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

Giới thiệu

Thép không gỉ loại 316 và 316L là hai trong số các loại thép không gỉ austenit phổ biến nhất được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến, hàng hải, hóa chất và y tế. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn, độ bền và chi phí khi lựa chọn một trong hai loại. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các cụm hàn có nguy cơ ăn mòn sau hàn, các bộ phận chịu áp lực yêu cầu giới hạn chảy cao hơn, hoặc các bộ phận kéo sâu có độ dẻo dai quan trọng.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là hàm lượng carbon: thép 316L có hàm lượng carbon tối đa thấp hơn đáng kể so với thép 316 tiêu chuẩn. Sự khác biệt về carbon này dẫn đến sự khác biệt về khả năng nhạy cảm trong quá trình hàn và làm việc ở nhiệt độ cao, đồng thời tạo ra sự khác biệt nhỏ về tính chất cơ học và đặc tính tạo hình. Do hàm lượng crom, niken và molypden tương tự nhau, hai loại thép này thường có khả năng chống ăn mòn thay thế cho nhau, nhưng lại khác nhau khi yêu cầu về hàn và cơ học là yếu tố chính.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm/tấm kim loại); ASTM A312 (ống); ASTM A276 (thanh) — các ký hiệu UNS phổ biến là UNS S31600 (316) và UNS S31603 (316L).
• EN: EN 1.4401 (316) và EN 1.4404 (316L) là các tên gọi phổ biến ở Châu Âu.
• JIS: SUS316 / SUS316L (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản).
• GB: GB/T 20878 / GB/T 3280 (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc liệt kê các thành phần tương tự).

Phân loại: Cả 316 và 316L đều là thép không gỉ austenit (không gỉ) — không phải thép cacbon, thép dụng cụ, cũng không phải HSLA. Chúng được phân loại là hợp kim austenit chống ăn mòn với molypden để cải thiện khả năng chống rỗ so với 304.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Sự khác biệt cơ bản về thành phần là hàm lượng cacbon tối đa; các nguyên tố hợp kim chính khác cũng tương tự. Phạm vi thành phần điển hình (mang tính đại diện; tham khảo thông số kỹ thuật hiện hành để biết giới hạn chấp nhận):

Yếu tố	316 (phạm vi điển hình/thông số kỹ thuật)	316L (phạm vi thông số kỹ thuật/điển hình)
C (khối lượng%)	≤ 0,08 (tối đa)	≤ 0,03 (tối đa)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	≈ 16,0–18,0	≈ 16,0–18,0
Ni	≈ 10,0–14,0	≈ 10,0–14,0
Mo	≈ 2,0–3,0	≈ 2,0–3,0
V	theo dõi/kiểm soát	theo dõi/kiểm soát
Nb / Ti	không được thêm vào một cách có chủ ý (trừ khi được chỉ định)	không được thêm vào một cách có chủ ý (trừ khi được chỉ định)
B	dấu vết	dấu vết
N	≤ 0,10 (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)	≤ 0,10 (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom (Cr): cung cấp lớp màng thụ động có khả năng chống ăn mòn nói chung và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. - Niken (Ni): ổn định cấu trúc vi mô austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Molypden (Mo): tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ (ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở) trong môi trường clorua. - Cacbon (C): làm tăng nhẹ độ bền (làm cứng dung dịch rắn và cacbua) nhưng ở mức cao hơn sẽ thúc đẩy quá trình kết tủa crom cacbua (nhạy cảm) ở 450–850 °C, làm cạn kiệt Cr gần ranh giới hạt và làm tăng nguy cơ ăn mòn giữa các hạt. - Các nguyên tố phụ như nitơ có thể tăng cường độ bền và khả năng chống rỗ; niobi (Nb) hoặc titan (Ti) đôi khi được sử dụng để ổn định carbon (ngăn ngừa nhạy cảm) trong các biến thể được chỉ định đặc biệt.

