316Ti so với 321H – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

316Ti và 321H đều là thép không gỉ austenit, được sử dụng trong những trường hợp cần kết hợp khả năng chống ăn mòn và hiệu suất nhiệt độ cao. Việc lựa chọn giữa hai loại thép này luôn là một bài toán nan giải đối với các kỹ sư và đội ngũ mua sắm khi cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ bền nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí vòng đời: 316Ti là loại thép chứa molypden được ổn định bằng titan để cải thiện khả năng chống nhạy cảm, trong khi 321H là loại thép crom-niken được ổn định bằng titan với hàm lượng cacbon cao hơn để cải thiện độ rão và độ bền ở nhiệt độ cao. Những khác biệt này khiến hai loại thép này trở nên hấp dẫn đối với các phạm vi ứng dụng chồng chéo nhưng riêng biệt — 316Ti ưu tiên khả năng chống rỗ và khả năng chống ăn mòn nói chung, còn 321H chú trọng đến độ ổn định lâu dài trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và chỉ định quốc tế phổ biến nơi có các cấp độ này:

• ASTM/ASME: A240 (tấm, lá và dải), A312 (ống), A403 (phụ kiện) — Các biến thể 316Ti và 321/321H được chỉ định.
• EN: Các tiêu chuẩn tương đương EN 1.4571 (316Ti), EN 1.4878 (321H) được sử dụng trong các tiêu chuẩn Châu Âu.
• JIS: Họ JIS G4303/G4313 bao gồm thép austenit ổn định với các ký hiệu địa phương.
• GB (Trung Quốc): Tiêu chuẩn GB/T liệt kê các loại thép không gỉ tương đương với 316Ti và 321H.

Phân loại: - Cả 316Ti và 321H đều là thép không gỉ (austenitic). Chúng không phải là thép cacbon, thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (được biểu thị bằng phần trăm trọng lượng). Các giá trị thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật và dạng sản phẩm; bảng thể hiện phạm vi đại diện thường được trích dẫn trong các tiêu chuẩn. Luôn tham khảo tiêu chuẩn hoặc chứng nhận nhà máy có liên quan để biết thành phần chính xác.

Yếu tố	316Ti (phạm vi điển hình)	321H (phạm vi điển hình)
C	≤ 0,08 (kiểm soát lượng carbon thấp)	~0,04–0,10 (biến thể C cao hơn của 321)
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	~16–18	~17–19
Ni	~10–14	~9–12
Mo	~2.0–3.0	≤ 0,5 (thường là không có)
V	dấu vết hoặc không xác định	dấu vết hoặc không xác định
Lưu ý	— (không phải là chất ổn định chính)	— (Ti là chất ổn định; Nb đôi khi được sử dụng trong các cấp độ liên quan)
Ti	cộng có kiểm soát (≥ 5 × C, lên đến ~0,7)	cộng có kiểm soát (≥ 5 × C, lên đến ~0,7)
B	dấu vết	dấu vết
N	theo dõi các bổ sung nhỏ có thể	dấu vết

Ghi chú về chiến lược hợp kim: - 316Ti: được chế tạo dựa trên dòng 316—crom, niken và molypden mang lại khả năng chống ăn mòn tổng thể và rỗ vượt trội. Titan được thêm vào để ổn định carbon, tạo thành kết tủa carbon-titan để tránh kết tủa crom cacbua trong quá trình tiếp xúc ở dải nhạy cảm (khoảng 450–850 °C). - 321H: bắt nguồn từ 321 (Cr–Ni với sự ổn định Ti) nhưng được bổ sung hàm lượng carbon cao hơn để cải thiện độ bền kéo và duy trì các đặc tính chịu nhiệt độ cao. Titan trong 321H liên kết carbon và giảm độ nhạy cảm trong khi vẫn giữ được hàm lượng C cao hơn để tăng độ bền kéo.

