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

Giới thiệu

Thép không gỉ 304 và 304L là một trong những loại thép austenit được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật, sản xuất và mua sắm. Các kỹ sư và quản lý mua sắm thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn, độ bền cơ học và chi phí khi lựa chọn. Các nhà hoạch định sản xuất cũng phải xem xét các yêu cầu về chế tạo hạ nguồn: hàn dày, xử lý sau hàn, tạo hình và hoàn thiện bề mặt.

Sự khác biệt thực tế chủ yếu nằm ở hàm lượng carbon: 304L là biến thể carbon thấp của 304, được thiết kế để giảm nguy cơ kết tủa crom cacbua (nhạy cảm) trong quá trình hàn và tiếp xúc với nhiệt độ cao. Sự khác biệt này là lý do tại sao 304 và 304L thường được so sánh — chúng có hiệu suất chống ăn mòn và cấu trúc vi mô gần như giống nhau, nhưng hàm lượng carbon thấp hơn trong 304L giúp cải thiện hiệu suất trong các cụm và chi tiết hàn không thể ủ dung dịch sau khi chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và tên gọi chung: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240 (tấm, lá, dải cho bình chịu áp lực và sử dụng chung). - EN: Dòng EN 10088 (thép không gỉ — nhiều tiêu chuẩn sản phẩm khác nhau). - JIS: SUS304 và SUS304L. - GB: Tiêu chuẩn Trung Quốc quy định tương đương 0Cr18Ni9 (304) và 0Cr18Ni9L (304L).

Phân loại vật liệu: - Cả 304 và 304L đều là thép không gỉ austenit (không gỉ, không có sắt từ khi hoàn toàn là austenit). - Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA; chúng là hợp kim không gỉ chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Phạm vi thành phần điển hình (wt%) được sử dụng trong các thông số kỹ thuật; giá trị cực đại/cực tiểu thực tế được phép thay đổi đôi chút theo tiêu chuẩn:

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình/thông số kỹ thuật)	304L (phạm vi thông số kỹ thuật/điển hình)
Cacbon (C)	≤ 0,08%	≤ 0,03%
Mangan (Mn)	≤ 2,0%	≤ 2,0%
Silic (Si)	≤ 1,0%	≤ 1,0%
Phốt pho (P)	≤ 0,045%	≤ 0,045%
Lưu huỳnh (S)	≤ 0,03%	≤ 0,03%
Crom (Cr)	18,0–20,0%	18,0–20,0%
Niken (Ni)	8,0–10,5%	8,0–12,0%
Molypden (Mo)	≤ 0,10% (thường không có)	≤ 0,10%
Nitơ (N)	≤ 0,10% (vết)	≤ 0,10%
Nb, Ti, V, B	dấu vết / thường không được thêm vào	dấu vết / thường không được thêm vào

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Crom tạo thành lớp màng oxit thụ động giúp thép không gỉ chống ăn mòn. Hàm lượng Cr điển hình (≈18–20%) được xác định là thép không gỉ “18-8”. - Niken ổn định cấu trúc austenit (FCC), tăng cường độ dẻo dai, độ dẻo dai và cải thiện khả năng định hình. - Cacbon làm tăng nhẹ độ bền và độ cứng nhưng phải trả giá bằng nguy cơ nhạy cảm trong khoảng nhiệt độ 425–850°C; cacbon phản ứng với crom để tạo thành crom cacbua tại ranh giới hạt, làm suy giảm Cr cục bộ và làm giảm khả năng chống ăn mòn. - 304L làm giảm cacbon để kiểm soát lượng kết tủa cacbua trong quá trình hàn; phạm vi niken có thể được điều chỉnh một chút để duy trì độ ổn định của austenit. - Mangan và silic là chất khử oxy và góp phần tăng cường độ; khi có nitơ, có thể tăng dần độ bền và khả năng chống rỗ.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại thép này về cơ bản đều là thép austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) khi ủ. Austenit có độ dẻo và độ dai tuyệt vời ở nhiệt độ từ thấp đến cao. - Cả 304 và 304L đều không phản ứng với phương pháp tôi và ram thông thường vì chúng là austenit và không chuyển thành martensite khi xử lý nhiệt. Việc gia cường chủ yếu đạt được bằng phương pháp gia công nguội (tôi biến dạng).

