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

Giới thiệu

Thép không gỉ austenit 304 và 316Ti là hai trong số những hợp kim được chỉ định phổ biến nhất trong thiết bị quy trình, đường ống, kiến ​​trúc và các thành phần chế tạo. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc sự đánh đổi giữa khả năng chống ăn mòn, đặc tính chế tạo, chi phí vật liệu và hiệu suất dài hạn khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép cho môi trường ăn mòn nhẹ, trong đó chi phí và khả năng định hình là yếu tố quan trọng (ưu tiên 304), so với môi trường ăn mòn hoặc nhiệt độ cao, trong đó khả năng chống nhạy cảm hoặc rỗ là yếu tố quan trọng (ưu tiên các biến thể 316 ổn định).

Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là 316Ti là phiên bản ổn định titan của dòng thép không gỉ 316: titan được bổ sung một cách có chủ đích để liên kết carbon dưới dạng titanide (TiC/TiN) và ức chế sự kết tủa crom cacbua (nhạy cảm hóa) tại ranh giới hạt. Sự ổn định này cải thiện khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với các chu kỳ nhiệt nhạy cảm hóa và có thể cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao, đồng thời vẫn giữ được các đặc tính chung của thép không gỉ 316.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung:
• ASTM / ASME: Loại 304 (UNS S30400), Loại 316Ti (UNS S31635)
• VN: 304 (1.4301), 316Ti (1.4571)
• JIS: SUS304, SUS316Ti
• GB (Trung Quốc): 0Cr18Ni9 (304), 0Cr17Ni12Mo2Ti (316Ti)
• Loại vật liệu: Cả hai đều là thép không gỉ austenit (không gỉ, không từ tính khi ủ). Chúng không phải là thép cacbon hay HSLA; chúng thuộc nhóm hợp kim thép không gỉ, được thiết kế để chống ăn mòn và dễ định hình hơn là làm cứng hoàn toàn bằng phương pháp tôi/ram.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Điển hình 304 (wt%)	316Ti điển hình (wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,08
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	17,0–19,0
Ni	8,0–10,5	10,0–13,0
Mo	- (dấu vết)	2,0–2,5
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	0,4–0,8 (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)
B	—	—
N	≤ 0,11 (vết)	≤ 0,11 (vết)

Ghi chú: - Các phạm vi trên phản ánh các thông số kỹ thuật công nghiệp phổ biến (EN/ASTM/JIS) và thông lệ thương mại điển hình. Phạm vi chính xác được phép phụ thuộc vào tiêu chuẩn và hình thức sản phẩm. - 316Ti khác với thép 316 tiêu chuẩn chủ yếu ở chỗ có sự bổ sung titan một cách có chủ đích với lượng thường liên quan đến hàm lượng carbon (đủ Ti để kết hợp với carbon tự do).

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) tạo lớp màng oxit thụ động chống ăn mòn. Hàm lượng Cr cao hơn giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn nói chung và chống đóng cặn ở nhiệt độ cao. - Niken (Ni) ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo, giảm phản ứng từ. - Molypden (Mo) trong 316Ti cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở trong môi trường có chứa clorua. - Titan (Ti) trong 316Ti liên kết cacbon để tạo thành titan cacbua/nitrit, ngăn chặn sự hình thành crom cacbua ở ranh giới hạt và do đó làm giảm sự nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với nhiệt. - Carbon (C) làm tăng độ bền (khi không ổn định) nhưng làm tăng độ nhạy cảm trong phạm vi 450–850°C trừ khi được ổn định hoặc giữ ở mức thấp (như trong 316L).

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

Cả 304 và 316Ti đều là austenit hoàn toàn trong điều kiện ủ. Những cân nhắc về cấu trúc vi mô:

• 304: cấu trúc vi mô ủ là austenit với thành phần hóa học ranh giới hạt phân bố đồng đều. Khi tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm (~450–850°C) hoặc làm nguội chậm, crom cacbua (Cr23C6) có thể kết tủa tại ranh giới hạt nếu có cacbon, gây ra sự suy giảm crom cục bộ và khiến thép dễ bị ăn mòn liên hạt. Gia công nguội có thể tạo ra martensite do ứng suất trong 304, ảnh hưởng đến phản ứng từ và độ cứng cục bộ.

