Inconel 625 so với Hastelloy C276 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường lựa chọn giữa Inconel 625 và Hastelloy C-276 khi thiết kế yêu cầu hợp kim niken hiệu suất cao, chống ăn mòn. Quyết định này thường cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn (bao gồm khả năng chống rỗ, ăn mòn khe hở và ăn mòn hóa học) với độ bền, khả năng hàn, tính khả dụng và chi phí. Trong các môi trường ứng dụng từ xử lý hóa chất đến hàng hải và hàng không vũ trụ, vấn đề nan giải khi lựa chọn thường là "khả năng chống ăn mòn tối đa so với hiệu suất cơ học và khả năng chế tạo tối ưu".

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa hai hợp kim này nằm ở chiến lược hợp kim hóa của chúng: một bên nhấn mạnh vào việc gia cường dung dịch rắn gốc niken bằng cách bổ sung niobi (Inconel 625), trong khi bên kia nhấn mạnh vào hàm lượng molypden và vonfram cao hơn để tăng khả năng chống ăn mòn trong môi trường hóa chất khắc nghiệt (Hastelloy C-276). Do sự khác biệt này quyết định nhiều đặc tính hạ nguồn (tính chất cơ học, hiệu suất chống ăn mòn, đặc tính chế tạo), hai hợp kim này thường được so sánh với nhau để chế tạo các chi tiết chịu tác động khắc nghiệt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và tên gọi chung cho từng hợp kim bao gồm thông số kỹ thuật của ngành và số UNS:

• Inconel 625
• UNS: N06625
• Tiêu chuẩn ASTM/ASME phổ biến: ASTM B443 (dành cho sản phẩm rèn), ASTM B443/B444 dành cho tấm/tấm/dải/rèn; Mã tham chiếu nồi hơi và bình chịu áp suất ASME nếu có.
• Tương đương EN/JIS/GB: Không có số tiêu chuẩn EN trực tiếp 1:1; thường được tham chiếu chéo trong bảng dữ liệu của nhà cung cấp.

• Thể loại: Hợp kim gốc niken (thường được coi là hợp kim hiệu suất cao thay vì thép không gỉ).

• Hastelloy C-276

• UNS: N10276
• Tiêu chuẩn ASTM/ASME phổ biến: ASTM B622 (dành cho ống và hình dạng rèn chống ăn mòn), ASTM B619/B626 dành cho các dạng sản phẩm khác.
• Tương đương EN/JIS/GB: Giống như nhiều hợp kim Ni độc quyền, số EN trực tiếp bị giới hạn; được sử dụng theo thông số kỹ thuật của vật liệu.
• Thể loại: Hợp kim chống ăn mòn gốc niken (thường được xếp vào nhóm hợp kim chống ăn mòn hiệu suất cao).

Cả hai đều là hợp kim gốc niken chứ không phải thép cacbon, thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép cấp HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng tóm tắt về các phạm vi thành phần điển hình. Các giá trị là phạm vi điển hình (wt%) đại diện được tìm thấy trong các bảng dữ liệu và tiêu chuẩn của nhà cung cấp; hãy luôn kiểm tra chứng nhận nhà máy cụ thể để mua hàng.

Yếu tố	Inconel 625 (khối lượng điển hình%)	Hastelloy C-276 (khối lượng điển hình%)
C	≤ 0,10	≤ 0,02
Mn	≤ 0,50	≤ 0,50
Si	≤ 0,50	≤ 0,08
P	≤ 0,015	≤ 0,03
S	≤ 0,015	≤ 0,02
Cr	20–23	15,5–17,5
Ni	Số dư (~58)	Số dư (~57)
Mo	8–10	15–17
V	—	—
Nb (+Ta)	3.0–4.2	≤ 0,5
Ti	≤ 0,40	≤ 0,2
B	≤ 0,006	≤ 0,01
N	≤ 0,05	≤ 0,05
W	—	3,5–4,5
Fe	≤ 5	~4–7

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào - Niken (Ni) là nền tảng cung cấp độ dẻo và khả năng chống lại nhiều môi trường ăn mòn. - Crom (Cr) có khả năng oxy hóa và thụ động hóa nói chung. - Molypden (Mo) và vonfram (W) cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ, khe hở) và khả năng chống axit khử; hàm lượng Mo+W cao hơn trong C-276 mang lại khả năng chống chịu vượt trội trong nhiều môi trường hóa chất khắc nghiệt. - Niobi (Nb) và tantal (Ta) trong Inconel 625 góp phần tăng cường độ bền và ổn định dung dịch rắn chống lại một số chất kết tủa, tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão. - Hàm lượng cacbon thấp trong C-276 giúp giảm thiểu sự kết tủa cacbua và sự tấn công giữa các hạt trong điều kiện hàn hoặc nhạy cảm.

