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

Giới thiệu

Loại 321 và Loại 347 đều là thép không gỉ austenit, crom-niken, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống kỹ thuật đòi hỏi khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình và độ ổn định ở nhiệt độ cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải cân nhắc giữa hai loại thép này khi cân bằng hiệu suất chống ăn mòn, đặc tính chế tạo, độ ổn định lâu dài ở nhiệt độ cao và chi phí.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này nằm ở việc lựa chọn nguyên tố ổn định carbide: Loại 321 được ổn định bằng titan (Ti), trong khi Loại 347 được ổn định bằng niobi (columbi, Nb). Sự khác biệt này quyết định khả năng chống lại sự kết tủa crom carbide (nhạy cảm hóa) của mỗi loại thép trong quá trình hàn hoặc vận hành ở nhiệt độ 450–850 °C, và ảnh hưởng đến độ ổn định lâu dài, đặc biệt là đối với các ứng dụng nhiệt độ cao hoặc tuần hoàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: A240 / SA-240 (thường dùng cho tấm và lá).
• UNS: 321 = UNS S32100; 347 = UNS S34700.
• EN: Có các phiên bản tương đương của 321/347 nhưng hãy tham khảo số EN (ví dụ: đôi khi dùng EN 1.4541 cho 321, hãy kiểm tra các tham chiếu chéo hiện tại).
• JIS / GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có thép austenit ổn định tương tự nhau; hãy kiểm tra các bảng tham chiếu chéo tại địa phương để biết tên gọi chính xác.

Phân loại: Cả thép 321 và 347 đều là thép không gỉ (austenit, không từ tính ở trạng thái ủ). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hợp kim cacbon hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng — Phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (phần trăm trọng lượng). Các giá trị này chỉ mang tính chất tham khảo đối với vật liệu ủ, được chỉ định theo quy định thương mại; hãy tham khảo tiêu chuẩn cụ thể hoặc giấy chứng nhận nhà máy của nhà cung cấp để biết giới hạn chính xác.

Yếu tố	Phạm vi điển hình – Loại 321	Phạm vi điển hình – Loại 347
C (Cacbon)	≤ 0,08 (tối đa)	≤ 0,08 (tối đa)
Mn (Mangan)	≤ 2.0	≤ 2.0
Si (Silic)	≤ 1,0	≤ 1,0
P (Phốt pho)	≤ 0,045	≤ 0,045
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (Crom)	~17,0–19,0	~17,0–19,0
Ni (Niken)	~9,0–13,0	~9,0–13,0
Mo (Molypden)	0 (thường là)	0 (thường là)
V (Vanadi)	chỉ theo dõi	chỉ theo dõi
Nb (Niobi / Columbium)	tối thiểu/dấu vết	thường có mặt (chất ổn định)
Ti (Titan)	hiện tại (chất ổn định), lượng được kiểm soát	tối thiểu/dấu vết
B (Bo)	chỉ theo dõi	chỉ theo dõi
N (Nitơ)	nhỏ (ví dụ, ~0,10 điển hình)	nhỏ (ví dụ, ~0,10 điển hình)

Ghi chú: - 321 sử dụng các chất bổ sung titan có kích thước tương ứng với cacbon để liên kết C dưới dạng TiC/Ti(C,N) nhằm ngăn ngừa sự hình thành Cr23C6. Các tiêu chuẩn thường yêu cầu Ti ≥ 5 × C cho đến mức tối đa thực tế. - 347 sử dụng niobi (thường có một lượng nhỏ tantali làm tạp chất tự nhiên) để tạo thành NbC/Nb(C,N) cho cùng mục đích. Giới hạn thông số kỹ thuật và hàm lượng Nb điển hình thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và dạng sản phẩm. - Thông thường, không có loại thép nào chứa nhiều molypden; chúng không phải là loại thép duplex chứa Mo hoặc siêu austenit.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom cung cấp khả năng chống ăn mòn màng thụ động nói chung. - Niken ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Titan hoặc niobi ngăn ngừa sự nhạy cảm bằng cách tạo thành các cacbua và cacbonitrit ổn định, bảo vệ crom khỏi bị liên kết thành Cr-cacbua ở ranh giới hạt trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm. - Bổ sung N nhỏ làm tăng cường độ thông qua việc tăng cường kẽ hở.

