316 so với 310S – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép không gỉ 316 và 310S khi chỉ định các chi tiết cho môi trường ăn mòn hoặc nhiệt độ cao. 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 oxy hóa, cũng như các cân nhắc về chi phí ban đầu và nguồn cung ứng. Mặc dù cả hai đều là thép không gỉ austenit và có nhiều đặc tính chế tạo chung, 316 thường được lựa chọn cho môi trường chứa clorua và các ứng dụng nhạy cảm với khả năng hàn, trong khi 310S được lựa chọn khi cần khả năng chống oxy hóa và độ bền rão ở nhiệt độ cao bền vững.

Sự khác biệt thực tế chính là thép 316 nhấn mạnh khả năng chống ăn mòn (đặc biệt là rỗ) được cải thiện nhờ hợp kim molypden, trong khi thép 310S nhấn mạnh độ ổn định nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa nhờ hàm lượng crom và niken cao. Các chiến lược hợp kim khác nhau này tạo nên sự khác biệt về tính chất cơ học, phản ứng chế tạo và tính phù hợp ứng dụng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung:
• ASTM/ASME: 316 (họ A240/A312/A403, UNS S31600 / S31603 dành cho 316L ít carbon) và 310S (A240, UNS S31008).
• EN: 1.4401 / 1.4404 tương đương với 316 / 316L; 1.4845 đối với 310S.
• JIS: SUS316 / SUS316L và SUS310S.
• Có thể gặp danh pháp GB: 06Cr19Ni10 (khoảng 316), 0Cr25Ni20 (khoảng 310S).
• Phân loại: cả hai 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 thể hiện phạm vi thành phần điển hình của các loại thép ủ thương mại. Phạm vi này thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà sản xuất; các giá trị dưới đây chỉ mang tính chất đại diện.

Yếu tố	Điển hình 316 (wt%)	310S điển hình (wt%)
C	≤ 0,08 (316) / ≤ 0,03 (316L)	≤ 0,08 (310S)
Mn	≤ 2,0	≤ 2.0
Si	≤ 0,75–1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0–18,0	24,0–26,0
Ni	10,0–14,0	19,0–22,0
Mo	2.0–3.0	dấu vết / không có
V	dấu vết	dấu vết
Nb (Cb)	dấu vết (trừ khi cấp độ ổn định)	dấu vết
Ti	dấu vết (trừ khi cấp độ ổn định)	dấu vết
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết (lên đến ~0,1)	dấu vết (lên đến ~0,2)

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Crom (Cr) tạo nên lớp màng oxit thụ động và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. 310S có hàm lượng Cr cao hơn đáng kể giúp chống đóng cặn tốt hơn ở nhiệt độ cao. - Niken (Ni) ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo; 310S có hàm lượng Ni cao hơn để duy trì độ dẻo ở nhiệt độ cao và chống lại hiện tượng rão. - Molypden (Mo) trong 316 tăng cường khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua và tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ (không có trong 310S). - Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến quá trình kết tủa và nhạy cảm của cacbua; các biến thể có hàm lượng cacbon thấp (316L / 310S) làm giảm sự tấn công giữa các hạt sau khi hàn. - Bổ sung thêm một lượng nhỏ (Nb, Ti) vào các loại thép ổn định để liên kết cacbon và ngăn ngừa hiện tượng nhạy cảm.

