304 so với 304L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ 304 và biến thể carbon thấp 304L là hai loại thép không gỉ austenit được chỉ định rộng rãi nhất trong công nghiệp. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên cân nhắc khả năng chống ăn mòn, hiệu suất cơ học, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết bị chịu áp suất, chế biến thực phẩm và dược phẩm, các thành phần kiến ​​trúc và các cụm hàn, trong đó khả năng chống ăn mòn sau hàn là rất quan trọng.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim là hàm lượng carbon tối đa thấp hơn của 304L so với 304. Sự thay đổi duy nhất đó làm thay đổi khả năng kết tủa cacbua trong quá trình hàn và tiếp xúc với nhiệt độ cao, do đó ảnh hưởng đến khả năng hàn và hành vi ăn mòn sau khi hàn trong khi chỉ tạo ra sự khác biệt nhỏ về độ bền cơ học.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: A240 (tấm), A276 (thanh), A312 (ống) — các tham chiếu chung cho cả hai loại.
• UNS: 304 = S30400; 304L = S30403.
• VN: 304 = 1.4301; 304L = 1,4307.
• Có các tiêu chuẩn tương đương của JIS và GB (ví dụ: SUS304 / SUS304L trong JIS).
• Phân loại: cả hai đều là thép không gỉ (thép không gỉ austenit); không phải thép cacbon, thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các nguyên tố hợp kim chính và quy trình kiểm soát điển hình cho từng loại. Các giá trị hiển thị là giá trị tối đa đại diện hoặc phạm vi điển hình theo các thông số kỹ thuật thường dùng; luôn tham khảo thông số kỹ thuật của dự án hoặc chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy để biết giới hạn theo hợp đồng.

Yếu tố	Vai trò điển hình	304 (giới hạn điển hình)	304L (giới hạn điển hình)
C (cacbon)	Độ bền, kết tủa cacbua	≤ 0,08% (tối đa)	≤ 0,03% (tối đa)
Mn (mangan)	Chất khử oxy, chất ổn định austenit	≤ 2,0%	≤ 2,0%
Si (silicon)	Chất khử oxy	≤ 1,0%	≤ 1,0%
P (phốt pho)	Nguy cơ tạp chất, giòn	≤ 0,045%	≤ 0,045%
S (lưu huỳnh)	Khả năng gia công (được thêm vào như tạp chất)	≤ 0,03%	≤ 0,03%
Cr (crom)	Thụ động hóa, chống ăn mòn	~18–20%	~18–20%
Ni (niken)	Chất ổn định austenit, độ dẻo dai	~8–11%	~8–12%
Mo (molypden)	Khả năng chống rỗ (không có)	thường là không có	thường là không có
V, Nb, Ti, B, N	Hợp kim vi mô, ổn định (hiếm)	nói chung không được chỉ định	nói chung không được chỉ định

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom tạo thành lớp oxit thụ động giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn. - Niken ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo. - Cacbon làm tăng độ bền nhưng ở nồng độ cao hơn có thể kết hợp với crom để tạo thành crom cacbua ở ranh giới hạt, làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ (nhạy cảm hóa). - Hàm lượng carbon thấp hơn trong 304L làm giảm xu hướng kết tủa cacbua trong quá trình hàn và tiếp xúc với nhiệt độ cao.

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

Cả 304 và 304L đều hoàn toàn austenit ở nhiệt độ môi trường khi được xử lý đúng cách. Các đặc điểm vi cấu trúc điển hình và phản ứng xử lý nhiệt:

• Nguyên dạng (ủ/ủ dung dịch): austenit lập phương tâm mặt (FCC) đồng nhất với các cacbua mịn, phân bố đều (nếu có). Ủ dung dịch sẽ hòa tan các cacbua và phục hồi khả năng chống ăn mòn bằng cách làm nguội nhanh để tránh kết tủa lại.
• Làm nguội: cả hai loại đều làm cứng nhanh (thép không gỉ austenit có tốc độ làm cứng biến dạng cao), tạo ra mật độ sai lệch tăng lên và có thể tạo ra martensite do biến dạng ở các phần bị biến dạng nặng (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hoặc tạo hình nguội đột ngột).
• Hàn và nhạy cảm hóa: Khi tiếp xúc với nhiệt độ khoảng 450–850 °C trong quá trình hàn, crom cacbua có thể kết tủa tại ranh giới hạt trong thép 304 có hàm lượng cacbon cao hơn, làm suy giảm crom liền kề và tăng khả năng bị ăn mòn giữa các hạt. Hàm lượng cacbon thấp hơn của thép 304L giúp giảm thiểu nguy cơ kết tủa cacbua này.
• Xử lý nhiệt: cả hai loại thép đều không cứng lại khi tôi; ủ dung dịch (ví dụ: 1050–1100 °C) sau đó làm nguội nhanh được sử dụng để phục hồi khả năng chống ăn mòn và độ dẻo. Không áp dụng phương pháp gia cường tôi và ram thông thường như đối với thép martensitic.

