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

Giới thiệu

Thép không gỉ loại 316 và loại 316Ti đều là thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến hóa chất, hàng hải, thực phẩm và trao đổi nhiệt. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn khó khăn giữa hiệu suất chống ăn mòn, khả năng hàn, độ ổn định nhiệt và chi phí hơi khác nhau — ví dụ, lựa chọn giữa vật liệu có chi phí ban đầu thấp hơn với khả năng chống ăn mòn tổng thể tuyệt vời và vật liệu ổn định dành cho việc tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim là 316Ti có chứa titan được bổ sung một cách có chủ đích để liên kết carbon và giảm nguy cơ kết tủa crom cacbua trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao; 316 là loại thép austenit thông thường, chứa molypden, chưa được ổn định. Do chiến lược ổn định này, hai loại thép này thường được so sánh khi thiết kế phải chịu được tiếp xúc sau hàn, hoạt động ở nhiệt độ cao kéo dài, hoặc khi lựa chọn vật liệu hàn và các thông số quy trình hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM / ASME:
• 316: ASTM A240 / ASME SA240 (UNS S31600)
• 316Ti: ASTM A240 / ASME SA240 (thường được chỉ định là 316Ti, UNS S31635 hoặc EN 1.4571)
• EN (Châu Âu):
• 316: EN 1.4401
• 316Ti: EN 1.4571
• JIS (Nhật Bản): có các tiêu chuẩn tương đương (ví dụ: SUS316)
• GB (Trung Quốc): có các chất tương đương (ví dụ: 0Cr17Ni12Mo2)

Phân loại: Cả 316 và 316Ti đều là thép không gỉ (austenitic). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp phạm vi thành phần điển hình (wt%) theo các tiêu chuẩn chung (phạm vi phản ánh thông số kỹ thuật tiêu chuẩn chứ không phải một phân tích độc quyền duy nhất). Thành phần chính xác thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật và nhà sản xuất.

Yếu tố	316 (phạm vi điển hình, wt%)	316Ti (phạm vi 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	16,0–18,0	16,0–18,0
Ni	10,0–14,0	10,0–14,0
Mo	2.0–3.0	2,0–2,5
V	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
Lưu ý	thường là không có	thường là không có
Ti	dấu vết / không có	0,5–0,8
B	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
N	≤ 0,11 (thường ≤0,10)	≤ 0,11 (thường ≤0,10)

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Crom (Cr) cung cấp lớp màng thụ động giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn. - Niken (Ni) ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo. - Molypden (Mo) làm tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường clorua. - Cacbon (C) làm tăng nhẹ độ bền nhưng thúc đẩy sự hình thành crom cacbua ở ranh giới hạt khi tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 450–850°C), làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. - Titan (Ti) trong 316Ti ưu tiên tạo thành các cacbua titan và nitrua ổn định, ngăn không cho cacbon liên kết với crom và do đó làm giảm nguy cơ nhạy cảm sau khi tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ tới hạn.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 316 và 316Ti đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ dung dịch. Cấu trúc vi mô điển hình bao gồm một nền austenit; các pha phụ như cacbua (M23C6), nitrua hoặc liên kim loại có thể xuất hiện tùy thuộc vào lịch sử nhiệt. - Ở 316, cacbon có thể kết hợp với crom tại ranh giới hạt để tạo thành crom cacbua (M23C6) khi vật liệu được làm nguội chậm hoặc giữ trong phạm vi nhạy cảm, dẫn đến vùng crom cạn kiệt và dễ bị ăn mòn giữa các hạt. - Trong 316Ti, titan tạo thành TiC và TiN ưu tiên trong quá trình tiếp xúc với nhiệt, hạn chế sự hình thành crom cacbua và giúp bảo toàn crom ở ranh giới hạt.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Ủ dung dịch (phạm vi điển hình cho các loại thép austenit): nung nóng đến khoảng 1040–1150°C và làm nguội. Quá trình này làm tan kết tủa và phục hồi khả năng chống ăn mòn. - Thường hóa thường không được sử dụng cho thép không gỉ austenit vì nó có ít tác dụng và không làm cứng cấu trúc. - Cả 316 và 316Ti đều không thể làm cứng bằng phương pháp làm nguội và ram thông thường — chúng trở nên cứng hơn khi biến dạng nguội hoặc có thể được gia cường bằng cách gia công nguội hoặc làm cứng bằng phương pháp làm cứng kết tủa trong các hệ hợp kim khác nhau (không điển hình đối với họ 316). - Quá trình xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội, ủ) ảnh hưởng đến kích thước hạt, kết cấu và tính chất cơ học tương tự nhau đối với cả hai loại, nhưng 316Ti vẫn có khả năng chống lại sự tấn công giữa các hạt tốt hơn sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.

4. Tính chất cơ học

Các tính chất dưới đây phản ánh các điều kiện ủ dung dịch điển hình (ủ); giá trị chính xác phụ thuộc vào dạng sản phẩm và phương pháp xử lý của nhà máy.

