310S so với 253MA – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường lựa chọn hợp kim thép không gỉ dựa trên khả năng chống ăn mòn, hiệu suất nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí. 310S và 253MA đều là thép không gỉ chống ăn mòn, được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao, nhưng chúng được tối ưu hóa cho các phạm vi ứng dụng khác nhau: một loại cho khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao nói chung với độ dẻo tuyệt vời, loại còn lại cho độ bền nhiệt độ cao lâu dài, khả năng chống gỉ và ổn định độ rão.

Sự khác biệt thực tế chính là 253MA được thiết kế để duy trì tính chất oxit bảo vệ và khả năng chống rão ở nhiệt độ rất cao thông qua việc bổ sung hàm lượng carbon, silicon và niobi thấp được kiểm soát, trong khi 310S là hợp kim austenit hàm lượng crom-niken cao, được tối ưu hóa chủ yếu cho khả năng chống oxy hóa và tạo hình ở nhiệt độ cao. Đó là lý do tại sao các nhà thiết kế thường so sánh tính dễ chế tạo và chi phí của 310S với hiệu suất dài hạn vượt trội của 253MA trong điều kiện oxy hóa nhiệt độ cực cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 310S
• Tên gọi chung: UNS S31008, EN 1.4845 (cho 310), thông số kỹ thuật ASTM/ASME thường tham chiếu đến AISI/UNS. 310S là thép không gỉ austenit.
• 253MA
• Có các dạng sản phẩm độc quyền và tiêu chuẩn (ví dụ: tên sản phẩm từ Sandvik và các nhà cung cấp khác). Thép không gỉ austenit chịu nhiệt độ cao được thiết kế để chống oxy hóa và biến dạng.
• Xác định danh mục:
• 310S: Thép không gỉ Austenit.
• 253MA: Thép không gỉ austenit hợp kim dùng cho nhiệt độ cao (thép không gỉ austenit ổn định/biến tính).

Lưu ý: Số lượng tiêu chuẩn chính xác cho 253MA có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và dạng sản phẩm; tham khảo giấy chứng nhận của nhà cung cấp để biết thông số kỹ thuật kiểm soát.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện các phạm vi thành phần điển hình được báo cáo trong các bảng dữ liệu công khai cho từng loại. Đây là các phạm vi danh nghĩa điển hình cho các dạng thương mại phổ biến (đã ủ). Cần tham khảo chứng chỉ vật liệu và bảng dữ liệu của nhà cung cấp để tính toán mua sắm và thiết kế.

Yếu tố	310S (dải danh nghĩa điển hình)	253MA (phạm vi danh nghĩa điển hình)
C	≤ 0,08%	≤ 0,02% (rất thấp)
Mn	≤ 2,0%	≤ 2,0%
Si	≤ 1,5%	~0,4–1,0% (nâng cao để tạo thành oxit)
P	≤ 0,045%	≤ 0,03%
S	≤ 0,03%	≤ 0,01%
Cr	24–26%	~21–23%
Ni	19–22%	~11–13%
Mo	≤ 0,75% (thường là không có)	≤ 0,5% (thường thấp)
V	dấu vết	dấu vết
Nb (Cb)	—	bổ sung nhỏ (ổn định; ~0,2–0,8%)
Ti	—	dấu vết đến nhỏ nếu ổn định
B	—	dấu vết (nếu có)
N	≤ 0,1%	mức thấp được kiểm soát

Bình luận về chiến lược hợp kim: - 310S sử dụng hàm lượng Cr và Ni cao để ổn định austenit, tăng khả năng chống oxy hóa và độ dẻo. Hàm lượng Ni cao hơn giúp cải thiện độ dẻo dai và khả năng định hình. - 253MA sử dụng hàm lượng Ni thấp hơn nhưng bổ sung chất ổn định Si và Nb (columbi) được kiểm soát chặt chẽ, cùng hàm lượng carbon rất thấp để tránh kết tủa cacbua và tạo lớp oxit bám dính ổn định. Những điều chỉnh này cải thiện độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa/ăn mòn lâu dài trong môi trường tuần hoàn hoặc khắc nghiệt.

