304 so với 316L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Loại 304 và 316L là hai loại thép không gỉ austenit được chỉ định phổ biến nhất trong công nghiệp. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, đặc tính chế tạo, khả năng hàn, hiệu suất cơ học và chi phí vòng đời khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết bị dịch vụ ăn uống và hoàn thiện kiến ​​trúc (nơi chi phí và hình thức quan trọng) so với môi trường hàng hải hoặc chế biến hóa chất (nơi khả năng chống rỗ/clorua và hiệu suất chống ăn mòn lâu dài là tối quan trọng).

Ở cấp độ cao hơn, sự khác biệt thực tế chính nằm ở chiến lược hợp kim: 316L chứa molypden và tỷ lệ niken/crom hơi khác biệt, hàm lượng carbon thấp hơn 304, giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn do clorua gây ra, đồng thời tăng chi phí vật liệu. Do những khác biệt này, 304 và 316L được so sánh khi các nhà thiết kế cân nhắc khả năng chống ăn mòn, đặc tính chế tạo/hàn, yêu cầu cơ học và ngân sách.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Tiêu chuẩn quốc tế chung và mã định danh điển hình cho từng cấp:

• ASTM/ASME
• 304: ASTM A240 (tấm), A276 (thanh), UNS S30400
• 316L: ASTM A240 (tấm), A276 (thanh), UNS S31603
• EN (Châu Âu)
• 304: EN 1.4301
• 316L: EN 1.4404
• JIS (Nhật Bản)
• 304: SUS304
• 316L: SUS316L
• GB (Trung Quốc)
• 304: 06Cr19Ni10 (hoặc tương đương)
• 316L: 0Cr17Ni12Mo2 (hoặc tương đương)

Phân loại: Cả 304 và 316L đều là thép không gỉ (họ austenit). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ, thép hợp kim hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình (phần trăm trọng lượng) thường thấy trong các thông số kỹ thuật ASTM/EN hoặc bảng dữ liệu công nghiệp. Các giá trị là các phạm vi và phụ thuộc vào tiêu chuẩn/dạng sản phẩm cụ thể.

Yếu tố	304 (phạm vi điển hình, wt%)	316L (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	17,5–19,5 (≈18%)	16,0–18,0 (≈16–17%)
Ni	8,0–10,5 (≈8–10%)	10,0–14,0 (≈10–12%)
Mo	- (dấu vết)	2.0–3.0
V	dấu vết	dấu vết
Nb (Cb)	—	dấu vết (không điển hình cho 316L)
Ti	—	dấu vết (không điển hình cho 316L)
B	dấu vết	dấu vết
N	≤ 0,10 (nếu được chỉ định)	≤ 0,10 (nếu được chỉ định)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) cung cấp lớp oxit thụ động quyết định tính chất của thép không gỉ; cả hai loại đều có đủ Cr để chống ăn mòn nói chung. - Niken (Ni) ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Molypden (Mo) trong 316L cải thiện đáng kể khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường có chứa clorua. - Việc khử cacbon (C) trong 316L (ký hiệu “L”) làm giảm độ nhạy cảm trong quá trình hàn và giảm khả năng bị ăn mòn giữa các hạt. - Một số nguyên tố phụ và nitơ có thể được sử dụng trong một số thông số kỹ thuật để điều chỉnh độ bền và khả năng chống ăn mòn cục bộ.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 304 và 316L đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) khi ủ ở nhiệt độ phòng. Chúng thường không chuyển thành ferit hoặc martensite trong các chu kỳ nhiệt thông thường, ngoại trừ khi được gia công nguội mạnh (điều này có thể gây ra biến dạng martensite cục bộ trong 304).

Xử lý nhiệt/phản ứng xử lý: - Thép không gỉ austenit không được tôi cứng bằng phương pháp xử lý nhiệt tôi và ram thông thường. Ủ (ủ dung dịch ở khoảng 1000–1150 °C tùy theo thông số kỹ thuật) sau đó làm nguội nhanh sẽ phục hồi cấu trúc vi mô austenit đã được xử lý bằng dung dịch và hòa tan các cacbua. - Nhạy cảm hóa (kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt) xảy ra nếu các phần được giữ ở nhiệt độ khoảng 425–850 °C trong quá trình hàn hoặc xử lý nhiệt. Hàm lượng carbon thấp hơn (316L) làm giảm nguy cơ này. - Xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội + ủ dung dịch) kiểm soát cấu trúc hạt và tính chất cơ học; gia công nguội làm tăng độ bền thông qua quá trình tôi cứng do biến dạng nhưng cũng làm tăng ứng suất dư và có thể làm tăng khả năng bị ăn mòn cục bộ nếu lớp màng thụ động bề mặt bị phá vỡ. - Không áp dụng được phương pháp thường hóa để gia cường thép austenit; ủ dung dịch là phương pháp tiêu chuẩn để loại bỏ hiện tượng cứng do ứng suất và phục hồi khả năng chống ăn mòn.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây liệt kê các giá trị cơ học điển hình của các dạng sản phẩm ủ (tấm/tấm phẳng/thanh). Phạm vi tính chất phụ thuộc vào dạng sản phẩm (cán nguội, cán nóng, rèn) và độ dày.

