Hastelloy C276 so với C22 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Hastelloy C276 và Hastelloy C22 là hai hợp kim chống ăn mòn gốc niken được sử dụng rộng rãi, thường được xem là lựa chọn cạnh tranh trong xử lý hóa chất, kiểm soát ô nhiễm và các hệ thống ngoài khơi. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc hiệu suất chống ăn mòn, nhu cầu chế tạo và chi phí vòng đời khi quyết định lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm lựa chọn cho môi trường chứa clorua khắc nghiệt, hóa chất oxy hóa/khử hỗn hợp, hoạt động ở nhiệt độ cao, hoặc khi yêu cầu hàn và khả năng chế tạo là rất quan trọng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa các hợp kim này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: C276 tập trung vào molypden và vonfram để chống lại sự ăn mòn cục bộ trong môi trường khử và hỗn hợp, trong khi C22 tập trung vào hàm lượng crom cao hơn (kết hợp với molypden) để tăng cường khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn trong phạm vi rộng hơn. Vì cả hai đều có gốc niken, nên hành vi cơ học của chúng tương tự nhau, nhưng hiệu suất chống ăn mòn và chi phí thường là yếu tố quyết định lựa chọn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Thông số kỹ thuật và tên gọi chung:
• ASTM/ASME: Thường được tham chiếu thông qua số UNS — C276 (UNS N10276), C‑22 (UNS N06022).
• EN / Châu Âu: Ít được sử dụng phổ biến hơn đối với các hợp kim độc quyền này; các hợp kim tương đương có thể được nhà cung cấp liệt kê.
• JIS / GB: Không có giá trị tương đương trực tiếp một-một; thường được mua theo UNS/ASTM hoặc bảng dữ liệu của nhà cung cấp.
• Phân loại:
• Cả Hastelloy C276 và C22 đều là hợp kim chống ăn mòn gốc niken (thường được xếp vào nhóm hợp kim chống ăn mòn thay vì thép không gỉ truyền thống). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc cấp HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện các nguyên tố hợp kim tiêu biểu, gần đúng và vai trò của chúng. Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật và nhà cung cấp; tham khảo bảng dữ liệu của nhà sản xuất để biết thành phần được chứng nhận.

Yếu tố	Thành phần điển hình (xấp xỉ wt%) — C276	Thành phần điển hình (xấp xỉ wt%) — C22
C	≤ 0,02 (rất thấp)	≤ 0,02 (rất thấp)
Mn	0,2–1,0 (thấp đến mức vết)	0,2–1,0 (thấp đến mức vết)
Si	≤ 0,08 (chất khử oxy)	≤ 0,08 (chất khử oxy)
P	≤ 0,03 (kiểm soát tạp chất)	≤ 0,03 (kiểm soát tạp chất)
S	≤ 0,015 (kiểm soát tạp chất)	≤ 0,015 (kiểm soát tạp chất)
Cr	~15–17 (trung bình)	~20–22 (cao hơn)
Ni	Cân bằng (~50–60)	Cân bằng (~50–60)
Mo	~15–17 (cao)	~12–14 (đáng kể)
V	≤ 0,35 (nhỏ)	≤ 0,35 (nhỏ)
Lưu ý	≤ 0,4 (nhỏ)	≤ 0,4 (nhỏ)
Ti	≤ 0,4 (nhỏ)	≤ 0,4 (nhỏ)
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết (rất thấp)	dấu vết (rất thấp)
Fe	~4–7 (còn lại)	~3–6 (còn lại)
W (vonfram)	lên đến ~3 (tăng cường khả năng chống rỗ)	giới hạn ở mức thấp hoặc không có