4. Tính chất cơ học

Thay vì các giá trị tuyệt đối (phụ thuộc vào hình thức và thông số kỹ thuật của sản phẩm), bảng dưới đây so sánh hành vi tương đối điển hình trong điều kiện ủ.

Tài sản	304	304L	Bình luận
Độ bền kéo (ủ)	Cao hơn (một chút)	Thấp hơn (một chút)	Hàm lượng carbon thấp hơn sẽ tạo ra độ bền kéo thấp hơn một chút đối với thép 304L.
Sức chịu lực	Cao hơn (một chút)	Thấp hơn (một chút)	Cùng xu hướng như độ bền kéo.
Độ giãn dài / Độ dẻo	Tốt	Bằng hoặc tốt hơn một chút	304L có thể có độ dẻo tốt hơn một chút do có hàm lượng C thấp hơn.
Độ bền va đập	Tuyệt vời (phụ thuộc vào nhiệt độ)	Tương đương	Cả hai đều có độ bền tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh.
Độ cứng (ủ)	Cao hơn một chút	Thấp hơn một chút	Sự khác biệt là nhỏ; cả hai đều tương đối mềm khi ủ.

Ý nghĩa thực tiễn: sự khác biệt về độ bền giữa 304 và 304L là không đáng kể trong điều kiện ủ và thường không mang tính quyết định trừ khi yêu cầu độ bền tối thiểu theo quy định của mã.

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ austenit thường được coi là có khả năng hàn cao; tuy nhiên, hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến khả năng kết tủa cacbua và nhu cầu xử lý sau khi hàn.

Những cân nhắc chính về khả năng hàn: - Hàm lượng carbon thấp hơn trong 304L giúp giảm nguy cơ nhạy cảm và ăn mòn liên hạt sau hàn, khiến 304L trở thành lựa chọn an toàn hơn cho các kết cấu hàn không được ủ dung dịch sau khi chế tạo. - Cả hai loại thép đều có độ dẻo cao ở vùng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), giảm thiểu nguy cơ nứt nguội. Tuy nhiên, chúng dễ bị nứt nóng trong điều kiện hàn không phù hợp nếu có tạp chất hoặc lắp ghép kém. - Thép không gỉ austenit có độ giãn nở nhiệt cao và độ dẫn nhiệt thấp; việc kiểm soát biến dạng và thiết kế mối nối rất quan trọng.

Chỉ số khả năng hàn thực nghiệm hữu ích (giải thích theo định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Chỉ số $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện tốt hơn và nguy cơ nứt tăng lên ở những loại thép có sự chuyển đổi martensitic; đối với thép không gỉ austenit, việc so sánh tác động tương đối của hàm lượng hợp kim lên hành vi HAZ của mối hàn sẽ hữu ích. - Số tương đương khả năng chống rỗ (đối với thép không gỉ hợp kim) và công thức Pcm thường dùng cho xu hướng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Diễn giải: Giá trị $P_{cm}$ thấp hơn ngụ ý khả năng nứt mối hàn giảm. Hàm lượng carbon thấp hơn của 304L làm giảm sự đóng góp $P_{cm}$ từ carbon so với 304.

Hướng dẫn định tính: - Sử dụng 304L cho các cụm hàn lớn, các phần mỏng không có ủ sau khi hàn hoặc khi bộ phận không thể ủ dung dịch sau khi hàn. - Nếu quá trình chế tạo bao gồm cả quá trình ủ dung dịch hoàn toàn sau khi hàn thì thép 304 có thể được chấp nhận; thép 304 có thể mang lại độ bền cao hơn một chút khi có lợi.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 304 và 304L đều dựa trên oxit thụ động giàu crom để chống ăn mòn trong môi trường nhẹ (khí quyển, nhiều dịch vụ thực phẩm và hóa chất). Cả hai loại đều không chứa molypden và do đó ít có khả năng chống rỗ cục bộ trong môi trường giàu clorua hơn so với các loại chứa Mo.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng cho các hợp kim chứa Mo và N để ước tính khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Đối với 304/304L, Mo ≈ 0, do đó PREN về cơ bản là Cr + 16×N; chỉ số này có khả năng phân biệt hạn chế đối với các loại này vì thành phần của chúng thiếu Mo.
• Nhạy cảm hóa và ăn mòn liên hạt: Điểm khác biệt thực tế quan trọng là 304L ít bị nhạy cảm hóa sau khi hàn hơn vì khả năng kết tủa cacbua đòi hỏi hàm lượng cacbon đáng kể thấp hơn. Đối với những ứng dụng cần quan tâm đến ăn mòn liên hạt và việc ủ dung dịch sau hàn không khả thi, 304L được ưu tiên.
• Bảo vệ bề mặt: vì không gỉ nên không cần mạ kẽm hoặc sơn để chống ăn mòn, nhưng hư hỏng cơ học, tiếp xúc với clorua mạnh hoặc môi trường hóa chất khắc nghiệt có thể cần phủ lớp, bảo vệ catốt hoặc thay thế bằng các loại hợp kim cao cấp hơn.

