Thép không gỉ 321 và 347: Loại nào tốt hơn cho hàn?

Khi chọn thép không gỉ cho môi trường-nhiệt độ cao hoặc ăn mòn, hai loại thép luôn đứng đầu danh sách:thép không gỉ 321và thép không gỉ 347. Cả hai đều thuộc họ thép không gỉ austenit và được thiết kế đặc biệt để chống lại hiện tượng phá hủy gọi là nhạy cảm -, một dạng ăn mòn giữa các hạt có thể âm thầm làm thép yếu đi, đặc biệt là trong và xung quanh các vùng hàn.

Nhưng đây là câu hỏi quan trọng mà các kỹ sư, nhà chế tạo và người quản lý mua sắm thường hỏi:

"Thép không gỉ 321 hay 347 tốt hơn để hàn?"

Câu trả lời ngắn gọn: Thép không gỉ 347 thường là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng hàn. Tuy nhiên, câu trả lời đầy đủ phụ thuộc vào môi trường hoạt động, ngân sách và yêu cầu về hiệu suất cụ thể của bạn. Hướng dẫn này chia nhỏ tất cả - từ hóa học và luyện kim đến các mẹo hàn thực tế và dữ liệu ứng dụng-trong thế giới thực.

321 vs 347 Stainless Steel

Sơ lược: Thép không gỉ 321 so với 347

Cả hai loại: Austenitic|Ổn định|Nhiệt độ-cao|Chống ăn mòn tuyệt vời

Chất ổn định 321: Titan (Ti) | 347 Chất ổn định: Niobi (Nb)

Phán quyết về hàn: 347 SS được ưu tiên sử dụng trong hầu hết các tình huống chế tạo và xây dựng hàn.

Tổng quan

Thép không gỉ 321 (UNS S32100) là thép không gỉ austenit ổn định- bằng titan có nguồn gốc từ loại 304 tiêu chuẩn. Việc bổ sung titan - với tỷ lệ tối thiểu gấp 5 lần hàm lượng cacbon - mang lại cho 321 đặc tính xác định của nó: khả năng chống ăn mòn giữa các hạt, đặc biệt là ở vùng -bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình hàn và làm việc ở nhiệt độ{10}}cao.

Titan ưu tiên liên kết với cacbon để tạo thành cacbua titan (TiC), ngăn không cho cacbon di chuyển đến các ranh giới hạt nơi nó có thể kết hợp với crom để tạo thành crom cacbua - một quá trình làm cạn kiệt vật liệu chống ăn mòn của nó-crom và tạo ra các vùng dễ bị tấn công.

Đặc điểm chính của thép không gỉ 321

Ổn định bằng titan để ngăn chặn sự kết tủa cacbua crom

Hiệu suất tuyệt vời trong dịch vụ liên tục từ 425 độ đến 870 độ (800 độ F đến 1600 độ F)

Khả năng định hình và khả năng hàn tốt cho chế tạo chung

Ưu tiên trong môi trường chế biến thực phẩm, dược phẩm và hóa chất vừa phải

Được sử dụng rộng rãi trong hệ thống xả máy bay, linh kiện nồi hơi và bộ trao đổi nhiệt

thép không gỉ 347(UNS S34700) là thép không gỉ austenit niobium-được ổn định (còn gọi là columbium-được ổn định). Giống như 321, nó có nguồn gốc từ 304 và được thiết kế để khắc phục vấn đề nhạy cảm. Tuy nhiên, thay vì titan, niobi (Nb) - được thêm vào tối thiểu 10 lần hàm lượng cacbon - đóng vai trò là nguyên tố ổn định.

Độ ổn định nguyên tử cao hơn của Niobi so với titan khiến nó đặc biệt hiệu quả trong các cấu trúc hàn nhiều và ở nhiệt độ khắc nghiệt. Điều quan trọng đối với hàn, niobi không bay hơi hoặc oxy hóa dễ dàng như titan trong quá trình hàn, dẫn đến tính chất hóa học mối hàn nhất quán và dễ dự đoán hơn.