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

• Cấu trúc vi mô (đã ủ): Cả hai loại đều hoàn toàn là austenit với ma trận lập phương tâm mặt (FCC). Các cacbua/nitrit ổn định (TiC/TiN trong 321, NbC/Nb(C,N) trong 347) hiện diện, thường ở dạng kết tủa mịn phân bố ở ranh giới hạt và bên trong hạt.
• Khả năng chống nhạy cảm: Chất ổn định ưu tiên tạo thành cacbua; điều này ngăn ngừa các vùng thiếu crom ở ranh giới hạt và bảo vệ chống lại sự ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với nhiệt độ 450–850 °C.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Ủ (điển hình): Ủ dung dịch ở nhiệt độ ~1010–1150 °C sau đó làm nguội nhanh để giữ lại cấu trúc austenit và hòa tan các chất kết tủa không mong muốn.
• Thường hóa/Làm nguội & Ram: Đây không phải là quy trình chuẩn cho thép không gỉ austenit — chúng không được tôi cứng bằng cách làm nguội và ram như thép martensitic. Quá trình xử lý nhiệt cơ học ảnh hưởng đến kích thước và kết cấu hạt, nhưng quá trình ổn định hóa học chủ yếu chi phối hành vi ở nhiệt độ cao.
• Hoạt động ở nhiệt độ cao: Trong quá trình tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao, hợp kim 321 ổn định Ti có thể tạo thành các kết tủa phức hợp giàu Ti, và nếu tỷ lệ Ti/C không đủ hoặc tiếp xúc lâu, có thể hình thành kết tủa crom cacbua thứ cấp. Hợp kim 347 ổn định Nb có xu hướng duy trì độ bền và chống lại sự suy giảm crom ở ranh giới hạt tốt hơn trong quá trình hoạt động ở nhiệt độ cao kéo dài, đó là lý do tại sao hợp kim 347 (và biến thể 347H với C cao hơn) thường được chỉ định cho hoạt động ở nhiệt độ cao kéo dài.

4. Tính chất cơ học

Bảng — Phạm vi tính chất cơ học điển hình cho vật liệu ủ ở nhiệt độ môi trường (mang tính chất tham khảo; hình thức sản phẩm và thông số kỹ thuật xác định giá trị đảm bảo).

Tính chất (ủ)	Loại 321 (điển hình)	Loại 347 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~520–750	~520–750
Giới hạn chảy, độ lệch 0,2% (MPa)	~205–310	~205–310
Độ giãn dài (%)	~40–60	~40–60
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	Tốt, độ dẻo dai cao	Tốt, độ dẻo dai cao
Độ cứng (HRB)	~70–95	~70–95

Giải thích: - Trong điều kiện ủ ở nhiệt độ phòng, các tính chất cơ học của 321 và 347 rất giống nhau. Phần tử ổn định chỉ có tác động khiêm tốn đến độ bền kéo/giới hạn chảy tĩnh và độ dẻo trong điều kiện môi trường xung quanh. - Ở nhiệt độ cao và thời gian tiếp xúc dài, 347 (được ổn định bằng niobi) có thể duy trì độ dẻo và khả năng chống biến dạng tốt hơn vì cacbua niobi ổn định hơn và ít bị thô hơn trong một số chế độ sử dụng nhất định so với kết tủa titan — điều này đặc biệt quan trọng đối với hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và tiếp xúc nhiệt theo chu kỳ.