Tính chất (ủ)	316 (điển hình)	316Ti (điển hình)
Độ bền kéo (Rm)	~480–620 MPa	~480–620 MPa
Độ bền chảy (độ bền 0,2%)	~170–300 MPa	~170–300 MPa
Độ giãn dài (A%)	~40% (ở cỡ 50 mm)	~35–45%
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	Cao — độ dẻo dai tốt	Cao — tương tự như 316
Độ cứng (HB)	~140–190 HB	Cao hơn một chút đối với 316Ti trong một số lần chạy

Giải thích: - Độ bền và độ dẻo nhìn chung tương tự nhau; quá trình ổn định titan không làm tăng đáng kể độ bền kéo ở nhiệt độ phòng trong điều kiện ủ. - 316Ti có thể cho năng suất tối thiểu hoặc độ cứng cao hơn một chút ở một số lô sản xuất do kết tủa TiC/TiN, nhưng sự khác biệt là nhỏ trong hầu hết các bối cảnh thiết kế kết cấu. - Cả hai đều có độ dẻo dai cao; không vật liệu nào giòn ở nhiệt độ thấp.

5. Khả năng hàn

Cả hai loại thép này đều có thể hàn dễ dàng bằng phương pháp hàn thép không gỉ austenit tiêu chuẩn, nhưng vẫn có những điểm khác biệt thực tế.

Chỉ số khả năng hàn quan trọng: - Có thể sử dụng các dạng cacbon tương đương để đánh giá khả năng tôi cứng và khả năng nứt. Một chỉ số tiêu chuẩn là: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Thông số chi tiết hơn cho thép không gỉ: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Giải thích định tính: - Cả thép 316 và 316Ti đều có hàm lượng cacbon thấp so với nhiều loại thép kết cấu khác, do đó chúng không dễ bị nứt nguội do hình thành martensite; chất độn thép không gỉ austenit và khí bảo vệ là tiêu chuẩn. - 316L (biến thể ít carbon) thường được ưu tiên sử dụng khi cần hàn nhiều vì hàm lượng carbon thấp hơn giúp loại bỏ nhu cầu ổn định. Đối với 316 (tiêu chuẩn) và 316Ti: - 316Ti có khả năng chống nhạy cảm sau hàn tốt hơn khi nhiệt độ HAZ vượt qua phạm vi nhạy cảm, vì titan liên kết với carbon. Điều này có thể có lợi cho việc chế tạo khi linh kiện trải qua các chu kỳ nhiệt độ cao lặp lại. - Tuy nhiên, titan trong kim loại nền có thể gây khó khăn cho việc lựa chọn kim loại hàn và đòi hỏi phải chú ý đến quy trình hàn để tránh tạo thành các kết tủa titan thô trong kim loại hàn, có thể ảnh hưởng đến độ dẻo hoặc khả năng chống ăn mòn cục bộ. Trong nhiều ứng dụng hàn, vật liệu hàn 316L được sử dụng để giảm nguy cơ nhạy cảm hóa trong kim loại hàn. - Ủ dung dịch trước và sau khi hàn có thể khôi phục khả năng chống ăn mòn khi cần thiết. Đối với các ứng dụng quan trọng, các thử nghiệm về ăn mòn liên hạt (ví dụ: tiêu chuẩn ASTM A262) được sử dụng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với các loại thép không gỉ như 316 và 316Ti, khả năng chống ăn mòn nói chung có được là nhờ lớp màng oxit crom thụ động; Mo cải thiện khả năng chống rỗ trong môi trường có chứa clorua.
• Sử dụng Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) để so sánh khả năng chống rỗ khi cần thiết: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• Lưu ý: Titan không tham gia vào biểu thức PREN; việc thêm Ti không trực tiếp làm tăng PREN nhưng giúp duy trì crom trong dung dịch bằng cách ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua.
• Nhạy cảm: Thép 316 (không ổn định) có thể bị nhạy cảm nếu tiếp xúc với nhiệt độ khoảng 450–850°C trong thời gian đủ dài, dẫn đến ăn mòn giữa các hạt do kết tủa crom cacbua. Thép 316Ti được thiết kế đặc biệt để giảm thiểu rủi ro này thông qua quá trình hình thành TiC/TiN.
• Khả năng xảy ra nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong môi trường clorua là một yếu tố cần xem xét khi thiết kế thép không gỉ austenit; việc giảm hàm lượng cacbon không ngăn ngừa được SCC; cần phải lựa chọn vật liệu, kiểm soát ứng suất dư và kiểm soát môi trường.
• Bảo vệ bề mặt: Đối với thép không gỉ, các biện pháp phổ biến bao gồm mạ kẽm hoặc sơn; đối với thép 316/316Ti, các biện pháp này thường không cần thiết trừ khi cần bảo vệ thẩm mỹ hoặc chống mài mòn.

