1Cr18Ni9Ti so với 0Cr18Ni9 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa hai loại thép không gỉ tương đương nhau: 1Cr18Ni9Ti và 0Cr18Ni9. Quyết định này thường cân bằng giữa hiệu suất chống ăn mòn sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao, các hạn chế về chế tạo và khả năng hàn, và chi phí vòng đời. Trong nhiều ứng dụng, sự đánh đổi nằm ở khả năng chống ăn mòn liên hạt và độ ổn định luyện kim được cải thiện (với chi phí vật liệu cao hơn một chút) so với tính khả dụng rộng rãi và chi phí thấp hơn của thép không gỉ austenit thông dụng.

Sự khác biệt chính trong luyện kim tập trung vào chiến lược kiểm soát và ổn định cacbon: một loại được cố ý ổn định bằng titan để giảm thiểu sự kết tủa cacbua ở ranh giới hạt, trong khi loại còn lại là loại austenit crom-niken thông thường với giới hạn cacbon tiêu chuẩn. Sự khác biệt này quyết định hành vi của chúng trong quá trình hàn, vận hành ở nhiệt độ cao và môi trường dễ bị ăn mòn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các từ tương đương quốc tế phổ biến:
• 1Cr18Ni9Ti ≈ AISI/UNS 321 (thép không gỉ austenit ổn định bằng titan)
• 0Cr18Ni9 ≈ AISI/UNS 304 (thép không gỉ austenit tiêu chuẩn 18/8)
• Các tiêu chuẩn có các cấp độ này: GB (Trung Quốc), ASTM/ASME (tương đương AISI/UNS), EN (EN 1.4541 cho 321, EN 1.4301 cho 304), JIS và ISO.
• Phân loại: cả hai đều là thép không gỉ austenit (không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA). Chúng là thép không gỉ hợp kim với crom và niken là nguyên tố hợp kim chính.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là phạm vi thành phần điển hình được biểu thị theo phần trăm trọng lượng cho các chất tương đương thường được tham chiếu (AISI 321 cho 1Cr18Ni9Ti và AISI 304 cho 0Cr18Ni9). Giới hạn chính xác tùy thuộc vào tiêu chuẩn và nhà sản xuất; luôn tham khảo chứng chỉ vật liệu.

Yếu tố	1Cr18Ni9Ti (phạm vi điển hình, wt%)	0Cr18Ni9 (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08 (ổn định bởi Ti)	≤ 0,08 (cấp độ chuẩn)
Mn	≤ 2.0	≤ 2,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	~17,0–19,5	~17,0–19,5
Ni	~8,0–10,5	~8,0–10,5
Mo	— (thường là không có)	— (thường là không có)
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	~0,5–0,7 (chất ổn định)	—
B	dấu vết	dấu vết
N	theo dõi lên đến ~0,1	theo dõi lên đến ~0,1

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Crom (Cr): là thành phần chính tạo nên lớp màng thụ động và khả năng chống ăn mòn nói chung. - Niken (Ni): ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ bền. - Cacbon (C): làm tăng độ bền nhưng có thể kết hợp với crom để tạo thành crom cacbua ở ranh giới hạt khi tiếp xúc với nhiệt độ 450–850°C; sự nhạy cảm này làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. - Titan (Ti): liên kết cacbon (và nitơ) bằng cách tạo thành cacbua/nitrit titan ổn định, ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua và cải thiện hiệu suất chống ăn mòn sau hàn cũng như độ ổn định ở nhiệt độ cao. - Các nguyên tố phụ (Mn, Si, N) điều chỉnh hiệu suất cơ học và chống ăn mòn; Mo và Nb không có trong hai loại này trừ khi được chỉ định.

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

• Cấu trúc vi mô cơ bản: cả hai loại đều là thép austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ tiêu chuẩn.
• 0Cr18Ni9 (304): ở trạng thái ủ, cấu trúc vi mô là austenit đồng nhất. Nếu tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 450–850°C) trong thời gian dài—chẳng hạn như một số chu kỳ hàn—cacbon có thể kết hợp với crom để tạo thành crom cacbua tại ranh giới hạt. Điều này dẫn đến sự suy giảm crom cục bộ và dễ bị ăn mòn giữa các hạt.
• 1Cr18Ni9Ti (321): Sự hiện diện của titan thúc đẩy sự hình thành cacbua/nitrit titan, ưu tiên hấp thụ cacbon và nitơ, làm giảm sự hình thành cacbua crom trong quá trình tiếp xúc nhiệt. Ma trận austenit vẫn ổn định, giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi nung và hàn.
• Xử lý nhiệt: Cả hai loại thép này thường được cung cấp ở trạng thái ủ. Chúng không được tôi luyện bằng các quy trình tôi và ram thông thường (như thép martensitic). Các phương pháp xử lý tiêu chuẩn:
• Ủ dung dịch sau đó làm nguội nhanh để phục hồi khả năng chống ăn mòn (hòa tan cacbua).
• Đối với 0Cr18Ni9, các biến thể carbon thấp hoặc ủ dung dịch + làm nguội được sử dụng để giảm thiểu hiện tượng nhạy cảm.
• Đối với 1Cr18Ni9Ti, hàm lượng Ti ổn định làm giảm nhu cầu ủ dung dịch sau hàn để ngăn ngừa ăn mòn giữa các hạt, nhưng việc cẩn thận khi hàn và chế tạo vẫn rất quan trọng.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội, ủ) ảnh hưởng đến độ bền và độ dẻo tương tự nhau ở cả hai loại; gia công nguội làm tăng độ bền và làm giảm độ dẻo.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học điển hình (điều kiện ủ) tương tự nhau đối với hai loại này; loại ổn định bằng titan được lựa chọn nhiều hơn vì tính ổn định về luyện kim hơn là vì sự khác biệt lớn về tính chất cơ học tĩnh.