Ghi chú về chiến lược hợp kim: - Niken: là thành phần tạo nên ma trận chính, có khả năng chống ăn mòn và độ bền cao. - Crom: thúc đẩy quá trình thụ động hóa và chống lại các điều kiện oxy hóa; C22 có hàm lượng crom cao hơn để mở rộng khả năng chống ăn mòn oxy hóa. - Molypden và vonfram: tăng cường khả năng chống rỗ, ăn mòn khe hở và ăn mòn trong môi trường khử; C276 giàu Mo hơn (và có thể bao gồm W) để cải thiện hiệu suất trong các phản ứng hóa học chứa clorua và khử. - Hàm lượng carbon thấp, tạp chất được kiểm soát và chất ổn định phụ (Nb, Ti) được sử dụng để giảm thiểu độ nhạy cảm và cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai hợp kim đều là austenit dung dịch rắn (ma trận niken lập phương tâm mặt) với khả năng kiểm soát cacbua/kết tủa thông qua hàm lượng cacbon thấp và bổ sung một lượng nhỏ Nb/Ti khi cần thiết. - Chúng không trải qua quá trình biến đổi martensitic đặc trưng của thép cacbon; các biến thể vi cấu trúc chủ yếu là từ cacbua hoặc kết tủa liên kim loại có thể hình thành khi tiếp xúc với nhiệt độ không thích hợp.

Xử lý nhiệt và phản ứng chế biến: - Quy trình xử lý điển hình là ủ dung dịch (ngâm ở nhiệt độ cao sau đó làm nguội nhanh) để hòa tan kết tủa và phục hồi khả năng chống ăn mòn. Ví dụ, nhà cung cấp chỉ định ủ dung dịch trong phạm vi austenit (tham khảo bảng dữ liệu để biết nhiệt độ chính xác). - Không hợp kim nào có thể xử lý nhiệt để tăng đáng kể độ bền bằng phương pháp làm cứng kết tủa như một số hợp kim niken không gỉ hoặc làm cứng kết tủa. - Tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trung gian có thể tạo ra kết tủa cacbua/nitrit hoặc pha liên kim loại làm giảm khả năng chống ăn mòn. Ủ dung dịch thích hợp và làm mát có kiểm soát sẽ khôi phục tính đồng nhất của ma trận. - Xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội sau đó ủ dung dịch) được sử dụng để sản xuất tấm, tấm và ống có các tính chất cơ học mong muốn; gia công nguội đáng kể sẽ làm tăng độ bền nhưng có thể ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn cục bộ nếu không được xử lý bằng dung dịch.

4. Tính chất cơ học

Hiệu suất cơ học bị ảnh hưởng bởi hình dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống), quá trình gia công nguội và lịch sử nhiệt. Bảng sau đây cung cấp so sánh định tính phù hợp cho việc lựa chọn thiết kế; đối với thiết kế dự án, hãy sử dụng dữ liệu của nhà cung cấp để có giá trị số chính xác theo hình dạng sản phẩm.

Tài sản	C276	C22
Độ bền kéo	Tương đương; cả hai đều ở mức trung bình đối với hợp kim niken (tốt cho thiết bị chịu áp suất)	Có thể so sánh; phạm vi kéo tương tự như C276
Sức chịu lực	Tương tự; không cái nào được thiết kế để có độ bền kéo cao mà không cần gia công nguội	Tương tự; có sự khác biệt nhỏ về sản phẩm và cách xử lý nhiệt
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt (cho phép tạo hình/hàn)	Độ dẻo tốt, tương đương với C276
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ thấp; giữ được độ dẻo dai nhờ ma trận niken	Tốt, tương đương với C276
Độ cứng	Trung bình; có thể tăng lên bằng cách làm lạnh	Trung bình; hành vi tương tự

Giải thích: - Về mặt kỹ thuật thực tế, C276 và C22 có các tính chất cơ học tương đối giống nhau. Sự khác biệt về độ bền hoặc độ dẻo dai thường không đáng kể so với sự thay đổi về hình dạng sản phẩm và quá trình gia công nguội. Cả hai hợp kim này được lựa chọn chủ yếu dựa trên khả năng chống ăn mòn hơn là độ bền cơ học.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn tập trung vào hàm lượng carbon thấp, gốc niken và các nguyên tố hợp kim có thể thúc đẩy nứt nóng hoặc nhạy cảm.