Xử lý nhiệt và tiến hóa cấu trúc vi mô: - Ủ dung dịch (phạm vi điển hình: $1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$) hòa tan mọi chất kết tủa, phục hồi độ dẻo và khả năng chống ăn mòn; cần làm nguội nhanh (làm nguội bằng nước hoặc không khí) để tránh kết tủa cacbua. - Nhạy cảm: tiếp xúc trong phạm vi xấp xỉ $425^\circ\text{C}$–$850^\circ\text{C}$ có thể kết tủa crom cacbua ở ranh giới hạt. 304 dễ bị kết tủa hơn 304L do hàm lượng cacbon cao hơn; 304L được chỉ định khi quá trình ủ dung dịch sau hàn không khả thi. - Tiếp xúc lâu ở mức trên ~600°C cũng có thể thúc đẩy pha sigma hoặc các kim loại liên kết khác trong các biến thể hợp kim hoặc gia công nguội nhiều; những hiện tượng này không phổ biến trong dịch vụ 304/304L tiêu chuẩn nhưng nên được xem xét cho dịch vụ nhiệt độ cao.

Các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa không phải là hoạt động gia cường có ý nghĩa đối với các loại thép austenit này. - Các tuyến đường nhiệt cơ học (cán nguội, ủ) kiểm soát kích thước hạt và kết cấu cho các sản phẩm dạng tấm hoặc dạng dải; quá trình ủ cuối cùng sẽ cố định cấu trúc vi mô austenit.

4. Tính chất cơ học

Các tính chất cơ học tối thiểu điển hình (điều kiện ủ), thường được chỉ định trong các tiêu chuẩn sản phẩm:

Tài sản	304 (ủ, điển hình)	304L (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (Rm)	≈ 515 MPa (phút)	≈ 485 MPa (phút)
Độ bền kéo 0,2% (Rp0,2)	≈ 205 MPa (phút)	≈ 170 MPa (phút)
Độ giãn dài (A)	≥ 40% (trong 50 mm)	≥ 40% (trong 50 mm)
Độ bền va đập (nhiệt độ phòng)	Độ dẻo dai cao	Độ dẻo dai cao
Độ cứng (HB / HRB)	Hành vi cứng hóa vừa phải	Độ cứng ban đầu thấp hơn một chút

Giải thích: - 304 thường có giới hạn chảy tối thiểu và độ bền kéo cao hơn một chút so với 304L do hàm lượng carbon cao hơn. Trên thực tế, sự khác biệt này không đáng kể và cả hai đều dẻo và bền. - Cả hai loại đều có độ dẻo dai tuyệt vời ngay cả ở nhiệt độ cực thấp; không loại nào giòn ở nhiệt độ sử dụng thường gặp trong công nghiệp. - Sự khác biệt về độ bền có liên quan nhất khi thiết kế gần với giới hạn ứng suất cho phép hoặc khi việc giảm độ bền sau hàn là một yếu tố.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố khả năng hàn: - Hàm lượng cacbon thấp làm giảm xu hướng hình thành crom cacbua tại ranh giới hạt trong quá trình làm nguội qua dải nhạy cảm. Do đó, hàm lượng cacbon thấp làm giảm khả năng bị ăn mòn liên hạt sau khi hàn. - Độ cứng của thép không gỉ austenit thấp; chúng không hình thành cấu trúc martensitic cứng khi nguội, do đó nứt từ các pha cứng không phải là mối quan tâm chính. Tuy nhiên, trong một số điều kiện nhất định, quá trình gia công nguội và chu kỳ nhiệt có thể tạo ra martensitic do ứng suất trong thép 304; thép 304L, với thành phần hơi khác một chút, có thể ít bị ứng suất martensitic do ứng suất hơn một chút.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (diễn giải định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Độ ăn mòn rỗ tương đương (Pcm) để đánh giá 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: - $C$ thấp hơn làm giảm cả $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, cho thấy độ nhạy nứt nóng giảm và nguy cơ phân tách/nhạy cảm trong quá trình hàn thấp hơn. - Trên thực tế, 304L thường hàn dễ dàng hơn ở các mối hàn lớn, chịu nhiều nhiệt vì hàm lượng carbon thấp hơn làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt mà không cần ủ dung dịch sau hàn. - Khi hàn 304 (có hàm lượng cacbon cao hơn), các nhà thiết kế thường kiểm soát lượng nhiệt đầu vào, sử dụng kim loại hàn có chất ổn định (ví dụ: Ti hoặc Nb trong một số kim loại hàn) hoặc thực hiện ủ dung dịch sau hàn khi khả năng chống ăn mòn của vùng hàn phải bằng khả năng chống ăn mòn của kim loại nền.