Đặc điểm chính của thép không gỉ 347

Được ổn định bằng niobi (và tantalum) để bảo vệ vùng hàn vượt trội

Khả năng chống ăn mòn giữa các hạt tuyệt vời trong các vùng bị ảnh hưởng nhiệt{0}}của mối hàn

Độ bền leo vượt trội ở nhiệt độ rất cao so với 321

Được chỉ định rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, hạt nhân, sản xuất điện và xử lý hóa học

Ngành-được ưu tiên khi chất lượng mối hàn ổn định là yêu cầu không-có thể thương lượng

Hiểu được thành phần hóa học của cả hai loại là điều cần thiết để hiểu được khả năng hàn của chúng. Bảng dưới đây so sánh 321 SS, 347 SS và 304 SS (làm tham chiếu cơ bản) theo tiêu chuẩn ASTM A240 và ASTM A182.

Bảng 1: Thành phần hóa học - 321 so với thép không gỉ 347 và 304

Yếu tố	321 SS (%)	347 SS (%)	304 SS (Tham khảo)	Ghi chú
Crom (Cr)	17–19	17–19	18–20	Chống ăn mòn
Niken (Ni)	9–12	9–13	8–10.5	Chất ổn định Austenit
Titan (Ti)	5×C phút	-	-	chất ổn định 321
Niobi+Ta (Nb+Ta)	-	10×C phút	-	347 chất ổn định
Cacbon (C)	Nhỏ hơn hoặc bằng 0,08	Nhỏ hơn hoặc bằng 0,08	Nhỏ hơn hoặc bằng 0,08	C thấp=ít nhạy cảm hơn
Mangan (Mn)	Nhỏ hơn hoặc bằng 2,00	Nhỏ hơn hoặc bằng 2,00	Nhỏ hơn hoặc bằng 2,00	-
Silic (Si)	Nhỏ hơn hoặc bằng 1,00	Nhỏ hơn hoặc bằng 1,00	Nhỏ hơn hoặc bằng 1,00	-

Nguồn: Tiêu chuẩn ASTM A240/ASTM A182. Tất cả các giá trị tính theo phần trăm trọng lượng (wt%).

Tại sao điều này lại quan trọng đối với hàn?Titan trong 321 dễ bay hơi ở nhiệt độ hàn. Trong quá trình hàn hồ quang, đặc biệt là hàn hồ quang vonfram khí (GTAW/TIG), titan có thể bị oxy hóa và bay hơi khỏi vũng hàn. Đây là lý do tại sao kim loại phụ 347 thường được khuyên dùng ngay cả khi hàn vật liệu cơ bản 321 - niobi trong chất độn ổn định hơn nhiều trong quá trình hàn.

Ở nhiệt độ phòng, thép không gỉ 321 và 347 thể hiện các đặc tính cơ học gần như giống hệt nhau - cả hai đều đáp ứng các yêu cầu tối thiểu giống nhau theo tiêu chuẩn ASTM. Sự khác biệt có ý nghĩa xuất hiện ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trên 550 độ.

Bảng 2: Tính chất cơ học - 321 so với Thép không gỉ 347 (Nhiệt độ phòng)

Tài sản	321 SS	347 SS	304 SS (Tham khảo)	Đơn vị
Độ bền kéo (tối thiểu)	515	515	515	MPa
Sức mạnh năng suất (bù 0,2%)	205	205	205	MPa
Độ giãn dài (tối thiểu)	40	40	40	%
Độ cứng (Brinell, tối đa.)	201	201	201	HB
Tối đa. Nhiệt độ dịch vụ. (liên tục)	870	870	870	bằng cấp
Sức mạnh leo ở 700 độ	Thấp hơn	Cao hơn	Đường cơ sở	Liên quan đến

Nguồn: ASTM A240, ASME Phần II, Phần D. Dữ liệu thể hiện tình trạng ủ.

