép không gỉ thường tham chiếu đến các thành phần hóa học tương đương.

Phân loại: Cả 310 và 310S đều là thép không gỉ austenit (nhóm thép không gỉ, hợp kim cao). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%) thường được quy định trong các tiêu chuẩn như ASTM A240. Các giá trị này là phạm vi đại diện; hãy kiểm tra chứng chỉ vật liệu cụ thể để biết giá trị lô.

Yếu tố	310 (phạm vi điển hình)	310S (phạm vi điển hình)
C	0,08–0,25 (tối đa 0,25)	0,03–0,08 (tối đa 0,08)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	24,0–26,0	24,0–26,0
Ni	19,0–22,0	19,0–22,0
Mo	- (dấu vết)	- (dấu vết)
V	—	—
Nb (Cb)	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,10 (vết)	≤ 0,10 (vết)

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom và niken tạo nên nền tảng austenit và có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao. Hàm lượng Cr cao (~25%) mang lại khả năng chống đóng cặn tuyệt vời. - Niken ổn định pha austenit và duy trì độ dẻo dai. - Cacbon làm tăng độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão ở một mức độ nào đó nhưng cũng làm tăng nguy cơ kết tủa cacbua trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 425–870°C). - Hàm lượng cacbon thấp hơn trong 310S làm giảm nguy cơ kết tủa cacbua giữa các hạt sau khi hàn hoặc tiếp xúc trong dải nhạy cảm, cải thiện khả năng chống ăn mòn trong các thành phần hàn hoặc nhạy cảm.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại thép đều hoàn toàn austenit trong điều kiện ủ. Cấu trúc hạt điển hình là austenit ổn định, trừ khi xảy ra quá trình gia công nguội đáng kể hoặc hình thành ferit delta trong chu kỳ nhiệt hàn. - Không xảy ra chuyển biến martensitic khi tôi (thép không gỉ austenitic không thể tôi bằng cách tôi và ram).

Xử lý nhiệt và gia công nhiệt: - Ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ 1050–1120 °C) sau đó làm nguội nhanh để phục hồi cấu trúc vi mô austenit chống ăn mòn và hòa tan các chất kết tủa. - Vì không thể làm cứng bằng cách làm nguội nên việc điều chỉnh độ bền phụ thuộc vào quá trình làm nguội hoặc lựa chọn hợp kim. - Hàm lượng cacbon cao hơn trong 310 làm tăng lực đẩy cho quá trình kết tủa crom cacbua trong quá trình tiếp xúc ở phạm vi nhạy cảm, có thể dẫn đến sự suy giảm crom ở ranh giới hạt và ăn mòn giữa các hạt. Hàm lượng cacbon thấp hơn của 310S giúp giảm thiểu rủi ro này. - Chu trình nhiệt hàn: cả hai loại đều có thể hàn được, nhưng 310S ít bị nhạy cảm sau hàn hơn và ít cần xử lý nhiệt sau hàn nhằm tránh ăn mòn giữa các hạt.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các đặc tính cơ học tiêu biểu của vật liệu ủ (cán phẳng/điều kiện điển hình). Những đặc tính này chỉ mang tính chất tham khảo; hình dạng sản phẩm, độ dày và thông số kỹ thuật có thể thay đổi.

Tài sản	310 (ủ, điển hình)	310S (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~500–600 (điển hình)	~500–600 (điển hình)
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~200–260	~200–240
Độ giãn dài (%)	≥ 40 (độ dẻo tốt)	≥ 40 (xu hướng dẻo dai tốt hơn một chút)
Độ bền va đập	Cao, giữ được độ dẻo dai ở mức T thấp	Cao, tương tự hoặc tốt hơn một chút do lượng carbon thấp hơn
Độ cứng (HB / HRC)	Độ cứng trung bình; ủ thường ở phạm vi thép không gỉ austenit	Tương tự hoặc thấp hơn một chút trong điều kiện ủ

