304 so với 316 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Giới thiệu
Thép không gỉ 304 và 316 là hai trong số các mác thép austenit được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải cân nhắc lựa chọn giữa chúng khi cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng chế tạo/hàn, nhu cầu cơ khí và chi phí. Bối cảnh ra quyết định điển hình bao gồm chế biến thực phẩm và thiết bị nhà bếp (nơi chi phí và khả năng định hình là quan trọng) so với dịch vụ hàng hải hoặc hóa chất (nơi khả năng chống ăn mòn clorua là yếu tố then chốt).
Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là thép 316 được hợp kim hóa với molypden (và thường có hàm lượng niken cao hơn một chút), giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn cục bộ - đặc biệt là rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua. Vì cả hai đều là thép không gỉ austenit với hàm lượng crom và niken cơ bản tương tự nhau, nên chúng thường được so sánh để lựa chọn thay thế hoặc thông số kỹ thuật.
1. Tiêu chuẩn và Chỉ định
Các tiêu chuẩn và ký hiệu quốc tế chung cho 304 và 316 bao gồm:
- ASTM/ASME: A240/A276/A312 (tương ứng là tấm, thanh, ống)
- EN: 1.4301 (304), 1.4401 (316) và các biến thể ít carbon/ổn định của chúng (ví dụ: 1.4307 = 304L, 1.4404 = 316L)
- JIS: SUS304, SUS316
- GB (Trung Quốc): 0Cr18Ni9 (khoảng 304), 0Cr17Ni12Mo2 (khoảng 316)
Phân loại: Cả 304 và 316 đều là thép không gỉ (austenitic). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép cấp HSLA.
2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim
Bảng sau đây tóm tắt phạm vi thành phần điển hình của các loại thép thương mại phổ biến 304 và 316 (đã ủ, loại tiêu chuẩn). Các tiêu chuẩn sản phẩm và nhà cung cấp có thể chỉ định các giới hạn hơi khác nhau; các biến thể ổn định hoặc ít carbon (ví dụ: 304L, 316L, 316Ti, 316Nb) có thể thay đổi một số mục.
| Yếu tố | 304 (phạm vi điển hình, wt%) | 316 (phạm vi điển hình, wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0,08 | ≤ 0,08 |
| Mn | ≤ 2,0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0,75 | ≤ 0,75 |
| P | ≤ 0,045 | ≤ 0,045 |
| S | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr | 17,0–19,0 | 16,0–18,0 |
| Ni | 8,0–10,5 | 10,0–14,0 |
| Mo | — (thường là 0) | 2.0–3.0 |
| V | dấu vết (không xác định) | dấu vết (không xác định) |
| Lưu ý | không có mặt (trừ các lớp ổn định) | không có mặt (trừ các lớp ổn định) |
| Ti | không có mặt (trừ các lớp ổn định) | không có mặt (trừ các lớp ổn định) |
| B | dấu vết / không xác định | dấu vết / không xác định |
| N | nhỏ, được kiểm soát (thường ≤ 0,1) | nhỏ, được kiểm soát (thường ≤ 0,1) |
Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Crom (Cr) cung cấp lớp oxit thụ động giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn cơ bản. - Niken (Ni) ổn định pha lập phương tâm mặt (austenit), cải thiện độ dẻo dai, độ dẻo dai và hiệu suất ở nhiệt độ thấp. - Molypden (Mo) có trong thép 316 làm tăng khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua và cải thiện khả năng chống lại một số môi trường hóa học. - Hàm lượng carbon ảnh hưởng đến độ bền và khả năng nhạy cảm (kết tủa cacbua) trong quá trình nung nóng/hàn; các biến thể có hàm lượng carbon thấp (304L, 316L) hoặc các cấp độ ổn định làm giảm khả năng nhạy cảm.
3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt
Cấu trúc vi mô - Cả 304 và 316 đều hoàn toàn là austenit ở nhiệt độ phòng (lập phương tâm mặt, FCC) sau khi ủ dung dịch chuẩn. - Cấu trúc vi mô thường bao gồm một pha austenit với một lượng nhỏ ferit delta tùy thuộc vào quá trình chế biến và thành phần.