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

• Khả năng tạo hình: cả hai loại đều có khả năng tạo hình và kéo sâu tốt trong điều kiện ủ; độ bền hơi thấp hơn của 304L có thể hỗ trợ các hoạt động kéo sâu hoặc tạo hình khi việc giảm thiểu nứt và độ đàn hồi có lợi.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit khó gia công hơn thép cacbon do quá trình tôi nhanh và độ dẫn nhiệt thấp. 304 và 304L có khả năng gia công tương tự nhau; khuyến nghị sử dụng dụng cụ cacbua và thông số cắt được kiểm soát. Có các biến thể lưu huỳnh cắt tự do (ví dụ: 303) cho khả năng gia công tốt hơn nhưng khả năng chống ăn mòn kém hơn.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng: cả hai đều cần đánh bóng kỹ, trong đó khâu chuẩn bị bề mặt và hoàn thiện cơ học là tương tự nhau.
• Chế tạo hàn: 304L làm giảm nguy cơ ăn mòn sau hàn trong các cụm hàn và thường loại bỏ nhu cầu ủ dung dịch chỉ để phục hồi khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

304	304L
Thiết bị nhà bếp, bồn rửa, đồ gia dụng, trang trí kiến ​​trúc	Bình chịu áp suất, đường ống và bể chứa được hàn và không được ủ dung dịch
Thiết bị làm lạnh và chế biến thực phẩm	Bồn chứa hóa chất và đường ống nơi cần khả năng chống ăn mòn sau khi hàn
Viền trang trí ô tô	Các kết cấu hàn lớn, ví dụ như bồn chứa nhiên liệu, nơi việc giảm thiểu độ nhạy cảm là rất quan trọng
Bộ trao đổi nhiệt trong môi trường ôn hòa	Thiết bị dược phẩm và công nghệ sinh học thường được sử dụng để hàn mà không cần xử lý nhiệt sau khi hàn

Cơ sở lựa chọn: chọn 304 khi độ bền cơ học cao hơn một chút và chế tạo tiêu chuẩn với khả năng ủ sau hàn là chấp nhận được và khi việc giảm thiểu chi phí là yếu tố quyết định. Chọn 304L khi hàn là khâu chế tạo chính và dự án không thể hoặc sẽ không bao gồm ủ dung dịch sau hàn, hoặc khi việc giảm thiểu rủi ro ăn mòn liên hạt là bắt buộc.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 304 thường rẻ hơn một chút tính theo kilôgam so với thép không gỉ ổn định hoặc chuyên dụng; 304L có thể có giá cao hơn một chút do kiểm soát carbon chặt chẽ hơn, nhưng ở nhiều thị trường, chênh lệch giá giữa 304 và 304L là nhỏ.
• Tính khả dụng: cả hai đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, tấm mỏng, cuộn, ống, ống tròn và thanh từ nhiều nhà máy và nhà phân phối toàn cầu. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với các dạng sản phẩm tiêu chuẩn; đối với sản lượng lớn hoặc hoàn thiện bề mặt đặc biệt, vui lòng xác nhận tình trạng sẵn có sớm trong quá trình mua hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	304	304L
Khả năng hàn (thực tế)	Tốt	Tốt hơn cho các cụm hàn, không ủ
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Sức mạnh cao hơn một chút	Độ bền thấp hơn một chút, độ dẻo dai tương đương
Trị giá	Thấp hơn một chút hoặc tương đương	Cao hơn một chút hoặc tương đương

Sự giới thiệu: - Chọn 304 nếu: - Bạn cần độ bền kéo hoặc độ bền chảy cao hơn một chút trong điều kiện ủ và ủ dung dịch hoàn toàn sau khi chế tạo theo kế hoạch hoặc có thể thực hiện được. - Thiết kế chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp bu lông hoặc hàn ở nơi có hạn chế về hàn và độ nhạy với kết tủa cacbua sau hàn thấp. - Chọn 304L nếu: - Linh kiện sẽ được hàn rộng rãi và không thể ủ dung dịch sau đó hoặc nếu việc giảm thiểu nguy cơ ăn mòn giữa các hạt trong vùng HAZ là yêu cầu quan trọng. - Điều kiện chế tạo và dịch vụ liên quan đến nhiệt độ hoặc sự tiếp xúc có thể thúc đẩy quá trình nhạy cảm ở thép 304 có hàm lượng carbon cao hơn.

Lưu ý thực tế cuối cùng: sự khác biệt về hàm lượng carbon tuy nhỏ nhưng lại có ý nghĩa quan trọng đối với các cụm hàn và tiếp xúc với nhiệt độ cao. Đối với thiết bị áp suất quan trọng về an toàn hoặc được quản lý theo quy chuẩn, hãy luôn xác nhận việc lựa chọn vật liệu dựa trên tiêu chuẩn hoặc quy chuẩn hiện hành (ví dụ: ASME) và nêu rõ hình dạng sản phẩm, quy trình xử lý sau hàn và tiêu chí kiểm tra bắt buộc trong hồ sơ mua sắm.