Thép không gỉ 321H: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 321H được phân loại là thép không gỉ austenit, được biết đến với độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa tuyệt vời. Loại này chủ yếu được hợp kim với crom (18-20%) và niken (9-12%), với việc bổ sung titan (gấp 5 lần hàm lượng carbon, thường là khoảng 0,5%) để ổn định cấu trúc chống lại sự kết tủa cacbua. Sự hiện diện của các nguyên tố này làm tăng khả năng chống ăn mòn của nó, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất và hóa dầu.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ 321H là một phiên bản cải tiến của loại thép không gỉ 321 tiêu chuẩn, được thiết kế để cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao. Thành phần độc đáo của nó cho phép nó chịu được nhiệt độ cao trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn về mặt cấu trúc. Khả năng chống ăn mòn giữa các hạt của hợp kim này đặc biệt đáng chú ý, đây là vấn đề thường gặp ở nhiều loại thép không gỉ khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Ưu điểm của thép không gỉ 321H:
- Khả năng chịu nhiệt độ cao: Có khả năng chịu được nhiệt độ lên tới 900°C (1650°F) mà không làm giảm đáng kể các tính chất cơ học.
- Chống ăn mòn: Khả năng chống oxy hóa và ăn mòn tuyệt vời trong nhiều môi trường khác nhau, đặc biệt là trong điều kiện có tính axit và giàu clorua.
- Độ ổn định: Việc bổ sung titan giúp giảm thiểu nguy cơ kết tủa cacbua trong quá trình hàn, giúp vật liệu này phù hợp với các quy trình chế tạo.

Hạn chế của thép không gỉ 321H:
- Chi phí: Nói chung đắt hơn thép không gỉ cấp thấp hơn do có chứa các thành phần hợp kim.
- Khả năng gia công: Mặc dù có khả năng hàn tốt nhưng việc gia công loại thép này có thể khó khăn hơn so với các loại thép không gỉ khác do độ bền của nó.

Theo truyền thống, 321H đã được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao và khả năng chống ăn mòn, chẳng hạn như trong ngành hàng không vũ trụ và chế biến hóa chất. Vị thế thị trường của nó rất mạnh, đặc biệt là trong các lĩnh vực đòi hỏi vật liệu có khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	S32109	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với 321 với hàm lượng carbon cao hơn
AISI/SAE	321H	Hoa Kỳ	Biến thể carbon cao của 321
Tiêu chuẩn ASTM	A240	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép không gỉ
VI	1.4878	Châu Âu	Tương đương theo tiêu chuẩn Châu Âu
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS321H	Nhật Bản	Tiếng Nhật tương đương với các tính chất tương tự
Tiêu chuẩn ISO	321H	Quốc tế	Tiêu chuẩn quốc tế

Sự khác biệt giữa 321H và các loại tương đương thường nằm ở hàm lượng carbon và các đặc tính cơ học cụ thể, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Ví dụ, hàm lượng carbon cao hơn trong 321H làm tăng độ bền nhưng có thể làm giảm nhẹ khả năng chống ăn mòn so với các biến thể carbon thấp hơn.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cr (Crom)	18.0 - 20.0
Ni (Niken)	9.0 - 12.0
Ti (Titan)	5 x C (thường là 0,5)
C (Cacbon)	0,04 - 0,10
Mn (Mangan)	2.0 tối đa
Si (Silic)	1.0 tối đa
P (Phốt pho)	0,045 tối đa
S (Lưu huỳnh)	0,03 tối đa

Vai trò chính của crom là tăng cường khả năng chống ăn mòn, trong khi niken góp phần tạo nên độ bền và độ dẻo của hợp kim. Titan ổn định cấu trúc chống lại sự kết tủa cacbua, yếu tố quan trọng để duy trì khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao. Cacbon, mặc dù có hàm lượng nhỏ, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	520 - 750MPa	75 - 109 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	205 - 310MPa	30 - 45 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	40% phút	40% phút	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	Nhiệt độ phòng	90 - 95 HRB	90 - 95 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Ủ	-196°C (-320°F)	40 tháng	30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao làm cho 321H phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn của cấu trúc dưới tải trọng cơ học. Độ giãn dài của nó cho thấy độ dẻo tốt, cho phép biến dạng mà không bị gãy, điều này rất cần thiết trong các ứng dụng động.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	8,0 g/cm³	0,289 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	16,2 W/m·K	112 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	500 J/kg·K	0,119 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,73 µΩ·m	0,00000073 Ω·m
Hệ số giãn nở nhiệt	Nhiệt độ phòng	16,0 x 10⁻⁶/K	8,9 x 10⁻⁶/°F

Mật độ của 321H cho thấy nó tương đối nặng so với các vật liệu khác, điều này có thể được cân nhắc trong các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng. Độ dẫn nhiệt của nó ở mức trung bình, khiến nó phù hợp với các ứng dụng cần truyền nhiệt nhưng không quá mức. Hệ số giãn nở nhiệt rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến biến động nhiệt độ, vì nó ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Axit sunfuric	10-20	25°C / 77°F	Tốt	Nguy cơ rỗ
Axit clohydric	5-10	25°C / 77°F	Hội chợ	Dễ bị SCC
Clorua	3-5	60°C / 140°F	Tốt	Nguy cơ ăn mòn cục bộ
Nước biển	-	25°C / 77°F	Xuất sắc	Chống chịu được môi trường biển
Amoniac	-	25°C / 77°F	Tốt	Ổn định trong môi trường amoniac