Phản ứng và xử lý nhiệt - Thép không gỉ austenit về cơ bản không thể xử lý nhiệt để gia cường bằng cách tôi và ram như thép ferritic/martensitic. Các tính chất cơ học chủ yếu được thiết lập bằng phương pháp gia công nguội và tôi luyện. - Các quá trình nhiệt thông thường: - Ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ khoảng 1.050–1.100 °C sau đó làm nguội) hòa tan cacbua và phục hồi khả năng chống ăn mòn và độ dẻo. - Ủ giảm ứng suất ở nhiệt độ thấp được sử dụng một cách chọn lọc nhưng có thể gây ra hiện tượng kết tủa cacbua nếu giữ ở phạm vi nhạy cảm (~500–800 °C). - Nhạy cảm: Tiếp xúc kéo dài trong khoảng 500–800 °C sẽ gây ra hiện tượng kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt, làm suy giảm crom ở các vùng lân cận và làm tăng khả năng ăn mòn giữa các hạt. Biện pháp giảm thiểu: Chỉ định mác thép ít cacbon (304L/316L) hoặc mác thép ổn định (TP347/316Ti) khi hàn hoặc khi vận hành ở nhiệt độ có thể gây nhạy cảm. - Làm nguội làm tăng độ bền thông qua quá trình tôi cứng do ứng suất nhưng cũng làm tăng khả năng bị ăn mòn cục bộ nếu biến dạng làm hỏng lớp màng thụ động.
4. Tính chất cơ học
Tính chất cơ học phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh, dây), xử lý nhiệt và gia công nguội. Bảng này cung cấp các phạm vi ủ điển hình, có sẵn trên thị trường; các giá trị chính xác phải được xác nhận từ chứng chỉ vật liệu hoặc tiêu chuẩn mua sắm.
| Tính chất (ủ, điển hình) | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Độ bền kéo (UTS) | ~480–620 MPa (phạm vi điển hình) | ~480–620 MPa (phạm vi điển hình) |
| Độ bền kéo (độ lệch 0,2%) | ~190–310 MPa (thay đổi tùy theo sản phẩm) | ~190–310 MPa (thay đổi tùy theo sản phẩm) |
| Độ giãn dài (A%) | ≥ 40% (cỡ mỏng cao hơn) | ≥ 40% (cỡ mỏng cao hơn) |
| Độ bền va đập (nhiệt độ phòng) | Cao; giữ được độ dẻo và độ bền | Cao; tương tự hoặc tốt hơn một chút ở nhiệt độ thấp |
| Độ cứng (ủ) | HB ~120–200 (phụ thuộc vào độ cứng làm việc) | HB ~120–200 (phụ thuộc vào độ cứng làm việc) |
Diễn giải - Độ bền: Trong điều kiện ủ, thép 304 và 316 thể hiện độ bền kéo và độ bền chảy rất giống nhau; sự khác biệt về độ bền thường nhỏ so với tác động từ quá trình gia công nguội hoặc hình dạng sản phẩm. - Độ dẻo dai và độ dai: Cả hai loại đều dẻo dai và dai ở nhiệt độ phòng và dưới 0 độ C nhờ cấu trúc vi mô austenit ổn định. 316 có thể duy trì độ dẻo dai tốt hơn một chút trong một số môi trường nhiệt độ thấp hoặc có tính ăn mòn cao do được hợp kim hóa, nhưng sự khác biệt là không đáng kể. - Độ cứng: Cả hai đều tương đối mềm khi ủ; độ cứng có thể tăng đáng kể khi gia công nguội.
5. Khả năng hàn
Khả năng hàn của cả thép 304 và 316 nhìn chung đều rất tốt khi sử dụng các quy trình hàn nóng chảy tiêu chuẩn (TIG, MIG, SMAW, v.v.). Những cân nhắc chính:
- Mức độ cacbon và độ nhạy cảm: hàm lượng cacbon kiểm soát khả năng bị ăn mòn liên hạt sau khi hàn. Sử dụng các loại thép có hàm lượng cacbon thấp (304L, 316L) hoặc thép có hàm lượng ổn định (ví dụ: 316Ti) cho các mối hàn khổ lớn hoặc khi việc ủ dung dịch sau hàn không khả thi.