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

• Cấu trúc vi mô: Cả 316 và 310S đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ điển hình ở nhiệt độ phòng. Chúng không biến đổi theo kiểu martensitic khi làm nguội.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Ủ dung dịch (ví dụ, 1.040–1.100°C) sau đó làm nguội nhanh là phương pháp xử lý tiêu chuẩn để hòa tan chất kết tủa và khôi phục khả năng chống ăn mòn cho cả hai hợp kim.
• Không loại nào có thể làm cứng đáng kể bằng phương pháp xử lý tôi và ram thông thường; việc gia cường được thực hiện bằng cách làm nguội hoặc gia cường bằng dung dịch rắn ở nhiệt độ cao (ví dụ, đối với 310S).
• Ở nhiệt độ trung gian (khoảng 450–900°C), cả hai hợp kim đều dễ bị kết tủa pha sigma hoặc cacbua nếu giữ đủ lâu; hàm lượng Ni cao hơn của 310S cải thiện độ ổn định pha ở một số nhiệt độ, trong khi Mo của 316 có thể thúc đẩy sự hình thành pha sigma trong một số điều kiện nhất định. Xử lý nhiệt thích hợp và lựa chọn các biến thể ít carbon hoặc ổn định sẽ giảm thiểu hiện tượng nhạy cảm.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán, rèn) tiếp theo là ủ thích hợp sẽ tạo ra austenit hạt mịn trong cả hai hợp kim; gia công nguội làm tăng độ bền nhưng cũng làm cứng và giảm độ dẻo.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi đặc tính ủ điển hình ở nhiệt độ phòng (lưu ý: giá trị thực tế phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm, độ dày và nhà cung cấp):

Tài sản	316 (phạm vi ủ điển hình)	310S (phạm vi ủ điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~480–650	~550–750
Giới hạn chảy lệch 0,2% (MPa)	~170–310	~200–350
Độ giãn dài (%)	~40–60	~30–50
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Nói chung là tốt, gãy dẻo ở nhiệt độ phòng	Tốt nhưng thấp hơn một chút so với 316 ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (HB hoặc HRC)	Brinell ủ điển hình ~150–200	Brinell ủ điển hình ~160–220

Giải thích: - 310S thường có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn trong điều kiện ủ do hợp kim nặng hơn và dung dịch gia cường lớn hơn (Cr và Ni cao hơn). - 316 thường có độ dẻo cao hơn và có xu hướng cứng hơn ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường, nhờ hàm lượng Ni và hàm lượng Cr thấp hơn trong dung dịch rắn giúp tăng cường độ bền. - Không loại nào được thiết kế để có độ cứng cao khi ủ; gia công nguội sẽ làm tăng độ bền nhưng lại làm giảm độ dẻo.

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ Austenit là một trong những loại thép không gỉ dễ hàn nhất, nhưng sự khác biệt vẫn có ý nghĩa trong thực tế.