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

Cấu trúc vi mô (khi chế tạo và sau khi xử lý nhiệt thông thường) - Cả hai hợp kim về cơ bản đều là dung dịch rắn gốc niken đơn pha ở điều kiện ủ. Chúng không phụ thuộc vào quá trình biến đổi martensitic như thép; thay vào đó, các đặc tính của chúng đến từ quá trình gia cường dung dịch rắn và, đối với Inconel 625, là quá trình kết tụ/kết tủa có kiểm soát các pha giàu Nb nếu được ủ. - Inconel 625: nền Ni lập phương tâm mặt (FCC) chủ yếu với Cr, Mo và Nb trong dung dịch rắn. Dưới tác động của lão hóa/nhiệt độ nhất định, các hạt nhỏ giàu Nb (γ″/δ-like) hoặc các cacbua có thể hình thành nếu tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài; tuy nhiên, N06625 được điều chế để chống lại sự kết tủa pha có hại và thường được sử dụng ở điều kiện ủ. - Hastelloy C-276: Ma trận FCC Ni với hàm lượng Mo và W cao hơn trong dung dịch. Hợp kim này có khả năng chống kết tủa liên kim loại và hình thành cacbua cao khi sử dụng trong điều kiện ủ tiêu chuẩn; tuy nhiên, tiếp xúc nhiệt độ cao kéo dài vẫn có thể tạo ra các pha ranh giới hạt ở mức cực đại.

Phản ứng xử lý nhiệt và các tuyến xử lý điển hình - Cả hai hợp kim đều không được hưởng lợi từ các chu trình tôi và ram thông thường như thép. Ủ dung dịch (ví dụ, nung đến nhiệt độ đồng nhất quy định và làm nguội nhanh) được sử dụng để hòa tan bất kỳ chất kết tủa nào và phục hồi khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo/hàn. - Xử lý nhiệt cơ học (gia công nóng) kiểm soát kích thước hạt và ảnh hưởng đến độ dẻo dai; cả hai hợp kim đều phản ứng với quá trình gia công nóng có kiểm soát sau đó là quá trình ủ. - Chuẩn hóa không áp dụng được cho thép. Đối với hợp kim Ni có thể làm cứng bằng kết tủa, phương pháp lão hóa chuyên biệt được sử dụng; Inconel 625 không phải là hợp kim làm cứng bằng kết tủa nhưng có thể cho thấy một số cải thiện về độ bền liên quan đến tuổi tác — thường được cung cấp ở dạng ủ để có khả năng chống ăn mòn tốt nhất.

4. Tính chất cơ học

Hành vi cơ học điển hình ở nhiệt độ phòng (điều kiện ủ). Cung cấp những thông tin này dưới dạng phạm vi định tính/điển hình — xác nhận chứng chỉ nhà máy về thiết kế.

Tài sản	Inconel 625 (ủ, điển hình)	Hastelloy C-276 (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	Trung bình đến cao (thường ở phạm vi MPa cao đối với hợp kim Ni)	Trung bình (nói chung là thứ tự tương tự nhưng thường thấp hơn một chút so với 625)
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	Tương đối cao đối với hợp kim ăn mòn (dung dịch rắn + Nb)	Thấp hơn 625 trong điều kiện ủ
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt (thường có độ giãn dài cao)	Độ dẻo tốt đến tuyệt vời
Độ bền va đập	Độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; vẫn giữ được độ dẻo	Độ dẻo dai và độ dai tốt; nhạy cảm với các khuyết tật chế tạo
Độ cứng	Trung bình (mềm so với thép cứng)	Vừa phải

Diễn giải - Inconel 625 thường có độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn so với Hastelloy C-276 vì hợp kim của nó (đặc biệt là Nb/Ta và thiết kế dung dịch rắn) làm tăng độ bền trong khi vẫn duy trì hiệu suất chống ăn mòn. - Hastelloy C-276 nhấn mạnh khả năng chống ăn mòn tối đa (Mo + W) và do đó có xu hướng kém bền hơn một chút trong điều kiện ủ, nhưng vẫn dẻo và bền cho các hoạt động chế tạo thông thường.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai hợp kim đều tuyệt vời so với nhiều loại thép không gỉ khác, nhưng vẫn có những điểm khác biệt quan trọng.