Ghi chú thực hành hàn: - Sử dụng kim loại hàn có hàm lượng cacbon thấp hoặc phù hợp tùy theo yêu cầu về dịch vụ và chống ăn mòn. - Giảm thiểu thời gian giữ trong phạm vi nhạy cảm và sử dụng phương pháp làm mát nhanh hoặc kiểm soát gia nhiệt cục bộ. - Đối với môi trường ăn mòn nghiêm trọng, thép 304L hoặc thép cấp ổn định (ví dụ: 321, 347) được ưu tiên khi quá trình ủ dung dịch sau hàn không khả thi.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Hành vi ăn mòn: - Cả 304 và 304L đều dựa vào lớp màng thụ động giàu crom để có khả năng chống ăn mòn nói chung trong môi trường khí quyển, hơi axit và kiềm. - Khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở bị hạn chế vì cả hai đều thiếu molypden; do đó, trong môi trường biển có clorua hoặc khắc nghiệt, nên sử dụng loại hợp kim cao cấp hơn (316, duplex, v.v.).

Sự liên quan của PREN: - PREN được sử dụng để đánh giá khả năng chống rỗ clorua; đối với các cấp độ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Đối với thép 304/304L, Mo về cơ bản bằng 0 hoặc rất thấp và N thấp; giá trị PREN ở mức khiêm tốn nên không loại nào được khuyến nghị sử dụng trong môi trường clorua khắc nghiệt.

Nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt: - Mối lo ngại chính về ăn mòn mà thép 304 có thể gặp phải là ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn hoặc tiếp xúc lâu dài ở phạm vi nhiệt độ tới hạn khiến crom cacbua kết tủa. - Hàm lượng carbon thấp của 304L làm giảm sự hình thành cacbua và do đó làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt ở các vùng hàn.

Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ: - Không áp dụng ở đây; đối với thép carbon không gỉ, mạ kẽm hoặc phủ là phổ biến. Đối với thép 304/304L, thụ động hóa bề mặt (thụ động hóa bằng axit nitric hoặc axit citric) và tẩy rửa là phổ biến để phục hồi hoặc cải thiện lớp màng thụ động sau khi chế tạo.

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

Tạo hình và uốn cong: - Cả hai loại đều có khả năng định hình nguội tuyệt vời; 304L có thể dễ định hình hơn một chút do giới hạn chảy thấp hơn một chút. - Tất cả các loại thép không gỉ austenit đều cứng lại nhanh chóng; các hoạt động tạo hình thường yêu cầu ủ trung gian để tránh biến dạng nghiêm trọng.

Khả năng gia công: - Thép không gỉ austenit khó gia công hơn thép cacbon vì có độ dẻo cao và khả năng làm cứng. 304 và 304L có khả năng gia công tương tự nhau; các biện pháp kiểm soát quy trình (dụng cụ cứng, chèn sắc, kiểm soát phoi phù hợp và chất bôi trơn/chất làm mát) là rất quan trọng. - Độ bền thấp hơn một chút của 304L có thể làm giảm lực cắt trong một số thao tác.

Hoàn thiện bề mặt: - Cả hai loại thép đều có thể được đánh bóng, thụ động hóa, xử lý điện hóa và phun bi để đạt được bề mặt hoàn thiện theo yêu cầu. 304L thường được sử dụng cho các cụm hàn khi cần bề mặt hoàn thiện đồng đều trên các mối hàn mà không cần ủ dung dịch.