Tính chất (ủ, điển hình)	304	316L
Độ bền kéo (MPa)	~515–720	~485–690
Giới hạn chảy, 0,2% (MPa)	~205–310	~170–300
Độ giãn dài (A %, điển hình)	~40–60%	~40–60%
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	Tốt; nói chung là cao	Tương đương hoặc tốt hơn một chút ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (HB/HRB, ủ điển hình)	~100–200 HB	~95–190 HB

Giải thích: - Cả hai loại đều dẻo và dai khi ủ. 304 thường có độ bền kéo/giới hạn chảy danh nghĩa cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm nhất định, nhưng sự khác biệt là nhỏ và phụ thuộc vào dạng sản phẩm. - Hàm lượng carbon thấp hơn của 316L làm giảm nguy cơ giòn do kết tủa cacbua và cải thiện hiệu suất sau khi hàn. - Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao, người ta sẽ chọn phương pháp gia công nguội hoặc hợp kim thay thế; các loại austenit này được lựa chọn chủ yếu vì khả năng chống ăn mòn và khả năng tạo hình hơn là độ bền cao.

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ austenit thường là một trong những hợp kim dễ hàn nhất. Những cân nhắc chính về khả năng hàn: - Hàm lượng carbon ảnh hưởng đến độ nhạy; hàm lượng carbon thấp hơn của 316L làm giảm lượng kết tủa cacbua trong các chu kỳ nhiệt hàn, cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt mà không cần ủ dung dịch sau hàn. - Thép không gỉ austenit có độ cứng thấp và không dễ bị nứt nguội do hydro như thép cacbon. Tuy nhiên, chúng dễ bị biến dạng do độ dẫn nhiệt thấp và hệ số giãn nở nhiệt cao.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (chỉ sử dụng cho mục đích định tính): - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Cả 304 và 316L đều tạo ra giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp so với thép có độ bền cao, hàm lượng carbon cao, cho thấy khả năng hàn tốt. C thấp hơn của 316L làm giảm $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ hơn nữa, khiến nó trở nên thích hợp hơn cho các mối hàn có tiết diện lớn hoặc khi nhà thiết kế muốn tránh xử lý nhiệt sau khi hàn. - Lựa chọn vật liệu hàn thông dụng: sử dụng vật liệu hàn phù hợp (ví dụ: 308L cho 304, 316L/316 cho 316L) để duy trì khả năng chống ăn mòn của kim loại hàn. Đối với các mối nối không giống nhau, hãy chọn vật liệu hàn để tránh các điểm yếu về điện hóa hoặc ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất không gỉ: Cả hai đều dựa vào lớp màng oxit crom thụ động để chống ăn mòn nói chung. Trong môi trường ngâm nước hoặc clorua ăn mòn, molypden là thành phần quyết định.
• Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) là chỉ số phổ biến về khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Những hàm ý điển hình của PREN:
• 304: thiếu Mo, PREN chủ yếu do Cr và bất kỳ N nào thúc đẩy; PREN thấp hơn có nghĩa là dễ bị rỗ hơn trong môi trường clorua.
• 316L: Mo tăng cường PREN, cải thiện khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua (nước biển, nước muối, một số dòng quy trình hóa học).
• Thép không gỉ: trong bối cảnh này, thép cacbon/hợp kim cần được bảo vệ bề mặt như mạ kẽm, phủ lớp hoặc sơn; PREN không áp dụng cho loại thép này.

Khả năng áp dụng: - Sử dụng 304 cho môi trường khí quyển, tiếp xúc với hóa chất nhẹ, tiếp xúc với thực phẩm và môi trường trong nhà. - Sử dụng 316L ở những nơi có khả năng tiếp xúc với clorua, khí quyển biển hoặc hóa chất halogen hoặc nơi các bộ phận hàn sẽ duy trì trong điều kiện sử dụng có thể gây nhạy cảm.