Các yếu tố: - Hàm lượng cacbon thấp trong C-276 làm giảm sự kết tủa cacbua và nguy cơ ăn mòn giữa các hạt trong vùng HAZ của mối hàn. - Inconel 625 nổi tiếng với khả năng hàn tuyệt vời, nhu cầu xử lý nhiệt sau hàn tối thiểu và khả năng chống nứt mối hàn mạnh mẽ nhờ hàm lượng niken cao và khả năng gia cường bằng dung dịch rắn.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (sử dụng định tính) - Công thức tính cacbon tương đương cho thép (ví dụ) có thể được sử dụng để ước tính khả năng tôi luyện: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Một tham số toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính) - Các công thức này được thiết kế riêng cho thép và không định lượng trực tiếp cho hợp kim Ni, nhưng chúng minh họa rằng các nguyên tố như Nb và Mo làm tăng hệ số khả năng nứt hoặc cứng do hàn trong thép. Đối với hợp kim Ni, hàm lượng Ni cao và khả năng tôi cứng vốn có thấp đồng nghĩa với việc cả hai hợp kim đều rất dễ hàn. - Thực hành tốt nhất: sử dụng kim loại hàn phù hợp, kiểm soát nhiệt lượng đầu vào và tuân thủ khuyến nghị của nhà cung cấp. Inconel 625 thường có thể hàn mà không cần ủ sau khi hàn; C-276 cũng hàn tốt, nhưng cần chú ý lựa chọn vật liệu hàn và tránh nhiễm bẩn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ, biện pháp bảo vệ bề mặt như mạ kẽm, sơn hoặc mạ điện là tiêu chuẩn; đối với hợp kim gốc Ni, khả năng chống ăn mòn nội tại là điểm thiết kế và lớp phủ bề mặt ít được sử dụng trừ khi vì lý do chi phí hoặc thẩm mỹ.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) chủ yếu được sử dụng cho thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng trực tiếp cho hợp kim gốc niken; chỉ sử dụng nó như một thước đo so sánh với thép không gỉ.

Hành vi ăn mòn - Hastelloy C-276 có khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ, ăn mòn khe hở) và ăn mòn nói chung vượt trội trong môi trường axit khử và chứa clorua nhờ hàm lượng Mo và W cao hơn. C-276 thường được chỉ định cho môi trường hóa chất oxy hóa/khử hỗn hợp, clo ướt và axit hữu cơ mạnh. - Inconel 625 có khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều loại môi trường ăn mòn, bao gồm nước biển, axit flohydric ở nồng độ nhất định và nhiều môi trường công nghiệp khác. Sự kết hợp giữa các đặc tính cơ học mạnh mẽ và khả năng chống ăn mòn rất tốt khiến nó trở thành hợp kim Ni đa dụng phổ biến. - Trong các ứng dụng liên kết galvanic quan trọng, hãy xem xét sự khác biệt về điện thế điện hóa; Hợp kim Ni quý hơn thép và có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn các kim loại ít quý hơn nếu liên kết mà không có lớp cách điện.

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

• Khả năng gia công: Cả hai hợp kim này đều khó gia công hơn thép cacbon và thép không gỉ. Chúng có tính chất tôi luyện và sinh nhiệt cao; khuyến nghị về dụng cụ bao gồm thiết lập cứng, dụng cụ carbide sắc bén, cấp liệu được kiểm soát và lưu lượng chất làm mát cao. Inconel 625 được coi là khó gia công nhưng dễ quản lý; C-276 thường có khả năng gia công tương tự hoặc kém hơn một chút do hàm lượng Mo/W cao.
• Khả năng định hình: Cả hai đều có độ dẻo tốt để định hình và uốn cong khi ủ. Định hình nóng thường được áp dụng cho các tiết diện nặng. Độ đàn hồi có thể rõ rệt hơn so với thép mềm.
• Việc hoàn thiện và mài bề mặt đòi hỏi phải có chất mài mòn và làm mát thích hợp; cả hai hợp kim đều phản ứng tốt với quá trình đánh bóng điện phân đối với các bề mặt dễ bị ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

