316 so với 317 – 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 317 khi xác định các thành phần cho môi trường ăn mòn. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường là cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và chi phí, khả năng hàn và độ dễ chế tạo, và tính khả dụng so với hiệu suất trong điều kiện sử dụng. Cả hai loại đều là thép không gỉ austenit với đặc tính cơ học tương tự nhau, nhưng chúng được phân biệt chủ yếu bởi chiến lược hợp kim hóa — đáng chú ý là hàm lượng molypden và niken — điều này dẫn đến sự khác biệt về khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở, đồng thời ảnh hưởng đến giá cả.

Sự khác biệt thực tế quan trọng nhất là 317 chứa hàm lượng molypden cao hơn (và nhìn chung tỷ lệ niken/crom hơi khác biệt) so với 316; điều này làm tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ trong môi trường clorua hoặc axit khử mạnh. Vì các mác thép này thường được sử dụng cho các mục đích tương tự (bơm, van, thiết bị xử lý, đường ống), các kỹ sư thường so sánh trực tiếp để xác định xem chi phí vật liệu bổ sung cho 317 có hợp lý với điều kiện sử dụng hay không.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và ký hiệu chung áp dụng cho thép không gỉ 316 và 317 bao gồm: - ASTM / ASME: A240 / SA-240 (tấm, tấm), A276 (thanh), A312 (ống) — cả hai loại đều xuất hiện trong thông số kỹ thuật ASTM ở nhiều dạng sản phẩm khác nhau. - UNS: 316 → UNS S31600 (và S31603 ít carbon cho 316L), 317 → UNS S31700 (và S31703 cho 317L). - EN: 316 thường tương đương với EN 1.4401 / 1.4404 (316L); 317 có các tương đương EN trong họ 1.4440/1.4449 tùy thuộc vào biến thể. - JIS / GB: Tiêu chuẩn quốc gia đưa ra các thông số kỹ thuật hóa học/vật lý tương tự cho các dạng sản phẩm.

Phân loại: cả 316 và 317 đều là thép không gỉ austenit (loại thép không gỉ), không thể xử lý nhiệt bằng phương pháp làm cứng thông thường; chúng không phải là thép cacbon hoặc thép dụng cụ cũng không phải HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình của thép không gỉ 316 và 317 tiêu chuẩn (không phải thép không gỉ hàm lượng carbon thấp L hoặc ổn định). Các giá trị dưới đây được trình bày là phạm vi điển hình được sử dụng trong các thông số kỹ thuật thương mại; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể và dạng sản phẩm.

Yếu tố	316 (điển hình, wt%)	317 (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	18,0–20,0
Ni	10,0–14,0	11,0–15,0
Mo	2.0–3.0	3.0–4.0
V	≈ 0	≈ 0
Lưu ý	≈ 0 (trừ các cấp độ ổn định)	≈ 0
Ti	≈ 0 (trừ các cấp độ ổn định)	≈ 0
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết/≤0,11	dấu vết/≤0,11

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom (Cr) có khả năng chống ăn mòn nói chung và tạo thành lớp màng oxit thụ động. - Niken (Ni) ổn định pha austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng hàn. - Molypden (Mo) làm tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường có chứa clorua và khử clorua. - Carbon ảnh hưởng đến độ nhạy và độ bền nhiệt độ cao; các biến thể carbon thấp (L) được sử dụng để cải thiện khả năng hàn và giảm lượng kết tủa cacbua. - Các nguyên tố phụ và chất ổn định (Ti, Nb) được sử dụng ở các cấp độ cụ thể để ngăn ngừa hiện tượng nhạy cảm trong các kết cấu hàn.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 316 và 317 đều là austenit hoàn toàn sau quá trình xử lý tiêu chuẩn (cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt) và vẫn giữ nguyên tính austenit ở nhiệt độ phòng đối với các thành phần điển hình. - Sự có mặt của Ni và N làm tăng độ bền austenit; Mo không làm thay đổi tính chất cơ bản của austenit nhưng ảnh hưởng đến quá trình hình thành kết tủa và hành vi ăn mòn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Cả thép 316 và 317 đều không được tôi cứng bằng phương pháp xử lý nhiệt tôi và ram thông thường; chúng không thể xử lý nhiệt theo nghĩa chuyển đổi martensitic. Các tính chất cơ học chủ yếu được thiết lập bằng phương pháp gia công nguội và ủ dung dịch. - Lộ trình xử lý điển hình: ủ dung dịch ở nhiệt độ 1010–1150 °C (tùy theo tiêu chuẩn) sau đó làm nguội nhanh để giữ lại ma trận austenit đồng nhất và hòa tan cacbua. - Nhạy cảm: Tiếp xúc kéo dài trong khoảng 450–850 °C có thể gây kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt (nhạy cảm), làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. Việc sử dụng thép cacbon thấp (L) hoặc thép ổn định, hoặc ủ dung dịch thích hợp, có thể giảm thiểu hiện tượng này. - Gia công nhiệt cơ học và gia công nguội làm tăng mật độ lệch và độ bền kéo/giãn nở, đồng thời làm giảm độ dẻo. Quá trình tôi luyện thép không gỉ austenit rất rõ rệt và cần được xem xét trong quá trình tạo hình.