Hiệu suất nhiệt độ-cao:Ở nhiệt độ hoạt động trên 600 độ, 347 SS luôn thể hiện độ bền rão vượt trội - khả năng chống biến dạng chậm của vật liệu dưới áp lực kéo dài. Ưu điểm này trực tiếp là do xu hướng hình thành cacbua mạnh-của niobi, giúp củng cố các ranh giới hạt dưới tải trọng nhiệt. Đối với các bộ phận sẽ được hàn và sau đó đưa vào ứng dụng nhiệt đòi hỏi khắt khe (ví dụ: tua bin khí, bộ quá nhiệt hoặc lò phản ứng hạt nhân), 347 mang lại tính toàn vẹn cấu trúc lâu dài-tốt hơn đáng kể.

Đây là trái tim của người hướng dẫn. Chúng ta hãy cùng nhau kiểm tra từng yếu tố hàn quan trọng.

Bảng 3: Đặc tính hàn - 321 so với thép không gỉ 347

Yếu tố hàn	Thép không gỉ 321	Thép không gỉ 347
Kim loại phụ	Chất độn 347 hoặc 321	Chất độn 347 (kết hợp lý tưởng)
Rủi ro nhạy cảm với HAZ	Thấp (Ti ổn định)	Rất thấp (Nb ổn định)
Độ ổn định của bể hàn	Vừa phải	Xuất sắc
Hậu-Xử lý nhiệt mối hàn	Thường tùy chọn	Thường tùy chọn
Ti đốt cháy{0}}rủi ro	Có (Ti bay hơi)	Không (Nb ổn định)
Chống nứt nóng	Tốt	Rất tốt
Tính sẵn có của chất bổ sung	Có sẵn rộng rãi	Có sẵn rộng rãi
Quy trình hàn ưa thích	GTAW, SMAW, GMAW	GTAW, SMAW, GMAW
Ưu tiên ngành hàn	Tốt	Ưu tiên

Nguồn: Mã hàn kết cấu AWS D1.6 - Thép không gỉ; Hướng dẫn hàn điện Lincoln.

Nhạy cảm và nhiệt độ-Vùng bị ảnh hưởng (HAZ)

Khi thép không gỉ tiếp xúc với nhiệt độ từ 425 độ đến 870 độ -, phạm vi thường gặp trong quá trình hàn - carbon có thể khuếch tán đến các ranh giới hạt và phản ứng với crom để tạo thành cacbua crom (Cr23C6). Điều này làm cạn kiệt lớp crom bảo vệ xung quanh, để lại một vùng-dễ bị ăn mòn. Quá trình này được gọi là sự nhạy cảm.

Cả 321 và 347 đều được thiết kế để chống lại sự nhạy cảm, nhưng thông qua các cơ chế khác nhau:

321 SS sử dụng cacbua titan (TiC) để cô lập carbon trước khi nó có thể phản ứng với crom. Hiệu quả - nhưng tính dễ bay hơi của titan trong quá trình hàn có nghĩa là một số lớp bảo vệ có thể bị mất.

347 SS sử dụng niobi cacbua (NbC). Niobi vẫn ổn định trong điều kiện hàn, mang lại sự bảo vệ nhất quán trong toàn bộ mối hàn và HAZ.

Chìa khóa rút ra:347 SS cung cấp khả năng bảo vệ HAZ đáng tin cậy hơn trong và sau khi hàn vì niobi không bay hơi dưới nhiệt độ hàn hồ quang.

Lựa chọn kim loại phụ

Việc lựa chọn kim loại phụ là rất quan trọng trong hàn thép không gỉ. Phân loại của AWS và thông lệ tiêu chuẩn của ngành khuyến nghị:

Đối với kim loại cơ bản 321 SS: Sử dụng dây phụ AWS ER347. Có thể sử dụng ER321 nhưng ít được ưu tiên hơn, vì titan trong chất độn có xu hướng bị oxy hóa, khiến cho mối hàn không được cung cấp đầy đủ chất ổn định.

