310S so với 309 – 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 phải đối mặt với sự đánh đổi khi lựa chọn thép không gỉ chịu nhiệt độ cao: khả năng chống ăn mòn, độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão, khả năng hàn và chi phí vật liệu. Các mác thép 310S và 309 (và các biến thể carbon thấp "S") đều là thép không gỉ austenit được lựa chọn cho ứng dụng nhiệt độ cao, các thành phần lò nung và mối nối kim loại khác nhau—nhưng chúng được tối ưu hóa hơi khác nhau.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là sự cân bằng hợp kim của chúng: 310S chứa nhiều crom và niken hơn đáng kể so với 309, giúp cải thiện hiệu suất theo hướng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn và độ bền rão, trong khi 309 thường được lựa chọn khi cần sự cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống đóng cặn và tính kinh tế (hoặc khả năng tương thích với các mối hàn khác nhau). Vì cả hai đều là thép không gỉ austenit với các đặc tính nhiệt độ phòng tương tự nhau, việc lựa chọn thường phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc dự kiến, môi trường oxy hóa và ngân sách.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung:
• ASTM / ASME: A240 (tấm/lá), A182 (dành cho sản phẩm rèn/phụ kiện ống ở một số biến thể), các tiêu chuẩn cụ thể khác cho sản phẩm.
• EN: Dòng EN 10088 (tên gọi khác nhau tùy theo số hiệu quốc gia).
• JIS và GB: các tiêu chuẩn quốc gia tương đương có thành phần và hậu tố tương tự (ví dụ: JIS SUS, GB/T).
• UNS: 309/309S (ví dụ: UNS S30900 / S30908), 310S (ví dụ: UNS S31008).
• Phân loại: Cả 309 và 310S đều là thép không gỉ austenit (loại thép không gỉ) — không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA. Hậu tố "S" biểu thị biến thể cacbon thấp nhằm mục đích giảm nhạy cảm trong quá trình hàn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình của thép 309 (và 309S) và 310S (310S ít carbon) thương mại. Các giá trị này là phạm vi đại diện được sử dụng bởi hầu hết các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn của nhà máy; nên luôn tham khảo chứng nhận sản phẩm khi mua sắm dự án.

Yếu tố	309 / 309S (điển hình, wt%)	310S (điển hình, wt%)
C	≤ 0,08 (309S) / lên đến ~0,20 (309)	≤ 0,08 (310S ít carbon)
Mn	1.0 – 2.0	1.0 – 2.0
Si	0,5 – 1,0	0,5 – 1,5
P	≤ 0,04 – 0,045	≤ 0,04 – 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	~22 – 24	~24 – 26
Ni	~12 – 15	~19 – 22
Mo	≤ 0,6 (thường là không)	≤ 0,6 (thường là không)
Nb / Ti / V	thường không được thêm vào	thường không được thêm vào
B	chỉ theo dõi	chỉ theo dõi
N	dấu vết – 0,12	dấu vết – 0,12

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom là nguyên tố chính góp phần tạo nên khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và chống ăn mòn thụ động. Hàm lượng Cr cao hơn giúp cải thiện quá trình hình thành cặn ở nhiệt độ cao. - Niken ổn định nền austenit, tăng cường độ dẻo, cải thiện độ rão và độ bền nhiệt độ cao. Hàm lượng Ni cao hơn trong 310S là lý do chính cho hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ rất cao. - Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến độ nhạy (kết tủa crom cacbua) trong quá trình hàn hoặc làm nguội chậm. Cấp “S” hàm lượng cacbon thấp giúp giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn. - Mangan và silic hỗ trợ khả năng gia công nóng và khử oxy; không loại nào có khả năng chống rỗ hoặc ăn mòn khe hở vì cả hai đều chứa ít hoặc không chứa molypden.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả 309 và 310S đều hoàn toàn là austenit trong điều kiện ủ. Kích thước hạt và kết tủa phụ thuộc vào lịch sử nhiệt cơ học và tốc độ làm nguội.
• Xử lý nhiệt:
• Thép không gỉ austenit không được tôi luyện bằng chu trình tôi và ram thông thường—các tính chất cơ học được thiết lập bởi quá trình gia công nguội và cấu trúc hạt. Ủ dung dịch (ví dụ, 1.040–1.100 °C sau đó làm nguội nhanh) sẽ hòa tan các cacbua và khôi phục độ dẻo.
• Đối với loại “S”, ủ dung dịch và làm nguội nhanh sẽ giảm thiểu sự kết tủa cacbua và duy trì khả năng chống ăn mòn.
• Tác dụng của quá trình xử lý nhiệt cơ:
• Làm nguội làm tăng độ bền (làm cứng khi làm việc) và có thể làm giảm độ dẻo; cả hai loại đều phản ứng tương tự nhau với quá trình làm nguội.
• Ở nhiệt độ sử dụng cao, tiếp xúc lâu dài có thể gây ra sự phát triển của hạt và với hàm lượng cacbon cao hơn, sự kết tủa cacbua ở ranh giới hạt. Hàm lượng Ni và Cr cao hơn của 310S có xu hướng làm chậm các thay đổi vi cấu trúc có hại ở nhiệt độ rất cao so với 309.
• Chuẩn hóa/làm nguội: Không áp dụng theo cùng cách như đối với thép ferritic hoặc martensitic; việc kiểm soát chu trình nhiệt và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) khác nhau vì các loại thép austenitic này vẫn giữ được độ dẻo dai và chống lại quá trình tôi cứng.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của thép không gỉ austenit ủ chịu ảnh hưởng của hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống), quá trình gia công nguội và thành phần hóa học chính xác. Bảng dưới đây tóm tắt các phạm vi nhiệt độ điển hình, đại diện cho vật liệu ủ (các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo; tham khảo dữ liệu được nhà cung cấp chứng nhận để tính toán thiết kế).

