310S so với 321 – 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 lựa chọn giữa thép không gỉ 310S và 321 khi xác định các bộ phận cần cân bằng giữa hiệu suất nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các bộ phận lò nung nhiệt độ cao, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống xả và các cụm hàn có thể tiếp xúc với điều kiện nhạy cảm.

Điểm khác biệt thực tế cốt lõi giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa của chúng nhằm đảm bảo độ ổn định ở nhiệt độ cao và sau khi hàn: 310S là hợp kim austenit hàm lượng crôm, niken cao, được tối ưu hóa cho khả năng chống oxy hóa và chống rão ở nhiệt độ cao, trong khi 321 là hợp kim austenit ổn định titan được thiết kế để chống ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn bằng cách ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua. Chính vì sự khác biệt này, các nhà thiết kế thường so sánh chúng khi ứng dụng đòi hỏi đồng thời về khả năng chịu nhiệt, hiệu suất hàn và khả năng chống ăn mòn lâu dài.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và chỉ định chính thường được sử dụng cho các cấp độ này bao gồm: - ASTM/ASME: 310S — ASTM A240/A240M (thép không gỉ chịu nhiệt), 321 — ASTM A240/A240M (thép không gỉ austenit ổn định). - EN (Châu Âu): 310S xấp xỉ EN 1.4845/X10CrNi25-21; 321 xấp xỉ EN 1.4541 / X6CrNiTi18-10. - JIS (Nhật Bản): có tiêu chuẩn tương đương (ví dụ: SUS310S, SUS321). - GB (Trung Quốc): ký hiệu GB/T tương ứng thường được sử dụng cho thép tấm và thép tấm.

Phân loại: cả 310S và 321 đều là thép không gỉ austenit (lớp hợp kim không gỉ), không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Nguyên tố (wt%)	310S (phạm vi điển hình)	321 (phạm vi điển hình)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,5	≤ 0,75
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	24 – 26	17 – 19
Ni	19 – 22	9 – 12
Mo	— (ghi lại nếu có)	— (ghi lại nếu có)
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	~0,4 – 0,7 (chất ổn định; thường ≥ 5×C)
B	—	—
N	≤ 0,10	≤ 0,10

Ghi chú về chiến lược hợp kim - 310S dựa vào hàm lượng crom và niken cao để ổn định ma trận austenit ở nhiệt độ cao, cải thiện khả năng chống oxy hóa và độ bền ở nhiệt độ cao. - Hợp kim 321 chứa titan với hàm lượng đủ để liên kết cacbon thành cacbua ổn định (TiC) và do đó ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua (nhạy cảm hóa) trong khoảng nhiệt độ 425–870°C. Titan không làm tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn cơ bản, nhưng nó bảo toàn khả năng này sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Crom làm tăng khả năng chống oxy hóa và độ ổn định của màng thụ động. - Niken ổn định ma trận austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo, đồng thời tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao. - Titan trong thép 321 cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn bằng cách tạo thành các cacbua ổn định thay vì các cacbua crom. - Hàm lượng carbon cao (không phổ biến ở đây) làm tăng độ bền nhưng lại làm tăng khả năng nhạy cảm; cả hai loại đều có hàm lượng carbon thấp để hạn chế tác động đó.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Cả 310S và 321 đều là austenit hoàn toàn ở nhiệt độ phòng trong điều kiện ủ tiêu chuẩn. Cấu trúc hạt là austenit đẳng trục sau khi ủ. - 321 trong điều kiện hàn hoặc tiếp xúc có chứa kết tủa TiC/Ti(C,N) liên kết cacbon; những kết tủa này thường mịn và phân bố ở ranh giới hạt và bên trong hạt. - 310S không chứa titan: trong các biến động nhiệt trong phạm vi nhạy cảm, crom cacbua (Cr23C6) có thể kết tủa gần ranh giới hạt trừ khi cẩn thận với nhiệt đầu vào và làm mát.

Phản ứng và xử lý nhiệt - Ủ: cả hai đều được ủ để phục hồi độ dẻo sau khi gia công nguội (ủ thông thường, sau đó làm nguội có kiểm soát). Dung dịch dành cho thép không gỉ austenit thường nằm trong phạm vi khuyến nghị của tiêu chuẩn (tuân theo bảng dữ liệu của nhà cung cấp). - Thường hóa và tôi/ram: không áp dụng theo cùng nghĩa như đối với thép martensitic—các hợp kim austenitic này không được tôi cứng bằng cách tôi. Phản ứng của chúng với phương pháp tôi và ram thông thường là rất nhỏ vì chúng là hợp kim austenitic không biến dạng. - Xử lý nhiệt cơ học: gia công nguội làm tăng độ bền bằng cách làm cứng biến dạng ở cả hai loại; tuy nhiên, gia công nguội cộng với quá trình nung tiếp theo ở 321 không tạo ra độ nhạy cảm giống như 310S vì titan ổn định cacbon.