Đối với kim loại cơ bản 347 SS: Sử dụng dây phụ AWS ER347. Điều này mang lại mối hàn niobi-ổn định, tương thích về mặt hóa học, phù hợp chặt chẽ với thành phần và khả năng chống ăn mòn của kim loại cơ bản.

Trong thực tế, ER347 được sử dụng cho cả hai loại - là minh chứng cho tính chất hóa học hàn vượt trội của 347. Điều này cũng đơn giản hóa việc quản lý hàng tồn kho trên sàn cửa hàng.

Chống nứt nóng

Nứt nóng (còn gọi là nứt hóa rắn) xảy ra ở kim loại mối hàn hoặc HAZ khi mối hàn nguội đi và đông đặc lại. Nó bị ảnh hưởng bởi tính chất hóa học của bể hàn, mức độ tạp chất (đặc biệt là lưu huỳnh và phốt pho) và sự hiện diện của một số nguyên tố hợp kim nhất định.

Niobium trong 347 SS giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt và giảm nguy cơ nứt nóng, đặc biệt là trong các mối hàn-có nhiều đường hàn. Titan, mặc dù có hiệu quả đối với kim loại cơ bản, nhưng lại có khả năng bảo vệ kém ổn định hơn trong bể hàn do yếu tố oxy hóa nêu trên. Do đó, 347 SS được coi là có khả năng chống nứt nóng cao hơn ở các hình dạng mối hàn phức tạp.

Mặc dù cả hai loại đều phục vụ nhiều ngành giống nhau nhưng đặc tính hiệu suất của chúng làm cho mỗi loại phù hợp hơn với các trường hợp sử dụng cụ thể. Bảng dưới đây nêu bật điểm vượt trội của mỗi lớp.

Bảng 4: So sánh ứng dụng trong ngành - 321 với Thép không gỉ 347

Ngành công nghiệp	321 ứng dụng SS	347 ứng dụng SS
Hàng không vũ trụ	Ống xả, ống lót động cơ	Bộ phận động cơ tuabin, hệ thống xả phản lực
Dầu khí	Bộ trao đổi nhiệt nhà máy lọc dầu	Thùng lò phản ứng, đường ống-nhiệt độ cao
Hóa chất	Lớp lót lò phản ứng, chế tạo bể chứa	Bình áp lực hàn
Phát điện	Ống nồi hơi, đầu hơi	Ống quá nhiệt, linh kiện tuabin
Thực phẩm & Đồ uống	Thiết bị chế biến	Hiếm khi được sử dụng
Hạt nhân	Một số công dụng cấu trúc	Hệ thống điều khiển, thành phần cốt lõi

Nguồn: ASTM A213, ASTM A240, Mã nồi hơi và bình chịu áp lực ASME và các tiêu chuẩn mua sắm trong ngành.

Giá cả luôn là yếu tố thiết thực trong việc lựa chọn nguyên liệu. Đây là những gì bạn cần biết:

321 SS nói chung là tùy chọn-hiệu quả hơn về mặt chi phí. Titan rẻ hơn niobi khi là một chất bổ sung hợp kim và 321 được sản xuất với số lượng lớn hơn trên toàn cầu.

347 SS có mức phí bảo hiểm khiêm tốn - thường cao hơn 321 - từ 5% đến 15% do chi phí của niobi và đặc tính nhu cầu chuyên biệt hơn của nó.

Cả hai loại này đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, tấm, thanh, ống, ống và phụ kiện từ các nhà máy và trung tâm dịch vụ lớn trên toàn thế giới.

Đối với hầu hết các ứng dụng hàn trong đó hiệu suất hàn của 347 là rất quan trọng, mức giá cao hơn được chứng minh bằng cách giảm việc làm lại, hiệu suất ăn mòn tốt hơn và tuổi thọ dài hơn.