Tính chất (ủ, điển hình)	309 / 309S	310S
Độ bền kéo (MPa)	~510 – 750	~520 – 750
Giới hạn chảy, 0,2% (MPa)	~200 – 320	~200 – 320
Độ giãn dài (%, tính bằng 50 mm)	~35 – 55	~35 – 55
Độ bền va đập (Charpy V‑notch, J)	Dẻo ở nhiệt độ phòng; vẫn giữ được độ dẻo dai	Dẻo ở nhiệt độ phòng; vẫn giữ được độ dẻo dai
Độ cứng (HRB)	~80 – 95	~80 – 95

Giải thích: - Ở nhiệt độ phòng, cả hai loại đều có độ bền và độ dẻo tương tự nhau; sự khác biệt không đáng kể vì cả hai đều là thép austenit. - Ở nhiệt độ cao, 310S thường duy trì khả năng chống bám cặn và độ bền kéo tốt hơn 309, do hàm lượng Cr và Ni kết hợp cao hơn. - Độ bền va đập ở nhiệt độ phòng thường tốt cho cả hai; không loại nào được chọn cho các ứng dụng có độ cứng cao.

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ austenit nói chung có thể hàn được, và các biến thể "S" ít carbon cải thiện khả năng chống nhạy cảm. Đánh giá khả năng hàn thường sử dụng các chỉ số thực nghiệm như lượng carbon tương đương:

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

và công thức Pcm chi tiết hơn:

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

Giải thích định tính: - Hàm lượng carbon thấp trong 309S và 310S làm giảm nguy cơ kết tủa crom cacbua và tấn công giữa các hạt sau khi hàn; điều này làm cho chúng dễ hàn hơn so với các loại thép có hàm lượng carbon cao tương ứng. - Cả hai loại thép không gỉ đều có độ tôi thấp (thép không gỉ austenit không tạo thành martensite khi nguội), giúp giảm thiểu nguy cơ nứt nguội. Nguy cơ nứt hàn chủ yếu do nứt đông đặc, rách nóng và nhiễm bẩn hơn là do biến đổi martensite. - 309 thường được dùng làm kim loại phụ để nối thép không gỉ với thép cacbon (vì thành phần của nó kết nối hai loại thép này), trong khi 310S được chọn khi mối hàn phải duy trì khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vượt trội. - Thông thường không cần xử lý nhiệt trước và sau khi hàn để tránh biến đổi martensitic, nhưng cần chú ý đến việc pha loãng, nhiệt độ giữa các lớp hàn và lựa chọn chất độn khi làm việc ở nhiệt độ cao và trong môi trường thấm cacbon/oxy hóa.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Là loại thép không gỉ austenit, cả 309 và 310S đều tạo thành lớp màng thụ động oxit crom giúp chống ăn mòn nói chung trong môi trường không ăn mòn.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng để đánh giá khả năng chống rỗ cục bộ khi có mặt molypden và nitơ:

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

• Khả năng áp dụng:
• Đối với 309 và 310S, PREN có tác dụng hạn chế vì cả hai đều thường chứa ít hoặc không có molypden và chỉ có hàm lượng nitơ thấp; do đó, khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua của chúng bị hạn chế so với hợp kim thép không gỉ chứa Mo (ví dụ: 316, loại kép).
• Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao:
• 310S, với hàm lượng Cr và Ni cao hơn, có khả năng chống đóng cặn vượt trội và giữ được độ bền tốt hơn ở nhiệt độ sử dụng liên tục cao hơn 309.
• 309 có khả năng chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ cao vừa phải và có thể tiết kiệm hơn trong nhiều ứng dụng lò nung và xử lý nhiệt.
• Bảo vệ bề mặt cho các bộ phận không phải thép không gỉ: Không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; nếu sử dụng trong môi trường có tính axit hoặc clorua mạnh, hãy cân nhắc sử dụng lớp phủ, lớp ốp hoặc các hợp kim khác.