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

• 310S
• Cấu trúc vi mô điển hình: hoàn toàn austenit trong điều kiện ủ. Kích thước hạt phụ thuộc vào chế tạo và quá trình ủ. Không có sự kết tủa tăng cường; kết tủa cacbua có thể xảy ra nếu được giữ trong phạm vi nhạy cảm (nhưng C thấp hơn trong 310S sẽ giảm thiểu rủi ro này).
• Xử lý nhiệt: ủ dung dịch và làm nguội nhanh để phục hồi độ dẻo và khả năng chống ăn mòn. 310S không được làm cứng bằng cách làm nguội/ram.
• 253MA
• Cấu trúc vi mô điển hình: ma trận austenit với sự phân tán được kiểm soát của các pha ổn định (cacbua/nitrit ổn định bằng niobi) được thiết kế để giảm sự suy giảm ma trận và xác định ranh giới hạt ở nhiệt độ cao.
• Xử lý nhiệt: Ủ dung dịch được sử dụng để hòa tan các pha không mong muốn và kết tủa lại các pha ổn định có kiểm soát. Xử lý nhiệt cơ học và xử lý nhiệt có kiểm soát cải thiện các đặc tính rão. Không phản ứng với quá trình làm cứng bằng cách tôi/ram; cải thiện độ bền đến từ quá trình hợp kim hóa và kết tủa có kiểm soát.

Quá trình xử lý ảnh hưởng đến từng phần như thế nào: - Chuẩn hóa/ủ giúp phục hồi austenit và giảm ứng suất ở cả hai loại; ưu điểm của 253MA về khả năng chống co ngót và bám cặn bắt nguồn từ tính chất hóa học và độ ổn định của pha oxit và pha kết tủa sau khi xử lý nhiệt thích hợp. - Quá trình làm nguội và ram không áp dụng cho các loại thép austenit này; quá trình làm nguội sẽ làm tăng độ bền thông qua quá trình tôi cứng bằng ứng suất nhưng có thể làm giảm độ dẻo.

4. Tính chất cơ học

Các tính chất cơ học điển hình phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt. Bảng này hiển thị các giá trị đại diện cho các sản phẩm ủ thường được cung cấp; hãy kiểm tra giá trị thực tế bằng báo cáo thử nghiệm tại nhà máy.

Tài sản	310S (ủ, điển hình)	253MA (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~500–600 MPa	Nói chung cao hơn ở nhiệt độ phòng; thường là ~550–750 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~200–300 MPa	Thông thường cao hơn 310S; cải thiện độ bền kéo/độ bền nhiệt độ cao
Độ giãn dài (A%)	~35–50%	Trung bình đến tốt; thường thấp hơn 310S nhưng vẫn dẻo (thay đổi 20–45%)
Độ bền va đập (Charpy)	Tốt ở môi trường xung quanh; giữ được độ dẻo dai	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; được thiết kế để duy trì độ bền ở nhiệt độ cao
Độ cứng (HB hoặc HRB)	Tương đối thấp (mềm, dẻo)	Cao hơn một chút do hợp kim vi mô và kết tủa

Giải thích: - 253MA thường có độ bền cao hơn, đặc biệt là khi chịu tải nhiệt độ cao trong thời gian dài và chống biến dạng, trong khi 310S có xu hướng dẻo hơn và dễ tạo hình và gia công hơn. - Độ bền va đập ở nhiệt độ môi trường xung quanh nhìn chung đều chấp nhận được đối với cả hai; 253MA được thiết kế để duy trì độ bền hữu ích sau thời gian dài tiếp xúc ở nhiệt độ cao.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép này đều tốt so với nhiều loại thép khác, nhưng sự khác biệt này lại quan trọng trong thực tế.