Chìa khóa rút ra:Tổng chi phí sở hữu - tính đến việc làm lại,-xử lý sau mối hàn và thời gian sử dụng - thường khiến 347 SS trở thành lựa chọn kinh tế hơn trong các cụm hàn dày đặc.

Sử dụng khung quyết định này để hướng dẫn lựa chọn tài liệu của bạn:

Bảng 5: Hướng dẫn quyết định lựa chọn vật liệu

Chọn 321 SS nếu…	Chọn 347 SS nếu…
Phần sẽ KHÔNG được hàn rộng rãi	Thành phần này liên quan đến quá trình hàn-nặng hoặc nhiều lần
Ngân sách là mối quan tâm hàng đầu	Khả năng chống ăn mòn lâu dài ở các mối hàn là rất quan trọng
Khả năng định hình và khả năng gia công là ưu tiên	Hoạt động trong dịch vụ được xếp hạng hạt nhân hoặc hàng không vũ trụ-
Ứng dụng dành cho thực phẩm{0}}hoặc dược phẩm	Độ bền leo ở nhiệt độ rất cao là cần thiết
Nguy cơ ăn mòn giữa các hạt là vừa phải	Khả năng tương thích của kim loại phụ phải gần{0}}hoàn hảo

Khi chỉ định thép không gỉ 321 hoặc 347, hãy đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn áp dụng cho ngành của bạn:

Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của ASTM A{0}} đối với tấm, tấm và dải thép không gỉ crom và crom{1}}niken

ASTM A182 - Mặt bích ống thép-hợp kim rèn hoặc cán, phụ kiện rèn và van

ASTM A213 - Nồi hơi bằng thép hợp kim ferritic và austenit{1}}không liền mạch, bộ quá nhiệt và ống trao đổi nhiệt

Mã nồi hơi và bình áp suất ASME (BPVC) - Phần II, Phần D: Đặc tính vật liệu

Mã hàn kết cấu AWS D1.6 - cho thép không gỉ

EN 10088 - Tiêu chuẩn Châu Âu dành cho thép không gỉ (cấp tương đương: 1.4541 cho 321; 1.4550 cho 347)

Bất kể bạn chọn loại nào, hãy làm theo các phương pháp hàn tốt nhất sau để đạt được kết quả tốt nhất:

Chuẩn bị trước mối hàn

Làm sạch kỹ lưỡng kim loại nền - loại bỏ tất cả dầu mỡ, sơn và vảy cán khỏi vùng hàn bằng axeton hoặc chất tẩy rửa bằng thép không gỉ đã được phê duyệt

Sử dụng bàn chải dây thép không gỉ và đá mài được chỉ định dành riêng cho thép không gỉ - ô nhiễm với các dụng cụ bằng thép cacbon gây ra rỉ sét và ăn mòn

Bảo quản và xử lý vật liệu trong môi trường sạch sẽ để tránh lây nhiễm chéo

Trong quá trình hàn

Sử dụng dây hàn AWS ER347 cho cả kim loại cơ bản 321 và 347 bất cứ khi nào có thể

Sử dụng các kỹ thuật đầu vào nhiệt độ thấp để giảm thiểu kích thước HAZ và giảm rủi ro nhạy cảm

Sử dụng-làm sạch ngược bằng khí argon khi hàn ống, ống dẫn hoặc các phần kín để bảo vệ chân mối hàn khỏi quá trình oxy hóa

Duy trì nhiệt độ giữa các lớp dưới 175 độ (350 độ F) để kiểm soát sự phát triển của hạt

Hậu-Xử lý mối hàn

Thụ động hóa - Xử lý vùng hàn bằng dung dịch axit nitric hoặc axit xitric để khôi phục lớp oxit crom thụ động

Sau-Xử lý nhiệt mối hàn (PWHT) - Nói chung không bắt buộc đối với các lớp ổn định, nhưng có thể được chỉ định bởi một số mã nhất định (ASME) cho các bộ phận chứa áp suất-