• Khả năng hàn chung: Cả C276 và C22 đều có thể hàn được bằng kim loại hàn gốc niken tiêu chuẩn và các quy trình phù hợp. Nhìn chung, không cần nung nóng trước; ủ dung dịch sau hàn được khuyến nghị trong các ứng dụng ăn mòn quan trọng để phục hồi khả năng chống ăn mòn.
• Cacbon và khả năng làm cứng: Hàm lượng cacbon rất thấp làm giảm nguy cơ nhạy cảm và nứt liên quan đến quá trình làm cứng.
• Hiệu ứng hợp kim vi mô: Nb và Ti có thể tạo thành cacbua/nitrit ổn định; kiểm soát kim loại phụ và nhiệt đầu vào giúp giảm thiểu kết tủa không mong muốn.

Các chỉ số hữu ích cho việc giải thích định tính (không có đánh giá số ở đây): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số phòng ngừa $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Các công thức này chỉ ra rằng mặc dù bản thân Ni làm giảm các mối lo ngại về "CE" so với thép, nhưng sự hiện diện của Cr, Mo và Nb lại ảnh hưởng đến chỉ số khả năng hàn. Trên thực tế, cả hai hợp kim đều dễ dàng hàn với kim loại đệm gốc niken được khuyến nghị; các quy trình đạt tiêu chuẩn và xử lý nhiệt sau hàn được sử dụng cho các kết cấu chịu ăn mòn nghiêm trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Khả năng áp dụng của PREN: Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) được sử dụng rộng rãi đối với thép không gỉ austenit và có thể chỉ ra khả năng rỗ của hợp kim niken: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Tuy nhiên, PREN được phát triển cho thép không gỉ Cr–Mo–N và chỉ là chỉ báo sơ bộ cho hợp kim gốc niken; thử nghiệm ăn mòn trực tiếp được ưu tiên hơn.

Hành vi ăn mòn — so sánh thực tế: - C276: Được thiết kế để chống rỗ, ăn mòn khe hở và nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường khử và oxy hóa/khử hỗn hợp với clorua và các loại lưu huỳnh. Mo cao (và W nếu có) giúp tăng cường khả năng chống chịu trong các phản ứng hóa học cục bộ và khử. - C22: Hàm lượng crom cao hơn mang lại khả năng thụ động hóa mạnh mẽ và khả năng chống oxy hóa vượt trội (ví dụ: môi trường axit nitric) trong khi vẫn duy trì khả năng chống chịu mạnh mẽ với nhiều loại axit không oxy hóa nhờ hàm lượng Mo đáng kể. C22 thường được ưu tiên sử dụng khi có sự hiện diện của các chất oxy hóa cùng với các chất khử.

Bảo vệ bề mặt: - Đối với thép cacbon, có thể cân nhắc mạ kẽm, sơn hoặc phủ. Đối với C276 và C22 (cả hai đều là hợp kim chống ăn mòn), lớp phủ thường không cần thiết trừ khi có các vấn đề cụ thể về hao mòn, bám bẩn hoặc mài mòn. Có thể áp dụng đánh bóng cơ học hoặc hóa học, thụ động hóa hoặc bảo vệ catốt tùy thuộc vào ứng dụng.

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

• Khả năng gia công: Hợp kim gốc niken thường khó gia công hơn thép cacbon; chúng cứng hơn và có độ dẫn nhiệt thấp hơn. C276 và C22 có đặc tính gia công tương tự nhau; cần lựa chọn dụng cụ, tốc độ, lượng chạy dao, chất làm mát và khả năng bẻ phoi cẩn thận.
• Khả năng định hình: Độ dẻo tốt cho phép thực hiện các thao tác uốn và kéo. Khi cần bán kính uốn hẹp hoặc tạo hình rộng, có thể sử dụng phương pháp ủ dung dịch trung gian để khôi phục độ dẻo.
• Hoàn thiện: Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng là khả thi; cả hai đều đáp ứng tốt với việc làm sạch bằng hóa chất và đánh bóng điện nếu cần để kiểm soát sự ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

