Inox Duplex là gì? Sức mạnh kết hợp từ Austenit và Ferit

Inox Duplex là họ thép không gỉ có cấu trúc vi kim loại gồm đồng thời hai pha: austenit và ferit, thường gần 50/50. Nhờ “song pha” này, Duplex kết hợp độ bền cao của ferit với khả năng chống ăn mòn và dẻo dai của austenit, tạo nên tỉ lệ chi phí/hiệu năng vượt trội cho môi trường có chloride. Chủ đề này thuộc nhóm phân tích mác inox, nhưng bài viết sẽ đi thẳng vào Duplex như một hướng dẫn độc lập, chuyên sâu.

Inox Duplex là gì? Cấu trúc 2 pha và cơ chế “kết hợp sức mạnh”

– Vi cấu trúc: pha ferit (cứng, bền chảy cao, từ tính) đan xen pha austenit (dẻo dai, không từ). Thiết kế thành phần đảm bảo cân bằng pha sau luyện, cán/đúc và hàn.
– Vai trò của Nito (N): tăng ổn định austenit, nâng PREN (chống rỗ), cải thiện bền kéo mà vẫn giữ dẻo dai.
– Đặc điểm nhận biết:
– Độ bền chảy (yield) gấp khoảng 2 lần inox austenit 304/316.
– Chống nứt do ứng suất trong Chloride (Cl-SCC) tốt hơn 304/316.
– Có từ tính nhẹ đến vừa (khác 304/316 gần như phi từ).
– Phân nhóm chính:
– Lean Duplex (chi phí tối ưu, PREN cao hơn 304/316).
– Duplex tiêu chuẩn 2205 (cân bằng bền và chống ăn mòn).
– Super Duplex 2507/S32760 (chống ăn mòn biển khắc nghiệt).

Thành phần hóa học và các mác Duplex phổ biến

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ≈ %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N. PREN càng cao, chống rỗ/ăn kẽ hở càng tốt.

Lean Duplex

– LDX 2101 (UNS S32101, EN 1.4162): ~21.5%Cr, ~1.5%Ni, ~5%Mn, ~0%Mo, ~0.22%N. PREN ~26–29.
– 2304 (UNS S32304, EN 1.4362): ~23%Cr, ~4%Ni, Mo rất thấp, ~0.1%N. PREN ~26–28.
– Khi dùng: thay 304/316 trong môi trường chloride vừa phải, xây dựng ven biển, bồn nước, kết cấu.

Duplex tiêu chuẩn 2205

– 2205 (UNS S32205/S31803, EN 1.4462): ~22%Cr, 5–6%Ni, ~3%Mo, 0.14–0.20%N. PREN ~34–36.
– Khi dùng: nước mặn loãng, hóa chất chứa chlorides, nhiệt điện, bồn/ống áp lực, trao đổi nhiệt.

Super Duplex

– 2507 (UNS S32750, EN 1.4410): ~25%Cr, 7%Ni, ~4%Mo, ~0.28%N. PREN ~41–45.
– S32760 (EN 1.4501, thường thương mại Zeron 100): ~25%Cr, 7%Ni, 3.5–4%Mo, ~0.7%W, ~0.25%N, có Cu. PREN ~42–47.
– Khi dùng: nước biển tự nhiên, dầu khí ngoài khơi, khử mặn, dung dịch Cl- rất cao.

Tính chất cơ học và ăn mòn: các con số then chốt

– Cơ học điển hình (giá trị tham khảo):
– 2304: Re0.2 ~400–450 MPa; Rm ~600–770 MPa; A5 ~25–30%.
– 2205: Re0.2 ~450–550 MPa; Rm ~620–880 MPa; A5 ~25–30%.
– 2507: Re0.2 ~550–650 MPa; Rm ~790–1000 MPa; A5 ~20–25%.
– So sánh: 316L thường Re0.2 ~200–240 MPa.
– Ăn mòn:
– Rỗ/ăn kẽ hở: PREN của 2205/2507 vượt 316L rõ rệt; CPT/CCT cao hơn đáng kể.
– Cl-SCC: Duplex kháng nứt ứng suất chloride tốt đến ~100–150°C (tùy Cl-, tải, ứng suất dư), trong khi 304/316 có thể nhạy cảm từ ~50–60°C.
– Kẽ hở/điện hóa: vẫn cần thiết kế loại bỏ kẽ hở, hoàn thiện bề mặt, thụ động hóa sau gia công.
– Môi trường khử mạnh/axit không chứa oxy: inox austenit cao Ni (904L, 254SMO) đôi khi phù hợp hơn Duplex.

