321 so với 347 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Loại 321 và Loại 347 là hai loại thép không gỉ austenit ổn định thường được chỉ định, được sử dụng khi cần kết hợp khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và độ ổn định ở nhiệt độ cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường xuyên phải cân nhắc giữa hai loại thép này khi cân bằng hiệu suất chống ăn mòn, đặc tính chế tạo và chi phí vòng đời — ví dụ, lựa chọn giữa khả năng chống ăn mòn liên hạt tốt hơn sau khi hàn so với chi phí vật liệu hoặc tính khả dụng thấp hơn một chút.

Điểm khác biệt cốt lõi trong luyện kim là 321 được ổn định chủ yếu bằng cách bổ sung titan, trong khi 347 được ổn định bằng niobi (columbi) — cả hai đều tạo ra các kết tủa carbonitride ổn định, giúp giảm sự hình thành crom cacbua trong quá trình tiếp xúc nhiệt. Vì cả hai đều là thép không gỉ austenit kiểu 18-8, chúng thường được so sánh cho các ứng dụng như bộ phận xả, phần cứng lò nung và thiết bị xử lý hóa học, nơi có mối quan tâm về độ nhạy cảm và hoạt động ở nhiệt độ cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Tiêu chuẩn và tên gọi chung khi xuất hiện số 321 và 347:

• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm, lá và dải thép không gỉ)
• EN: Dòng EN 10088 (tiêu chuẩn thép không gỉ Châu Âu)
• JIS: JIS G4303 / G4311 (thép không gỉ Nhật Bản) — có các loại tương đương nhưng hãy kiểm tra bản đồ cấp độ cụ thể
• GB: Tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc (có các loại tương đương; xác minh thành phần hóa học và chỉ định)
• UNS: UNS S32100 (Loại 321), UNS S34700 (Loại 347)

Phân loại: Cả 321 và 347 đều là thép không gỉ austenit (không gỉ), không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA. Chúng là các loại thép không gỉ austenit ổn định được thiết kế để hạn chế sự nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện các thành phần cấu tạo điển hình và phạm vi kiểm soát chung cho các loại thép 321 và 347 trong các biến thể thương mại tiêu chuẩn của chúng. Các giá trị được hiển thị là phạm vi đại diện được tìm thấy trong các tiêu chuẩn chung (ví dụ: ASTM A240, thông số kỹ thuật EN); giới hạn thành phần chính xác nên được kiểm tra trên giấy chứng nhận nhà máy cho một mẻ nấu nhất định.

Yếu tố	Loại 321 (phạm vi điển hình)	Loại 347 (phạm vi điển hình)
C (khối lượng%)	≤ 0,08	≤ 0,08
Mn (khối lượng%)	≤ 2,0	≤ 2,0
Si (khối lượng%)	≤ 1,0	≤ 1,0
P (khối lượng%)	≤ 0,045	≤ 0,045
S (khối lượng%)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (khối lượng%)	17–19	17–19
Ni (khối lượng%)	9–13	9–13
Mo (khối lượng%)	— / dấu vết	— / dấu vết
V (khối lượng%)	— / dấu vết	— / dấu vết
Nb (khối lượng%)	thường ≤ 0,10 (có thể chứa dấu vết)	thường là 0,8–1,25
Ti (khối lượng%)	thường là 0,5–1,0 (ít nhất ~5×C)	thường ≤ 0,10 (có thể chứa dấu vết)
B (khối lượng%)	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có
N (khối lượng%)	lượng nhỏ (≤ 0,1)	lượng nhỏ (≤ 0,1)

Chiến lược hợp kim hoạt động như thế nào: - Cr và Ni tạo ra nền thép không gỉ austenit cơ bản, mang lại khả năng chống ăn mòn và độ dẻo. - Titan hoặc niobi kết hợp ưu tiên với cacbon và nitơ để tạo thành các hạt cacbua/nitrit ổn định (TiC/TiN hoặc NbC/Nb(C,N)), ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt trong các chu trình nhiệt (nhạy cảm hóa). - Giới hạn cacbon thấp cũng làm giảm lượng crom cacbua có thể hình thành; chất ổn định hoạt động như một biên độ an toàn, đặc biệt quan trọng trong quá trình hàn hoặc tiếp xúc kéo dài trong phạm vi nhạy cảm (~450–850°C).