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

Cả 316 và 316L đều là thép austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) sau khi gia công nóng/lạnh và ủ thông thường. Hành vi vi cấu trúc điển hình:

• Điều kiện ủ: nền austenit đồng nhất với một lượng nhỏ ferit delta tùy thuộc vào thành phần và đường làm nguội. Cacbua (M23C6) có thể xuất hiện nếu vật liệu đã tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm trong thời gian đủ dài và nếu có sự hiện diện của cacbon.
• Nhạy cảm: Tiêu chuẩn 316 (hàm lượng carbon cao hơn) dễ bị kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt hơn sau khi tiếp xúc với phạm vi nhạy cảm (khoảng 450–850 °C), có thể gây ra ăn mòn giữa các hạt. Hàm lượng carbon thấp của 316L làm giảm đáng kể sự kết tủa cacbua, giữ lại crom trong dung dịch rắn gần ranh giới hạt.
• Các biến thể ổn định: Khi Nb hoặc Ti được thêm vào một cách có chủ ý (ví dụ: 316Ti, 316Nb), chúng sẽ liên kết cacbon thành các cacbua ổn định hoặc cacbonitrit và giảm nguy cơ nhạy cảm ngay cả với hàm lượng cacbon cao hơn.
• Xử lý nhiệt: Các loại thép không gỉ austenit này không được tôi cứng bằng phương pháp tôi và ram thông thường. Ủ dung dịch sau đó làm nguội nhanh được sử dụng để hòa tan cacbua và phục hồi khả năng chống ăn mòn. Thực hành tiêu chuẩn: ủ dung dịch ở nhiệt độ khoảng 1.020–1.120 °C sau đó làm tôi bằng nước (tham khảo thông số kỹ thuật để biết nhiệt độ chính xác).

Tác dụng của quá trình xử lý nhiệt cơ: - Làm nguội làm tăng mật độ sai lệch và biến dạng làm cứng vật liệu; sau đó ủ sẽ phục hồi độ dẻo và hòa tan kết tủa nếu thực hiện ở nhiệt độ ủ dung dịch. - Biến dạng nặng kết hợp với tiếp xúc nhiệt không đúng cách có thể gây nhạy cảm ở 316 nhưng ít gây ra vấn đề hơn ở 316L.

4. Tính chất cơ học

Các đặc tính cơ học điển hình sau khi ủ tương đương nhau, với thép 316 thường cho thấy độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn một chút do hàm lượng carbon cao hơn; thép 316L thường có độ dẻo cao hơn một chút. Các giá trị dưới đây là phạm vi ủ điển hình mang tính đại diện — luôn xác nhận các giá trị thiết kế từ chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp hoặc thông số kỹ thuật hiện hành.

Tính chất (ủ, điển hình)	316	316L
Độ bền kéo (MPa)	~480–620 (điển hình)	~485–620 (điển hình)
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~200–260 (điển hình)	~170–240 (điển hình)
Độ giãn dài (%, tính bằng 50 mm)	≥ 40% (điển hình)	≥ 40% (điển hình) — thường cao hơn một chút
Độ bền va đập (Charpy V, phòng T)	Tốt — tùy thuộc vào sản phẩm và nhiệt độ	Tốt — tương đương hoặc tốt hơn một chút do C thấp hơn
Độ cứng (HB)	~80–200 (tùy thuộc vào độ cứng làm việc)	~70–200 (tùy thuộc vào độ cứng làm việc)

Giải thích: - Độ bền: Thép 316 thường có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn một chút so với thép 316L trong cùng một điều kiện nhiệt độ vì carbon góp phần tạo nên độ bền. - Độ dẻo/độ bền: Hàm lượng carbon thấp hơn của 316L cải thiện đôi chút độ dẻo và giảm nguy cơ giòn ở ranh giới hạt; ở các bộ phận hàn nhiều hoặc gia công nguội, 316L thường được ưa chuộng hơn vì độ bền. - Đối với môi trường làm việc ở nhiệt độ cực thấp hoặc cực lạnh, cả hai hợp kim đều giữ được độ dẻo dai austenit, nhưng độ dẻo dai chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn thường là yếu tố quyết định giữa thép 316 và 316L.

