316 so với 317L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép không gỉ 316 và 317L là loại thép không gỉ austenit thường được chỉ định trong trường hợp khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn nhu cầu về độ bền cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên cân nhắc giữa hiệu suất chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm đường ống quy trình hóa học, linh kiện hàng hải và thiết bị tiếp xúc với môi trường chứa clorua, nơi việc tránh rỗ và ăn mòn khe hở là rất quan trọng.

Điểm khác biệt thực tế chính là 317L được thiết kế để tăng cường khả năng chống ăn mòn cục bộ nhờ hàm lượng molypden và crom cao hơn với giới hạn carbon thấp nhằm giảm nhạy cảm trong quá trình hàn. Điều này khiến 317L trở thành lựa chọn ưu tiên khi khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở là yếu tố quyết định thiết kế, trong khi 316 thường được lựa chọn khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt và chi phí thấp hơn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: Cả hai loại đều xuất hiện trong thông số kỹ thuật ASTM/ASME dành cho tấm, lá, ống và sản phẩm rèn bằng thép không gỉ (ví dụ: ASTM A240 dành cho tấm/lá).
• UNS: 316 thường được gọi là UNS S31600; 317L thường được gọi là UNS S31703.
• EN (Châu Âu): 316 được thể hiện trong danh sách EN (thường được ánh xạ tới X5CrNiMo17-12-2 / 1.4401 đối với 316 và các biến thể carbon thấp là 1.4404); 317L được ánh xạ tới các ký hiệu EN hợp kim cao hơn (phạm vi thay đổi tùy theo quốc gia và phiên bản tiêu chuẩn).
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn quốc gia của Nhật Bản và Trung Quốc bao gồm các thành phần tương đương và các yêu cầu cơ học đối với các loại austenit này.
• Phân loại: Cả 316 và 317L đều là thép không gỉ (họ austenit), không phải thép cacbon, hợp kim, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

Lưu ý: số lượng tiêu chuẩn chính xác và quy cách tương đương thay đổi tùy theo dạng sản phẩm (tấm, ống, thanh) và năm xuất bản; luôn kiểm tra tiêu chuẩn hiện hành và bản đồ UNS khi chỉ định.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Phạm vi thành phần hóa học điển hình (wt%). Giá trị chỉ mang tính chất tham khảo; xác nhận theo tiêu chuẩn hiện hành hoặc giấy chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy.

Yếu tố	316 (phạm vi điển hình, wt%)	317L (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08	≤ 0,03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16–18	18–20
Ni	10–14	11–15
Mo	2–3	3–4
V	≤ 0,04 (không cố ý thêm vào)	≤ 0,04
Nb (Cb)	Thường không được thêm vào	Thường không được thêm vào
Ti	Thường không được thêm vào	Thường không được thêm vào
B	Dấu vết	Dấu vết
N	≤ 0,10	≤ 0,11

Chiến lược hợp kim hoạt động như thế nào: - Crom (Cr) tạo nên lớp màng oxit thụ động và khả năng chống ăn mòn nói chung. Hàm lượng Cr cao hơn cải thiện khả năng chống oxy hóa và một số môi trường khử. - Molypden (Mo) làm tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua; hàm lượng Mo cao của 317L là chìa khóa cho khả năng chống ăn mòn cục bộ vượt trội của nó. - Niken (Ni) ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Cacbon (C) ảnh hưởng đến độ nhạy cảm: C cao hơn làm tăng nguy cơ kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt trong quá trình hàn hoặc làm nguội chậm; phiên bản “L” (ít cacbon) giảm thiểu điều này bằng cách giữ C ≤ 0,03 wt%. - Nitơ (N) là chất ổn định austenit mạnh và làm tăng độ bền cũng như khả năng chống rỗ (được giữ lại trong PREN), nhưng hàm lượng nitơ thường thấp và được kiểm soát.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả 316 và 317L đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) trong điều kiện công nghiệp điển hình, với cấu trúc vi mô thường là austenit pha đơn cộng với các kết tủa cacbua hoặc nitrua có thể tích nhỏ tùy thuộc vào thành phần và lịch sử nhiệt.

Phản hồi xử lý: - Ủ (xử lý dung dịch ở nhiệt độ khoảng 1.040–1.120 °C sau đó làm nguội nhanh) phục hồi ma trận austenit và hòa tan cacbua, tối đa hóa khả năng chống ăn mòn và độ dẻo. - Chuẩn hóa không phải là phương pháp xử lý tiêu chuẩn đối với thép không gỉ austenit vì phạm vi nhiệt độ cao và tính ổn định của austenit khiến các biến đổi ferritic/pearlitic thông thường không áp dụng được. - Quá trình làm nguội và ram không liên quan đến các loại thép austenit vì chúng không chuyển thành martensite khi làm nguội; quá trình làm nguội và lão hóa có thể ảnh hưởng đến quá trình kết tủa. - Hàn và làm nguội chậm: 316 có hàm lượng cacbon cao hơn dễ bị nhạy cảm hơn—kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt—nếu hàn mà không kiểm soát. 317L, với hàm lượng cacbon thấp, giảm thiểu kết tủa cacbua và do đó ít bị ăn mòn giữa các hạt hơn sau khi hàn. - Xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội, chu trình ủ) ảnh hưởng đến mật độ sai lệch, độ bền/giới hạn chảy và có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu ứng suất do martensite gây ra trong một số công thức austenit (ít quan tâm hơn đối với các biến thể ổn định hoặc hợp kim nitơ).