Các yếu tố ảnh hưởng chính: - Cacbon và nitơ: hàm lượng cacbon thấp làm giảm nguy cơ nhạy cảm hóa và ăn mòn giữa các hạt; nitơ có thể ổn định austenit. - Hàm lượng hợp kim và chất ổn định (ví dụ: Nb) ảnh hưởng đến quá trình nứt nóng và chu trình nhiệt hàn.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích: - Đương lượng cacbon cho austenit (loại IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số PCM: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 310S: Hàm lượng Ni cao cải thiện khả năng hàn và độ dẻo của kim loại hàn; hàm lượng carbon tương đối thấp (trong 310S) làm giảm độ nhạy cảm với sự nhạy cảm. Nhìn chung, không cần gia nhiệt trước cho các tiết diện mỏng; có thể sử dụng ủ sau hàn để khôi phục các đặc tính khi cần thiết. - 253MA: Có thể hàn được nhưng cần lưu ý: việc ổn định niobi và silic cao có thể làm thay đổi tính chất hóa học của kim loại hàn; hàm lượng cacbon rất thấp giúp giảm thiểu nhạy cảm, nhưng việc lựa chọn vật liệu hàn rất quan trọng để duy trì các đặc tính nhiệt độ cao. Đối với hoạt động nhiệt độ cao lâu dài, có thể cần xử lý nhiệt sau hàn và sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc được phê duyệt để tránh thoái hóa cục bộ và duy trì khả năng chống rão/oxy hóa.

Luôn tuân theo quy trình hàn của nhà sản xuất và thực hiện hàn kiểm tra cho các thành phần quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Không gỉ so với không gỉ: cả 310S và 253MA đều là loại thép không gỉ (austenitic); chiến lược bảo vệ bề mặt khác với thép cacbon.
• Quá trình oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao:
• 310S: Hàm lượng Cr và Ni cao mang lại khả năng chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ cao lên đến khoảng 1000–1150 °C trong nhiều môi trường; nó tạo thành lớp Cr-oxit bảo vệ trong nhiều điều kiện.
• 253MA: Được điều chế để tạo thành oxit ổn định, bám dính (thường là oxit bề mặt giàu Si) và chống lại hiện tượng bong tróc vảy và oxy hóa mạnh khi tiếp xúc theo chu kỳ và lâu dài; vượt trội khi sử dụng lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao khắc nghiệt.
• Chỉ số ăn mòn cục bộ:
• Khi khả năng chống ăn mòn cục bộ được đánh giá bằng PREN, hãy sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với cả 310S và 253MA, Mo thấp và giá trị PREN ở mức trung bình; không loại nào được thiết kế để chịu được hiện tượng rỗ clorua nghiêm trọng so với hợp kim siêu austenit hoặc hợp kim duplex chứa Mo.
• Khi lớp bảo vệ bằng thép không gỉ không đủ, có thể sử dụng lớp phủ (phun nhiệt, tráng nhôm, phủ gốm) hoặc bầu khí quyển được kiểm soát cho cả hai loại.

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

• 310S
• Khả năng tạo hình tuyệt vời và đặc tính kéo sâu nhờ hàm lượng Ni cao và cấu trúc hoàn toàn austenit.
• Khả năng gia công khá tốt; áp dụng các phương pháp gia công thép không gỉ thông thường (cài đặt cứng, dụng cụ sắc bén, giảm tốc độ chạy dao nếu xảy ra hiện tượng mài mòn).
• 253MA
• Khả năng tạo hình tốt nhưng độ cứng cao hơn và ma trận chắc hơn có thể yêu cầu lực tạo hình lớn hơn.
• Gia công có thể khó khăn hơn 310S do có độ bền cao hơn và khả năng tôi cứng; tuổi thọ và tốc độ của dụng cụ cần được tối ưu hóa cho hợp kim này.

Việc hoàn thiện bề mặt và xử lý sau chế tạo nhằm giảm ứng suất và kiểm soát cặn oxit có thể khác nhau tùy theo nhiệt độ và môi trường ứng dụng cuối cùng.