Những cân nhắc chính: - Carbon và nhạy cảm: Hàm lượng carbon cao hơn trong 316 làm tăng nguy cơ kết tủa crom cacbua ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình hàn, có thể dẫn đến ăn mòn giữa các hạt. Hàm lượng carbon thấp hơn trong 316L giúp giảm thiểu rủi ro này. - Khả năng làm cứng và nứt vùng HAZ của mối hàn: Thép không gỉ austenit thường không dễ bị nứt nguội do hydro gây ra, nhưng phải kiểm soát được tình trạng nứt nóng, biến dạng và biến dạng; cả 316/316L đều yêu cầu kim loại độn có thành phần hóa học phù hợp để có hiệu suất chống ăn mòn tối ưu. - Xử lý nhiệt sau khi hàn: Ủ dung dịch có thể khôi phục khả năng chống ăn mòn bằng cách hòa tan cacbua, nhưng không thực tế đối với nhiều bộ phận chế tạo; việc lựa chọn 316L giúp tránh nhu cầu sử dụng PWHT chỉ để giảm độ nhạy cảm.

Chỉ số khả năng hàn thông thường (để giải thích, không có sự thay thế số ở đây): - Tương đương Carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Chỉ số $CE_{IIW}$ thấp hơn thường biểu thị khả năng hàn dễ hơn để tránh làm cứng thép; đối với thép không gỉ austenit, đây chỉ là hướng dẫn định tính. - Chỉ số khả năng hàn ăn mòn rỗ (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Chỉ số này hữu ích để đánh giá khả năng bị ăn mòn liên hạt sau khi hàn thép không gỉ.

Giải thích định tính: - 316L được ưa chuộng sử dụng cho các kết cấu hàn khổ lớn, đường ống xử lý hóa chất và bể chứa nơi có nguy cơ tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trong phạm vi nhạy cảm hoặc ăn mòn sau hàn. - Đối với các phần mỏng hoặc cụm lắp ráp ít tiếp xúc với nhiệt độ cao, 316 có thể được chấp nhận; các quy trình hàn hạn chế lượng nhiệt đầu vào và làm mát nhanh có thể giảm thiểu rủi ro nhạy cảm. - Lựa chọn kim loại hàn: khi hàn, sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc kim loại hàn có hàm lượng carbon thấp tương đương (ví dụ: kim loại hàn 316L cho vật liệu nền 316 khi khả năng chống ăn mòn ở vùng HAZ là rất quan trọng).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất thép không gỉ: Cả thép 316 và 316L đều dựa trên lớp màng thụ động giàu crom để bảo vệ chống ăn mòn nói chung. Do hàm lượng Cr và Mo tương đương nhau, khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường clorua là tương đương nhau ở điều kiện luyện kim tương đương.
• PREN: Để đánh giá khả năng chống rỗ, người ta thường sử dụng Số tương đương khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ 316 và 316L có giá trị PREN tương tự nhau vì Mo và Cr tương tự nhau; sự thay đổi hoặc bổ sung nitơ có thể làm thay đổi đáng kể PREN.
• Khi PREN hoặc các chỉ số ăn mòn cục bộ khác thấp so với môi trường sử dụng (ví dụ: nồng độ clorua cao, nhiệt độ cao), có thể cần đến thép austenit hợp kim cao hơn hoặc thép duplex hoặc hợp kim niken.
• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ: Không áp dụng cho thép 316/316L vì chúng là thép không gỉ. Đối với thép cacbon, việc mạ kẽm, sơn hoặc phủ sẽ được thảo luận.

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

• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit cứng nhanh và khó gia công hơn thép cacbon thông thường. 316 và 316L có khả năng gia công tương tự nhau; 316L có thể dễ gia công hơn một chút do độ bền thấp hơn một chút và ít phải làm cứng hơn trong một số thao tác.
• Khả năng tạo hình: Độ bền kéo thấp hơn của 316L và xu hướng giảm nhạy cảm sau khi tạo hình mang lại lợi thế cho việc kéo sâu, kéo sợi và tạo hình phức tạp khi có khả năng hàn sau khi tạo hình hoặc tiếp xúc với nhiệt.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai loại đều có bề mặt hoàn thiện tương tự nhau; tẩy rửa và thụ động hóa là quy trình thường quy để phục hồi lớp màng thụ động sau khi hàn hoặc chế tạo.
• Nối và ốc vít: Sử dụng ốc vít tương thích và cân nhắc giảm thiểu hiện tượng mài mòn khi lắp ráp thép không gỉ austenit (ví dụ: bôi trơn, mô-men xoắn quy định).