Thép không gỉ 321H có khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều tác nhân ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường biển. Tuy nhiên, nó dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong môi trường giàu clorua, đây là một cân nhắc quan trọng trong ứng dụng của nó. So với thép không gỉ 304 và 316, 321H có hiệu suất nhiệt độ cao tốt hơn nhưng có thể không hoạt động tốt trong điều kiện có tính axit cao.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	900°C	1650°F	Thích hợp cho việc tiếp xúc kéo dài
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	1000°C	1832°F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ thang đo	800°C	1472°F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	600°C	1112°F	Bắt đầu suy thoái ở nhiệt độ trên này

Ở nhiệt độ cao, 321H vẫn giữ được các đặc tính cơ học, phù hợp với các ứng dụng như bộ trao đổi nhiệt và các thành phần lò nung. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ vượt quá giới hạn sử dụng liên tục tối đa của nó có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và đóng cặn, có thể làm giảm tính toàn vẹn của nó.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
TIG	ER321	Khí Argon	Nên làm nóng trước
MIG	ER321	Argon + CO2	Có thể cần xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E321	-	Tốt cho các phần dày hơn

Thép không gỉ 321H thường được coi là có khả năng hàn tốt. Nên sử dụng kim loại phụ như ER321 để duy trì khả năng chống ăn mòn. Làm nóng trước khi hàn có thể giúp giảm nguy cơ nứt, trong khi xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính cơ học của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ 321H	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Thách thức hơn khi gia công
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	50 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Thép 321H có chỉ số khả năng gia công thấp hơn so với các loại thép dễ gia công hơn như AISI 1212. Các điều kiện tối ưu bao gồm sử dụng các dụng cụ sắc bén và tốc độ cắt phù hợp để giảm thiểu hao mòn dụng cụ và đạt được bề mặt hoàn thiện mong muốn.

Khả năng định hình

Thép không gỉ 321H thể hiện khả năng định hình tốt, đặc biệt là trong điều kiện ủ. Có thể gia công nguội với độ khó vừa phải và cũng có thể định hình nóng. Tuy nhiên, do độ bền của nó, có thể cần bán kính uốn cong lớn hơn để tránh nứt trong quá trình định hình.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Dung dịch ủ	1010 - 1120°C / 1850 - 2050°F	30 phút	Không khí hoặc Nước	Hòa tan cacbua, cải thiện độ dẻo
Giảm căng thẳng	600 - 700°C / 1112 - 1292°F	1-2 giờ	Không khí	Giảm ứng suất dư

Trong quá trình xử lý nhiệt, 321H trải qua các biến đổi luyện kim giúp tăng cường cấu trúc vi mô, cải thiện độ dẻo và độ bền. Ủ dung dịch đặc biệt hiệu quả trong việc hòa tan cacbua và tối ưu hóa khả năng chống ăn mòn của hợp kim.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Hàng không vũ trụ	Hệ thống xả	Khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn	Cần thiết cho sự an toàn và hiệu suất
Xử lý hóa học	Bộ trao đổi nhiệt	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Cần thiết cho môi trường khắc nghiệt
Dầu khí	Đường ống	Độ bền cao, khả năng chống oxy hóa	Quan trọng đối với tính toàn vẹn của cấu trúc
Sản xuất điện	Linh kiện nồi hơi	Độ ổn định nhiệt độ cao	Cần thiết cho hiệu quả

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Thiết bị chế biến thực phẩm
- Sản xuất dược phẩm
- Ứng dụng hàng hải

321H được chọn cho các ứng dụng này vì khả năng chịu được điều kiện khắc nghiệt trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc và khả năng chống ăn mòn.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ 321H	Thép không gỉ 304	Thép không gỉ 316	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Sức mạnh vừa phải	Sức mạnh vừa phải	321H có độ bền vượt trội ở nhiệt độ cao
Góc nhìn ăn mòn chính	Tốt ở nhiệt độ cao	Tuyệt vời nói chung	Tuyệt vời trong clorua	321H có thể không hoạt động tốt trong môi trường có tính axit cao
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	321H yêu cầu thực hành hàn cẩn thận
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	321H khó gia công hơn 304
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Tốt	321H yêu cầu bán kính uốn cong lớn hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao hơn	Thấp hơn	Cao hơn	321H đắt hơn do có chứa các thành phần hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Cao	321H có thể ít có sẵn hơn 304 hoặc 316

Khi lựa chọn thép không gỉ 321H, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu hiệu suất cụ thể trong môi trường nhiệt độ cao và ăn mòn. Các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng thích hợp mà các loại khác có thể không hoạt động tốt.

Tóm lại, thép không gỉ 321H là vật liệu đa năng và bền chắc, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao đòi hỏi khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học tuyệt vời. Các đặc tính và đặc điểm chế tạo độc đáo của nó khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên trong nhiều ngành công nghiệp đòi hỏi khắt khe.