310S so với 309S – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ austenit 310S và 309S thường được xem xét song song khi các nhà thiết kế phải cân bằng giữa hiệu suất nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí vật liệu. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm phần cứng lò nung và thiết bị xử lý nhiệt (nơi oxy hóa và khả năng chống cáu cặn chiếm ưu thế), các bộ phận ống xả và ống khói (chu trình nhiệt và ăn mòn), và các cụm hàn cần giảm thiểu nguy cơ biến dạng và nứt.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: sự cân bằng giữa crom và niken khác nhau, tạo ra sự khác biệt đáng kể về khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, độ dẻo ở nhiệt độ cao và chi phí. Vì cả hai đều là thép không gỉ austenit với thành phần hóa học cơ bản tương tự nhau, chúng thường được so sánh khi lựa chọn vật liệu cho ứng dụng ở nhiệt độ cao hoặc cho các ứng dụng đòi hỏi cả khả năng chống ăn mòn và khả năng định hình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung:
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm, lá)
• EN: Dòng EN 10088 (trong đó các giá trị tương đương thường được lập bản đồ theo hóa học)
• JIS/GB: Có các định danh địa phương trong các tiêu chuẩn của Nhật Bản và Trung Quốc (tham khảo bảng tương đương)
• UNS: UNS S31008 (310S), UNS S30908 (309S) — quy ước đặt tên thay đổi tùy theo sổ đăng ký
• Phân loại:
• Cả 310S và 309S đều là thép không gỉ (họ austenit).
• Chúng không phải là thép cacbon, HSLA, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim tôi và ram.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình (phần trăm trọng lượng) thường được trích dẫn trong các thông số kỹ thuật công nghiệp và bảng dữ liệu vật liệu. Đây là các phạm vi danh nghĩa mang tính đại diện—vui lòng tham khảo tiêu chuẩn hiện hành hoặc chứng chỉ nhà máy để biết giới hạn cụ thể cho từng loại vật liệu.

Yếu tố	310S (điển hình, wt%)	309S (điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	24 – 26	22 – 24
Ni	19 – 22	12 – 15
Mo	≈ 0	≈ 0
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,10	≤ 0,10

Ghi chú: - Cấp độ "S" biểu thị các phiên bản có hàm lượng carbon thấp nhằm mục đích giảm độ nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn; giới hạn carbon thực tế phụ thuộc vào tiêu chuẩn và dạng sản phẩm. - Cả hai loại này về cơ bản đều không chứa Mo và dựa vào Cr và Ni để ổn định ma trận austenit.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr): nguyên tố chính quyết định khả năng chống oxy hóa, chống ăn mòn nói chung và chống đóng cặn ở nhiệt độ cao. Hàm lượng Cr cao hơn giúp cải thiện độ ổn định của màng thụ động và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. - Niken (Ni): chất ổn định austenit giúp cải thiện độ dẻo, độ dai và khả năng chống lại chu trình nhiệt; việc tăng Ni cũng làm giảm khả năng hình thành pha sigma trong một số điều kiện. - Cacbon (C): tăng cường độ bền nhưng làm tăng nguy cơ nhạy cảm và kết tủa cacbua trong phạm vi 450–850 °C; loại "S" có hàm lượng cacbon thấp ít bị ăn mòn liên hạt hơn sau khi hàn. - Các nguyên tố phụ (Mn, Si) góp phần tạo nên độ bền và khả năng chống oxy hóa (Si) cũng như khả năng khử oxy/xử lý (Mn).