• Các yếu tố:
• Mức độ cacbon, các nguyên tố còn lại và hàm lượng hợp kim ảnh hưởng đến khả năng nứt nóng, chế độ đông đặc và khả năng chống ăn mòn sau hàn.
• Vì cả hai đều là austenit nên nguy cơ chuyển đổi martensit và nứt liên quan đến khả năng tôi cứng là thấp.
• Chỉ số hữu ích:
• Tương đương cacbon cho khả năng hàn chung:
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Giá trị cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện và khả năng nứt lớn hơn trong thép ferritic; đối với thép austenit, công thức này được sử dụng về mặt định tính để so sánh hiệu ứng hợp kim.
• Thông số hàn cho thép không gỉ:
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ lớn hơn cho thấy xu hướng gia tăng hiện tượng nứt giữa các hạt trong quá trình hàn.
• Giải thích định tính:
• 316 được hưởng lợi từ Mo về khả năng chống ăn mòn nhưng có chỉ số CE/Pcm nhìn chung ở mức trung bình; nó dễ dàng hàn với các kim loại hàn tiêu chuẩn (ví dụ: 316/316L hoặc 309 cho các mối nối không đồng nhất) và cho thấy độ dẻo tốt ở vùng HAZ của mối hàn. Việc sử dụng các loại thép có hàm lượng carbon thấp hoặc ổn định giúp giảm nhạy cảm.
• Thép 310S hàn tốt trong nhiều điều kiện, nhưng hàm lượng hợp kim cao hơn có thể làm tăng nguy cơ nứt đông đặc và khiến việc lựa chọn vật liệu hàn và thực hành trước/sau khi hàn trở nên quan trọng hơn, đặc biệt là đối với các tiết diện lớn và mối hàn nhiều lớp. Vật liệu hàn 310/310L hoặc 309 dùng cho các mối nối cầu không giống nhau là phổ biến.
• Việc gia nhiệt trước hiếm khi cần thiết đối với cả hai loại vì lý do luyện kim, nhưng việc chú ý đến lượng nhiệt đầu vào, nhiệt độ giữa các lớp và tính chất hóa học của chất độn là rất quan trọng để kiểm soát sự biến dạng và tránh kết tủa pha sigma.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ:
• Sử dụng PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) giúp so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
  • Hàm lượng Mo của 316 làm tăng PREN so với 310S, giúp 316 có khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở tốt hơn trong môi trường có chứa clorua.
  • 310S, không có Mo, có PREN chủ yếu được thúc đẩy bởi Cr cao hơn — khả năng chống ăn mòn và oxy hóa tốt nhưng khả năng chống rỗ kém hơn so với các loại chứa Mo.
• Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao:
• Thép 310S có khả năng chống oxy hóa và chống đóng cặn vượt trội ở nhiệt độ cao (ví dụ: lò nung, bộ phận xả) do hàm lượng Cr và Ni cao hơn.
• Khi không sử dụng lớp bảo vệ bằng thép không gỉ:
• Đối với thép không gỉ, phương pháp bảo vệ là mạ kẽm, sơn hoặc phủ. Không áp dụng khi so sánh hai hợp kim thép không gỉ này, ngoại trừ trường hợp sử dụng các phương pháp xử lý bề mặt (thụ động hóa, tẩy gỉ) để phục hồi lớp màng thụ động sau khi chế tạo.
• Làm rõ: PREN có ý nghĩa trong việc so sánh khả năng chống rỗ giữa các loại thép không gỉ; nó không áp dụng cho các cơ chế ăn mòn chung như sự tấn công của axit đồng đều hoặc quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao.

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

• Tạo hình và uốn cong:
• Thép 316 thường dễ tạo hình và uốn cong hơn vì có độ dẻo tốt hơn một chút và tốc độ làm cứng thấp hơn.
• Thép 310S có khả năng chống định hình và đàn hồi tốt hơn do có độ bền cao hơn và xu hướng làm cứng mạnh hơn.
• Khả năng gia công:
• Cả hai loại thép này đều kém gia công hơn thép cacbon. Thép 316 thường dễ gia công hơn thép 310S một chút; cả hai đều yêu cầu thiết lập cứng, dụng cụ sắc bén và thay dao thường xuyên. Việc sử dụng dụng cụ cacbua bước tiến cao, góc nghiêng dương và hệ thống làm mát tràn là phổ biến.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Đánh bóng và hoàn thiện tốt; lớp gỉ 316 ít đóng cặn ở nhiệt độ vừa phải giúp dễ dàng đạt được độ hoàn thiện đồng nhất sau khi hàn.
• Ghi chú chế tạo:
• Đối với các thành phần nhiệt độ cao (310S), dung sai gia công và kế hoạch xử lý nhiệt phải tính đến hiện tượng biến dạng và đóng cặn.

