Incoloy 800 so với Incoloy 825 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Incoloy 800 và Incoloy 825 là hai hợp kim niken-sắt-crom được sử dụng rộng rãi trong các ngành chế biến hóa chất, sản xuất điện và lọc dầu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa hiệu suất chống ăn mòn, độ ổn định ở nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn cấp độ cho môi trường oxy hóa nhiệt độ cao so với việc lựa chọn vật liệu cho các dòng quy trình có tính axit hoặc clorua khắc nghiệt.

Sự khác biệt chức năng chính là hiệu suất chống ăn mòn trong môi trường nước khắc nghiệt: Incoloy 825 được hợp kim hóa để tăng cường khả năng chống axit khử và ăn mòn hỗ trợ clorua (nhờ bổ sung Mo và Cu), trong khi Incoloy 800 được tối ưu hóa cho độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa/ăn mòn như một hợp kim austenit dung dịch rắn. Đây là lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải cân bằng giữa khả năng chống axit/clorua với các hạn chế về ứng dụng ở nhiệt độ cao và ngân sách.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các thông số kỹ thuật chính và tên gọi chung:

• ASTM/ASME:
• Incoloy 800: UNS N08800; các thông số kỹ thuật phổ biến bao gồm ASTM B409/B409M (ống), B407 (gia công nguội) và tài liệu tham khảo ASME SB-163.
• Incoloy 825: UNS N08825; thường được cung cấp theo ASTM B407/B409, ASME SB-163 và B444.
• EN: các chất tương đương thường được tham chiếu theo họ hóa chất và ứng dụng; kiểm tra danh sách EN để biết các dạng sản phẩm cụ thể.
• JIS / GB: có các tiêu chuẩn tương đương tùy theo khu vực nhưng luôn phải kiểm tra các yêu cầu về hóa chất và cơ học theo số UNS.
• Phân loại: cả hai đều là hợp kim austenit niken-sắt-crom (Ni-Fe-Cr), tức là họ hợp kim/thép không gỉ—không loại nào được phân loại là thép cacbon hợp kim thấp, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là các phạm vi thành phần đại diện (wt%) thường thấy trong thông số kỹ thuật của nhà máy và bảng dữ liệu vật liệu. Các giá trị này thay đổi tùy theo dạng sản phẩm và thông số kỹ thuật—vui lòng xác nhận với giấy chứng nhận sản phẩm khi mua hàng.

Yếu tố	Incoloy 800 (phạm vi điển hình, wt%)	Incoloy 825 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,10	≤ 0,05
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 0,5	≤ 0,5
P	≤ 0,02	≤ 0,02
S	≤ 0,015	≤ 0,015
Cr	19,0 – 23,0	19,5 – 23,5
Ni	30,0 – 35,0	38,0 – 46,0
Mo	- / dấu vết	2,5 – 3,5
Cu	- / dấu vết	1.0 – 2.0
Ti / Al (chất ổn định)	bổ sung nhỏ được kiểm soát (kết hợp)	Ti ≤ 0,6 (kiểm soát N/CB)
Nb, V, B	thường là không có	thường là không có
N	dấu vết – thấp	dấu vết – thấp
Fe	Sự cân bằng	Sự cân bằng

