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

Giới thiệu

Các biến thể thép không gỉ loại 304 là một trong những loại thép không gỉ 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 quyết định giữa thép 304L hàm lượng carbon thấp và thép 304H hàm lượng carbon cao hơn khi chỉ định vật liệu cho thiết bị áp suất, đường ống, bộ trao đổi nhiệt hoặc các bộ phận chế tạo. Quyết định này thường cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn với độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão.

Điểm khác biệt cốt lõi về mặt thực tế là thép 304L được tối ưu hóa để giảm thiểu sự kết tủa cacbua trong quá trình hàn và sử dụng (cải thiện khả năng chống ăn mòn liên hạt và khả năng hàn), trong khi thép 304H chứa hàm lượng carbon cao hơn một cách có chủ đích để duy trì độ bền cao hơn ở nhiệt độ cao. Vì cả hai loại thép đều có chung nền tảng austenit crom-niken cơ bản, chúng thường được so sánh trong các thiết kế mà yếu tố quyết định là mức độ tiếp xúc nhiệt độ, lộ trình chế tạo và hiệu suất sau hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240/A240M (tấm/tấm kim loại), A312 (ống) theo UNS S30403; 304H — ASTM A240 (A240M) theo UNS S30409 hoặc tương đương.
• EN (Châu Âu): EN 1.4306 (304L), EN 1.4948 đôi khi được sử dụng cho thép không gỉ austenit có hàm lượng C cao tương đương 304H hoặc các loại thép không gỉ austenit khác; các biến thể EN quốc gia tham chiếu các dải thành phần.
• JIS (Nhật Bản): Danh pháp SUS304L và SUS304H trong tiêu chuẩn loại JIS G4303/G4312.
• GB (Trung Quốc): 06Cr19Ni10/06Cr19Ni10-2L tương đương với 304/304L; có các ký hiệu địa phương cho 304H.
• Phân loại: Cả hai đều là thép không gỉ (austenitic). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	304L điển hình (wt%)	304H điển hình (wt%)	Ghi chú
C	≤ 0,03	0,04 – 0,10	304L được giữ ở mức thấp để tránh kết tủa cacbua; 304H được nâng lên để cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao.
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0	Mangan là chất ổn định austenit; giới hạn tương tự.
Si	≤ 0,75	≤ 1,0	Silic dùng để khử oxy; hàm lượng cho phép cao hơn một chút đối với 304H.
P	≤ 0,045	≤ 0,045	Giới hạn tạp chất; giữ ở mức thấp.
S	≤ 0,03	≤ 0,03	Tạp chất; ảnh hưởng đến khả năng gia công.
Cr	18,0 – 20,0	18,0 – 20,0	Yếu tố chống ăn mòn chính.
Ni	8.0 – 12.0	8.0 – 11.0	Ổn định austenit, cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn.
Mo	- / dấu vết	- / dấu vết	Các biến thể 304 điển hình không bao gồm Mo.
V, Nb, Ti, B	—	—	Không phải là tiêu chuẩn cho 304/304L/304H; các loại ổn định đặc biệt (ví dụ: 321, 347) bao gồm Ti hoặc Nb.
N	≤ 0,1 (vết)	≤ 0,1 (vết)	Nitơ có thể có ở một lượng nhỏ; làm tăng sức mạnh và ảnh hưởng đến PREN.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom (Cr) cung cấp oxit thụ động chịu trách nhiệm chống ăn mòn. Cả hai loại đều có Cr tương tự nhau, do đó khả năng chống ăn mòn bazơ là tương tự nhau. - Niken (Ni) ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn; hàm lượng tương tự có nghĩa là độ dẻo tương tự. - Cacbon (C) ảnh hưởng đến sự hình thành cacbua: C cao hơn làm tăng độ bền (đặc biệt là ở nhiệt độ cao) nhưng thúc đẩy quá trình kết tủa crom cacbua và có thể xảy ra ăn mòn giữa các hạt nếu không được kiểm soát đúng cách. - Các nguyên tố phụ (Mn, Si, N) ảnh hưởng đến độ bền cơ học và độ cứng khi gia công; nitơ làm tăng độ bền và khả năng chống rỗ, Mo làm tăng khả năng chống rỗ nhưng không có.