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 310S và 309S đều là austenit hoàn toàn trong điều kiện ủ ở dải nhiệt độ công nghiệp thông thường. Ma trận austenit lập phương tâm mặt (FCC) mang lại độ dẻo dai tuyệt vời, ngay cả ở nhiệt độ cực thấp, và khả năng định hình tốt. - Cả hai loại thép này đều không thể tôi cứng bằng phương pháp tôi và ram thông thường: chúng không trải qua quá trình chuyển hóa martensitic khi làm nguội. Độ bền thường được tăng lên bằng cách gia công nguội.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ khoảng 1010–1120 °C) sau đó làm nguội nhanh để khôi phục độ dẻo và hòa tan kết tủa. Nhiệt độ chính xác và thời gian giữ phụ thuộc vào dạng sản phẩm. - Do hàm lượng ferit không đáng kể nên phương pháp xử lý ram/lão hóa dùng cho thép hoặc hợp kim gia cường bằng kết tủa không thể áp dụng để tăng cường độ. - Ở nhiệt độ trung gian (khoảng 450–850 °C), crom cacbua có thể kết tủa tại ranh giới hạt trong vật liệu có hàm lượng cacbon cao hơn, gây nhạy cảm và dễ bị ăn mòn giữa các hạt. Loại "S" có hàm lượng cacbon thấp giúp giảm đáng kể nguy cơ này. - Chu trình nhiệt ở nhiệt độ cao có thể thúc đẩy pha sigma trong một số loại thép không gỉ có hàm lượng Cr cao và Ni trung gian; kiểm soát cẩn thận thời gian giữ và tránh tiếp xúc kéo dài trong phạm vi nhiệt độ dễ bị ảnh hưởng sẽ giảm thiểu rủi ro này. 310S (có hàm lượng Ni cao) thường ít bị ảnh hưởng bởi pha sigma hơn trong nhiều điều kiện sử dụng thực tế so với một số hợp kim Cr cao khác, nhưng người dùng vẫn nên đánh giá mức độ tiếp xúc lâu dài.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh), quá trình gia công nguội và lịch sử nhiệt. Nhiều thông số kỹ thuật công nghiệp đưa ra các giá trị tối thiểu cho điều kiện ủ. Các số liệu cơ sở điển hình (ủ) được sử dụng trong mua sắm được hiển thị dưới dạng giá trị tối thiểu chung hoặc phạm vi đại diện:

Tính chất (nhiệt độ phòng, ủ)	310S (điển hình)	309S (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	≈ 515 phút; phạm vi điển hình 515–690	≈ 515 phút; phạm vi điển hình 515–690
Giới hạn chảy 0,2% (MPa)	≈ 205 phút	≈ 205 phút
Độ giãn dài (%, 50 mm)	~40% (tùy thuộc vào dạng sản phẩm)	~40% (tùy thuộc vào dạng sản phẩm)
Độ bền va đập	Nói chung là cao; vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Nói chung là cao; độ dẻo dai đông lạnh tương tự
Độ cứng (HB)	Độ cứng ủ điển hình ≈ 70–95 HB (thay đổi theo quá trình gia công nguội)	Tương tự như 310S

Giải thích: - Ở trạng thái ủ, cả hai loại thép này đều tương đương nhau về mặt cơ học vì cả hai đều là thép austenit và thường được chỉ định ở mức tối thiểu tương tự nhau. Sự khác biệt về độ dẻo và độ dai rất khó nhận thấy và rõ rệt hơn ở nhiệt độ cao, khi tỷ lệ hợp kim (Ni, Cr) ảnh hưởng đến khả năng chống rão và độ ổn định. - Làm nguội (làm cứng bằng biến dạng) sẽ làm tăng độ bền và độ cứng cho cả hai loại; quá trình làm cứng bằng biến dạng nhìn chung là tương tự nhau vì cả hai đều vẫn giữ được tính chất austenit.