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Ni ổn định ma trận austenit, mang lại độ dẻo dai và khả năng định hình. Hàm lượng Ni cao hơn trong 825 làm tăng khả năng chống ăn mòn và độ dẻo tổng thể. - Cr có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn nói chung. Cả hai loại đều có Cr tương tự nhau, do đó tính chất của thép không gỉ cơ bản là tương đương nhau. - Mo và Cu trong 825 cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ, khe hở) và giảm sự tấn công của axit (hóa chất giống lưu huỳnh, phốt pho) và giảm khả năng nứt do ăn mòn ứng suất do clorua gây ra trong nhiều trường hợp. - Incoloy 800 dựa trên dung dịch rắn Fe–Ni–Cr và Al/Ti được kiểm soát để ổn định ở nhiệt độ cao (nhằm hạn chế sự kết tủa cacbua). Hợp kim này không chủ yếu được tạo ra để tăng cường khả năng chống axit.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai hợp kim đều là austenit (hình lập phương tâm mặt). Cấu trúc vi mô chế tạo sẵn là austenit một pha với khả năng phân tán các nitrit ổn định hoặc các pha gốc Ti/Al nếu có hàm lượng đáng kể. - Các biến thể Incoloy 800 (800H/800HT) được thiết kế để chống biến dạng bằng cách kiểm soát cacbon (800H có nhiệt độ C cao hơn) và độ ổn định nhiệt—các biến thể này chống lại sự phát triển của hạt và kết tủa cacbua tốt hơn ở nhiệt độ cao. - Incoloy 825 vẫn là austenit ổn định với khả năng gia cường dung dịch rắn từ Ni và các pha thứ cấp không phổ biến trừ khi tiếp xúc với các chu kỳ nhiệt cực độ.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Cả hai hợp kim thường được cung cấp ở dạng ủ/xử lý dung dịch để hòa tan kết tủa và phục hồi độ dẻo. Ủ dung dịch sau đó làm nguội nhanh giúp giảm thiểu sự hình thành cacbua và liên kim loại. - Tiếp xúc nhiệt ở nhiệt độ trung gian (400–850°C) có thể thúc đẩy quá trình kết tủa cacbua hoặc liên kim loại (pha cacbonitride hoặc pha sigma tùy thuộc vào thời gian và thành phần); 800 và 825 có độ nhạy khác nhau do hàm lượng hợp kim—Mo của 825 có thể thúc đẩy quá trình hình thành pha thứ cấp khi tiếp xúc trong thời gian dài. - Các chu trình chuẩn hóa/làm nguội và ram được sử dụng cho thép cacbon không liên quan đến các hợp kim niken austenit này; các tính chất cơ học được điều chỉnh bằng cách ủ dung dịch và làm nguội có kiểm soát, và bằng cách lựa chọn các cấp phối cụ thể (800H/HT).

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học tiêu biểu (điều kiện ủ). Giá trị thực tế phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm, độ dày và quá trình xử lý nhiệt—hãy sử dụng chứng chỉ nhà máy.

Tính chất (ủ)	Incoloy 800 (điển hình)	Incoloy 825 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~480 – 700	~480 – 700
Giới hạn chảy 0,2% (MPa)	~200 – 350	~200 – 350
Độ giãn dài (%)	~30 – 50	~30 – 50
Độ bền (va đập)	Tốt, không nhạy cảm với notch ở RT	Tốt, không nhạy cảm với notch ở RT
Độ cứng (HB)	~140 – 220	~140 – 220

Giải thích: - Các đặc tính cơ học ở nhiệt độ phòng nhìn chung tương tự nhau trong điều kiện ủ nhờ nền austenit. Sự khác biệt phụ thuộc nhiều hơn vào ứng dụng: các biến thể 800H/HT có độ bền rão tốt hơn ở nhiệt độ cao nhờ cacbon và quy trình xử lý được kiểm soát; 825 không dành cho các ứng dụng có độ rão cao. - Độ dẻo dai và độ dai nói chung tương đương nhau; hàm lượng niken giúp duy trì độ dẻo ở nhiệt độ thấp và khả năng chống gãy giòn.

5. Khả năng hàn

Cả hai hợp kim đều được coi là có thể hàn được bằng phương pháp nóng chảy và phương pháp điện trở tiêu chuẩn, nhưng cần chú ý đến quy trình và xử lý sau khi hàn để đảm bảo hiệu suất sử dụng.

Các yếu tố khả năng hàn: - Hàm lượng cacbon thấp làm giảm khả năng bị cứng ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt; các nguyên tố còn lại (Mo, Cu) ảnh hưởng đến hành vi nứt đông đặc và thành phần kim loại mối hàn. - Vì cả hai đều là hợp kim austenit có độ cứng thấp nên việc gia nhiệt trước thường không cần thiết; tuy nhiên, cần phải xác nhận quy trình hàn đối với các dịch vụ quan trọng.