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

Cấu trúc vi mô điển hình của cả 304L và 304H đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Vì austenit ổn định ở nhiệt độ phòng trong các thành phần này, nên không có sự biến đổi martensit trong quá trình làm nguội để gia công tiêu chuẩn.

• 304L: Hàm lượng carbon thấp giúp giảm thiểu sự kết tủa crom cacbua ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) tại ranh giới hạt trong quá trình làm nguội mối hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ nhạy (khoảng 450–850 °C). Do đó, cấu trúc vi mô vẫn không có nhiều cacbua ranh giới hạt sau khi chế tạo thông thường, giúp duy trì khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.
• 304H: Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng động lực kết tủa cacbua trong quá trình tiếp xúc nhiệt. Ở nhiệt độ cao, một số $\text{Cr}_{23}\text{C}_6$ có thể hình thành ở ranh giới hạt, làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ trừ khi áp dụng chất ổn định hoặc xử lý nhiệt sau hàn. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon cao hơn cũng làm tăng khả năng gia cường dung dịch rắn và khả năng chống rão ở nhiệt độ thường trên 500–600 °C.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Ủ (ủ dung dịch hoàn toàn sau đó làm nguội nhanh) phục hồi độ dẻo và hòa tan hầu hết các loại carbide ở cả hai loại. Đối với 304H, nhiệt độ hòa tan và động học hòa tan tương tự nhau nhưng khả năng kết tủa lại khi làm nguội chậm cao hơn. - Quá trình chuẩn hóa thường không được sử dụng cho thép không gỉ austenit vì pha austenit ổn định; tính chất cơ học chủ yếu được kiểm soát bằng phương pháp gia công nguội và ủ dung dịch. - Quá trình xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội sau đó ủ) làm thay đổi tính chất kéo và giới hạn chảy tương tự nhau ở cả hai loại, nhưng 304H vẫn giữ được giới hạn chảy/giới hạn chảy cao hơn một chút ở nhiệt độ cao.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (điển hình, ủ)	304L	304H	Bình luận
Độ bền kéo (UTS)	Xấp xỉ vừa phải; phạm vi ủ điển hình	Cao hơn một chút so với 304L ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao	Độ C cao hơn của 304H làm tăng UTS, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	Vừa phải	Cao hơn một chút	Thép 304H có độ bền kéo cao hơn thép C và có khả năng làm cứng bằng dung dịch rắn.
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao (khả năng tạo hình tốt)	Có thể so sánh hoặc giảm nhẹ	Nhiệt độ C cao hơn có thể làm giảm độ dẻo một chút sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.
Độ bền va đập	Cao ở nhiệt độ phòng	Cao ở nhiệt độ phòng; có thể giảm ở nhiệt độ cao	Thép không gỉ austenit vẫn duy trì độ dẻo dai tốt; nguy cơ giòn tăng lên khi nhiệt độ tăng trong thời gian dài.
Độ cứng	Tương đối thấp (ủ)	Cao hơn một chút	Sự khác biệt là không đáng kể trong điều kiện ủ; tốc độ làm cứng tương tự nhau.

Lưu ý: Giá trị số chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống), xử lý nhiệt và gia công nguội. Điểm mấu chốt: 304H thường có độ bền cao hơn ở nhiệt độ cao, nhưng khả năng chống kết tủa cacbua lại giảm đi đôi chút và biên độ gia công cũng thấp hơn một chút.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ austenit nói chung là tuyệt vời do có ma trận austenit và ít có xu hướng hình thành martensite.