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ dung dịch. - Các nguyên tố ổn định tạo thành titan hoặc niobi carbonitride phân tán mịn. Sự phân bố và kích thước của chúng phụ thuộc vào quá trình nấu chảy, gia công nóng và lịch sử nhiệt. - Nếu hàm lượng chất ổn định không đủ so với cacbon, crom cacbua có thể kết tủa ở ranh giới hạt trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm, làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.

Xử lý nhiệt và phản ứng xử lý: - Ủ dung dịch: Nhiệt độ ủ dung dịch điển hình của thép không gỉ austenit dao động từ khoảng 1010°C đến 1120°C, sau đó làm nguội nhanh (bằng nước hoặc không khí) để duy trì cấu trúc austenit đồng nhất. Cả thép 321 và 347 thường được cung cấp ở trạng thái ủ. - Làm nguội/làm nguội chậm: không giống như thép ferritic hoặc martensitic, các chu trình làm nguội và làm nguội chậm truyền thống không áp dụng được cho các loại thép austenitic này; chúng không chuyển đổi theo hướng martensitic theo cách có lợi từ quá trình làm nguội chậm. - Thường hóa: không thường dùng cho thép không gỉ austenit. - Gia công nhiệt cơ: gia công nguội (cán, kéo) làm tăng độ bền thông qua quá trình làm cứng và ảnh hưởng đến biến dạng hạt; ủ tiếp theo được sử dụng để khôi phục độ dẻo. - Hiệu quả ổn định: Niobi carbonitride thường tạo ra các kết tủa rất ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng và có thể mang lại khả năng ổn định tuyệt vời cho các lần tiếp xúc ở nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn. Ổn định titan hiệu quả đối với nhiều chu trình chế tạo/hàn thông thường nhưng đòi hỏi phải kiểm soát tỷ lệ Ti/C để tránh hình thành kết tủa thô.

4. Tính chất cơ học

Cả hai loại thép này đều thể hiện các tính chất cơ học đặc trưng của thép không gỉ austenit 18–8 trong điều kiện ủ. Vì chúng là những hợp kim có quan hệ gần gũi, nên phạm vi tính chất cơ học của chúng chồng chéo đáng kể.

Tính chất (ủ, phạm vi điển hình)	Loại 321	Loại 347
Độ bền kéo (MPa)	500–700 (điển hình)	500–700 (điển hình)
Giới hạn chảy, 0,2% (MPa)	190–310 (điển hình)	190–310 (điển hình)
Độ giãn dài (%)	40–60%	40–60%
Độ bền va đập	Độ bền cao ở nhiệt độ phòng; không có yêu cầu Charpy chung cụ thể nào	Độ dẻo dai cao ở nhiệt độ phòng; tương tự như 321
Độ cứng (ủ)	~70–95 HRB (xấp xỉ)	~70–95 HRB (xấp xỉ)

Giải thích: - Độ bền cơ học về cơ bản là tương tự nhau trong điều kiện ủ vì hàm lượng Ni–Cr cơ bản là tương đương nhau. - Quá trình làm cứng trong quá trình tạo hình sẽ làm tăng độ bền và giảm độ dẻo cho cả hai loại; xu hướng làm cứng nhanh là tương tự nhau. - Bất kỳ sự khác biệt nhỏ nào về độ rão ở nhiệt độ cao hoặc độ bền lâu dài đều có thể bắt nguồn từ sự khác biệt về độ ổn định và phân bố của các kết tủa cacbua/nitrit (vật liệu ổn định bằng niobi có thể có khả năng chống rão tốt hơn trong một số ứng dụng ở nhiệt độ cao lâu dài).

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chung: - Cả hai loại đều có thể hàn tốt bằng các quy trình hàn thép không gỉ austenit tiêu chuẩn (TIG, MIG, hàn điện trở) do có hàm lượng carbon thấp và cấu trúc austenit chống nứt. - Ổn định làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn bằng cách liên kết cacbon, loại bỏ nhu cầu thực hiện một số thao tác ủ dung dịch sau hàn trong nhiều trường hợp.