5. Khả năng hàn

Cả 310S và 309S đều được coi là dễ hàn bằng các phương pháp tiêu chuẩn (SMAW, GMAW, GTAW). Những lưu ý quan trọng khi hàn: - Hàm lượng cacbon thấp trong thép cấp "S" giúp giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn bằng cách giảm thiểu lượng kết tủa crom cacbua. - Cấu trúc austenit tránh được martensite cứng, giòn trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt, do đó hiện tượng nứt nguội thường gặp ở thép martensite không phải là vấn đề. - Tuy nhiên, độ giãn nở nhiệt cao và độ dẫn nhiệt thấp trong vật liệu austenit dẫn đến độ biến dạng và ứng suất dư cao hơn; có thể xảy ra nứt co ngót trong các mối hàn bị hạn chế nhiều.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đương lượng cacbon (công thức IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Độ ăn mòn rỗ tương đương (để đánh giá thành phần hàn và khả năng chịu ăn mòn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Vì cả hai loại đều có hàm lượng cacbon thấp và Ni cao (đặc biệt là 310S) nên chúng đạt điểm cao về khả năng hàn do tránh được hiện tượng cứng và nứt vùng HAZ. - Hàm lượng Ni cao hơn của 310S có thể cải thiện khả năng chống nứt đông đặc trong một số điều kiện và duy trì ma trận austenit ổn định; tuy nhiên, hàm lượng hợp kim cao hơn làm tăng nhẹ ứng suất nhiệt và nguy cơ biến dạng. - Thông thường không cần gia nhiệt trước; xử lý nhiệt sau khi hàn hiếm khi được thực hiện để giảm ứng suất trong quá trình sử dụng thông thường, nhưng nếu nhiệt độ sử dụng có thể gây nhạy cảm hoặc hình thành sigma, hãy tham khảo hướng dẫn về luyện kim.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 310S và 309S đều tạo thành lớp màng oxit crom thụ động, mang lại khả năng chống ăn mòn trong môi trường oxy hóa. Tính chất hóa học không chứa Mo của chúng đồng nghĩa với việc cả hai đều không được tối ưu hóa cho khả năng chống rỗ clorua mạnh; chúng dựa vào Cr và N để chống ăn mòn nói chung.
• Việc sử dụng PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) ít cung cấp thông tin hơn đối với các loại không có Mo nhưng công thức vẫn mang tính hướng dẫn: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Vì Mo ≈ 0 đối với cả hai, nên sự khác biệt của PREN được thúc đẩy bởi Cr và N. 310S thường có Cr cao hơn một chút, có khả năng mang lại lợi thế nhỏ về khả năng chống ăn mòn cục bộ khi N có thể so sánh được.
• Chống oxy hóa và đóng cặn ở nhiệt độ cao: 310S, với hàm lượng Cr và Ni cao hơn, thường có khả năng chống oxy hóa vượt trội và tuổi thọ cao hơn trong môi trường oxy hóa liên tục ở nhiệt độ cao (lò nung, lớp lót lò nung) so với 309S.
• Khi không cần thép không gỉ hoặc chi phí cao, phương pháp bảo vệ bề mặt thép thông thường (mạ kẽm nhúng nóng, sơn, ốp) được sử dụng. Các phương pháp này không phù hợp với môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao, nơi thép không gỉ được sử dụng.

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

• Khả năng định hình: Cả hai loại đều có khả năng định hình cao trong điều kiện ủ. Hàm lượng niken cao hơn của 310S có xu hướng tăng cường độ dẻo, do đó các hoạt động định hình phức tạp và kéo sâu có thể ưu tiên 310S, nhưng sự khác biệt trong thực tế thường không đáng kể.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit cứng nhanh; khả năng gia công nhìn chung kém hơn so với thép ferritic. 309S và 310S có đặc tính gia công tương tự nhau; hình dạng dụng cụ thích hợp, thiết lập cứng và tốc độ cấp liệu được kiểm soát là những yếu tố quan trọng.
• Khói cắt và hàn: Hàn thép không gỉ hợp kim cao tạo ra nhiều khói hợp kim hơn; đảm bảo hút khói và sử dụng PPE phù hợp.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả quá trình đánh bóng và tẩy gỉ/thụ động hóa đều hiệu quả. Gia công nguội làm tăng độ cứng bề mặt và có thể cản trở quá trình đánh bóng hơn so với vật liệu ủ.