- Độ cứng và khả năng làm cứng: thép không gỉ austenit có khả năng làm cứng thấp; sự hình thành martensite trong vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn không phổ biến so với thép ferritic.
- Chỉ số khả năng hàn (định tính): công thức tính toán lượng cacbon tương đương giúp đánh giá rủi ro nứt hoặc khả năng tôi cứng. Các chỉ số ví dụ thường được các kỹ sư sử dụng là: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Và $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Diễn giải định tính: cả 304 và 316 đều tạo ra mối hàn dẻo, chống nứt với quy trình phù hợp. Hàm lượng Mo và Ni cao hơn của 316 có thể cần được lưu ý khi lựa chọn vật liệu độn để phù hợp với hiệu suất chống ăn mòn. Ủ dung dịch sau hàn hoặc sử dụng thép có hàm lượng carbon thấp/ổn định sẽ giảm thiểu hiện tượng nhạy cảm.
6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt
Cấp thép không gỉ - Lớp màng thụ động Cr2O3 trên cả 304 và 316 đều có khả năng chống ăn mòn nói chung trong không khí và nhiều môi trường nước. - Đối với ăn mòn cục bộ (rỗ, ăn mòn khe hở) trong môi trường chứa clorua, molypden là một nguyên tố hợp kim hiệu quả. Sử dụng hệ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) làm chỉ số so sánh: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Về mặt chất lượng, 316 (có Mo) sẽ có PREN cao hơn 304 và do đó có khả năng chống rỗ tốt hơn trong môi trường chứa clorua. - Sự nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt xảy ra nếu cacbon kết hợp với crom ở ranh giới hạt; các loại cacbon thấp hoặc ổn định sẽ giảm thiểu hiện tượng này.
Thép không gỉ - Đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp (không phải đối tượng so sánh này), các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn bao gồm mạ kẽm, sơn, phủ polymer hoặc bảo vệ catốt. PREN không áp dụng cho kim loại không phải thép không gỉ.
7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình
- Khả năng định hình: Thép 304 thường được coi là dễ định hình và kéo hơn thép 316 ở điều kiện ủ; cả hai đều được sử dụng rộng rãi để kéo sâu và tạo hình phức tạp. Gia công nguội làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo.
- Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit khó gia công hơn thép cacbon do phải tôi luyện và có độ dẻo dai. 316, do có hàm lượng Mo và niken cao hơn, thường khó gia công hơn 304 một chút và có thể làm dụng cụ bị mài mòn nhanh; hãy sử dụng các dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng, cấp liệu dương và chất làm mát thích hợp.
- Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều sử dụng phương pháp đánh bóng cơ học và đánh bóng điện hóa tiêu chuẩn. 316 thường được ưa chuộng hơn khi cần đánh bóng điện hóa và thụ động hóa trong môi trường clorua.
- Hướng dẫn tạo hình và hàn: tránh quá nhiệt và giữ nhiệt độ trong khoảng 500–800 °C để tránh nhạy cảm; lập kế hoạch trình tự hàn và lựa chọn vật liệu hàn để duy trì hiệu suất chống ăn mòn.
8. Ứng dụng điển hình
| 304 — Công dụng điển hình | 316 — Công dụng điển hình |
|---|---|
| Thiết bị nhà bếp, bồn rửa, thiết bị chế biến thực phẩm (không chứa clorua) | Phần cứng hàng hải, máy bơm, van và phụ kiện tiếp xúc với nước biển |
| Trang trí kiến trúc và lan can trong nhà | Thiết bị hóa chất và hóa dầu xử lý clorua hoặc axit |
| Thiết bị đồ uống và sữa | Thiết bị dược phẩm và y tế cần khả năng kháng clorua |
| Chốt (sử dụng trong nhà), tấm trang trí | Bộ trao đổi nhiệt, ống ngưng tụ trong các nhà máy biển hoặc ven biển |
| Trang trí ô tô và các thành phần nội thất | Nền tảng ngoài khơi, linh kiện đóng tàu, cơ sở hạ tầng ven biển |
Cơ sở lựa chọn - Chọn 304 khi dịch vụ không liên quan đến sự tấn công clorua đáng kể và chi phí cũng như khả năng định hình là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 316 khi dịch vụ bao gồm tiếp xúc với nước biển, nước muối hoặc hóa chất giàu clorua, nơi cần tăng cường khả năng chống rỗ và khe hở.