Hiệu ứng hợp kim: - Crom cung cấp khả năng thụ động và chống ăn mòn nói chung. - Niken ổn định cấu trúc austenit và cải thiện độ dẻo dai. - Molypden trong 316Ti làm tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ/kẽ hở). - Titan liên kết cacbon tự do để ngăn ngừa ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm; ở 321H, hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền ở nhiệt độ cao nhưng cần có hàm lượng titan phù hợp để ngăn ngừa hiện tượng nhạy cảm.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại đều là austenit hoàn toàn trong điều kiện ủ với cacbua phân tán hoặc kim loại liên kết tùy thuộc vào lịch sử nhiệt. - Titan tạo thành kết tủa TiC hoặc Ti(C,N) trước khi hình thành crom cacbua, duy trì crom trong dung dịch tại ranh giới hạt.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Ủ (xử lý dung dịch) ở nhiệt độ austenit hóa điển hình tiếp theo là làm nguội nhanh giúp đưa cả hai vật liệu trở lại cấu trúc vi mô austenit đơn pha, dẻo. - Đối với 316Ti, ủ dung dịch chuẩn sẽ loại bỏ kết tủa cacbua trước đó; kết tủa Ti–C vẫn ổn định nếu Ti đủ so với cacbon. - 321H thường được cung cấp ở điều kiện ủ dung dịch; hàm lượng carbon cao hơn giúp tăng cường độ kết tủa khi tiếp xúc lâu hơn ở nhiệt độ cao, tăng cường độ bền kéo dài. - Quá trình thường hóa, làm nguội và ram không áp dụng cho thép không gỉ austenit theo cùng nghĩa như đối với thép ferritic/perlitic; các tính chất cơ học đạt được chủ yếu thông qua quá trình gia công nguội, ủ dung dịch và hiệu ứng lão hóa/kết tủa ở nhiệt độ sử dụng. - Xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội + ủ) có thể tăng cường độ thông qua quá trình tôi cứng biến dạng; tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ khoảng 500–800 °C có thể gây ra hiện tượng kết tủa cacbua phức tạp và liên kim loại ảnh hưởng đến độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn nếu titan không đủ chất lượng.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống), xử lý nhiệt và tiêu chuẩn thử nghiệm. Bảng dưới đây cung cấp các mô tả so sánh định tính thay vì giá trị số tuyệt đối - vui lòng tham khảo chứng chỉ nhà máy để biết số liệu chính xác.

Tài sản	316Ti (ủ, hành vi điển hình)	321H (ủ hoặc ổn định)
Độ bền kéo	Trung bình — phù hợp với họ austenit 316	Tương tự hoặc cao hơn một chút ở nhiệt độ cao do C tăng cường
Sức chịu lực	Trung bình — độ dẻo tốt	Năng suất cao hơn một chút ở nhiệt độ cao; năng suất ở nhiệt độ phòng tương tự như 316Ti
Độ giãn dài	Cao (độ dẻo và khả năng định hình tốt)	Tốt, nhưng có thể giảm nhẹ nếu nhiệt độ C cao hơn hoặc làm nguội
Độ bền va đập	Cao ở nhiệt độ phòng; độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt	Tốt ở nhiệt độ phòng; vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ cao, nhưng tiếp xúc lâu có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai nếu xảy ra hiện tượng kết tủa
Độ cứng	Thấp đến trung bình (mềm, dẻo, dễ gia công nguội)	Có thể so sánh được; C cao hơn có thể làm tăng độ cứng một chút

Giải thích: - Ở nhiệt độ phòng, cả hai loại thép đều thể hiện độ dẻo và độ dai đặc trưng của thép không gỉ austenit. - Hàm lượng carbon và chiến lược ổn định cao hơn của 321H mang lại lợi thế về khả năng chịu nhiệt độ cao và duy trì độ bền trong thời gian dài sử dụng, trong khi 316Ti có khả năng chống ăn mòn cục bộ tốt hơn một chút nhờ có molypden.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ austenit nhìn chung là tốt; hai khía cạnh quan trọng ở đây là: dễ bị nhạy cảm/ăn mòn giữa các hạt và tác động của quá trình làm nguội/làm cứng gần mối hàn.