8. Ứng dụng điển hình

310S (sử dụng phổ biến)	309S (sử dụng phổ biến)
Lò nung và các bộ phận xử lý nhiệt (lò nung, lò nung, ống tỏa nhiệt)	Lớp lót lò, bộ phận đầu đốt và bộ phận chuyển tiếp hàn
Thiết bị xử lý nhiệt độ cao và bộ trao đổi nhiệt trong môi trường oxy hóa	Các phụ kiện kiến ​​trúc hoặc kết cấu tiếp xúc với nhiệt độ cao vừa phải và chu kỳ nhiệt
Xử lý hóa học ở nhiệt độ cao, trong đó khả năng chống oxy hóa là rất quan trọng	Hệ thống xả, các thành phần ống khói và các ứng dụng cần cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao và chi phí thấp hơn
Phần cứng hỗ trợ cách nhiệt cho hoạt động liên tục	Lớp phủ hoặc lớp phủ để chống sốc nhiệt khi hàm lượng Ni thấp hơn một chút có thể chấp nhận được

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 310S khi khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, tuổi thọ kéo dài khi sử dụng liên tục và độ bền/độ dẻo vượt trội ở nhiệt độ cao là ưu tiên hàng đầu—ngay cả khi chi phí vật liệu cao hơn. - Chọn 309S khi có thể đạt được hiệu suất chấp nhận được với chi phí mua thấp hơn hoặc khi thiết kế ưu tiên sự thay đổi nhiệt độ vừa phải và chu kỳ nhiệt thường xuyên thay vì nhiệt độ cực cao liên tục.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 310S thường đắt hơn 309S do hàm lượng niken cao hơn. Biến động giá niken góp phần tạo nên chênh lệch giá.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi dưới dạng sản phẩm thông dụng (tấm, tấm, ống, ống tròn, thanh). Các kích thước đặc biệt hoặc tiết diện nặng có thể có thời gian giao hàng lâu hơn; thép 310/310S rất phổ biến cho các sản phẩm chịu nhiệt độ cao, do đó vấn đề giao hàng dài thường có thể kiểm soát được nhưng tùy thuộc vào điều kiện thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	310S	309S
Khả năng hàn	Tốt (C thấp có ích)	Tốt (C thấp có ích)
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ cao)	Tốt hơn (Ni & Cr cao hơn để ổn định)	Tốt (tương đương ở nhiệt độ phòng; kém hơn một chút ở nhiệt độ cao)
Trị giá	Cao hơn (nhiều Ni hơn)	Thấp hơn (ít Ni hơn)

Kết luận — hướng dẫn thực tế: - Chọn 310S nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi khả năng chống oxy hóa và chống đóng cặn vượt trội trong thời gian dài ở nhiệt độ cao liên tục. - Độ dẻo và độ ổn định ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc trong thời gian dài là rất quan trọng. - Chi phí vòng đời biện minh cho chi phí vật liệu ban đầu cao hơn. - Chọn 309S nếu: - Ứng dụng liên quan đến việc tiếp xúc với nhiệt độ cao vừa phải, chu kỳ nhiệt hoặc nơi có thể chấp nhận được hiệu suất nhiệt độ cao thấp hơn một chút. - Chi phí vật liệu ban đầu và tính khả dụng là mối quan tâm hàng đầu. - Bạn cần có sự cân bằng tốt giữa khả năng hàn, khả năng tạo hình và độ bền nhiệt độ cao hợp lý.

Lưu ý cuối cùng: Cả 310S và 309S đều là lựa chọn thép không gỉ austenit bền chắc. Đối với bất kỳ ứng dụng nào quan trọng về an toàn hoặc ứng dụng nhiệt độ cao dài hạn, hãy xác nhận lựa chọn cuối cùng bằng dữ liệu môi trường thiết kế đầy đủ, chứng chỉ vật liệu ASTM/EN liên quan, bảng dữ liệu nhà cung cấp và, nếu cần, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (thử oxy hóa, thử nghiệm rão hoặc chứng nhận quy trình hàn) để xác nhận hiệu suất trong các điều kiện sử dụng cụ thể.