Chỉ số tương đương cacbon và khả năng hàn hữu ích (giải thích theo định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Và $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

• Diễn giải: $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn ngụ ý nguy cơ nứt nguội lớn hơn và cần xử lý nhiệt trước/sau hàn có kiểm soát. Cả hai hợp kim thường nằm trong vùng biểu thị khả năng hàn tốt, nhưng hàm lượng Ni cao hơn và sự hiện diện của Mo/Cu trong hợp kim 825 làm tăng nhẹ các chỉ số so với hợp kim 800.
• Lưu ý thực tế: Sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc vượt trội do nhà cung cấp khuyến nghị về khả năng tương thích với tính chất ăn mòn và cơ học; kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và tránh pha loãng quá mức khi hàn trong môi trường ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với các phương pháp xử lý không phải thép không gỉ: không áp dụng—cả hai đều là hợp kim chống ăn mòn (hợp kim thép không gỉ/HP Ni). Các lớp phủ bề mặt (sơn, phun nhiệt, ốp) có thể được sử dụng để tăng cường bảo vệ cơ học hoặc thẩm mỹ nhưng không thay thế cho việc lựa chọn hợp kim trong môi trường ăn mòn.
• Khả năng chống ăn mòn cục bộ có thể được ước tính gần đúng cho hợp kim thép không gỉ bằng cách sử dụng PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Ứng dụng của PREN: Nó hữu ích nhất đối với thép không gỉ austenit, nơi Mo và N làm tăng đáng kể khả năng chống rỗ. Incoloy 825, với Mo có thể đo được, sẽ cho thấy PREN cao hơn Incoloy 800 (có Mo không đáng kể), cho thấy khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn trong môi trường chứa clorua.
• Tóm tắt về ăn mòn định tính:
• Incoloy 825: khả năng chống axit khử (sunfuric, photphoric) vượt trội, khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất do clorua gây ra tốt trong nhiều điều kiện quy trình và khả năng chống rỗ/kẽ hở được cải thiện nhờ Mo + Cu.
• Incoloy 800: khả năng chống oxy hóa và ăn mòn tuyệt vời ở nhiệt độ cao và khả năng chống chịu tốt với môi trường thấm cacbon/oxy hóa; kém hơn 825 trong chế độ ăn mòn cục bộ hoặc axit mạnh.

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

• Tạo hình: Cả hai hợp kim đều tạo hình và uốn cong khá tốt ở trạng thái ủ; cần bán kính uốn lớn hơn thép mềm do mô đun đàn hồi thấp hơn và độ đàn hồi cao hơn. Tạo hình nguội làm tăng độ cứng khi gia công; ủ trung gian có thể cần thiết cho quá trình tạo hình phức tạp.
• Khả năng gia công: Hợp kim niken khó gia công hơn thép ferritic—độ dẫn nhiệt thấp hơn, độ bền cao hơn và quá trình tôi cứng đòi hỏi dụng cụ chắc chắn, tốc độ cắt thấp hơn, khả năng kiểm soát phoi tốt và chất làm mát. Incoloy 825 (hàm lượng Ni cao hơn) thường dễ gia công hơn một chút so với một số hợp kim niken cao hơn nhưng vẫn khó gia công hơn so với thép cacbon; Incoloy 800 có thể so sánh được.
• Hoàn thiện: Mài bề mặt, đánh bóng và hoàn thiện liên quan đến hàn tuân theo quy trình tiêu chuẩn của hợp kim niken; thụ động hóa ít liên quan hơn so với thép không gỉ nhưng có thể cần phải làm sạch và tẩy rửa có kiểm soát để khôi phục hiệu suất chống ăn mòn sau khi chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Incoloy 800 (sử dụng phổ biến)	Incoloy 825 (sử dụng phổ biến)
Các thành phần lò nung nhiệt độ cao, bộ trao đổi nhiệt và ống tạo hơi nước (môi trường oxy hóa)	Thiết bị xử lý hóa chất xử lý axit sunfuric, photphoric và hữu cơ
Ống và đường ống trong nhà máy điện (ăn mòn vừa phải, nhiệt độ cao)	Đường ống, bình chứa và phụ kiện trong hệ thống tẩy axit, phân bón và ngoài khơi
Các thành phần trong các thiết bị cải cách hóa dầu, ống bức xạ	Bộ trao đổi nhiệt, mặt bích và lớp phủ hàn cần khả năng chống clorua/rỗ
Các thành phần cần có độ ổn định chống lại quá trình cacbon hóa và oxy hóa	Môi trường quy trình hóa học ướt, nơi có các điều kiện khử và ăn mòn cục bộ là mối quan tâm