Chỉ số khả năng hàn chính: - Công thức cacbon tương đương (IIW) có ích trong việc đánh giá xu hướng đóng rắn trong hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức tương đương crom hoặc Pcm cũng được sử dụng để đánh giá khả năng nứt mối hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 316Ti: Khả năng hàn nhìn chung rất tốt. Hàm lượng carbon thấp và độ ổn định titan giúp giảm nguy cơ ăn mòn liên hạt sau khi hàn. Molypden không làm giảm đáng kể khả năng hàn nhưng làm tăng xu hướng hình thành các pha nóng chảy thấp của hợp kim trong một số trường hợp hiếm gặp; luyện kim phụ tiêu chuẩn và kiểm soát nhiệt đầu vào giúp tránh được các vấn đề này. - 321H: Cũng có thể hàn được nhưng hàm lượng carbon cao hơn làm tăng các giá trị tương đương carbon lý thuyết, làm tăng nhu cầu kiểm soát nhiệt đầu vào và khả năng xử lý sau hàn ở các tiết diện dày. Ổn định titan làm giảm sự hình thành crom cacbua, nhưng khi hàm lượng carbon cố ý cao hơn (như trong 321H), việc kiểm soát tỷ lệ Ti:C là rất quan trọng. Việc gia nhiệt trước thường không cần thiết đối với các tiết diện mỏng; đối với các tiết diện dày và hoạt động ở nhiệt độ cao tuần hoàn, nên kiểm tra quy trình hàn.

Nhìn chung: cả hai loại đều được coi là có thể hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn; 316Ti thường được coi là dễ hàn hơn, ít yêu cầu kiểm soát bổ sung khi khả năng chống ăn mòn là mối quan tâm chính, trong khi 321H cần chú ý khi sử dụng ở các phần dày hoặc trong các ứng dụng mà xử lý nhiệt sau hàn và hiệu suất rão là quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ, hiệu suất ăn mòn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng crom và sự hiện diện của molypden và nitơ.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) hữu ích để so sánh khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Ứng dụng PREN: 316Ti được hưởng lợi từ hàm lượng molypden, tạo ra PREN cao hơn 321H trong các thành phần thông thường; việc 321H không có Mo có nghĩa là khả năng chống rỗ thấp hơn trong môi trường clorua.

Thép không gỉ: - Không áp dụng ở đây vì cả hai loại thép đều là thép không gỉ. Nếu sử dụng thép cacbon thay thế, cần phải phủ lớp phủ (mạ kẽm, sơn, lót).

Ghi chú thực tế: - 316Ti: thích hợp cho môi trường có chứa clorua (nước biển, dòng quy trình hóa học) vì khả năng chống rỗ tăng cường Mo và ổn định Ti để ngăn ngừa tình trạng nhạy cảm. - 321H: phù hợp hơn với môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao (hệ thống xả, lò sưởi, nồi hơi) trong đó khả năng chống ăn mòn/oxy hóa ở nhiệt độ cao là ưu tiên hàng đầu; không tối ưu cho môi trường clorua mạnh trừ khi được bảo vệ.

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

• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thường có độ bám dính và độ cứng cao hơn thép ferritic. Thép 316Ti và 321H có khả năng gia công tương tự nhau, mặc dù hàm lượng cacbon tăng lên trong thép 321H có thể cải thiện đôi chút khả năng tương tác với dụng cụ nhưng cũng có thể làm tăng độ cứng cục bộ.
• Khả năng tạo hình: Cả hai loại đều tạo hình tốt trong điều kiện ủ; 316Ti thường có khả năng tạo hình tốt hơn một chút do hàm lượng cacbon thấp hơn và sự hiện diện của molypden không cản trở quá trình tạo hình. 321H có thể tạo hình nhưng các quy trình cần tính đến khả năng đàn hồi và làm cứng biến dạng.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận xử lý mài, đánh bóng và thụ động hóa tiêu chuẩn. Hóa chất và thông số thụ động hóa giống như các loại thép austenit khác, nhưng nên kiểm tra khả năng chống ăn mòn sau xử lý, đặc biệt là sau khi hàn.
• Làm nguội: Biến dạng nguội làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo; ủ cuối cùng có thể được sử dụng để khôi phục khả năng tạo hình và khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