8. Ứng dụng điển hình

304 — Công dụng điển hình	304L — Công dụng điển hình
Thiết bị nhà bếp, chế biến thực phẩm, nhà máy đồ uống	Các tàu và đường ống hàn nặng trong các nhà máy hóa chất
Viền kiến ​​trúc, tấm trang trí	Bồn chứa và bình chứa hàn nơi mà việc ủ sau khi hàn là không thực tế
Bộ trao đổi nhiệt (môi trường nhẹ)	Đường ống và bể chứa nước thải và nước thải có mối hàn rộng rãi
Chốt, lò xo (nơi cần khả năng chống ăn mòn và độ bền)	Hệ thống hàn dược phẩm và công nghệ sinh học yêu cầu khả năng chống ăn mòn tại các mối hàn
Trang trí ô tô, hàng tiêu dùng	Bình chịu áp suất và đường ống có khối lượng hàn lớn, nơi có nguy cơ nhạy cảm là mối lo ngại

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép 304 khi có thể chấp nhận được độ bền tối thiểu cao hơn và chi phí vật liệu thấp hơn một chút và khi có thể hàn hạn chế hoặc ủ sau khi hàn. - Chọn 304L khi có yêu cầu hàn nhiều, không thể ủ dung dịch sau khi chế tạo hoặc sử dụng trong điều kiện sau hàn có tính ăn mòn cao hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Cả hai loại này đều được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng tấm, lá, dải, ống và thanh.
• 304 thường là loại phổ biến nhất và ở nhiều thị trường, có giá thành rẻ hơn một chút do sản lượng lớn hơn và kiểm soát carbon không quá nghiêm ngặt.
• 304L có thể có mức phí bảo hiểm nhỏ do kiểm soát lượng carbon chặt chẽ hơn trong quá trình nấu chảy và xử lý, nhưng mức phí bảo hiểm thường nhỏ so với tổng chi phí chế tạo khi loại bỏ quá trình xử lý nhiệt sau hàn tốn kém.
• Thời gian giao hàng và tình trạng sẵn có thường rất tốt đối với cả hai dạng sản phẩm tiêu chuẩn; đối với các mặt hàng chế tạo rất lớn hoặc chứng nhận nhà máy đặc biệt, cần xác minh tác động của lịch trình với nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	304	304L
Khả năng hàn (khả năng chống nhạy cảm)	Tốt; cần cẩn thận khi hàn mối hàn nặng	Tốt hơn cho các mối hàn nặng và nơi không thực hiện PWHT
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền tối thiểu cao hơn một chút; độ dẻo dai cũng cao như nhau	Độ bền tối thiểu thấp hơn một chút; độ dẻo dai cao tương đương
Trị giá	Thông thường thấp hơn một chút	Thông thường cao hơn một chút nhưng thường tiết kiệm chi phí cho các hệ thống hàn

Sự giới thiệu: - Chọn 304 nếu: thiết kế của bạn được hưởng lợi từ độ bền tối thiểu cao hơn một chút và bạn có thể kiểm soát các phương pháp hàn (lượng nhiệt đầu vào thấp, sử dụng kim loại hàn phù hợp) hoặc thực hiện ủ dung dịch sau khi hàn để khôi phục khả năng chống ăn mòn. - Chọn thép 304L nếu: linh kiện hoặc đường ống sẽ được hàn rộng rãi, việc ủ dung dịch sau hàn không khả thi, hoặc lo ngại về ăn mòn liên hạt tại các mối hàn. 304L thường là lựa chọn an toàn hơn, ít rủi ro hơn cho các bình chịu áp suất hàn, bồn chứa và đường ống nặng, nơi việc duy trì khả năng chống ăn mòn tại và gần các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn là rất quan trọng.

Lưu ý kết luận: Cả 304 và 304L đều là thép không gỉ austenit bền chắc, được chỉ định rộng rãi. Quyết định thiết kế thường phụ thuộc vào thực hành hàn và khả năng chấp nhận sự đánh đổi nhỏ về độ bền tối thiểu để cải thiện khả năng chống ăn mòn khi hàn. Đối với các ứng dụng quan trọng hoặc tiếp xúc với clorua, hãy cân nhắc các loại thép không gỉ hợp kim cao hơn (chứa Mo) hoặc các lựa chọn thay thế song công.