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Incoloy 800 khi độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa và hiệu quả về chi phí là ưu tiên hàng đầu và chất lỏng trong quy trình không có tính khử mạnh hoặc giàu clorua. - Chọn Incoloy 825 khi yêu cầu chính là chống ăn mòn trong môi trường nước khi khử axit, có sự hiện diện của clorua hoặc khả năng chống ăn mòn cục bộ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Incoloy 825 thường đắt hơn Incoloy 800 do hàm lượng Ni cao hơn và việc bổ sung Mo và Cu. Giá thị trường dao động theo thị trường niken và molypden.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều phổ biến trên toàn thế giới ở dạng tấm, lá, cuộn, ống, ống tròn và thanh. Incoloy 800 (và các biến thể chịu nhiệt độ cao) được sử dụng rộng rãi trong các chuỗi cung ứng điện và hóa dầu; 825 là lựa chọn tiêu chuẩn trong các chuỗi cung ứng hóa chất và ngoài khơi. Thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với các dạng sản phẩm đặc biệt và đường kính hoặc độ dày lớn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	Incoloy 800	Incoloy 825
Khả năng hàn	Rất tốt (quy trình chuẩn)	Rất tốt (khuyến nghị kiểm soát thủ tục)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ ổn định nhiệt cao (đặc biệt là 800H/HT)	Độ bền tốt; không thích hợp cho tình trạng rão cao
Ăn mòn (axit/clorua)	Trung bình (ăn mòn/oxy hóa chung)	Cao cấp (giảm axit, chống rỗ/kẽ hở)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn Incoloy 800 nếu: - Nhiệt độ hoạt động hoặc khả năng chống oxy hóa là yếu tố chính (ví dụ, bộ trao đổi nhiệt nhiệt độ cao, ống tỏa nhiệt). - Môi trường quy trình không khử mạnh hoặc chứa clorua và áp lực ngân sách ủng hộ hợp kim niken-sắt-crom có ​​chi phí thấp hơn. - Yêu cầu khả năng chống ăn mòn (chọn biến thể 800H/800HT).

• Chọn Incoloy 825 nếu:
• Dịch vụ này chứa axit khử (sunfuric, photphoric) hoặc nồng độ clorua đáng kể khi có mối lo ngại về ăn mòn cục bộ hoặc SCC.
• Yêu cầu khả năng chống rỗ, ăn mòn khe hở và axit tốt, và chi phí cao được chứng minh bằng việc giảm bảo trì và kéo dài tuổi thọ.
• Ứng dụng bao gồm hỗn hợp các phản ứng oxy hóa và khử, trong đó việc bổ sung Mo và Cu mang lại những lợi thế rõ ràng.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai hợp kim đều là lựa chọn kỹ thuật mạnh mẽ; việc lựa chọn chính xác phụ thuộc vào việc xem xét kỹ lưỡng các yếu tố hóa học quy trình, nhiệt độ, tải trọng cơ học (bao gồm cả độ rão), các hạn chế chế tạo và chi phí vòng đời. Luôn xác nhận chính xác các yêu cầu về hóa học và cơ học với chứng chỉ nhà máy và tham khảo ý kiến ​​chuyên gia về chống ăn mòn cho các môi trường quy trình quan trọng hoặc mới lạ.