Inconel 625 – Công dụng điển hình	Hastelloy C-276 – Ứng dụng điển hình
Các thành phần hàng không vũ trụ (khung động cơ, bộ phận đốt sau) và vỏ động cơ tên lửa cần có độ bền + khả năng chống ăn mòn	Thiết bị xử lý hóa chất ăn mòn hỗn hợp, thu hồi axit, hệ thống khử trùng bằng clo
Các thành phần hàng hải: hệ thống nước biển, đường ống và mặt bích	Máy lọc khí thải khử lưu huỳnh, kiểm soát ô nhiễm, lò phản ứng hóa học có axit khử
Bộ trao đổi nhiệt và bình chịu áp suất tiếp xúc với nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn	Xử lý chất thải, thiết bị xử lý điện hóa, dòng chất ăn mòn giấy/bột giấy
Các chi tiết cố định, lò xo và các sản phẩm hàn chịu ứng suất cao được hưởng lợi từ độ bền và khả năng hàn cao	Lớp lót bể, van và phụ kiện cho quá trình xử lý hóa chất mạnh

Cơ sở lựa chọn - Chọn Inconel 625 khi tải trọng cơ học, nhiệt độ và khả năng chế tạo dễ dàng (khả năng hàn) là yếu tố quan trọng nhưng vẫn yêu cầu khả năng chống ăn mòn rộng. - Chọn Hastelloy C-276 khi yêu cầu chính là khả năng chống ăn mòn đối với clorua, chất oxy hóa/chất khử hỗn hợp hoặc môi trường hóa chất có tính axit/khử cao.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Hastelloy C-276 thường có giá cao hơn Inconel 625/kg do hàm lượng Mo và W cao hơn cũng như chi phí vật liệu liên quan. Giá thị trường thay đổi theo giá hàng hóa nguyên tố (Mo, W, Ni).
• Tính khả dụng: Inconel 625 được sản xuất dưới nhiều dạng sản phẩm (thanh, tấm, ống, kết cấu hàn) và có sẵn trên toàn thế giới. Hastelloy C-276 có sẵn rộng rãi nhưng có thể được cung cấp ở ít dạng cán tiêu chuẩn hơn và ở một số khu vực, thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với các đơn hàng lớn hoặc chuyên biệt.
• Mẹo mua sắm: chỉ định số UNS, dạng sản phẩm và báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) bắt buộc để tránh nhầm lẫn khi thay thế; giá có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào thị trường Mo và Ni.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	Inconel 625	Hastelloy C-276
Khả năng hàn	Tuyệt vời; dễ tha thứ; thường yêu cầu PWHT tối thiểu	Tuyệt vời; cần chất độn phù hợp và cẩn thận để tránh nhiễm bẩn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền kéo/năng suất cao hơn trong điều kiện ủ; độ dẻo dai rất tốt	Độ dẻo dai tốt; độ bền thường thấp hơn một chút khi ủ
Trị giá	Thấp hơn (tương đối) và được dự trữ rộng rãi hơn	Chi phí cao hơn do Mo/W; đôi khi thời gian hoàn thành lâu hơn

Sự giới thiệu - Chọn Inconel 625 nếu bạn cần sự kết hợp mạnh mẽ giữa độ bền cao, khả năng hàn tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn rất tốt trong nhiều môi trường khác nhau — điển hình cho các cụm hàn có ứng suất cao, nhiệt độ cao hoặc trong đó tính dễ chế tạo và hiệu suất cơ học là ưu tiên hàng đầu. - Chọn Hastelloy C-276 nếu môi trường làm việc có nhiều hóa chất ăn mòn mạnh (clorua, chất oxy hóa và chất khử hỗn hợp, axit hữu cơ) và khả năng chống ăn mòn tối đa là yêu cầu chủ yếu, ngay cả khi chi phí vật liệu cao hơn và có những hạn chế tiềm ẩn về chế tạo.

Lưu ý mua sắm cuối cùng: luôn xác nhận lô hợp kim/nhiệt cụ thể với báo cáo thử nghiệm nhà máy, xác minh hình dạng sản phẩm cần thiết và trạng thái xử lý nhiệt, và xem xét phân tích chi phí vòng đời (chi phí vật liệu ban đầu so với bảo trì/sửa chữa và tuổi thọ) khi lựa chọn giữa hai hợp kim niken hiệu suất cao này.