So sánh nhanh: Duplex vs 304/316 và thép cacbon mạ kẽm

– So với 304/316:
– Ưu: bền chảy cao gấp ~2 lần; chống rỗ/kẽ hở/Cl-SCC vượt trội (đặc biệt 2205/2507); Ni thấp hơn giúp ổn định giá.
– Nhược: dập sâu, kéo tinh xảo kém austenit; kiểm soát hàn khắt khe hơn; có từ tính; không phù hợp nhiệt độ cao kéo dài.
– So với thép cacbon mạ kẽm:
– Ưu: kháng ăn mòn bền vững, tuổi thọ cao, giảm bảo trì; có thể thiết kế nhẹ nhờ cường độ cao.
– Nhược: giá vật liệu cao hơn, yêu cầu tay nghề gia công/hàn cao hơn.

Giới hạn nhiệt độ làm việc và rủi ro pha sigma

– Khuyến nghị nhiệt độ làm việc liên tục: ≤250°C để tránh kết tủa pha sigma và giòn 475°C.
– Vùng nhạy cảm: ~300–525°C (giòn 475°C ở phần ferit) và ~600–1000°C (pha sigma/chi tiết giòn).
– Nhiệt độ thấp: độ dai của Duplex tốt nhưng thường kém austenit; nhiều mác vẫn dùng ổn đến khoảng -40°C (xác minh theo tiêu chuẩn riêng).

Gia công và hàn Duplex: thực hành tốt nhất

– Cắt/gọt: độ bền cao → chọn dao hợp kim cứng, tốc độ cắt thấp hơn 304/316, dùng dung dịch tưới nguội hiệu quả.
– Uốn/dập: bán kính uốn lớn hơn 304/316; tránh biến cứng quá mức; ủ hòa tan khi cần để khôi phục cân bằng pha.
– Hàn:
– Không cần preheat; kiểm soát nhiệt vào 0.5–2.5 kJ/mm; nhiệt độ liên lớp ≤150°C.
– Que/dây hàn:
– 2304: ER/ESD 2307 hoặc 2209 để đảm bảo austenit đủ.
– 2205: ER/E 2209 (22.8.3L).
– 2507/S32760: ER/E 2594 hoặc 25.10.4.
– Khí bảo vệ: Ar + 2–3%N2 có thể giúp tạo austenit; purge mặt sau bằng Ar/N2 để tránh ôxy hóa.
– Mục tiêu ferrit sau hàn: ~35–60% (đo FN). Ferrit quá cao → giòn; quá thấp → giảm bền.
– Làm sạch: tẩy mối hàn, pickling và passivation khôi phục lớp thụ động; loại bỏ xỉ, vết cháy.
– PWHT: thường không áp dụng; nếu ủ hòa tan: ~1040–1100°C rồi làm nguội nhanh.
– Lưu ý: tránh giữ lâu trong vùng 600–1000°C; tối thiểu hóa thời gian “đỏ” khi gia nhiệt cục bộ.

Tiêu chuẩn & quy cách sản phẩm thường gặp

– Tấm/cuộn: ASTM A240/A240M (Duplex, Super Duplex).
– Ống pipe: ASTM A790 (Seamless & Welded Ferritic/Austenitic SS Pipe), ASTM A928 (EFW pipe).
– Ống tube: ASTM A789 (Seamless & Welded Ferritic/Austenitic SS Tubing).
– Thanh/tròn: ASTM A276 (general), ASTM A479 (for pressure service).
– Rèn/Flange: ASTM A182 – F51 (S31803), F60 (S32205), F53 (S32750), F55 (S32760).
– Phụ kiện: ASTM A815.
– Ăn mòn khí chua: ISO 15156/NACE MR0175 – kiểm tra điều kiện H2S, độ cứng, ứng suất nguội.
– Thử ăn mòn rỗ: ASTM G48 (Method A/C) – dùng để thẩm định lô Super Duplex.

Ứng dụng điển hình tại Việt Nam

– Nước biển/ven biển: giàn lạnh, ống nước biển, bơm, van, bộ trao đổi nhiệt (2205 cho nước biển làm mát gián tiếp; 2507 cho nước biển tự nhiên).
– Dầu khí/ngoài khơi: đường ống topside, ống coil, manifold, fastener chịu chloride.
– Hóa chất/giấy & bột giấy: bồn, agitator, washer, đường ống dung dịch clo/NaClO.
– Xử lý nước/khử mặn: RO, SWRO, bồn áp lực, khung skid.
– Xây dựng ven biển: kết cấu, lan can, bulông neo chống gỉ muối mù (lean duplex là giải pháp tối ưu chi phí).
– Thực phẩm/môi trường CIP có Cl-: 2304/2205 thay 316L khi nhiệt độ CIP cao và Cl- đáng kể.