• 316Ti: cũng là austenit, nhưng titan liên kết cacbon dưới dạng kết tủa TiC/TiN hoặc Ti(C,N), ổn định hơn và hình thành ở nhiệt độ cao hơn so với crom cacbua. Điều này giúp ngăn ngừa sự suy giảm crom trong quá trình biến thiên nhiệt và chu kỳ hàn. Tuy nhiên, nếu Ti không được cân bằng đúng cách với C (không đủ Ti), cacbua vẫn có thể hình thành. Tiếp xúc quá mức ở nhiệt độ rất cao có thể tạo ra các kết tủa khác (pha sigma) có thể làm giòn hợp kim nếu giữ ở nhiệt độ 600–900°C trong thời gian dài; chỉ riêng việc ổn định nhiệt không loại bỏ được tất cả các cơ chế giòn ở nhiệt độ cao.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Ủ dung dịch (thực hành tiêu chuẩn) phục hồi độ dẻo và hòa tan các kết tủa không mong muốn: nhiệt độ ủ dung dịch thông thường đối với thép không gỉ austenit thường nằm trong khoảng 1010–1150°C (tham khảo tiêu chuẩn áp dụng). Làm nguội nhanh (bằng nước hoặc không khí) được sử dụng để duy trì trạng thái dung dịch. - Cả thép 304 và 316Ti đều không phản ứng với quá trình tôi và ram để gia cường như thép ferritic hoặc martensitic. Gia công nguội làm tăng độ bền (làm cứng bằng gia công) nhưng làm giảm độ dẻo. - Xử lý nhiệt cơ học (cán nguội, chu trình ủ) kiểm soát kích thước hạt và tính chất cơ học của sản phẩm tấm và dải.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (ủ, điển hình)	304	316Ti
Độ bền kéo (UTS)	Phạm vi điển hình cho các dạng sản phẩm ủ: ~480–700 MPa*	Tương tự như 316; thường là ~480–700 MPa*
Độ bền kéo dài (độ bền 0,2%)	Tối thiểu chung ≈ 190–205 MPa*	Tối thiểu chung ≈ 190–205 MPa*
Độ giãn dài (A%)	Độ dẻo cao; điển hình ≥ 40% tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm	Độ dẻo tương đương; điển hình ≥ 40%
Độ bền va đập	Tuyệt vời ở nhiệt độ phòng; vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Tương đương ở nhiệt độ phòng; độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (ủ)	Độ cứng thấp, khả năng định hình tốt (khoảng 70–95 HRB tùy thuộc vào dạng sản phẩm)*	Tương tự như 304 trong điều kiện ủ*

*Giá trị thay đổi tùy theo dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh, cán nguội) và độ cứng chính xác. Tham khảo tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ kiểm tra nhà máy để biết giá trị cơ học được đảm bảo.

Giải thích: - Ở trạng thái ủ, cả hai loại đều có độ bền và độ dẻo dai tương đương nhau. Gia công nguội giúp tăng độ bền cho cả hai; 316Ti có thể cho độ bền cao hơn một chút trong một số điều kiện do được hợp kim hóa, nhưng sự khác biệt không đáng kể. Độ dẻo dai nhìn chung là tuyệt vời cho cả hai loại nhờ cấu trúc vi mô austenit.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn: - Cả 304 và 316Ti đều dễ hàn bằng các phương pháp nóng chảy và điện trở thông thường. Hàm lượng carbon tương đối thấp hạn chế quá trình tôi cứng trong quá trình hàn, nhưng hiện tượng nhạy cảm có thể xảy ra ở 304 và 316 chưa ổn định nếu chu kỳ nhiệt hàn tạo ra kết tủa cacbua. - Tính ổn định titan của 316Ti giúp thép này chịu được nhiệt độ hàn và làm mát sau khi hàn tốt hơn, nếu không sẽ làm nhạy cảm các loại thép không ổn định; thép này thường được chỉ định cho các bộ phận hàn dùng trong môi trường nhiệt độ cao hoặc khi việc giảm ứng suất sau khi hàn là không khả thi.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (chỉ sử dụng cho mục đích định tính): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (độ dễ nứt lạnh hoặc nứt do chảy): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải: Cả hai chỉ số đều tăng khi có các nguyên tố hợp kim thúc đẩy khả năng tôi hoặc phân tách. 316Ti sẽ cho thấy Pcm hơi khác do Ti và Mo; tuy nhiên, đối với các thành phần thép không gỉ austenit thông thường, CE và Pcm vẫn thấp so với thép cacbon cao và không hạn chế khả năng hàn trong các ứng dụng thông thường. Các biện pháp trước và sau khi hàn (làm sạch, kiểm soát nhiệt đầu vào, lựa chọn vật liệu hàn) rất quan trọng để tránh ăn mòn cục bộ và đảm bảo các đặc tính cơ học phù hợp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất không gỉ: cả hai đều dựa vào lớp màng oxit crom thụ động. 316Ti có khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn khe hở tốt hơn so với 304 nhờ hàm lượng Mo.

• Sử dụng PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) giúp so sánh khả năng bị tấn công cục bộ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Diễn giải: Chỉ số PREN cao hơn cho thấy khả năng chống rỗ tốt hơn. 316Ti, có Mo, sẽ có chỉ số PREN cao hơn 304; hàm lượng nitơ cũng góp phần vào điều này nếu có.

• Nhạy cảm: 304 có thể dễ bị ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm. 316Ti chống lại sự nhạy cảm vì Ti ưu tiên tạo thành cacbua và nitrua ổn định, bảo quản crom trong dung dịch rắn tại ranh giới hạt.

• Các lựa chọn thay thế không phải thép không gỉ: không áp dụng ở đây; các phương pháp bảo vệ như mạ kẽm hoặc sơn được sử dụng cho thép cacbon, không phải cho các loại thép không gỉ.