8. Ứng dụng điển hình

310S – Công dụng điển hình	253MA – Công dụng điển hình
Ống giảm thanh lò, ống tỏa nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, lớp lót buồng đốt, các bộ phận chịu nhiệt nói chung	Các bộ phận đốt nhiệt độ cao, đồ đạc lò công nghiệp, ống bức xạ trong môi trường khắc nghiệt, đồ đạc xử lý nhiệt tuổi thọ cao, các bộ phận tiếp xúc với quá trình oxy hóa tuần hoàn và hiện tượng rão
Thiết bị xử lý hóa chất yêu cầu khả năng chống ăn mòn và tạo hình ở nhiệt độ cao	Các ứng dụng đòi hỏi độ ổn định kích thước dài hạn và độ bám dính của lớp oxit dưới tải nhiệt tuần hoàn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 310S khi ứng dụng cần khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao tốt kết hợp với khả năng định hình tuyệt vời và hiệu quả về chi phí. - Chọn 253MA khi tiếp xúc lâu dài, điều kiện tuần hoàn và khả năng chống lại sự phát triển/bong tróc của cặn và hiện tượng rão là rất quan trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 310S
• Được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng tấm, tấm phẳng, ống và thanh từ nhiều nhà máy. Chi phí tương đối ở mức trung bình đối với thép austenit hợp kim cao do hàm lượng Ni cao hơn, nhưng sản xuất hàng loạt và khả năng cung ứng giúp giảm thời gian giao hàng.
• 253MA
• Thông thường, đây là hợp kim đặc biệt được sản xuất với số lượng và hình thức sản phẩm hạn chế hơn. Giá thành đơn vị thường cao hơn 310S và thời gian giao hàng có thể dài hơn, đặc biệt là đối với số lượng lớn hoặc hình thức sản phẩm đặc biệt.

Mẹo mua sắm: chỉ định chính xác tiêu chuẩn vật liệu, hình thức sản phẩm và chứng chỉ cần thiết; đối với 253MA, hãy cho phép thời gian giao hàng của nhà cung cấp và xác nhận kích thước có sẵn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	310S	253MA
Khả năng hàn	Tuyệt vời (có nhiều lựa chọn chất độn tốt)	Tốt, nhưng cần kiểm soát quy trình
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo tốt; độ bền vừa phải	Độ bền nhiệt độ cao lâu dài cao hơn; độ dẻo dai tốt
Chi phí và tính khả dụng	Tiết kiệm hơn và có sẵn rộng rãi	Chi phí cao hơn; khả năng cung cấp đặc sản

Kết luận — khuyến nghị: - Chọn 310S nếu bạn cần một hợp kim austenit phổ biến, tiết kiệm với khả năng định hình tuyệt vời và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao đáng tin cậy cho dịch vụ ngắn hạn đến trung hạn (ví dụ: thành phần lò, các bộ phận chịu nhiệt nói chung) và khi việc chế tạo dễ dàng và độ phức tạp khi mua sắm thấp là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 253MA nếu ứng dụng của bạn yêu cầu khả năng chống oxy hóa lâu dài vượt trội, độ bám dính ổn định với lớp oxit và khả năng chống biến dạng trong môi trường nhiệt độ cao hoặc khắc nghiệt, trong đó tuổi thọ và độ ổn định kích thước đòi hỏi chi phí vật liệu cao hơn và kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn.

Khuyến nghị cuối cùng: xác định các yêu cầu về hiệu suất (nhiệt độ vận hành, khí quyển, tuổi thọ dự kiến, tải trọng cơ học, thiết kế mối hàn/mối nối) và yêu cầu chứng chỉ nhà máy hoặc bảng dữ liệu của nhà cung cấp. Đối với các linh kiện quan trọng chịu nhiệt độ cao, hãy thực hiện phân tích so sánh chi phí vòng đời: chi phí ban đầu cao hơn cho 253MA có thể được biện minh bằng việc giảm thời gian ngừng hoạt động, kéo dài khoảng thời gian giữa các lần thay thế và cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ cao.