Chuẩn hóa/làm nguội & tôi luyện: - Không áp dụng được như cơ chế tăng cường — "chuẩn hóa" theo nghĩa ferritic/pearlitic là không liên quan; bước bắt buộc là ủ dung dịch để phục hồi khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo.

4. Tính chất cơ học

Hai loại thép này có các tính chất cơ học tương tự nhau ở điều kiện ủ vì cả hai đều là thép không gỉ austenit. Hiệu suất cơ học điển hình của sản phẩm ủ, sản xuất tại nhà máy (tấm/thanh/ống) được tóm tắt định tính dưới đây.

Tài sản	316 (ủ, điển hình)	317 (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~phạm vi giữa 500 MPa (thay đổi tùy theo sản phẩm)	Có thể so sánh với mức cao hơn một chút so với 316
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~200–300 MPa (tùy thuộc vào hình thức)	Tương tự; có thể cao hơn một chút
Độ giãn dài (A%)	Độ dẻo cao; thường ≥ 40% ở dạng tấm	Có thể so sánh được; độ dẻo tuyệt vời
Độ bền va đập	Tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường và nhiệt độ thấp	Tương tự; austenit có độ dẻo dai tốt
Độ cứng	Thấp đến trung bình (ủ mềm)	Tương tự

Giải thích: - 317 không mạnh hơn đáng kể về mặt cơ học; lợi thế hiệu suất chính của 317 so với 316 nằm ở khả năng chống ăn mòn hơn là độ bền cơ học. - Làm nguội làm tăng độ bền ở cả hai loại nhưng làm giảm độ dẻo và tăng ứng suất dư; ủ cuối cùng được sử dụng khi cần thiết để khôi phục khả năng tạo hình và khả năng chống ăn mòn.

5. Khả năng hàn

Cả 316 và 317 đều có thể hàn dễ dàng bằng các quy trình thông thường (GTAW/TIG, GMAW/MIG, SMAW) và cả hai đều có các biến thể với thành phần carbon thấp (L) hoặc thành phần ổn định để cải thiện hiệu suất chống ăn mòn sau khi hàn.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Lượng cacbon tương đương cho quá trình nứt nóng và khả năng tôi luyện có thể được ước tính định tính bằng các công thức như sau: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ và phức tạp hơn $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Diễn giải: cả hai loại đều có hàm lượng cacbon thấp và niken vừa phải, cho khả năng hàn tốt. Hàm lượng Mo cao hơn trong 317 làm tăng nhẹ sự đóng góp của $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thông qua hệ số Cr+Mo, nhưng hiệu ứng này không đáng kể so với các nguyên tố tạo thành cacbon hoặc ferit.

Hướng dẫn thực tế: - Sử dụng thép 316L/317L cho các chi tiết hàn để giảm nguy cơ nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt. - Ủ dung dịch sau hàn giúp phục hồi hiệu suất chống ăn mòn khi có thể; nếu không thì thiết kế để giảm ứng suất hoặc chỉ định cấp độ ổn định. - Lựa chọn kim loại hàn: phù hợp hoặc sử dụng kim loại hàn có hàm lượng hợp kim cao hơn một chút để bảo vệ chống ăn mòn cục bộ; tham khảo thông số kỹ thuật của quy trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Đối với các loại thép không gỉ (austenit) như 316 và 317, các cân nhắc chính về hiệu suất ăn mòn là ăn mòn tổng thể, rỗ, ăn mòn khe hở và nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong môi trường clorua.

Số tương đương của khả năng chống rỗ: - Để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ, sử dụng PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Vì 317 thường chứa nhiều Mo hơn (và thường có tỷ lệ Cr/Ni cao hơn một chút) nên PREN của nó cao hơn 316, cho thấy khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở vượt trội trong môi trường có clorua và axit khử.

Khi PREN và chỉ số không áp dụng được: - Đối với thép không gỉ (không liên quan ở đây) hoặc đối với môi trường có hiện tượng ăn mòn đồng đều trong điều kiện oxy hóa, tốc độ ăn mòn chung và lớp phủ (mạ kẽm, sơn, lớp lót polyme) là những chiến lược bảo vệ chính.

Ý nghĩa thực tiễn: - Chọn 317 khi mối quan tâm chính là hiện tượng rỗ do clorua và ăn mòn khe hở (ví dụ: dịch vụ clorua đậm đặc, axit khử mạnh). Đối với môi trường ôn hòa hơn hoặc chi phí là yếu tố quan trọng, 316 thường mang lại hiệu suất phù hợp.