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

• Tạo hình và kéo sâu: 304 thường được ưa chuộng vì dễ tạo hình và kéo sâu do tốc độ làm cứng thấp hơn một chút và độ dẻo tốt.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit khó gia công hơn thép cacbon. 316Ti (giống như 316) thường gia công kém hơn 304 do hàm lượng hợp kim cao hơn (Mo, Ni) và xu hướng làm cứng khi gia công; cần phải điều chỉnh dụng cụ, tốc độ và bước tiến.
• Hoàn thiện bề mặt: đánh bóng và thụ động hóa tốt; phương pháp phun bi và đánh bóng điện hóa là phổ biến. Đối với các cụm hàn, 316Ti giảm nhu cầu ủ dung dịch sau hàn để giảm nhạy cảm so với 316 hoặc 304 chưa ổn định, mặc dù vẫn cần làm sạch cục bộ và thụ động hóa để đạt hiệu suất chống ăn mòn tối ưu.

8. Ứng dụng điển hình

304 – Công dụng điển hình	316Ti – Ứng dụng điển hình
Thiết bị nhà bếp, linh kiện chế biến thực phẩm, trang trí kiến ​​trúc, đường ống đa năng, thiết bị gia dụng	Bộ trao đổi nhiệt và đường ống cho các dịch vụ nhiệt độ cao hoặc tuần hoàn, xử lý hóa chất có nguy cơ rỗ clorua hoặc nhạy cảm, thiết bị lọc dầu tiếp xúc với các biến động nhiệt
Trang trí ô tô, ngành công nghiệp đồ uống, ống dẫn HVAC	Các bình và đường ống hàn phải chịu các chu kỳ nhiệt hàn lặp đi lặp lại, các thành phần yêu cầu khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi chế tạo
Các thành phần được tạo hình nguội đòi hỏi khả năng tạo hình tốt với chi phí thấp hơn	Các thành phần đặc biệt trong đó Mo và Ti kết hợp với nhau mang lại khả năng kiểm soát ăn mòn cục bộ và độ ổn định nhiệt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304 cho các ứng dụng chung mà chi phí, khả năng định hình và khả năng chống ăn mòn chấp nhận được trong môi trường không có clorua là những yếu tố chính. - Chọn 316Ti khi dịch vụ liên quan đến tiếp xúc với clorua, nhiệt độ cao hoặc chu trình hàn/nhiệt có thể làm nhạy cảm các hợp kim chưa ổn định; chi phí bổ sung được biện minh bằng khả năng chống ăn mòn cục bộ và độ ổn định nhiệt được cải thiện.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 316Ti thường đắt hơn 304 do hàm lượng niken, molypden cao hơn và việc bổ sung titan. Giá cả thay đổi tùy theo thị trường kim loại hàng hóa (Ni, Mo) và hình dạng (thanh, tấm, ống).
• Tính khả dụng: 304 được lưu kho rộng rãi dưới nhiều dạng sản phẩm và thường là loại thép không gỉ phổ biến nhất. 316Ti thường được bán rộng rãi nhưng ít phổ biến hơn 316/304 tiêu chuẩn; thời gian giao hàng đối với các sản phẩm 316Ti được chứng nhận tại nhà máy chuyên dụng có thể lâu hơn đối với một số dạng nhất định (ví dụ: các chi tiết rèn lớn hoặc ốc vít chuyên dụng).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	304	316Ti
Khả năng hàn	Rất tốt; có thể cần phải cẩn thận để tránh gây nhạy cảm trong một số trường hợp	Rất tốt; cải thiện khả năng chống nhạy cảm cho các kết cấu hàn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tuyệt vời; độ bền kéo tương đương	Độ bền và độ dẻo dai tương đương; độ ổn định ở nhiệt độ cao tốt hơn một chút
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (do Mo, Ni, Ti)

Chọn 304 nếu: - Ứng dụng của bạn có mục đích chung, không tiếp xúc đáng kể với clorua hoặc chu kỳ nhiệt kéo dài gây ra tình trạng nhạy cảm. - Khả năng định hình, tính sẵn có và chi phí vật liệu thấp là những mối quan tâm hàng đầu. - Có thể chấp nhận loại thép austenit không ổn định và có thể sử dụng các quy trình hàn/sau hàn tiêu chuẩn.

Chọn 316Ti nếu: - Dịch vụ bao gồm môi trường clorua, môi trường ăn mòn hoặc nhiệt độ cao khi có nguy cơ ăn mòn hoặc nhạy cảm tại chỗ. - Linh kiện sẽ trải qua quá trình hàn hoặc chu trình nhiệt và bạn muốn cải thiện khả năng chống lại sự tấn công giữa các hạt mà không cần xử lý nhiệt sau khi hàn. - Tuổi thọ và hiệu suất chống ăn mòn cao hơn nên chi phí vật liệu cao hơn và gia công khó khăn hơn một chút.

Lưu ý cuối cùng: hiệu suất và tính phù hợp chính xác phụ thuộc vào điều kiện vận hành cụ thể, hình dạng linh kiện, hình dạng sản phẩm và các quy định ngành hiện hành. Luôn kiểm tra thành phần và bảo hành cơ học bằng chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và tham khảo ý kiến ​​chuyên gia về chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt hoặc bất thường.