9. Chi phí và tính khả dụng
- Chi phí: 316 thường đắt hơn 304 vì hàm lượng molypden và niken cao hơn thường làm tăng chi phí vật liệu. Chênh lệch giá thay đổi tùy theo biến động thị trường của Ni và Mo.
- Tính khả dụng: 304 được lưu kho rộng rãi hơn với nhiều dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh, chốt) và độ dày khác nhau. 316 được lưu kho rộng rãi nhưng có thể có thời gian giao hàng lâu hơn hoặc số lượng đặt hàng tối thiểu cao hơn đối với một số dạng sản phẩm đặc biệt (ví dụ: ống liền mạch đường kính lớn hoặc tấm dày).
- Lưu ý khi mua hàng: hãy nêu rõ loại, dạng sản phẩm và bất kỳ biến thể carbon thấp hoặc ổn định nào khi đặt hàng để tránh việc thay thế có thể làm giảm hiệu suất chống ăn mòn.
10. Tóm tắt và khuyến nghị
Bảng tóm tắt (định tính)
| Diện mạo | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Khả năng hàn | Tuyệt vời (sử dụng 304L hoặc ổn định nếu cần) | Tuyệt vời (sử dụng 316L hoặc ổn định nếu cần) |
| Sức mạnh-Độ dẻo dai | Tốt; tương tự như 316 ở trạng thái ủ | Tốt; tương tự như 304 ở trạng thái ủ; vẫn giữ được độ dẻo dai trong môi trường ăn mòn |
| Khả năng chống ăn mòn (chung) | Tốt | Tốt hơn trong môi trường clorua/rỗ do Mo |
| Khả năng định hình | Tốt hơn một chút cho việc vẽ sâu | Ít định hình hơn một chút; tốt hơn cho dịch vụ ăn mòn nghiêm trọng |
| Khả năng gia công | Dễ hơn một chút so với 316 | Có phần khó khăn hơn; công việc trở nên khó khăn hơn |
| Trị giá | Thấp hơn | Cao hơn (hàm lượng Mo và Ni làm tăng chi phí) |
Kết luận và khuyến nghị - Chọn 304 nếu: - Ứng dụng trong nhà hoặc liên quan đến dịch vụ không chứa clorua (thiết bị thực phẩm, hoàn thiện kiến trúc) trong đó khả năng chống ăn mòn nói chung, chi phí thấp hơn và khả năng định hình tốt là ưu tiên hàng đầu. - Bạn muốn có tính khả dụng tối đa trên mọi hình dạng và kích thước sản phẩm với chi phí vật liệu thấp hơn. - Chọn 316 nếu: - Môi trường làm việc bao gồm clorua, nước biển, nước muối hoặc môi trường hóa học thúc đẩy quá trình ăn mòn rỗ và khe hở. - Tuổi thọ cao hơn trong môi trường khắc nghiệt, giảm bảo trì hoặc độ tin cậy của vật liệu cao hơn là lý do chính đáng cho chi phí vật liệu cao hơn. - Bạn cần cải thiện hiệu suất trong các cụm hàn khi khả năng chống ăn mòn cục bộ ở khu vực hàn là rất quan trọng (và bạn chọn các tùy chọn ít carbon/ổn định phù hợp khi cần).
Mẹo mua sắm cuối cùng: Luôn ghi rõ loại thép chính xác (ví dụ: 304L, 316L, 316Ti), dạng sản phẩm, bề mặt hoàn thiện và bất kỳ yêu cầu kiểm tra hoặc chứng nhận nào. Đối với môi trường khắc nghiệt hoặc ăn mòn, hãy cân nhắc thử nghiệm ăn mòn trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm thực địa hoặc đánh giá vật liệu để xác nhận lựa chọn loại thép cho ứng dụng dự định.