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

• Khả năng gia công: cả hai loại thép này đều có khả năng gia công ở mức trung bình so với thép ferritic/martensitic; thép không gỉ austenitic có khả năng làm cứng nhanh, do đó các chiến lược gia công tập trung vào dụng cụ có độ cứng cao, tải phoi được kiểm soát và chất làm mát dồi dào. Hàm lượng hợp kim cao hơn một chút của thép 317 có thể ảnh hưởng một chút đến độ mài mòn của dụng cụ và lực cắt.
• Khả năng tạo hình: cả hai đều có độ dẻo và khả năng tạo hình tuyệt vời trong điều kiện ủ; gia công nguội làm tăng độ bền nhưng tăng độ đàn hồi và độ cứng khi gia công.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều sử dụng phương pháp hoàn thiện bề mặt thông thường (đánh bóng, thụ động hóa); thụ động hóa sau khi chế tạo hoặc hoàn thiện hàn được khuyến nghị để khôi phục hiệu suất chống ăn mòn tối ưu.
• Dập nguội và kéo sâu: khả thi với chu trình ủ thích hợp và lựa chọn dụng cụ; 316 được sử dụng rộng rãi trong các xưởng chế tạo cho các thành phần định hình; 317 hoạt động tương tự nhưng có thể yêu cầu các thông số quy trình hơi khác nhau để có cùng bề mặt hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

316 — Công dụng điển hình	317 — Công dụng điển hình
Phụ kiện hàng hải, trục bơm, trục chân vịt, phần cứng boong tàu	Thiết bị xử lý hóa chất tiếp xúc với clorua và axit khử
Thiết bị chế biến thực phẩm và dược phẩm (bề mặt vệ sinh)	Đường ống vận chuyển hóa chất, bồn chứa và bộ trao đổi nhiệt trong môi trường ăn mòn
Bộ trao đổi nhiệt và tụ điện	Bể ngâm, hệ thống thu hồi axit và dịch vụ nước muối cô đặc
Ứng dụng kiến ​​trúc trong môi trường ven biển (phơi nhiễm vừa phải)	Môi trường đòi hỏi khả năng chống rỗ cao hơn (thách thức clorua/austenit cao hơn)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316 khi khả năng chống ăn mòn nói chung, khả năng định hình và hiệu quả về chi phí là ưu tiên hàng đầu và môi trường có mức độ ăn mòn trung bình. - Chọn 317 khi nguy cơ ăn mòn cục bộ (rỗ/kẽ hở) cao và hàm lượng molypden bổ sung cung cấp tuổi thọ cần thiết.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 317 thường đắt hơn 316 do hàm lượng molypden cao hơn và hàm lượng niken thường cao hơn. Mo là một nguyên tố hợp kim tương đối đắt tiền, do đó chênh lệch giá có thể đáng kể tùy thuộc vào giá thị trường của Ni và Mo.
• Tính khả dụng: 316 là một trong những loại thép austenit được lưu kho phổ biến nhất và được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, tấm, thanh, ống và phụ kiện. 317 cũng có sẵn nhưng có thể ít được lưu kho hơn ở một số khu vực và dạng sản phẩm; thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể cao hơn đối với các dạng đặc biệt.

Tư vấn mua sắm: - Đánh giá chi phí vòng đời: chi phí vật liệu ban đầu cao hơn cho 317 có thể được biện minh nếu thời gian chết, rò rỉ liên quan đến ăn mòn hoặc chi phí thay thế được giảm. - Đối với chế tạo hàn, hãy đảm bảo có sẵn kim loại hàn phù hợp và cân nhắc chỉ định biến thể L (cacbon thấp) nếu lo ngại về ăn mòn mối hàn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Cấp	Khả năng hàn	Sức mạnh-Độ dẻo dai	Trị giá
316	Tuyệt vời (được cải tiến với 316L)	Độ dẻo dai và độ bền tốt; độ bền ủ điển hình	Chi phí thấp hơn; có sẵn rộng rãi
317	Rất tốt (317L cho công việc hàn)	Tính chất cơ học tương tự; có thể có độ bền cao hơn một chút	Chi phí cao hơn; khả năng chống ăn mòn cục bộ tốt hơn

Khuyến nghị: - Chọn 316 nếu: - Dịch vụ liên quan đến mức độ ăn mòn vừa phải (nước biển bắn vào, thực phẩm/dược phẩm, dịch vụ hóa chất nói chung) và chi phí hoặc tính khả dụng là ưu tiên hàng đầu. - Việc chế tạo đòi hỏi phải có sẵn vật liệu rộng rãi và khả năng hàn đã được chứng minh; hãy cân nhắc sử dụng thép 316L cho mục đích hàn rộng rãi. - Chọn 317 nếu: - Môi trường có nồng độ clorua cao hơn, axit khử hoặc nguy cơ ăn mòn rỗ/kẽ hở cao và cần tăng hàm lượng molypden để kéo dài tuổi thọ. - Phân tích chi phí vòng đời ưu tiên đầu tư hợp kim ban đầu để tránh hiện tượng ăn mòn sớm.

Lưu ý cuối cùng: Luôn lựa chọn vật liệu phù hợp với môi trường hóa học, nhiệt độ, tải trọng cơ học và các hạn chế chế tạo cụ thể. Khi còn nghi ngờ, hãy tham khảo dữ liệu thử nghiệm ăn mòn (ngâm trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm rỗ tuần hoàn) để biết điều kiện sử dụng dự kiến ​​và tham khảo ý kiến ​​chuyên gia vật liệu để xác nhận lựa chọn cấp độ và quy trình hàn/chế tạo.