Tính chất (điển hình, ủ)	1Cr18Ni9Ti (≈ 321)	0Cr18Ni9 (≈ 304)
Độ bền kéo (UTS)	~500–700 MPa	~500–700 MPa
Độ bền kéo dài (độ bền 0,2%)	~200–300 MPa	~200–300 MPa
Độ giãn dài (A%)	~40% (độ dẻo tốt)	~40% (độ dẻo tốt)
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; vẫn bền bỉ ở nhiệt độ dưới 0 độ vừa phải	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh
Độ cứng	Tương đối thấp (giá trị HB/HRB điển hình phù hợp với thép không gỉ austenit ủ)	Tương tự như 1Cr18Ni9Ti

Diễn giải - Không loại nào được lựa chọn chủ yếu vì độ bền tĩnh vượt trội; cả hai đều mang lại sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo đặc trưng của thép không gỉ austenit. - 1Cr18Ni9Ti mang lại lợi thế nhỏ về khả năng chống biến dạng và độ ổn định trong quá trình tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao vì titan ổn định cacbua và làm giảm lượng kết tủa ở ranh giới hạt. - Độ bền nhìn chung tương đương nhau; sự khác biệt phụ thuộc vào ứng dụng chứ không phải lớn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ austenit nhìn chung là tuyệt vời, nhưng hàm lượng cacbon và tính ổn định ảnh hưởng đến khả năng nhạy cảm và nứt nóng.

Chỉ số khả năng hàn thường được sử dụng: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số ăn mòn rỗ hoặc khả năng hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - 0Cr18Ni9: Hợp kim thông thường và hàm lượng carbon giúp nó có thể hàn được bằng các quy trình hàn thép không gỉ austenit tiêu chuẩn. Tuy nhiên, hàn có thể tạo ra các vùng nhạy cảm nếu vật liệu được giữ ở nhiệt độ 450–850°C; ủ dung dịch hoặc sử dụng các biến thể carbon thấp (ví dụ: 304L) là một biện pháp giảm thiểu. - 1Cr18Ni9Ti: titan làm giảm xu hướng hình thành crom cacbua, cải thiện khả năng chống ăn mòn liên hạt sau hàn. Quy trình hàn tương tự nhau; nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn cần được kiểm soát theo quy trình tiêu chuẩn để tránh sự phát triển quá mức của hạt. - Cả hai loại đều dễ bị nứt nóng nếu thành phần kim loại hàn và các thông số hàn không được kiểm soát; việc lựa chọn vật liệu hàn và thực hành hàn tốt sẽ giảm thiểu những rủi ro này. - Đối với môi trường ăn mòn nghiêm trọng, hãy cân nhắc sử dụng loại thép có hàm lượng carbon thấp (L) hoặc loại thép ổn định (Ti/Nb) để tránh nguy cơ gây nhạy cảm.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều dựa vào lớp màng thụ động giàu crom để chống ăn mòn trong môi trường oxy hóa.
• Đối với chỉ số ăn mòn cục bộ (PREN), công thức thông thường là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Vì cả hai loại thép này thường không chứa molypden và nitơ thấp nên giá trị PREN ở mức khiêm tốn; các loại thép này không được tối ưu hóa để chống rỗ clorua mạnh so với hợp kim siêu austenit hoặc hợp kim duplex chứa Mo.
• 0Cr18Ni9 (304): khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí quyển, hóa chất nhẹ và tiếp xúc với thực phẩm. Trong môi trường clorua, dễ bị rỗ và ăn mòn khe hở tùy thuộc vào nồng độ clorua và nhiệt độ.
• 1Cr18Ni9Ti (321): khả năng chống ăn mòn chung tương tự như 304, nhưng khả năng chống ăn mòn giữa các hạt tốt hơn sau khi tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm do có sự ổn định của titan.
• Bảo vệ bề mặt cho vật liệu không gỉ hoặc nơi cần nâng cao hiệu suất:
• Thép không gỉ cần phải mạ kẽm, sơn hoặc mạ điện.
• Đối với thép 304 hoặc 321, quá trình hoàn thiện bề mặt (điện phân) và xử lý thụ động sẽ cải thiện khả năng chống ăn mòn; đối với môi trường clorua khắc nghiệt, hãy chọn loại thép chứa Mo (ví dụ: 316) hoặc phủ lớp phủ.