Hastelloy C276 (sử dụng điển hình)	Hastelloy C22 (sử dụng điển hình)
Thiết bị xử lý hóa chất xử lý axit chứa clorua và axit khử, các thành phần khử lưu huỳnh trong khí thải (FGD), van và phụ kiện trong môi trường hỗn hợp	Thiết bị xử lý hóa chất tiếp xúc với axit oxy hóa (ví dụ, axit nitric), nhà máy thí điểm và hệ thống làm sạch với chất oxy hóa hỗn hợp, đầu nối có độ tin cậy cao trong môi trường khắc nghiệt
Hệ thống xử lý nước thải với hóa chất hỗn hợp	Các ứng dụng đòi hỏi sự thụ động mạnh trong các chu trình oxy hóa và khử
Bộ trao đổi nhiệt và đường ống xử lý nước muối và axit hữu cơ	Các bình chứa và đường ống có thể xảy ra các cuộc tấn công oxy hóa và khử kết hợp và nơi Cr cao mang lại lợi thế

Cơ sở lựa chọn: - Chọn C276 khi mối quan tâm chính là sự tấn công cục bộ từ clorua hoặc chất khử; hàm lượng Mo/W cao hơn của nó có lợi thế. - Chọn C22 khi có điều kiện oxy hóa hoặc môi trường oxy hóa/khử tuần hoàn và Cr cao hơn cung cấp khả năng thụ động mạnh hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai hợp kim đều là hợp kim niken cao cấp và có giá cao hơn đáng kể so với thép không gỉ thông thường. Ở nhiều thị trường, C22 có thể có giá cao hơn một chút so với C276 do thành phần và nhu cầu, nhưng biến động thị trường sẽ ảnh hưởng đến giá cả. Chênh lệch chi phí phụ thuộc vào từng dự án cụ thể.
• Tính khả dụng: Cả hai đều được sản xuất bởi các nhà cung cấp hợp kim chuyên dụng lớn và có sẵn ở các dạng sản phẩm thông dụng (tấm, lá, ống, thanh, vật liệu rèn, vật liệu hàn). Thời gian giao hàng thay đổi tùy theo hình dạng, kích thước và nhu cầu thị trường. Vật tư tiêu hao chế tạo sẵn (thanh hàn, điện cực) cũng có sẵn trên thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Đặc điểm	Hastelloy C276	Hastelloy C22
Khả năng hàn	Rất tốt với chất độn gốc Ni; tương tự như C22	Rất tốt với chất độn gốc Ni; tương tự như C276
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải; độ dẻo dai và độ dai tốt	Sức mạnh và độ dẻo dai tương đương
Khả năng chống ăn mòn (cục bộ/giảm)	Xuất sắc (Mo/W cao hơn)	Rất tốt (Mo thấp hơn một chút so với C276)
Khả năng chống ăn mòn (oxy hóa/thụ động)	Rất tốt	Xuất sắc (Cr cao hơn)
Chi phí (tương đối)	Cao (hợp kim cao cấp)	Cao (thường tương đương hoặc cao hơn một chút)

Khuyến nghị (hướng dẫn thực tế): - Chọn Hastelloy C276 nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn cục bộ, ăn mòn khe hở và môi trường khử hoặc hỗn hợp tốt nhất có chứa clorua và sunfua. C276 thường được chỉ định cho quá trình khử lưu huỳnh khí thải, các dòng quy trình chứa clorua và các ứng dụng chung có nguy cơ chính là ăn mòn cục bộ. - Chọn Hastelloy C22 nếu quy trình của bạn bao gồm các chất oxy hóa mạnh, điều kiện oxy hóa/khử tuần hoàn, hoặc bạn cần thụ động hóa mạnh mẽ khi có axit oxy hóa. Hàm lượng crom cao hơn của C22 mang lại lợi thế trong môi trường oxy hóa và trong các ứng dụng mà cả phản ứng oxy hóa và khử đều xảy ra không liên tục.

Lưu ý cuối cùng: Đối với bất kỳ quyết định quan trọng nào về mua sắm hoặc thiết kế, hãy yêu cầu bảng dữ liệu hiện hành của nhà sản xuất, dữ liệu thử nghiệm ăn mòn cho dịch vụ cụ thể và các quy trình hàn/chế tạo được chứng nhận. Hiệu suất ăn mòn phụ thuộc vào ứng dụng; thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực địa trong môi trường quy trình thực tế là hướng dẫn đáng tin cậy nhất.