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

• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon do quá trình tôi luyện và độ dẫn nhiệt thấp. 316 và 316Ti tương tự nhau; quá trình ổn định Ti có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công trong một số nhiệt do sự hiện diện của các hạt TiC/TiN cứng.
• Khả năng định hình: Cả hai loại thép đều có độ dẻo tuyệt vời và có thể được kéo sâu, uốn cong và định hình bằng các kỹ thuật tiêu chuẩn. Vật liệu ủ được ưu tiên sử dụng để định hình nhằm tránh hiện tượng đàn hồi quá mức hoặc biến dạng cứng.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có thể được mài, đánh bóng và đánh bóng điện hóa. Các kết tủa chứa titan trong 316Ti thường ở kích thước siêu nhỏ và không ảnh hưởng đến chất lượng hoàn thiện bề mặt.
• Xử lý hàn và sau hàn: Kim loại hàn 316L thường được sử dụng; khi có hiện tượng chảy ở nhiệt độ cao hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài, có thể lựa chọn kim loại hàn chuyên dụng phù hợp với chiến lược kim loại cơ bản.

8. Ứng dụng điển hình

316 (sử dụng phổ biến)	316Ti (sử dụng phổ biến)
Thiết bị xử lý hóa chất (lò phản ứng, bể chứa)	Bộ trao đổi nhiệt và các thành phần lò tiếp xúc với nhiệt độ cao
Phần cứng hàng hải, phụ kiện nước biển (dịch vụ clorua vừa phải)	Các thành phần chịu các chu kỳ nhiệt độ cao lặp đi lặp lại (ví dụ: ống nồi hơi, lớp lót quá nhiệt)
Thiết bị chế biến thực phẩm và đồ uống	Đường ống và mặt bích nhiệt độ cao có nguy cơ nhạy cảm
Linh kiện thiết bị y tế và thiết bị phẫu thuật	Thiết bị hóa dầu tiếp xúc với nhiệt độ cao không liên tục
Trang trí kiến ​​trúc, ốc vít	Các cụm hàn chuyên dụng đòi hỏi độ ổn định nhiệt độ cao sau khi hàn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316 vì khả năng chống ăn mòn nói chung, tiết kiệm chi phí và có sẵn rộng rãi. - Chọn 316Ti khi dịch vụ bao gồm việc tiếp xúc nhiều lần hoặc kéo dài với nhiệt độ khiến tình trạng nhạy cảm trở nên đáng lo ngại hoặc cần độ ổn định nhiệt lâu dài của ranh giới hạt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 316 thường phổ biến hơn và có giá thành thấp hơn một chút so với 316Ti vì 316Ti được bổ sung titan một cách có chủ đích và thường được kiểm soát chặt chẽ hơn về mặt gia công. Chênh lệch giá thường không đáng kể so với tổng chi phí dự án nhưng có thể phụ thuộc vào giá titan thị trường và quá trình gia công hợp kim.
• Tính khả dụng: 316 được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, tấm, ống, thanh và rèn. 316Ti cũng được cung cấp rộng rãi nhưng có thể mất nhiều thời gian hơn đối với một số dạng sản phẩm, độ dày hoặc lớp hoàn thiện đặc biệt. Đối với hàng tồn kho tiêu chuẩn số lượng lớn, 316 thường dễ tìm nguồn cung hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	316	316Ti
Khả năng hàn	Rất tốt; sử dụng vật liệu độn 316L để chống ăn mòn quan trọng	Rất tốt; cải thiện khả năng chống nhạy cảm sau hàn, nhưng việc lựa chọn chất độn và kiểm soát hàn là quan trọng
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai tuyệt vời; độ bền điển hình của austenit	Độ bền và độ dẻo dai tương tự; độ cứng có thể tăng nhẹ
Trị giá	Thấp hơn (phổ biến hơn)	Cao hơn một chút (hợp kim ổn định)

Khuyến nghị: - Chọn 316 nếu: bạn cần loại thép không gỉ austenit đa năng, tiết kiệm chi phí cho khả năng chống ăn mòn nói chung, các bộ phận bơm và van, thiết bị chế biến thực phẩm hoặc khi cần hàn quy mô lớn tại xưởng hoặc tại hiện trường và ưu tiên chi phí hợp kim thấp nhất (hãy cân nhắc 316L cho mối hàn lớn). - Chọn 316Ti nếu: bộ phận sẽ tiếp xúc trong thời gian dài hoặc lặp đi lặp lại ở phạm vi nhiệt độ nhạy cảm (ví dụ: bộ trao đổi nhiệt, bộ phận lò, một số dịch vụ hóa dầu) hoặc khi việc bảo quản crom ranh giới hạt sau chu trình nhiệt là rất quan trọng. 316Ti là lựa chọn ưu tiên khi các nhà thiết kế muốn có thép không gỉ austenit ổn định mà không cần chuyển sang loại có hàm lượng carbon thấp.

Lưu ý cuối cùng: Đối với bất kỳ ứng dụng quan trọng nào, hãy chỉ định chính xác ký hiệu cấp thép ASTM/EN, dạng sản phẩm cần thiết và bất kỳ yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn hoặc ủ dung dịch nào. Khuyến nghị kiểm tra ăn mòn, thẩm định quy trình hàn và chứng nhận nhà cung cấp để đảm bảo cấp thép đã chọn đáp ứng các kỳ vọng về dịch vụ.