Chỉ số khả năng hàn có liên quan: - Công thức cacbon tương đương thường dùng để đánh giá độ cứng và xu hướng nứt: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức chi tiết hơn của photpho-mangan-crom: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại thép này thường có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp so với thép martensitic, cho thấy khả năng hàn tốt. - Sự hiện diện của chất ổn định (Ti hoặc Nb) làm giảm nguy cơ nhạy cảm sau hàn; tuy nhiên, chất ổn định thô kết tủa hoặc tỷ lệ Ti/Nb không phù hợp có thể tạo ra sự không đồng nhất cục bộ. Quy trình hàn vẫn nên tuân thủ các thông lệ tốt nhất: kiểm soát nhiệt đầu vào, lựa chọn vật liệu hàn phù hợp và, nếu cần, ủ dung dịch sau hàn cho các ứng dụng quan trọng và khắc nghiệt. - 347 có thể hoạt động tốt hơn 321 trong một số trường hợp hàn trong thời gian dài hoặc ở nhiệt độ cao vì niobi tạo ra các chất kết tủa ổn định hơn ở một số nhiệt độ nhất định; tuy nhiên, cả hai đều được coi là có thể hàn được và thường được sử dụng trong các cụm hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Hành vi ăn mòn: - Cả hai loại thép đều có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường đặc trưng của thép không gỉ austenit 18–8. Chiến lược ổn định của chúng đặc biệt nhắm đến khả năng chống ăn mòn liên hạt sau khi tiếp xúc nhiệt (hàn hoặc gia nhiệt kéo dài trong phạm vi nhạy cảm). - Không có loại nào có khả năng chống ăn mòn đồng đều tốt hơn loại kia trong môi trường nước hoặc khí quyển thông thường; sự khác biệt xuất hiện trong các bối cảnh nhiệt độ cao hoặc nhạy cảm với chất gây dị ứng.

Khi nào sử dụng chỉ số ăn mòn: - PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) được áp dụng để so sánh khả năng chống rỗ (chủ yếu có liên quan khi Mo và N có ý nghĩa): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Đối với 321 và 347, Mo thường không có hoặc chỉ có một lượng rất nhỏ, còn N thì thấp, do đó PREN không phải là chỉ số phân biệt giữa hai loại này.

Bảo vệ bề mặt cho các vật liệu không phải thép không gỉ: - Không áp dụng ở đây — cả hai đều là thép không gỉ. Đối với thép không gỉ, các lựa chọn sẽ là mạ kẽm, sơn hoặc phủ.

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

Ghi chú chế tạo: - Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit, bao gồm 321 và 347, khó gia công hơn thép cacbon do độ cứng cao và độ dẫn nhiệt thấp. Khuyến nghị sử dụng dụng cụ cacbua, thiết lập cứng vững và tốc độ/bước tiến được kiểm soát. - Khả năng định hình: cả hai loại đều có độ dẻo tốt và có thể định hình, kéo sâu và kéo sợi; tuy nhiên, chúng cứng lại rất nhanh — có thể cần ủ thường xuyên đối với các chuỗi biến dạng nặng. - Hoàn thiện bề mặt: cần chú ý đến khả năng bị mài mòn và mài mòn dụng cụ; đánh bóng điện hóa hoặc thụ động hóa sẽ cải thiện khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo. - Vật liệu hàn: thường sử dụng hợp kim hàn có hàm lượng niken phù hợp hoặc cao hơn một chút; lựa chọn vật liệu hàn nên cân nhắc đến nhiệt độ làm việc và môi trường ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

Loại 321 (sử dụng phổ biến)	Loại 347 (sử dụng phổ biến)
Hệ thống xả của máy bay và ô tô	Thiết bị xử lý hóa chất tiếp xúc với nhiệt độ cao liên tục
Phần cứng lò nung, lò nướng và bộ trao đổi nhiệt cần độ ổn định của mối hàn	Bình chịu áp suất và đường ống phục vụ ở nhiệt độ cao, nơi có thể xảy ra tình trạng tiếp xúc kéo dài ở nhiệt độ cao
Các thành phần hóa dầu, ốc vít và lò xo cần ổn định để chống lại sự nhạy cảm	Ống lò hơi và ống quá nhiệt, nơi mà sự ổn định niobi có thể hỗ trợ khả năng chống rão lâu dài
Thiết bị chế biến thực phẩm có chu trình nhiệt và hàn phổ biến	Các thành phần lò nung nhiệt độ cao và phụ kiện hóa dầu có thời gian lưu trú dài ở nhiệt độ T cao