4. Tính chất cơ học

Giá trị trạng thái ủ cơ học điển hình; giá trị chính xác phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm, độ dày và tiêu chuẩn cụ thể.

Tính chất (ủ)	316 (phạm vi điển hình)	317L (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~480–620	~480–620
Giới hạn chảy 0,2% (MPa)	~170–310	~170–300
Độ giãn dài (%)	~40–60	~40–60
Độ bền va đập (Charpy, J)	Cao, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Cao, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (HB hoặc HRC)	Thấp đến trung bình (ủ)	Thấp đến trung bình (ủ)

Giải thích: - Trên thực tế, 316 và 317L có các tính chất cơ học tương tự nhau ở điều kiện ủ vì cả hai đều là thép không gỉ austenit. Sự khác biệt so với giới hạn cacbon thấp của 317L là không đáng kể về tính chất kéo; 316 có thể cho thấy độ bền cao hơn một chút nếu cacbon của nó ở giới hạn trên, nhưng điều này đi kèm với rủi ro nhạy cảm cao hơn. - Cả hai loại đều dẻo và bền ở nhiệt độ môi trường và dưới 0 độ (thép không gỉ austenit nổi tiếng vì có độ bền va đập tuyệt vời).

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ austenit thường có khả năng hàn từ tuyệt vời đến rất tốt do cấu trúc austenit ổn định và không có pha giòn khi sử dụng đúng quy trình. Điểm chính: - Hàm lượng carbon: Giới hạn carbon thấp trong 317L làm giảm nguy cơ kết tủa crom cacbua và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn. 316 có thể hàn được nhưng có thể yêu cầu các biến thể carbon thấp (316L) hoặc ủ dung dịch sau hàn trong các ứng dụng quan trọng. - Khả năng làm cứng: Các loại austenit có khả năng làm cứng thấp theo nghĩa hình thành martensite; nứt do hydro không phải là kiểu hỏng mối hàn điển hình, nhưng việc cẩn thận với nhiệt lượng đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp hàn có thể kiểm soát được sự phát triển của hạt. - Hợp kim vi mô: Các nguyên tố như Nb hoặc Ti, khi có mặt (cấp độ ổn định), cũng làm giảm độ nhạy cảm bằng cách liên kết cacbon thành cacbua ổn định; những nguyên tố này không phổ biến trong 316/317L.

Chỉ số khả năng hàn thực nghiệm hữu ích (để giải thích định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Cả hai công thức đều cho thấy cacbon và hợp kim làm tăng khả năng tôi và rủi ro hàn. Vì 317L có hàm lượng cacbon thấp, các chỉ số tính toán của nó thường dự đoán khả năng hàn dễ dàng hơn với rủi ro ăn mòn liên hạt thấp hơn so với 316 có hàm lượng cacbon cao hơn. - Thực tế, hãy sử dụng đầu vào nhiệt thấp, kim loại hàn được khuyến nghị (hợp kim Ni-Cr-Mo phù hợp hoặc vượt trội hơn) và cân nhắc xử lý dung dịch sau hàn cho dịch vụ quan trọng khi sử dụng các biến thể có hàm lượng carbon cao hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Hành vi không gỉ: - Đối với các loại thép không gỉ, khả năng chống ăn mòn cục bộ được định lượng bằng các chỉ số như PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Sử dụng các phạm vi thành phần thông thường, 317L thường có PREN cao hơn 316 do Mo cao hơn (và N thường tương đương), cho thấy khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở vượt trội trong môi trường chứa clorua. - 316 có khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt (môi trường oxy hóa và nhiều môi trường khử) và chống nứt do ăn mòn ứng suất và ăn mòn khe hở khá tốt nhưng nhìn chung ít có khả năng chống rỗ trong môi trường clorua xâm thực hơn 317L.

Thép không gỉ: - Không áp dụng ở đây; mạ kẽm và sơn là biện pháp bảo vệ tiêu chuẩn cho thép cacbon và thép hợp kim nhưng không được sử dụng cho thép không gỉ khi lớp màng thụ động là cơ chế bảo vệ.

Khi PREN không áp dụng được: - PREN áp dụng cho thép không gỉ austenit và thép không gỉ duplex, trong đó Mo và N ảnh hưởng đáng kể đến ăn mòn cục bộ. Nó không có ý nghĩa đối với thép cacbon thông thường hoặc môi trường có cơ chế ăn mòn đồng nhất mà không có sự tấn công cục bộ.