Giải thích: - Tính chất cơ học ở trạng thái ủ rất giống nhau vì nền austenit là như nhau. Hàm lượng carbon cao hơn một chút trong 310 có thể mang lại độ bền cao hơn một chút trong một số điều kiện, đặc biệt là sau khi gia công nguội hoặc tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao, nhưng phải trả giá bằng nguy cơ nhạy cảm hóa học tăng lên. - Cả hai loại thép này đều có độ dẻo dai và độ dẻo tuyệt vời so với thép ferritic/martensitic, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc rất nhiều vào lượng cacbon tương đương và xu hướng hình thành các cấu trúc vi mô cứng hoặc giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Các chỉ số thực nghiệm hữu ích bao gồm lượng cacbon tương đương IIW và công thức Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính cho 310 so với 310S: - Biến số chính trong các công thức này đối với 310/310S là $C$. Hàm lượng carbon thấp hơn của 310S mang lại $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn, cho thấy nguy cơ gặp vấn đề về HAZ giảm và khả năng hàn tốt hơn về mặt tránh nhạy cảm và duy trì độ dẻo sau khi hàn. - Thép không gỉ Austenit thường không tạo thành martensite cứng trong vùng HAZ, nhưng hiện tượng kết tủa cacbua và ăn mòn giữa các hạt là những vấn đề đáng lo ngại. Đối với các kết cấu hàn tiếp xúc trong phạm vi nhạy cảm, thép 310S thường được ưu tiên. Khi dịch vụ sau hàn chỉ liên quan đến nhiệt độ rất cao (trên phạm vi hòa tan cacbua) hoặc khi độ bền rão là yếu tố quan trọng và hiện tượng nhạy cảm không phải là vấn đề, thép 310 có thể được chấp nhận. - Gia nhiệt trước và PWHT hiếm khi được sử dụng để tránh martensite (không áp dụng), nhưng ủ dung dịch có thể được chỉ định sau khi hàn khi hiệu suất chống ăn mòn là yếu tố quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 310 và 310S đều có khả năng chống ăn mòn nhờ hàm lượng Cr và Ni cao. Chúng có khả năng chống oxy hóa tuyệt vời trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao (chống đóng cặn).
• Về khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua, thép austenit không có molypden thường dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường clorua khắc nghiệt; không có loại thép nào chuyên biệt về khả năng chống clorua.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) thường được áp dụng cho thép không gỉ có chứa Mo và N. Để tham khảo:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• Vì thép 310/310S thường chứa Mo không đáng kể và N thấp nên PREN không phải là yếu tố phân biệt có ý nghĩa đối với khả năng chống rỗ ở các loại thép này; khả năng chống rỗ của chúng phụ thuộc nhiều hơn vào tình trạng bề mặt, môi trường và nhiệt độ.
• Bảo vệ bề mặt: đối với thép không gỉ, người ta có thể cân nhắc mạ kẽm hoặc phủ lớp phủ; đối với thép 310/310S, hoàn thiện bề mặt, tẩy gỉ, thụ động hóa hoặc tráng nhôm (để có khả năng chống oxy hóa cực cao) là cần thiết, tùy thuộc vào ứng dụng. Độ cứng C thấp hơn của thép 310S giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt ở những nơi mà nếu không thì có thể hình thành cacbua.

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

• Khả năng định hình: Cả hai loại thép đều có khả năng định hình và uốn cong tốt trong điều kiện ủ nhưng nhanh chóng cứng lại (đặc trưng của thép austenit). Sử dụng dụng cụ thích hợp và cho phép đàn hồi trở lại.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit khó gia công hơn so với thép mềm: chúng cứng khi gia công, có độ dẫn nhiệt thấp và đòi hỏi thiết lập cứng, dụng cụ sắc bén và nguồn cấp liệu phù hợp. 310/310S có khả năng gia công tương tự nhau; 310S có thể dễ gia công hơn một chút do độ cứng thấp hơn một chút trong một số điều kiện.
• Lập kế hoạch cho trình tự hàn và tạo hình: ưu tiên tạo hình trước khi hàn nếu có thể để tránh hiện tượng cứng cục bộ và kiểm soát biến dạng.
• Hoàn thiện bề mặt: mài, đánh bóng và thụ động hóa theo các quy trình tiêu chuẩn của thép không gỉ austenit.