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên hệ số dịch vụ chủ yếu: nếu mối quan tâm chính là hàn và chu kỳ nhiệt vừa phải, cả hai đều hoạt động tốt; nếu dự kiến ​​xảy ra hiện tượng rão dài hạn hoặc tiếp xúc liên tục ở nhiệt độ cao, thì 347 ổn định bằng niobi có thể mang lại lợi thế. Tính khả dụng, hình dạng (ống, tấm, cuộn) và hàng tồn kho của nhà cung cấp địa phương cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Giá cả của cả hai loại nhìn chung tương đương nhau vì hàm lượng Ni và Cr cơ bản của chúng tương đương nhau. Loại 347 có thể đắt hơn một chút ở một số khu vực do hàm lượng niobi và sự biến động của thị trường đối với nguyên tố hợp kim đó.
• Tình trạng sẵn có: cả hai đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, tấm, ống và thanh từ các nhà máy thép không gỉ và nhà phân phối lớn. Các dạng sản phẩm cụ thể (ví dụ: tấm khổ lớn hoặc kích thước ống đặc biệt) nên được xác nhận với nhà cung cấp; thời gian giao hàng có thể thay đổi tùy theo khu vực và chu kỳ thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chuẩn	Loại 321	Loại 347
Khả năng hàn	Tuyệt vời; Ổn định Ti làm giảm nguy cơ nhạy cảm	Tuyệt vời; Ổn định Nb làm giảm nguy cơ nhạy cảm (thường được ưu tiên cho các mối hàn có T cao hơn)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền austenit điển hình và độ dẻo dai cao; tương tự như 347	Tương đương với 321; lợi thế tiềm năng về độ ổn định nhiệt độ cao trong thời gian dài
Trị giá	Thường thấp hơn một chút hoặc tương tự	Có thể so sánh được; có thể cao hơn một chút do Nb

Sự giới thiệu: - Chọn Loại 321 nếu: bạn cần thép không gỉ austenit ổn định đã được chứng minh hiệu quả cho các cụm hàn và chu trình nhiệt trong đó quá trình ổn định titan có hiệu quả; nếu dạng vật liệu và hàng tồn kho của nhà cung cấp ủng hộ 321; hoặc nếu độ nhạy về chi phí và dịch vụ nhiệt độ cao thông thường (thời gian vừa phải) là mối quan tâm chính. - Chọn Loại 347 nếu: linh kiện sẽ tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao hơn, trong đó cacbua ổn định bằng niobi mang lại độ ổn định vượt trội và khả năng chống rão tiềm ẩn; nếu lịch sử hàn hoặc bảo dưỡng cho thấy thời gian dừng dài trong phạm vi nhạy cảm; hoặc nếu thông số kỹ thuật yêu cầu hợp kim ổn định bằng Nb vì lý do hiệu suất.

Ghi chú kết luận: Cả 321 và 347 đều là những lựa chọn tuyệt vời khi cần ổn định chống nhạy cảm. Quyết định thường phụ thuộc vào đặc tính nhiệt cụ thể (thời gian và nhiệt độ đỉnh), dự đoán về độ rão ở nhiệt độ cao dài hạn và hậu cần (tính khả dụng và chi phí của dạng sản phẩm). Đối với các ứng dụng quan trọng hoặc nhiệt độ cao kéo dài, hãy tham khảo dữ liệu thử nghiệm vật liệu và chứng chỉ nhà cung cấp cho lô hàng cụ thể, đồng thời xem xét đánh giá kỹ thuật (thử nghiệm rão, thử nghiệm tiếp xúc ăn mòn hoặc chứng nhận quy trình hàn) để xác nhận cấp thép đã chọn cho ứng dụng dự định.