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

• Khả năng định hình: Cả hai loại thép này đều có khả năng định hình cao trong điều kiện ủ (kéo sâu, uốn) nhờ tính dẻo của thép austenit. Độ đàn hồi cao hơn thép ferritic và cần được tính đến khi thiết kế dụng cụ.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit có tính chất tôi cứng và khả năng gia công kém hơn thép cacbon. Hàm lượng molypden cao hơn (như trong 317L) có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công và tăng tốc độ mài mòn dụng cụ. Sử dụng dụng cụ có góc nghiêng dương, thiết lập cứng vững và tốc độ cắt và bước tiến phù hợp.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều áp dụng phương pháp đánh bóng, thụ động hóa và đánh bóng điện hóa thép không gỉ tiêu chuẩn. 317L có thể yêu cầu kiểm soát thụ động hóa cẩn thận hơn ở những nơi cần khả năng chống rỗ cao nhất.
• Nối và tạo hình: Hàm lượng carbon thấp của 317L cải thiện kết quả chế tạo mối hàn; đối với các hoạt động gia công nguội nặng, ủ khi cần thiết để khôi phục độ dẻo.

8. Ứng dụng điển hình

316 – Công dụng điển hình	317L – Công dụng điển hình
Thiết bị xử lý hóa chất (hóa chất ít gây hại hơn)	Thiết bị xử lý hóa chất trong môi trường giàu clorua hoặc môi trường khắc nghiệt hơn
Phụ kiện hàng hải và các thành phần liên quan đến nước biển (nhiều mục đích sử dụng chung)	Bộ trao đổi nhiệt, đường ống và thiết bị xử lý nước muối và axit chứa clorua khi cần tăng cường khả năng chống rỗ
Thiết bị chế biến thực phẩm và bình chứa	Môi trường dược phẩm và độ tinh khiết cao với độ nhạy hàn với kết tủa cacbua
Các yếu tố kiến ​​trúc, ốc vít	Hệ thống khử muối và xử lý ngoài khơi nơi ăn mòn cục bộ là mối quan tâm chính

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316 khi có khả năng chống ăn mòn tốt, tính sẵn có và chi phí vật liệu thấp là những yếu tố chính; nó phù hợp với nhiều môi trường biển và hóa chất không quá khắc nghiệt. - Chọn 317L khi hoạt động liên quan đến môi trường clorua mạnh, nồng độ anion oxy hóa cao hơn hoặc khi các cụm hàn phải duy trì khả năng chống ăn mòn rỗ/kẽ hở mà không cần xử lý nhiệt sau khi hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 317L thường đắt hơn 316 do hàm lượng molypden cao hơn và hàm lượng niken cao hơn một chút. Mức chênh lệch tăng theo biến động của thị trường Mo.
• Tính khả dụng: 316 được cung cấp rộng rãi hơn ở nhiều dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống, thanh, phụ kiện, chốt). 317L được cung cấp rộng rãi nhưng ít phổ biến hơn; thời gian giao hàng dài hoặc số lượng đặt hàng tối thiểu thường áp dụng cho các dạng sản phẩm hoặc lớp hoàn thiện đặc biệt.
• Mua sắm: Đối với các dự án số lượng lớn, chi phí có thể chênh lệch đáng kể; cân bằng giữa phí bảo hiểm vật liệu với chi phí vòng đời và khả năng thay thế hoặc bảo trì trong dịch vụ ăn mòn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	316	317L
Khả năng hàn	Tốt (cần cẩn thận để tránh gây nhạy cảm ở các phần dày hơn)	Tuyệt vời (C thấp làm giảm nguy cơ nhạy cảm)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo và độ dai tốt; tương tự trong điều kiện ủ	Độ dẻo và độ bền tương tự; tính chất cơ học tương đương
Khả năng chống ăn mòn (rỗ/kẽ hở)	Sức đề kháng chung tốt; sức đề kháng cục bộ từ trung bình đến tốt	Khả năng chống chịu cục bộ (rỗ/kẽ hở) tốt hơn do hàm lượng Mo và Cr cao hơn
Trị giá	Thấp hơn (nhiều hàng hóa hơn)	Cao hơn (hợp kim cao cấp)

Khuyến nghị: - Chọn 316 nếu bạn cần thép không gỉ austenit giá rẻ, có sẵn rộng rãi cho dịch vụ chống ăn mòn nói chung, nơi tiếp xúc với clorua ở mức vừa phải và có thể kiểm soát được quá trình chế tạo/hàn hoặc có thể xử lý sau khi hàn. - Chọn 317L nếu ứng dụng đòi hỏi khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở vượt trội trong môi trường clorua xâm thực hoặc khi các kết cấu hàn phải tránh nhạy cảm mà không cần xử lý nhiệt sau hàn rộng rãi—chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn để kéo dài tuổi thọ.

Lưu ý kết luận: Luôn ghi rõ cấp độ chính xác, hình thức sản phẩm, bề mặt hoàn thiện và tiêu chuẩn áp dụng trong tài liệu mua sắm; yêu cầu chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và xem xét thử nghiệm ăn mòn hoặc đánh giá kỹ thuật cho các ứng dụng quan trọng, vì môi trường dịch vụ và thực hành chế tạo ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu suất lâu dài.