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

• Khả năng định hình và uốn cong: Cả hai loại thép này đều có độ dẻo cao và thể hiện khả năng định hình tuyệt vời trong điều kiện ủ. Các thao tác tạo hình tấm thông thường khá đơn giản, nhưng cần tính đến độ đàn hồi do quá trình tôi luyện cao.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit khó gia công hơn thép cacbon. 309 và 310S cứng nhanh và có độ dẫn nhiệt thấp hơn—điều này đòi hỏi các thiết lập cứng, dụng cụ sắc bén và tốc độ/cấp liệu được kiểm soát. 310S có thể dẻo hơn một chút và dễ gia công hơn một chút trong một số điều kiện, nhưng cả hai đều không được phân loại là dễ gia công.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều được hoàn thiện và đánh bóng theo tiêu chuẩn thép không gỉ. Cần cẩn thận để tránh nhiễm bẩn (tích tụ sắt) trong quá trình chế tạo, điều này có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn.
• Chế tạo hàn: Sử dụng kim loại hàn phù hợp với điều kiện sử dụng; chọn kim loại hàn 309 cho các mối hàn không giống nhau và kim loại hàn 310/310S khi cần khả năng chống oxy hóa cao.

8. Ứng dụng điển hình

309 / 309S (Công dụng phổ biến)	310S (Công dụng phổ biến)
Các bộ phận và lớp lót lò tiếp xúc với quá trình gia nhiệt tuần hoàn	Các bộ phận lò và dịch vụ nhiệt độ cao liên tục (lò sưởi, ống giảm thanh)
Thiết bị xử lý nhiệt và lò thanh trùng	Bình chứa và ống dẫn xử lý nhiệt độ cao (môi trường oxy hóa)
Vật liệu hàn để nối thép không gỉ với thép cacbon	Các thành phần chống ăn mòn/oxy hóa ở nhiệt độ cao lên đến nhiệt độ thực tế cao nhất
Hệ thống xả và phần cứng lò công nghiệp	Bộ trao đổi nhiệt và thiết bị đốt cháy cần hàm lượng Ni/Cr cao
Các mối nối giãn nở và ống khói	Thiết bị xử lý thủy tinh và hóa dầu ở nhiệt độ cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 309 khi cần chi phí và hiệu suất nhiệt độ cao tốt nhưng nhiệt độ làm việc tối đa ở mức trung bình và thường xuyên nối với thép cacbon. - Chọn 310S khi ứng dụng yêu cầu khả năng chống đóng cặn và hiệu suất chống biến dạng cao trong thời gian dài ở nhiệt độ duy trì cao hơn và ngân sách cho phép chi phí hợp kim cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 310S thường đắt hơn 309 do hàm lượng niken và crom cao hơn. Biến động giá niken có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá 310S.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được sản xuất rộng rãi và có sẵn ở dạng tấm, tấm, ống, ống tròn và thanh. Một số dạng sản phẩm chuyên dụng hoặc kích thước rất lớn của 310S có thể có thời gian giao hàng lâu hơn 309, tùy thuộc vào hàng tồn kho của nhà máy và điều kiện thị trường.
• Mẹo mua sắm: Đối với các dự án nhạy cảm với chi phí vật liệu, hãy đánh giá xem hiệu suất cao hơn của 310S ở nhiệt độ vận hành có mang lại khả năng tiết kiệm vòng đời (tuổi thọ dài hơn, ít phải thay thế hơn) để bù đắp cho chi phí vật liệu ban đầu cao hơn hay không.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tài sản	309 / 309S	310S
Khả năng hàn	Tuyệt vời cho hàn thép không gỉ; chất độn được ưa chuộng cho các mối nối không giống nhau	Tuyệt vời; hàm lượng carbon thấp loại S làm giảm độ nhạy cảm
Sức mạnh-Độ dẻo dai (RT)	Tốt, tương tự như các austenit khác	Tốt, tương tự ở nhiệt độ phòng; khả năng chống gỉ/vón cục ở nhiệt độ cao vượt trội
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị cuối cùng: - Chọn 310S nếu thiết kế của bạn yêu cầu khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và hiệu suất chống biến dạng của austenit tốt nhất hiện có để sử dụng liên tục hoặc trong thời gian dài ở nhiệt độ cao hoặc khi khả năng chống cặn oxy hóa ở đầu trên của dải nhiệt độ austenit là rất quan trọng. - Chọn 309 (hoặc 309S) nếu bạn cần thép không gỉ austenit tiết kiệm chi phí, có độ bền nhiệt độ cao tốt, khả năng tương thích thường xuyên để hàn các kim loại khác nhau (ví dụ: nối với thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp) và khả năng chống gỉ sét thích hợp cho hoạt động ở nhiệt độ cao vừa phải.

Luôn xác nhận thông số kỹ thuật hợp kim chính xác và chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy đối với các thành phần quan trọng và xem xét dữ liệu của phòng thí nghiệm hoặc nhà cung cấp về giới hạn đứt gãy do rão, kết quả thử nghiệm oxy hóa và khả năng tương thích của chất hàn đối với môi trường và nhiệt độ sử dụng dự kiến.