8. Ứng dụng điển hình

316 — Công dụng điển hình	310S — Công dụng điển hình
Thiết bị xử lý hóa chất xử lý clorua (bơm, van, đường ống, bộ trao đổi nhiệt)	Các thành phần lò nhiệt độ cao, ống tỏa nhiệt, lớp lót đầu đốt, ống giảm thanh
Phụ kiện hàng hải và ven biển, dịch vụ nước biển (nơi cần khả năng chống rỗ)	Lớp lót lò nung, đồ gá xử lý nhiệt, khay bảo vệ ở nhiệt độ cao
Thiết bị y tế và thiết bị chế biến thực phẩm (316L để hàn)	Khí thải và các thành phần xả thải, ống dẫn nhiệt độ cao của ngành hóa dầu
Bồn chứa thực phẩm và đồ uống, thiết bị dược phẩm	Các thành phần tiếp xúc với quá trình oxy hóa hoặc đóng cặn ở nhiệt độ cao theo chu kỳ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép 316 cho những môi trường mà hiện tượng rỗ do clorua gây ra, ăn mòn khe hở và khả năng hàn vẫn giữ được khả năng chống ăn mòn là những mối quan tâm chính. - Chọn 310S khi nhiệt độ vận hành, hiện tượng oxy hóa hoặc khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao chiếm ưu thế trong các yêu cầu thiết kế.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Thép 310S thường đắt hơn thép 316 tính theo kg vì hàm lượng niken và crom cao hơn đáng kể.
• 316 thường có giá thành rẻ hơn và thường có sẵn ở nhiều dạng sản phẩm hàng hóa hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• 316: có sẵn nhiều loại tấm, lá, ống, thanh, chốt và nhiều loại thép gia công nguội và ít carbon (316L).
• 310S: có sẵn ở dạng tấm, đĩa và dạng chuyên dụng chịu nhiệt độ cao, nhưng ít phổ biến hơn ở dạng ốc vít thông dụng hoặc dạng giá rẻ.
• Hướng dẫn mua sắm: Đối với các dự án khối lượng lớn không yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ cao, 316 có thể mang lại tổng chi phí và an ninh nguồn cung tốt hơn. Đối với các linh kiện chuyên dụng chịu nhiệt độ cao, 310S thường đủ khả năng cung cấp, nhưng cần lưu ý thời gian giao hàng và chi phí cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	316	310S
Khả năng hàn	Rất tốt; độ nhạy thấp với 316L hoặc cấp độ ổn định	Tốt nhưng cần chú ý hơn đến việc lựa chọn chất độn và lượng nhiệt đầu vào
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ phòng)	Độ dẻo dai tốt, độ bền vừa phải	Độ bền nhiệt độ cao hơn, độ bền nhiệt độ phòng cao hơn một chút, độ dẻo thấp hơn
Khả năng chống ăn mòn (clorua/rỗ)	Khả năng chống rỗ và khe nứt vượt trội nhờ Mo	Khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vượt trội nhờ hàm lượng Cr/Ni cao
Trị giá	Thấp hơn (có sẵn rộng rãi hơn)	Cao hơn (hàm lượng hợp kim cao hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn 316 (hoặc 316L) nếu nhu cầu chính của bạn là khả năng chống rỗ do clorua, khả năng hàn tuyệt vời với hiệu suất chống ăn mòn được duy trì, độ dẻo và độ bền tốt, chi phí vật liệu thấp hoặc nguồn cung ứng rộng rãi. Các ứng dụng điển hình: bồn chứa hàng hải, chế biến hóa chất, thực phẩm/dược phẩm và đường ống. - Chọn 310S nếu nhu cầu chính của bạn là khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, chống đóng cặn lâu dài hoặc hoạt động ở nhiệt độ cao, nơi độ bền nhiệt và độ rão là rất quan trọng. Các trường hợp sử dụng điển hình: linh kiện lò nung, ống bức xạ, phần cứng lò nung và ống dẫn nhiệt độ cao.

Lưu ý cuối cùng: cả hai hợp kim đều được chỉ định rõ ràng về hình dạng sản phẩm, lớp hoàn thiện và bất kỳ yêu cầu xử lý nhiệt hoặc ổn định sau hàn nào. Tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp vật liệu và thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) để lựa chọn hợp kim hàn, thực hành trước/sau khi hàn và giới hạn nhiệt độ cụ thể cho từng ứng dụng để tránh hình thành pha sigma, nhạy cảm hóa và hỏng sớm.