Ý nghĩa thực tiễn - Đối với các chi tiết chịu chu kỳ nhiệt hoặc hàn lặp lại, 321 mang lại cấu trúc vi mô sau hàn dễ dự đoán hơn và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. Đối với các ứng dụng liên tục ở nhiệt độ cao, hàm lượng Cr/Ni cao hơn của 310S mang lại lợi thế.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (điển hình, ủ, nhiệt độ phòng)	310S	321
Độ bền kéo	Có thể so sánh được; cả hai đều ở mức trung bình (austenit)	Có thể so sánh; phạm vi tương tự
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	Tương đương; vừa phải	Tương đương; vừa phải
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao (khả năng tạo hình tốt)	Cao (khả năng tạo hình tốt)
Độ bền va đập	Tốt, cứng cáp ở RT; vẫn giữ được độ cứng ở T cao	Tốt; duy trì độ dẻo dai sau khi hàn nhờ tính ổn định
Độ cứng (ủ)	Thấp đến trung bình (dễ gia công nguội)	Thấp đến trung bình (dễ gia công nguội)

Diễn giải - Cả hai loại thép đều thể hiện tính chất cơ học tương tự nhau ở nhiệt độ phòng vì cả hai đều là thép không gỉ austenit ở điều kiện ủ. Sự khác biệt rất tinh tế: hàm lượng Ni và Cr cao hơn của thép 310S mang lại độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão tốt hơn; hàm lượng titan của thép 321 giúp duy trì độ bền và khả năng chống ăn mòn sau khi hàn và tiếp xúc nhiệt. Đối với các bộ phận chịu lực quan trọng trong thiết kế, các nhà thiết kế nên sử dụng dữ liệu thử nghiệm cơ học được nhà cung cấp chứng nhận cho hình dạng sản phẩm và quy trình xử lý nhiệt được chỉ định.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố cần xem xét về khả năng hàn tập trung vào hàm lượng cacbon, các nguyên tố ổn định và khả năng tôi cứng. Đối với thép không gỉ, các chỉ số định tính hữu ích có thể là cacbon tương đương và Pcm.

Các phương trình thông dụng được sử dụng để ước tính xu hướng nứt/độ cứng của mối hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích định tính - Cả thép 310S và 321 đều tương đối dễ hàn so với thép ferritic hoặc martensitic vì cấu trúc vi mô austenitic không trải qua quá trình chuyển đổi martensitic và có khả năng làm cứng thấp. - 321 có lợi thế đối với các thành phần hàn phải chịu chu kỳ nhiệt sau khi hàn vì titan ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua và do đó làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). - 310S, mặc dù có thể hàn được, nhưng vẫn cần kiểm soát cẩn thận các thông số hàn và quy trình sau hàn nếu cụm lắp ráp phải chịu nhiệt độ nhạy cảm hoặc môi trường ăn mòn; việc lựa chọn vật liệu hàn và làm mát sau hàn đúng cách là rất quan trọng. - Đối với các loại thép austenit này, việc xử lý nhiệt trước và sau khi hàn thường không bắt buộc, nhưng cần thực hiện đúng quy trình hàn (vật tư tiêu hao phù hợp, kiểm soát nhiệt đầu vào và vệ sinh) để tránh nhiễm bẩn và thất thoát nitơ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Hành vi không gỉ - Cả 310S và 321 đều tạo thành lớp màng thụ động giàu crom bảo vệ trong môi trường oxy hóa; khả năng chống ăn mòn nói chung của chúng tương tự nhau trong nhiều môi trường nước. - 310S có hàm lượng Cr và Ni cao hơn nên có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vượt trội và hoạt động tốt hơn trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao. - Tính năng ổn định titan của 321 được thiết kế đặc biệt để ngăn ngừa sự ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ nhạy cảm.

PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống rỗ trong môi trường có chứa clorua: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN hữu ích nhất cho thép không gỉ duplex và austenit có chứa molypden và nitơ. Đối với thép 310S và 321, vốn thường chứa ít hoặc không chứa Mo, PREN không phải là tiêu chí lựa chọn chính: cả hai đều có khả năng chống rỗ khiêm tốn so với các loại thép chứa Mo.

Các giải pháp thay thế không gỉ và bảo vệ bề mặt - Trong trường hợp không yêu cầu thép không gỉ, các biện pháp bảo vệ bề mặt thông thường bao gồm mạ kẽm, sơn và ốp. Những biện pháp này không thể thay thế thép không gỉ ở nhiệt độ cao hoặc trong môi trường oxy hóa mạnh; việc lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện sử dụng dự kiến.