5. Khả năng hàn

• Cả thép không gỉ 321 và 347 đều có khả năng hàn tốt đặc trưng của thép không gỉ austenit: hàm lượng cacbon thấp và sự hiện diện của chất ổn định làm giảm nguy cơ tấn công giữa các hạt sau khi hàn.
• Những lưu ý quan trọng khi hàn:
• Việc lựa chọn vật liệu hàn và quy trình hàn phù hợp vẫn rất quan trọng để tránh nứt nóng và kiểm soát delta-ferrite khi cần thiết.
• Ủ sau khi hàn thường không chỉ cần thiết để tránh ăn mòn giữa các hạt, miễn là tỷ lệ chất ổn định trên cacbon và quy trình kiểm soát là chính xác.
• Các chỉ số khả năng hàn quan trọng (ví dụ — sử dụng chúng một cách định tính):
• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Tương đương crom (Pcm) — một công cụ ước tính độ nhạy nứt khi 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:
• Cả hai loại đều đạt điểm cao cho hàn nóng chảy tổng quát nhờ hàm lượng C thấp và độ ổn định. Niobi trong 347 xuất hiện trong số hạng $P_{cm}$; mặc dù góp phần vào khả năng chống nhạy cảm, nó có thể ảnh hưởng nhẹ đến quá trình đông đặc của mối hàn. Trên thực tế, sự khác biệt về khả năng hàn là nhỏ; việc lựa chọn kim loại điền đầy phù hợp (thường là kim loại điền đầy thuộc họ 308/309 theo chỉ định) và kiểm soát nhiệt lượng đầu vào có tác động lớn hơn so với việc lựa chọn Ti hay Nb.
• Đối với hàn sửa chữa hoặc chế tạo trong trường hợp xảy ra chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại, 347 có thể được ưu tiên khi tính ổn định lâu dài của cacbua ổn định là rất quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Ăn mòn tổng quát: Cả hai loại đều tạo thành lớp màng thụ động giàu crom và có khả năng chống ăn mòn tương tự như 304 trong nhiều môi trường. Cả hai loại đều không chứa Mo, do đó khả năng chống rỗ trong môi trường clorua không cao bằng các loại chứa Mo.
• Ăn mòn giữa các hạt: Cả hai đều được ổn định chống lại sự nhạy cảm bằng chất ổn định tương ứng; tuy nhiên, cần có mức chất ổn định chính xác theo hàm lượng cacbon và quá trình xử lý được kiểm soát.
• Sử dụng PREN: Số tương đương khả năng chống rỗ thường được sử dụng khi Mo và N cung cấp khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 321 và 347 (Mo ~ 0), PREN chủ yếu được điều khiển bởi Cr và N và do đó ở mức khiêm tốn; PREN có giá trị hạn chế trong việc phân biệt hai loại này vì cả hai đều thiếu Mo.
• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ: Không áp dụng ở đây — cả hai đều là thép không gỉ. Tuy nhiên, nếu cần bảo vệ nâng cao (tiếp xúc với clorua, nước biển), hãy cân nhắc sử dụng thép không gỉ hoặc lớp phủ chứa Mo hoặc duplex.

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

• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit có khả năng làm cứng nhanh; về mặt này, 321 và 347 tương tự như 304. Các chiến lược gia công (cài đặt cứng, dụng cụ sắc bén, góc nghiêng dương cao, chất làm mát mạnh) đều được áp dụng như nhau.
• 347 có thể khó gia công hơn một chút nếu hàm lượng Nb-cacbua cao hơn làm tăng độ mài mòn của dụng cụ ở một số cấp liệu, nhưng trên thực tế, sự khác biệt này là nhỏ.
• Khả năng định hình: Cả hai đều thể hiện khả năng định hình nguội và kéo sâu tuyệt vời trong điều kiện ủ. Khả năng đàn hồi và độ cứng khi gia công tương đương nhau.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng: Cả hai đều đánh bóng tốt và chấp nhận hầu hết các phương pháp xử lý bề mặt; các khu vực hàn nên được thụ động hóa nếu cần tăng khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng — Công dụng điển hình của từng cấp độ và lý do lựa chọn.