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

• Khả năng gia công: Thép Austenitic có khả năng tôi cứng; thép 316L thường khó gia công hơn thép 304 vì Mo làm giảm độ dẫn nhiệt và tăng độ mài mòn dụng cụ trong một số thao tác. Sử dụng dụng cụ sắc bén, gia công chậm với dung dịch làm mát đậm đặc và dụng cụ carbide cho cả hai trường hợp.
• Khả năng định hình: Cả hai loại đều có khả năng định hình cao; 304 thường được ưa chuộng cho các công việc kéo sâu và trang trí do có độ bền cao hơn một chút và độ dẻo tốt. 316L có khả năng định hình tốt và được ưa chuộng khi ưu tiên khả năng hàn hoặc chống ăn mòn sau này.
• Hoàn thiện bề mặt: Đánh bóng để có lớp hoàn thiện thẩm mỹ tốt; 316L có thể cần vệ sinh sau khi hàn cẩn thận hơn để phục hồi lớp màng thụ động trong môi trường ăn mòn.
• Xem xét khả năng đàn hồi: Thép Austenitic có mô đun đàn hồi tương đối cao và có khả năng đàn hồi khi uốn; thiết kế dụng cụ phải tính đến điều đó.

8. Ứng dụng điển hình

304 – Công dụng điển hình	316L – Công dụng điển hình
Thiết bị nhà bếp, bồn rửa, thiết bị, thiết bị chế biến thực phẩm (không chứa clorua)	Phần cứng hàng hải, phụ kiện thuyền, máy bơm nước biển, bộ trao đổi nhiệt
Trang trí kiến ​​trúc và lan can	Đường ống, bồn chứa và phụ kiện của quy trình hóa chất tiếp xúc với clorua
Đồ cố định và phần cứng dùng trong nhà	Thiết bị dược phẩm và y tế (316L hoặc 316LVM cho cấy ghép)
Thiết bị đồ uống và sữa (nơi tiếp xúc với clorua bị hạn chế)	Xây dựng ngoài khơi và ven biển, xử lý nước muối

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép 304 khi tính thẩm mỹ, khả năng chống ăn mòn vừa phải và hiệu quả về chi phí là những yếu tố chính và khả năng tiếp xúc với clorua là hạn chế. - Chọn 316L khi sử dụng liên quan đến clorua, yêu cầu khả năng chống rỗ/kẽ hở cao hơn hoặc các cụm hàn phải chống lại sự tấn công giữa các hạt mà không cần ủ sau khi hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 316L đắt hơn 304 do có thêm Mo và thường có hàm lượng Ni cao hơn. Mức chênh lệch giá thay đổi tùy theo giá kim loại trên thị trường (biến động của niken và molypden) và hình thức.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được cung cấp rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng tấm, đĩa, ống, thanh và ống. 304 thường là loại thép không gỉ có sẵn nhất và có giá thành thấp nhất; 316L thường có sẵn nhưng đôi khi ít có sẵn ở các kích thước hoặc lớp hoàn thiện đặc biệt.
• Lưu ý mua sắm: Khi chỉ định 316L, hãy xác nhận thời gian giao hàng và lượng hàng tồn kho theo hình thức sản phẩm yêu cầu (ví dụ: ống liền mạch, ống hàn, tấm khổ lớn).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	304	316L
Khả năng hàn	Tuyệt vời (sử dụng chất độn ít carbon cho các cụm hàn)	Tuyệt vời — vượt trội cho mối hàn nặng và nguy cơ nhạy cảm thấp hơn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Tốt; cường độ danh nghĩa cao hơn một chút ở một số dạng	Độ dẻo dai tương đương; năng suất thấp hơn một chút ở một số dạng nhưng độ dẻo dai tuyệt vời ở nhiệt độ thấp
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (giá cao hơn cho Mo/Ni)

Sự giới thiệu: - Chọn 304 nếu chi phí và khả năng chống ăn mòn nói chung là nhu cầu chính, đối với công trình kiến ​​trúc trong nhà, thiết bị phục vụ thực phẩm (không chứa clorua) và chế tạo nói chung, trong đó yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt hoặc độ sâu là yếu tố quan trọng. - Chọn 316L nếu lo ngại về hiện tượng rỗ/ăn mòn khe hở do clorua gây ra, nếu các cụm hàn phải tránh ăn mòn liên hạt mà không cần xử lý nhiệt sau hàn, hoặc khi ứng dụng trong ngành hàng hải, xử lý hóa chất hoặc các môi trường khắc nghiệt khác. Sử dụng 316L khi chi phí vòng đời và độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt cao hơn chi phí vật liệu cao hơn.

Mẹo thực tế cuối cùng: tham khảo các tiêu chuẩn vật liệu và bảng dữ liệu sản phẩm để biết thành phần chính xác và các đặc tính cơ học của hình dạng vật liệu của nhà cung cấp và đánh giá thử nghiệm ăn mòn (ví dụ: thử nghiệm khả năng chống rỗ hoặc phân cực tuần hoàn) cho các ứng dụng tiếp xúc với clorua quan trọng.