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

• Khả năng gia công: Là thép không gỉ austenit, cả hai đều khó gia công hơn thép cacbon; chúng dễ gia công cứng và đòi hỏi dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng cáp và tốc độ/bước tiến phù hợp. 310S có thể khó gia công hơn một chút do hàm lượng hợp kim cao hơn, nhưng sự khác biệt không đáng kể.
• Khả năng định hình: Cả hai đều thể hiện độ dẻo và khả năng định hình tuyệt vời trong điều kiện ủ. Độ đàn hồi và độ cứng là những yếu tố cần xem xét thường xuyên; có thể cần ủ trung gian để tạo hình nặng.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng: Khả năng chống ăn mòn cao hơn của 310S thường dễ đánh bóng và chịu được nhiệt độ cao bị oxy hóa; 321 cũng đánh bóng tốt.
• Làm nguội: Cả hai đều có thể được làm nguội để tăng độ bền, nhưng làm nguội sẽ làm giảm độ dẻo và có thể thay đổi hành vi ăn mòn trừ khi được ủ lại.

8. Ứng dụng điển hình

310S — Công dụng điển hình	321 — Công dụng điển hình
Các bộ phận lò, ống giảm thanh và ống tỏa nhiệt (dịch vụ oxy hóa nhiệt độ cao)	Các bộ phận xả của máy bay, mối nối giãn nở và thiết bị xử lý hóa chất hàn (ổn định chống ăn mòn giữa các hạt)
Các thành phần trao đổi nhiệt hoạt động ở nhiệt độ cao	Bu lông, mặt bích và các sản phẩm hàn trong đó khả năng chống ăn mòn sau khi hàn là rất quan trọng
Lớp lót đầu đốt, giỏ ủ	Thiết bị chế biến thực phẩm và hóa dầu chịu tải nhiệt tuần hoàn và hàn

Cơ sở lựa chọn - Chọn 310S khi yêu cầu chính là khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao liên tục hoặc tuần hoàn và độ bền ở nhiệt độ cao. - Chọn 321 khi các mối hàn phải duy trì khả năng chống ăn mòn trong phạm vi nhạy cảm hoặc khi linh kiện sẽ trải qua chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại và quá trình hàn diễn ra rộng rãi.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 310S thường đắt hơn 321 tính theo kg do hàm lượng niken và crom cao hơn. Niken là yếu tố chính chi phí.
• Tính khả dụng: Cả hai đều được cung cấp rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng tấm, tấm phẳng, ống và thanh, nhưng một số dạng sản phẩm nhất định (ví dụ: ống liền mạch đường kính lớn bằng thép 310S) có thể ít phổ biến hơn và cần thời gian giao hàng lâu hơn. Điều kiện thị trường địa phương và biến động giá niken ảnh hưởng đến chi phí tương đối và thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	310S	321
Khả năng hàn	Tốt, nhưng hãy chú ý đến độ nhạy HAZ trong một số điều kiện	Rất tốt cho các kết cấu hàn (ổn định bằng titan)
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ phòng)	Tương đương với 321; có độ bền nhiệt độ cao tốt hơn	Tương đương với 310S; khả năng chống ăn mòn được duy trì tốt hơn sau khi hàn
Trị giá	Cao hơn (Ni/Cr cao hơn)	Thấp hơn (Ni/Cr vừa phải)

Khuyến nghị - Chọn 310S nếu: - Ứng dụng yêu cầu khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao hoặc khả năng chống rão vượt trội. - Hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao hoặc môi trường oxy hóa là động lực thiết kế chủ đạo. - Chi phí vật liệu bổ sung được biện minh bằng hiệu suất ở nhiệt độ.

• Chọn 321 nếu:
• Bộ phận này sẽ được hàn thường xuyên hoặc phải chịu các chu kỳ nhiệt độ tạm thời có thể gây nhạy cảm.
• Khả năng chống ăn mòn liên hạt lâu dài trong các kết cấu hàn là rất quan trọng.
• Bạn muốn loại thép austenit có giá thành phải chăng, có khả năng chống ăn mòn tốt và hiệu suất sau hàn ổn định.

Ghi chú cuối cùng Luôn xác nhận lựa chọn vật liệu với chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp và xem xét hình dạng linh kiện, chu kỳ nhiệt dự kiến, môi trường (oxy hóa so với khử, sự hiện diện của clorua) và quy trình chế tạo. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy yêu cầu dữ liệu thử nghiệm cơ học đầy đủ cho dạng sản phẩm cụ thể và, nếu còn nghi ngờ, hãy thực hiện thử nghiệm hàn và ăn mòn mô phỏng để xác nhận cấp độ đã chọn trong điều kiện sử dụng dự kiến.