8. Ứng dụng điển hình

316	316L
Ống trao đổi nhiệt, phụ kiện hàng hải, trục bơm, thiết bị xử lý hóa chất, nơi có lợi thế về độ bền cao hơn trong điều kiện ủ và hạn chế tiếp xúc với mối hàn	Đường ống xử lý hóa chất, bình chịu áp suất và bể hàn, thiết bị chế biến dược phẩm và thực phẩm, nơi việc giảm thiểu độ nhạy cảm trong quá trình hàn là rất quan trọng
Các loại ốc vít và linh kiện yêu cầu độ bền vừa phải và khả năng chống ăn mòn	Các kết cấu hàn nặng, bình chứa đông lạnh (nơi cần độ dẻo đồng đều) và các thành phần được kéo sâu hoặc tạo hình
Các thành phần công nghiệp chung tiếp xúc với môi trường clorua nhưng không phải chịu sự tiếp xúc kéo dài gây nhạy cảm	Cấy ghép y tế (yêu cầu hợp kim và chứng nhận cụ thể), thiết bị vệ sinh và cụm hàn trong môi trường khắc nghiệt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316 khi cần ưu tiên độ bền cao hơn một chút hoặc tính khả dụng của kho tiêu chuẩn trong một số dạng sản phẩm nhất định và kiểm soát được quá trình hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt. - Chọn 316L khi hàn, các phần nặng, khả năng chống ăn mòn sau hàn hoặc yêu cầu tạo hình chiếm ưu thế trong thông số kỹ thuật.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 316L thường có giá cao hơn 316 một chút do kiểm soát carbon chặt chẽ hơn và quy trình xử lý cần thiết để đạt được hàm lượng carbon thấp. Chênh lệch giá không đáng kể so với các hợp kim bổ sung (Ni, Mo) và dao động tùy theo điều kiện thị trường.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, tấm, thanh, ống, ống và rèn. 316 có thể được dự trữ phổ biến hơn ở một số khu vực và dạng sản phẩm, nhưng 316L là tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng hàn và vệ sinh, vì vậy chuỗi cung ứng thường có cả hai.
• Ghi chú mua sắm: Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy chỉ định tên vật liệu chính xác (ví dụ: số UNS hoặc cấp EN) và xử lý nhiệt hoặc thử nghiệm cần thiết (ví dụ: thử nghiệm ăn mòn, PMI) để tránh thay thế.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	316	316L
Khả năng hàn (khả năng chống nhạy cảm trong vùng HAZ)	Tốt, nhưng nguy cơ kết tủa cacbua cao hơn	Tốt hơn — lượng carbon thấp hơn giúp giảm thiểu tình trạng nhạy cảm
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Độ bền kéo/năng suất cao hơn một chút	Dẻo hơn một chút, độ dẻo dai tương đương
Trị giá	Thấp hơn một chút (thường là như vậy)	Cao hơn một chút (thường là như vậy)

Khuyến nghị: - Chọn 316 nếu: bạn cần độ bền kéo cao hơn một chút trong điều kiện ủ, bộ phận sẽ không được hàn nhiều hoặc tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm kéo dài hoặc nếu thông số kỹ thuật/tính khả dụng yêu cầu 316 và quy trình hàn kiểm soát lượng nhiệt đầu vào. - Chọn 316L nếu: linh kiện sẽ trải qua quá trình hàn đáng kể, chế tạo khổ lớn hoặc tiếp xúc với môi trường ăn mòn sau khi hàn; nếu bạn phải tránh nhạy cảm mà không ủ dung dịch; hoặc nếu cần khả năng định hình vượt trội để kéo sâu.

Lưu ý cuối cùng: 316 và 316L thường có thể hoán đổi cho nhau về khả năng chống ăn mòn nói chung, nhưng quy trình hàn, lịch sử nhiệt độ hoạt động và lộ trình chế tạo sẽ quyết định lựa chọn chính xác cho hiệu suất lâu dài. Luôn xác nhận các đặc tính vật liệu và chứng nhận với nhà cung cấp, đồng thời sử dụng các quy chuẩn thiết kế và thông số kỹ thuật vật liệu phù hợp với ngành công nghiệp và môi trường dịch vụ.