316Ti — Ứng dụng điển hình	321H — Công dụng điển hình
Thiết bị xử lý hóa chất tiếp xúc với clorua, bộ trao đổi nhiệt, bồn chứa và đường ống trong môi trường ăn mòn, phụ kiện hàng hải, thiết bị dược phẩm có khả năng chống rỗ quan trọng	Ống khói, các bộ phận lò và nồi hơi, đường ống xử lý nhiệt độ cao, phụ kiện chịu nhiệt, ống khói máy bay và động cơ nơi cần tiếp xúc với nhiệt độ cao liên tục và khả năng chống biến dạng
Thiết bị thực phẩm và đồ uống cần khả năng chống ăn mòn và vệ sinh	Các thành phần cấu trúc nhiệt độ cao và mối nối giãn nở trong lò sưởi hóa dầu/công nghiệp

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316Ti cho những môi trường mà hiện tượng rỗ và ăn mòn khe hở do clorua hoặc chất lỏng có tính ăn mòn cao là mối quan tâm chính và nơi các cụm hàn phải tránh hiện tượng ăn mòn giữa các hạt. - Chọn 321H cho hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao, trong đó độ bền kéo dài, khả năng chống oxy hóa và độ ổn định sau thời gian dài tiếp xúc quan trọng hơn khả năng chống rỗ tối đa.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 316Ti thường có giá cao hơn so với 316 chưa ổn định và một số biến thể 321 do hàm lượng molypden và titan bổ sung. Chi phí của 321H phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt, hàm lượng carbon cao hơn và tính khả dụng trên thị trường; vì không có Mo nên giá thành của 321H có thể thấp hơn 316Ti xét về hàm lượng hợp kim thô, nhưng nguồn cung đặc biệt và dạng sản phẩm có thể ảnh hưởng đến giá.
• Tính khả dụng: Cả hai đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng sản phẩm thông dụng (tấm, tấm, ống, thanh và phụ kiện) từ các nhà sản xuất thép không gỉ lớn. 316Ti phổ biến trong các ngành công nghiệp chế biến; 321H thường được cung cấp khi lưu kho hợp kim chịu nhiệt độ cao. Thời gian giao hàng có thể kéo dài đối với các đường kính lớn, tiết diện nặng hoặc các yêu cầu hoàn thiện/truy xuất đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	316Ti	321H
Khả năng hàn	Rất tốt — ổn định titan làm giảm nguy cơ nhạy cảm	Tốt — nhiệt độ C cao hơn đòi hỏi phải chú ý đến lượng nhiệt đầu vào và kiểm soát Ti:C
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Kết hợp tốt ở nhiệt độ phòng; độ bền ở nhiệt độ cao vừa phải	Độ bền/độ rão ở nhiệt độ cao được duy trì tốt hơn khi phơi sáng lâu
Trị giá	Chi phí hợp kim cao hơn (Mo) nhưng được dự trữ rộng rãi	Chi phí hợp kim tương đương hoặc thấp hơn; nhu cầu đặc biệt về hình dạng chịu nhiệt độ cao có thể thay đổi tùy theo tình trạng sẵn có

Sự giới thiệu: - Chọn 316Ti nếu yêu cầu chính của bạn là khả năng chống ăn mòn trong môi trường chứa clorua hoặc hóa chất mạnh, kết hợp với nhu cầu duy trì khả năng chống ăn mòn sau khi hàn và các đặc tính cơ học chung tốt. - Chọn 321H nếu ứng dụng của bạn yêu cầu các thành phần phải tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài, trong đó khả năng chống rão, chống oxy hóa và độ ổn định kích thước lâu dài là ưu tiên hàng đầu và hiện tượng rỗ trong môi trường clorua không phải là chế độ hỏng hóc chủ yếu.

Lưu ý cuối cùng: cả hai vật liệu đều phục vụ những mục đích quan trọng nhưng khác nhau. Hãy ghi rõ hợp kim, dạng sản phẩm, quy trình xử lý nhiệt và các bài kiểm tra nghiệm thu cụ thể trong tài liệu mua sắm và yêu cầu chứng nhận nhà máy. Đối với các cụm hàn quan trọng hoặc dịch vụ nhiệt độ cao dài hạn, hãy thực hiện các đánh giá cụ thể cho từng ứng dụng (đánh giá quy trình hàn, kiểm tra ăn mòn và ước tính tuổi thọ rão) thay vì chỉ dựa vào lựa chọn cấp độ chung chung.