Loại 321 (ổn định Ti)	Loại 347 (ổn định Nb)
Các bộ phận của lò và bộ trao đổi nhiệt tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian ngắn	Lò hơi, bộ siêu nhiệt và bộ trao đổi nhiệt yêu cầu sự ổn định lâu dài ở nhiệt độ cao
Các bộ phận xả của máy bay và ô tô thường có chu trình nhiệt và các chuyến đi ngắn	Thiết bị xử lý hóa chất có khả năng tiếp xúc lâu dài gần phạm vi nhạy cảm
Khớp giãn nở, ống thổi, lớp lót lò	Các cụm hàn và bình chứa có hiệu suất rão trong thời gian dài và lượng mưa ranh giới hạt giảm là rất quan trọng
Các vật liệu buộc và trang trí cần khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao trong thời gian vừa phải	Đường ống nhà máy hóa chất và các thành phần cấu trúc lò được thiết kế để tiếp xúc lâu dài

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 321 khi quá trình tiếp xúc thông thường liên quan đến các biến động nhiệt độ cao ngắn hoặc thỉnh thoảng và khi quá trình ổn định titan có hiệu quả đối với các chu kỳ nhiệt dự kiến. - Chọn 347 khi tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao hoặc sử dụng trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm đòi hỏi tính ổn định của cacbua niobi (biến thể 347H có thể được chỉ định để có độ bền/độ rão cao hơn ở nhiệt độ do hàm lượng carbon cao hơn).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 347 thường đắt hơn 321 một chút vì niobi là nguyên liệu hợp kim có chi phí cao hơn titan. Giá thị trường dao động theo giá nguyên liệu niobi thô.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, tấm, ống và thanh từ các nhà máy lớn. 321 trước đây có tính khả dụng rất rộng rãi vì từ lâu nó đã là một hợp kim phổ biến trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và công nghiệp. 347 và 347H có nguồn cung dồi dào nhưng tính khả dụng ở một số dạng sản phẩm hoặc độ cứng đặc biệt có thể hạn chế hơn và thời gian giao hàng lâu hơn một chút.
• Lời khuyên về mua sắm: Chỉ định chính xác loại UNS/ASTM và hình thức sản phẩm trên đơn đặt hàng; nếu thời gian giao hàng hoặc chi phí là yếu tố quan trọng, hãy xác nhận kho của nhà máy hoặc xem xét việc thay thế với sự chấp thuận của kỹ sư.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng — So sánh nhanh (định tính).

Loại	Loại 321	Loại 347
Khả năng hàn	Rất tốt (ổn định)	Rất tốt (ổn định)
Sức mạnh-Độ dẻo dai (môi trường xung quanh)	Tương đương	Tương đương
Độ ổn định nhiệt độ cao lâu dài	Tốt (phơi sáng ngắn đến trung bình)	Tốt hơn (phơi sáng lâu / khả năng chống biến dạng)
Ăn mòn (chung)	Tương tự như 304; ổn định so với nhạy cảm	Tương tự như 304; ổn định so với nhạy cảm
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn một chút (nói chung)
Khả dụng	Rất tốt	Rất tốt, đôi khi thời gian thực hiện lâu hơn đối với các hình thức đặc biệt

Kết luận: - Chọn loại 321 nếu bạn cần thép không gỉ austenit ổn định với khả năng chống ăn mòn tổng thể tuyệt vời, khả năng hàn tốt và nhạy cảm về chi phí khi dịch vụ bao gồm các chu kỳ nhiệt hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian ngắn. 321 là lựa chọn phổ biến cho các bộ phận lò nung, mối nối giãn nở và các ứng dụng mà khả năng ổn định titan hoạt động hiệu quả. - Chọn Loại 347 nếu ứng dụng liên quan đến việc tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao, dịch vụ kéo dài gần phạm vi nhạy cảm hoặc nơi mà độ bền ranh giới hạt và độ rão dài hạn là rất quan trọng. 347 (hoặc 347H đối với độ bền ở nhiệt độ cao hơn) được ưu tiên khi độ ổn định của niobi carbide mang lại lợi thế về vòng đời có thể đo lường được mặc dù chi phí cao hơn một chút.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Luôn xem xét các giới hạn ASTM/UNS/EN cụ thể và yêu cầu chứng nhận nhà máy cho các dự án quan trọng. Đối với môi trường nhiệt độ cao hoặc ăn mòn quan trọng, hãy thực hiện thử nghiệm ăn mòn cụ thể cho từng ứng dụng và tham khảo ý kiến ​​các nhà luyện kim để xác nhận lựa chọn cấp độ và quy trình hàn/chế tạo.