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

• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon do độ cứng cao. Khả năng gia công giữa 1Cr18Ni9Ti và 0Cr18Ni9 tương đương nhau; có thể có sự khác biệt nhỏ do kích thước hạt và hợp kim hóa nhỏ.
• Khả năng tạo hình: cả hai loại đều có khả năng tạo hình tuyệt vời và có thể kéo sâu, uốn cong hoặc tạo hình nguội ở trạng thái ủ.
• Hoạt động hàn và sau hàn: 1Cr18Ni9Ti làm giảm nhu cầu ủ dung dịch sau hàn tốn kém trong một số trường hợp do tính ổn định, cải thiện năng suất cho các cụm hàn dễ bị ăn mòn giữa các hạt.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều phản ứng tốt với quá trình đánh bóng và thụ động hóa; hợp kim ổn định bằng titan có thể cần được chú ý để đảm bảo không còn cặn giàu Ti trên bề mặt có thể ảnh hưởng đến độ hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

1Cr18Ni9Ti (≈ 321)	0Cr18Ni9 (≈ 304)
Ống xả, bộ phận lò sưởi và ống dẫn máy bay nơi tiếp xúc với nhiệt độ cao và quá trình gia nhiệt tuần hoàn	Thiết bị nhà bếp, chế biến thực phẩm, ứng dụng kiến ​​trúc, bồn chứa và đường ống cho hóa chất nhẹ
Các thành phần của nhà máy hóa chất chịu tác động của chu trình nhiệt hoặc các kết cấu hàn có nguy cơ nhạy cảm sau khi hàn	Hàng tiêu dùng, ốc vít và các thành phần cấu trúc chung trong môi trường không có clorua
Các thành phần ô tô và hàng không vũ trụ tiếp xúc với quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao	Bộ trao đổi nhiệt, bình chứa và chế tạo ở những nơi có chi phí và tính khả dụng cao hơn 304

Cơ sở lựa chọn - Chọn loại ổn định Ti khi dịch vụ bao gồm các lần dao động nhiệt lặp đi lặp lại trong phạm vi nhạy cảm hoặc khi cần khả năng chống ăn mòn sau khi hàn mà không cần ủ dung dịch tốn kém. - Chọn loại thép phổ biến, không ổn định khi khả năng chống ăn mòn nói chung, chi phí và tính dễ mua là mối quan tâm chính và điều kiện sử dụng không có khả năng gây nhạy cảm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 0Cr18Ni9 (304) là một trong những loại thép không gỉ phổ biến nhất trên toàn thế giới—có sẵn ở dạng tấm, ống, thanh và các thành phần hàn, thường có giá thành thấp hơn so với các biến thể ổn định.
• 1Cr18Ni9Ti (321) được sử dụng rộng rãi nhưng thường có giá cao hơn một chút so với 304 do có thêm titan và thích hợp sử dụng trong các ứng dụng hàn/nhiệt độ cao.
• Cân nhắc về nguồn cung: cả hai đều được sản xuất theo dạng máy cán tiêu chuẩn; đối với thời gian giao hàng quan trọng hoặc đối với dạng sản phẩm khác thường (tấm dày, rèn lớn), nên lập kế hoạch mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt

Thuộc tính	1Cr18Ni9Ti (≈ 321)	0Cr18Ni9 (≈ 304)
Khả năng hàn	Rất tốt; độ ổn định chống ăn mòn sau hàn tốt hơn nhờ Ti	Rất tốt; nguy cơ gây dị ứng nếu không được kiểm soát
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Có thể so sánh được; cả hai đều có độ dẻo dai và độ bền tốt	Có thể so sánh
Trị giá	Phí bảo hiểm vừa phải trên 304	Tiết kiệm hơn và có sẵn nhiều hơn

Khuyến nghị kết luận - Chọn 1Cr18Ni9Ti nếu: - Linh kiện sẽ trải qua quá trình tiếp xúc nhiệt theo chu kỳ trong phạm vi nhạy cảm hoặc - Ăn mòn liên hạt sau hàn là một mối quan tâm và việc ủ dung dịch là không thực tế, hoặc - Cần cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao/khả năng chống biến dạng. - Chọn 0Cr18Ni9 nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi tính khả dụng rộng rãi và chi phí vật liệu thấp hơn, và - Các điều kiện dịch vụ không được dự kiến ​​sẽ gây ra sự kết tủa cacbua tại ranh giới hạt (hoặc các chiến lược giảm thiểu—304L, ủ dung dịch—được sử dụng khi cần thiết).

Ghi chú cuối cùng Xác nhận các giới hạn hóa học và cơ học chính xác với tiêu chuẩn hiện hành và chứng chỉ nhà máy của vật liệu đã mua. Đối với các thiết kế quan trọng, hãy chỉ định loại thép ổn định (Ti hoặc Nb) hoặc loại thép ít carbon (L), và ghi lại các quy trình xử lý sau hàn hoặc kiểm soát chế tạo cần thiết trong thông số kỹ thuật mua sắm và chế tạo.