8. Ứng dụng điển hình

310 (sử dụng phổ biến)	310S (sử dụng phổ biến)
Các bộ phận lò, ống giảm thanh, giỏ xử lý nhiệt, lò công nghiệp nơi khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao là chính và quá trình hàn được kiểm soát	Các thành phần trao đổi nhiệt hàn, thiết bị xử lý hóa chất trong đó độ nhạy cảm của mối hàn phải được giảm thiểu
Đầu đốt và phần cứng đốt, ống tỏa nhiệt, các bộ phận lò nung cần khả năng chống đóng cặn và biến dạng ở nhiệt độ cao	Đường ống, phụ kiện và bình hàn trong môi trường nhiệt độ cao nhưng ăn mòn, nơi cần khả năng chống ăn mòn sau khi hàn
Ứng dụng khí thải nhiệt độ cao, nơi có thể thực hiện chế tạo không thường xuyên mà không cần hàn nhiều	Khi hàn thường xuyên, gia công sau chế tạo hoặc dịch vụ trong phạm vi nhạy cảm đòi hỏi một giải pháp thay thế ít carbon

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 310 khi độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa là ưu tiên hàng đầu và có thể kiểm soát được quá trình chế tạo để tránh các vấn đề nhạy cảm. - Chọn 310S khi các cụm hàn sẽ được đặt trong cửa sổ nhiệt độ nhạy cảm hoặc khi cần khả năng chống ăn mòn sau hàn và khả năng hàn được cải thiện.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 310S thường có giá cao hơn 310 một chút do cần kiểm soát sản xuất để đạt được thông số kỹ thuật carbon thấp hơn và do nó thường được chỉ định cho các ứng dụng hàn quan trọng hơn. Chênh lệch giá thực tế không đáng kể và thay đổi theo giá niken và crom trên thị trường.
• Tính khả dụng: cả hai loại đều có sẵn ở dạng tấm, cuộn, ống và ống tròn. 310 đôi khi được dự trữ phổ biến hơn cho các thành phần nhiệt độ cao tiêu chuẩn, trong khi 310S thường được dự trữ cho các bộ phận chịu áp suất và chế tạo hàn.
• Thời gian giao hàng: phụ thuộc vào hình dạng và kích thước sản phẩm; việc mua sản phẩm có đường kính lớn hoặc tiết diện lớn ở cấp độ đặc biệt có thể làm tăng thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt nhanh

Thuộc tính	310	310S
Khả năng hàn	Tốt, nhưng nguy cơ nhạy cảm cao hơn sau khi hàn	Tốt hơn — hàm lượng carbon thấp hơn giúp giảm độ nhạy cảm và cải thiện khả năng chống ăn mòn sau hàn
Sức mạnh – Độ dẻo dai	Độ bền ở nhiệt độ cao tương đương; 310 có thể cho thấy độ bền cao hơn một chút ở một số trường hợp tiếp xúc với nhiệt độ cao	Độ dẻo dai tương tự; độ dẻo dai tốt hơn một chút và nguy cơ xảy ra vấn đề về ranh giới hạt cacbua thấp hơn
Trị giá	Thấp hơn một chút hoặc tương đương	Phí bảo hiểm nhẹ điển hình

Khuyến nghị cuối cùng: - Chọn 310 nếu ưu tiên của bạn là khả năng chống oxy hóa/ăn mòn ở nhiệt độ cao tối đa, trong đó linh kiện không dễ gặp phải các vấn đề nhạy cảm (ví dụ như các bộ phận bên trong lò có thể thay thế hoặc các linh kiện nhiệt độ cao không hàn) hoặc khi cần độ bền kéo dài ở nhiệt độ cao cao hơn một chút và điều kiện/mức độ tiếp xúc khi hàn được kiểm soát. - Chọn 310S nếu thiết kế của bạn liên quan đến hàn rộng rãi, yêu cầu giảm thiểu rủi ro ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc sẽ mất nhiều thời gian trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm. 310S là thông số kỹ thuật an toàn hơn cho các bộ phận chịu áp suất hàn và bình chế tạo, nơi khả năng chống ăn mòn sau chế tạo là rất quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại đều là lựa chọn tuyệt vời cho ứng dụng nhiệt độ cao. Thông số kỹ thuật carbon là yếu tố phân biệt chính: hãy đánh giá quy trình hàn, nhiệt độ ứng dụng dự kiến ​​(đặc biệt là liệu các chi tiết có thể xuyên qua hay vẫn nằm trong phạm vi nhạy cảm 425–870°C) và chi phí/khả năng cung cấp để đưa ra lựa chọn cuối cùng.