Những lưu ý quan trọng khi hàn: - Hàm lượng carbon quan trọng: hàm lượng carbon thấp hơn trong 304L làm giảm nguy cơ nhạy cảm (ăn mòn giữa các hạt) sau khi hàn và cho phép bỏ qua quá trình ủ dung dịch sau hàn trong nhiều ứng dụng. - Hàm lượng carbon cao hơn của 304H làm tăng nguy cơ nhạy cảm; các biện pháp kiểm soát quy trình hàn (lựa chọn chất độn, làm nguội nhanh hoặc ủ dung dịch sau hàn) có thể được yêu cầu đối với môi trường ăn mòn hoặc tuân thủ quy định. - Khả năng làm cứng đều thấp đối với cả hai; khả năng nứt từ các cấu trúc vi mô cứng bị hạn chế.

Công thức thực nghiệm hữu ích để đánh giá khả năng hàn/khả năng tôi luyện: - Đương lượng cacbon (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Khả năng hàn giảm tương quan với $CE_{IIW}$ cao hơn. - Crom tương đương hoặc Pcm đối với thép không gỉ: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ - $P_{cm}$ cao hơn cho thấy xu hướng hình thành các vấn đề cân bằng ferit/austenit lớn hơn và có thể thông báo các yêu cầu về gia nhiệt trước/hàn sau.

Giải thích: - 304L thường có chỉ số nhạy cảm với carbon thấp hơn và được ưa chuộng khi cần đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn mà không cần xử lý nhiệt sau khi hàn. - 304H có thể yêu cầu kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn trong các ứng dụng ăn mòn hoặc theo quy định nhưng có độ bền tốt hơn đối với các cụm hàn ở nhiệt độ cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 304L và 304H đều là thép không gỉ (chứa ~18% Cr) và dựa trên lớp màng Cr2O3 thụ động để có khả năng chống ăn mòn nói chung trong nhiều môi trường.
• Khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở ở mức trung bình vì không có Mo. Để đánh giá khả năng chống rỗ, PREN là chỉ số phổ biến: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Đối với biến thể 304 (Mo ≈ 0), PREN được điều khiển bởi Cr và N; với Cr tương tự và N thấp, cả hai loại đều có khả năng chống rỗ và chống ăn mòn chung tương đương nhau.
• Rủi ro nhạy cảm: Hàm lượng carbon cao hơn của 304H thúc đẩy sự hình thành crom cacbua tại ranh giới hạt khi tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ nhạy cảm, điều này có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ (ăn mòn giữa các hạt). 304L được chọn để giảm thiểu rủi ro đó.
• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ (không áp dụng ở đây) sẽ bao gồm mạ kẽm hoặc phủ lớp; đối với các loại thép không gỉ này, các biện pháp chính là làm sạch, thụ động hóa và tránh môi trường chứa clorua.

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

• Khả năng định hình/uốn cong: 304L có khả năng định hình và kéo sâu tuyệt vời do có độ dẻo cao hơn và năng suất thấp hơn ở trạng thái ủ. 304H vẫn có thể gia công được nhưng giới hạn định hình có thể giảm nhẹ.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit có khả năng tôi luyện và có khả năng gia công thấp hơn thép cacbon. Hàm lượng cacbon cao hơn và độ bền tiềm ẩn cao hơn của thép 304H có thể làm giảm nhẹ tuổi thọ dụng cụ và yêu cầu dụng cụ chắc chắn hơn hoặc tốc độ ăn dao chậm; các phiên bản cắt tự do hoặc bổ sung lưu huỳnh cải thiện khả năng gia công nhưng làm giảm khả năng chống ăn mòn.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai loại đều đánh bóng và thụ động hóa tốt; tuy nhiên, mài hoặc hoàn thiện mạnh làm nóng bề mặt có thể làm cho 304H nhạy cảm hơn so với 304L.
• Chế tạo hàn: 304L thường là lựa chọn ưu tiên cho các kết cấu hàn trừ khi cần độ bền nhiệt độ cao.