Hướng dẫn chọn mác theo môi trường chloride (thực hành nhanh)

– Cl- thấp đến trung bình (nước máy, <200 ppm; T ≤60°C): - Lean Duplex (LDX2101/2304) hoặc 316L nâng cấp bề mặt. Lean Duplex cho độ bền cao và kháng SCC tốt hơn. - Cl- trung bình–cao (nước làm mát, 200–1000 ppm; T ≤80–90°C): - 2205 là mác “chuẩn” nhờ PREN ~35, kháng SCC tốt, cơ tính cao. - Nước biển tự nhiên (~19.000 ppm) hoặc Cl- rất cao, nhiệt độ tăng: - Super Duplex 2507/S32760. Đặc biệt cho vị trí kẽ hở, tải cao, hoặc nhiệt độ >40°C.
– Môi trường khử/axit mạnh (không oxy hóa):
– Cân nhắc austenit siêu hợp kim (254SMO, 904L) thay vì Duplex.
– Yếu tố khác:
– Nhiệt độ liên tục >250°C: tránh Duplex.
– Gia công dập sâu, bề mặt bóng trang trí cao cấp: austenit 304/316 có thể thuận lợi hơn.

Chi phí & tồn kho: lưu ý khi đặt mua tại Hà Nội

– Duplex chứa Ni thấp hơn 316 → ít biến động giá theo niken; tuy nhiên yêu cầu gia công/hàn có thể làm tổng chi phí tăng nếu nhà thầu chưa có kinh nghiệm.
– Quy cách phổ biến:
– Tấm No.1/2B: dày 3–50 mm (2205), 3–30 mm (2304), 4–50 mm (2507).
– Ống pipe: SCH10/40 theo ASTM A790/A928; ống tube theo A789.
– Thanh tròn: Φ10–200 mm theo A276/A479.
– Mặt bích/phụ kiện: A182 F51/F53/F55, A815.
– Chứng chỉ & kiểm tra nên yêu cầu:
– MTC 3.1 theo EN 10204, phân tích hóa, cơ tính, Ferrite % sau hàn nếu có.
– PMI xác thực mác; thử G48 cho Super Duplex theo nhiệt độ thỏa thuận.
– Kiểm tra bề mặt, pickling/passivation sau gia công; NDT cho mối hàn áp lực.

Câu hỏi thường gặp

– Inox Duplex có hút nam châm không?
– Có, do chứa pha ferit. Lực hút không phản ánh “kém chất lượng”.
– S31803 và S32205 khác gì?
– S32205 là phiên bản siết chặt thành phần để đảm bảo chống ăn mòn cao hơn; thường thay thế S31803 trong hàng hiện đại.
– Có cần sơn phủ Duplex?
– Thông thường không. Nhưng trong môi trường kẽ hở bẩn, nhiệt cao, hoặc song kim với thép cacbon ngoài trời, lớp phủ bảo vệ/cách điện có thể hữu ích.
– Hàn với thép cacbon được không?
– Được, dùng vật liệu hàn chuyển tiếp (ví dụ 309L/309Mo) và thiết kế chống ăn mòn song kim, cách điện/thoát nước tốt.

Khi nào nên chọn Duplex thay 304/316?

– Khi môi trường có chloride đáng kể, nhiệt độ vận hành vừa–cao, cần bền chảy cao và/hoặc giảm chiều dày kết cấu.
– Khi vòng đời/chi phí bảo trì quan trọng: Duplex giảm thay thế do rỗ/kẽ hở so với 316 ở điều kiện tương tự.
– Khi cần tính sẵn có trong nước với quy cách công nghiệp: 2205/2304 hiện đã phổ biến cho ống, tấm, phụ kiện tại Hà Nội.

Kết luận

Inox Duplex là “sự kết hợp sức mạnh” giữa hai họ ferit và austenit: bền chảy cao, kháng rỗ/kẽ hở và chống nứt ứng suất chloride vượt trội so với 304/316, với chi phí vật liệu ổn định hơn nhờ hàm lượng Ni thấp. Lựa chọn mác theo PREN và điều kiện làm việc: 2304/LDX2101 cho nâng cấp kinh tế, 2205 cho môi trường chloride khắt khe thông dụng, 2507/S32760 cho nước biển hoặc Cl- cực cao. Tôn trọng giới hạn nhiệt ≤250°C, kiểm soát hàn (nhiệt vào, vật liệu hàn, khí bảo vệ, pickling) và tiêu chuẩn sản phẩm (ASTM A240, A789, A790, A182, A815). Với các lưu ý đúng, Duplex đem lại tuổi thọ thiết bị vượt trội và tổng chi phí vòng đời tối ưu cho các dự án công nghiệp tại Việt Nam.