Tẩy rửa - Loại bỏ vết nhiệt và quá trình oxy hóa khỏi các khu vực mối hàn bằng cách sử dụng dung dịch hoặc chất tẩy rửa thích hợp, sau đó rửa kỹ

Cả thép không gỉ 321 và 347 đều là những vật liệu nổi bật dành cho các ứng dụng có khả năng chống-nhiệt độ cao, chống ăn mòn-. Chúng có chung mục đích - ngăn ngừa sự nhạy cảm - nhưng đạt được mục đích đó thông qua các chiến lược hợp kim khác nhau và sự khác biệt đó đóng vai trò quan trọng đáng kể khi liên quan đến hàn.

Để tóm tắt kết quả chính của hướng dẫn này:

Đối với ứng dụng hàn: Chọn thép không gỉ 347.

Đối với chế tạo chung mà không cần hàn rộng rãi: Thép không gỉ 321 mang lại giá trị tuyệt vời.

Chất ổn định niobi của 347 SS mang lại tính chất hóa học cho bể hàn ổn định hơn, khả năng bảo vệ HAZ tốt hơn và hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ cao - khiến nó trở thành loại được lựa chọn trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, hạt nhân, xử lý hóa chất và sản xuất điện, nơi tính toàn vẹn của mối hàn là không-có thể thương lượng.

321 SS vẫn là lựa chọn linh hoạt, tiết kiệm cho các tổ hợp và ứng dụng hàn không quan trọng-trong đó khả năng định dạng và hiệu quả chi phí là những yếu tố thúc đẩy.

Khi có nghi ngờ, hãy tham khảo ý kiến kỹ sư vật liệu của bạn, xem xét các tiêu chuẩn ASTM/ASME hiện hành cho ứng dụng của bạn và hợp tác với mộtnhà cung cấp inox đáng tin cậyngười có thể cung cấp các báo cáo thử nghiệm nhà máy được chứng nhận (MTR) và hỗ trợ kỹ thuật.

Tôi có thể hàn thép không gỉ 321 và 347 với nhau không?

Đúng. Sử dụng kim loại độn ER347 là phương pháp-tiêu chuẩn của ngành để nối hai loại này. Lớp hàn sẽ được ổn định bằng niobi-, mang lại khả năng chống ăn mòn tốt trên toàn bộ mối nối.

Thép không gỉ 347 có từ tính không?

Trong điều kiện ủ, 347 SS không có từ tính-như hầu hết các loại thép không gỉ austenit. Gia công nguội có thể tạo ra một mức độ từ tính nhỏ do sự hình thành martensite bị căng-gây ra.

Nhiệt độ tối đa cho 321 và 347 SS là bao nhiêu?

Cả hai loại đều được xếp hạng cho dịch vụ liên tục lên tới khoảng 870 độ (1600 độ F). Đối với dịch vụ không liên tục, 347 có thể chịu được nhiệt độ lên tới khoảng 900 độ. Trên những nhiệt độ này, quá trình oxy hóa và đóng cặn trở thành mối quan tâm đáng kể.

Tại sao sử dụng chất độn 347 để hàn inox 321?

Titan (ở 321) có xu hướng bị oxy hóa và bay hơi trong quá trình hàn hồ quang, khiến cho mối hàn-không ổn định. Niobium (trong chất độn ER347) ổn định hơn nhiều trong điều kiện hàn, mang lại khả năng bảo vệ nhạy cảm đáng tin cậy trong kim loại mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt.

Thực phẩm bằng thép không gỉ 321 và 347-có an toàn không?

321 SS thường được sử dụng trong thiết bị chế biến thực phẩm và dược phẩm do khả năng chống ăn mòn và khả năng làm sạch tuyệt vời. 347 SS, trong khi về mặt kỹ thuật thực phẩm-an toàn, hiếm khi được chỉ định trong lĩnh vực này vì chi phí cao hơn và các đặc tính chuyên dụng phù hợp hơn với các ứng dụng công nghiệp.