8. Ứng dụng điển hình

304L — Công dụng điển hình	304H — Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm, các bộ phận của nhà máy sữa và bia, bình chứa dược phẩm, nơi mà quá trình ủ sau khi hàn là không thực tế và khả năng chống ăn mòn là tối quan trọng	Ống nồi hơi, bộ phận lò, bộ trao đổi nhiệt và các thành phần tiếp xúc với hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao khi cần thêm sức bền/khả năng chống rão
Bồn chứa hóa chất, đường ống và phụ kiện trong môi trường ăn mòn nhẹ	Các bộ phận giữ áp suất cho dịch vụ nhiệt độ cao và một số thiết bị truyền nhiệt hóa dầu
Trang trí kiến ​​trúc, bồn rửa và đồ gia dụng	Các cụm hàn ở nhiệt độ cao trong đó quy định yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 304L khi tính đơn giản của mối hàn, khả năng chống ăn mòn giữa các hạt và khả năng tạo hình được ưu tiên cao hơn. - Chọn 304H khi cần độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống biến dạng, và khi các biện pháp sau hàn hoặc chế tạo có thể kiểm soát được rủi ro nhạy cảm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 304L được sản xuất và lưu kho rộng rãi; chi phí tương đối tương tự như 304 tiêu chuẩn nhưng cao hơn một chút do quy trình xử lý carbon thấp được kiểm soát. 304H là loại chuyên dụng hơn—chi phí vật liệu có thể tương đương hoặc cao hơn một chút do thông số kỹ thuật carbon chặt chẽ hơn và có thể sản lượng thấp hơn.
• Tính khả dụng: 304L được cung cấp rộng rãi dưới nhiều dạng sản phẩm (tấm, tấm, cuộn, ống, thanh, rèn). 304H cũng có sẵn nhưng ít phổ biến hơn ở một số thị trường và dạng sản phẩm; thời gian giao hàng đối với các hình dạng đặc biệt hoặc số lượng lớn có thể lâu hơn.
• Lưu ý mua sắm: Khi chỉ định, hãy bao gồm ký hiệu ASTM/EN/JIS chính xác và hình thức sản phẩm mong muốn để tránh thay thế bằng loại 304 tiêu chuẩn hoặc loại ổn định.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	304L	304H
Khả năng hàn	Tuyệt vời (nguy cơ nhạy cảm thấp hơn)	Tốt, nhưng nguy cơ nhạy cảm cao hơn—cần kiểm soát
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ phòng)	Độ dẻo dai tốt; độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn một chút; độ dẻo dai tương đương ở nhiệt độ phòng
Độ bền/độ rão ở nhiệt độ cao	Vừa phải	Vượt trội ở nhiệt độ cao
Khả năng chống ăn mòn trong dịch vụ nhạy cảm	Tốt hơn (chống lại sự tấn công giữa các hạt)	Thấp hơn trừ khi được giảm thiểu bằng cách xử lý nhiệt/lựa chọn chất độn
Chi phí/Tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi; tiết kiệm chi phí	Chuyên môn hóa; chi phí/thời gian thực hiện có thể cao hơn

Chọn 304L nếu: - Linh kiện sẽ được hàn rộng rãi và việc xử lý nhiệt sau khi hàn là không thực tế. - Khả năng chống ăn mòn giữa các hạt (ví dụ, đường ống dẫn thực phẩm, dược phẩm hoặc nước uống) là ưu tiên hàng đầu. - Yêu cầu khả năng tạo hình tốt và độ uốn sâu.

Chọn 304H nếu: - Ứng dụng liên quan đến dịch vụ nhiệt độ cao kéo dài khi cần độ bền kéo hoặc khả năng chống rão cao hơn (ví dụ: bộ trao đổi nhiệt, nồi hơi, các bộ phận lò nung). - Kế hoạch mua sắm và chế tạo cho phép kiểm soát quá trình hàn, lựa chọn kim loại hàn tương thích và nếu cần, ủ dung dịch sau hàn hoặc giảm thiểu thay thế để quản lý tình trạng nhạy cảm.

Lưu ý cuối cùng: Cả 304L và 304H đều là những lựa chọn hợp lệ trong phạm vi thiết kế của chúng. Vui lòng xác định nhiệt độ sử dụng dự kiến, môi trường ăn mòn (tiếp xúc với clorua, độ axit), trình tự chế tạo và các quy tắc/tiêu chuẩn áp dụng khi lựa chọn giữa chúng để đảm bảo sự cân bằng chính xác giữa khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn và hiệu suất nhiệt độ cao.