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

Giới thiệu

316L và 316Ti là hai loại thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi, có nguồn gốc từ họ 316. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm hệ thống áp suất hàn (nơi hàm lượng carbon thấp hoặc độ ổn định quan trọng), đường ống và bộ trao đổi nhiệt nhiệt độ cao (nơi quan tâm đến kết tủa cacbua), và các thành phần dịch vụ ăn mòn chung, nơi thép không gỉ dòng 300 mang Mo được ưa chuộng.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa hai loại hợp kim này nằm ở cách mỗi hợp kim ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua ở nhiệt độ cao: một loại giảm thiểu hàm lượng cacbon, loại còn lại liên kết cacbon với một nguyên tố ổn định. Sự khác biệt này dẫn đến những lựa chọn khác nhau về chế tạo, khả năng chịu nhiệt và một số tính chất cơ học, đó là lý do tại sao 316L và 316Ti thường được so sánh trong các thông số kỹ thuật thiết kế hoặc sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Thông số kỹ thuật và tên gọi chung:
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm/lá thép không gỉ); các tiêu chuẩn sản phẩm ASTM khác cho thanh, ống, phụ kiện.
• EN: 1.4404 (thường được dùng cho 316L), 1.4571 (thường được dùng cho 316Ti).
• Tiêu chuẩn JIS, GB và các tiêu chuẩn quốc gia khác thường có cấp độ tương đương (ví dụ: cấp độ tương đương của SUS316L).
• Phân loại: cả hai đều là thép không gỉ (austenitic, Mo-bearing, hệ Cr-Ni). Chúng không phải là thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cho thấy phạm vi thành phần điển hình của 316L và 316Ti theo các tiêu chuẩn chung (các giá trị được đưa ra dưới dạng phần trăm trọng lượng và chỉ mang tính chất tham khảo; tham khảo tiêu chuẩn cụ thể để biết giới hạn liên kết).

Yếu tố	316L (phạm vi điển hình, wt%)	316Ti (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,03	≤ 0,08
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 0,75–1,0	≤ 0,8
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	dấu vết	dấu vết
Lưu ý	dấu vết / không có	dấu vết / không có
Ti	dấu vết / không có	~0,4 – 0,7
B	dấu vết	dấu vết
N	≤ ~0,10	≤ ~0,11

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Crom và molypden giúp lõi thép chống ăn mòn và rỗ. Ni ổn định nền austenit và cải thiện độ dẻo dai. - Cacbon làm tăng độ bền nhưng thúc đẩy quá trình kết tủa crom cacbua ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) ở 425–850 °C, làm cạn kiệt Cr ở ranh giới hạt và dẫn đến ăn mòn giữa các hạt (nhạy cảm hóa). - 316L làm giảm nguy cơ đó bằng cách hạn chế hàm lượng carbon. 316Ti sử dụng titan để tạo thành các hợp chất Ti–carbon ổn định (ví dụ: TiC) liên kết ưu tiên với carbon, ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại đều chủ yếu là austenit (lập phương tâm mặt) trong điều kiện ủ, với cấu trúc vi mô điển hình của các hạt austenit đẳng trục và có thể có một lượng nhỏ pha sigma hoặc cacbua sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài. - 316L: hàm lượng carbon thấp có nghĩa là ít cacbua hơn sau các chu kỳ nhiệt; cấu trúc vi mô vẫn giữ nguyên austenit sạch trừ khi được gia công nguội nghiêm ngặt hoặc tiếp xúc với các chu kỳ nhiệt rất mạnh. - 316Ti: titan kết tủa thành các hạt TiC/TiN mịn, thường ở ranh giới hạt và bên trong hạt; chúng hoạt động như chất ổn định.

Xử lý nhiệt và phản ứng xử lý: - Ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ 1000–1100 °C, sau đó làm nguội nhanh) giúp khôi phục cấu trúc austenit đồng nhất và hòa tan các pha có hại. Cả hai loại thép này đều thường được ủ dung dịch cho các ứng dụng quan trọng. - Chuẩn hóa/làm nguội/ram không phải là phương pháp điển hình đối với thép không gỉ austenit; quá trình xử lý nhiệt cơ học (gia công nguội, giảm ứng suất) ảnh hưởng đến mật độ sai lệch và tính chất cơ học hơn là chuyển pha. - 316Ti đặc biệt chịu được sự thay đổi nhiệt độ trong phạm vi nhạy cảm vì Ti cô lập cacbon; tuy nhiên, nếu Ti không có đủ so với cacbon hoặc nếu xảy ra quá trình lão hóa ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, các chất kết tủa thứ cấp (ví dụ, pha sigma) vẫn có thể hình thành và làm giòn thép.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của thép không gỉ austenit phụ thuộc rất nhiều vào dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh), quá trình gia công nguội và lịch sử nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi điều kiện ủ thường được báo cáo cho các loại thép này. Sử dụng chứng chỉ nhà cung cấp/kiểm tra để biết giá trị thiết kế.

Tính chất (ủ, chỉ định)	316L	316Ti
Độ bền kéo (UTS), MPa	480 – 620	490 – 630
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%), MPa	170 – 300	180 – 310
Độ giãn dài (A, % theo 50 mm hoặc cỡ đo được chỉ định)	40 – 60	35 – 55
Độ bền va đập (Charpy V-notch, nhiệt độ phòng, J)	Nói chung là cao; độ dẻo dai tốt	Nói chung là cao; tương đương, đôi khi thấp hơn một chút nếu có mưa
Độ cứng (HRB hoặc HB)	HRB ≈ 90 – 100 (ủ mềm)	HRB ≈ 95 – 110 (có thể cao hơn một chút)

Giải thích: - 316Ti có thể thể hiện độ bền cao hơn một chút trong điều kiện ủ do hàm lượng cacbon và chất kết tủa ổn định cao hơn, nhưng sự khác biệt là không đáng kể đối với hầu hết các ứng dụng bình chịu áp suất và đường ống. - Độ dẻo và độ bền nhìn chung khá giống nhau; 316L có thể có độ dẻo tốt hơn một chút và đảm bảo hàm lượng carbon thấp sau khi hàn, trong khi 316Ti mang lại sự ổn định chống lại sự nhạy cảm ở nhiệt độ sử dụng cao.

5. Khả năng hàn

Cả thép 316L và 316Ti đều được coi là có khả năng hàn cao hơn so với thép ferritic hoặc thép martensitic, nhưng chúng có những cân nhắc thực tế khác nhau.

Chỉ số khả năng hàn có liên quan: - Cacbon tương đương cho austenit (ví dụ): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tham số thực nghiệm về ăn mòn rỗ/nứt mối hàn (ví dụ): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 316L: khả năng hàn rất tốt do hàm lượng carbon thấp; nguy cơ nhạy cảm hóa và ăn mòn liên hạt tối thiểu sau các chu kỳ hàn thông thường. Ủ dung dịch sau hàn thường không cần thiết để tăng khả năng chống ăn mòn trong nhiều ứng dụng. - 316Ti: cũng có thể hàn được, và thường được lựa chọn đặc biệt cho các chi tiết hàn tiếp xúc với nhiệt độ trong phạm vi nhạy cảm vì Ti ổn định cacbon và giảm khả năng ăn mòn giữa các hạt. Cần thận trọng để đảm bảo tỷ lệ Ti:C phù hợp và tránh sự không tương thích quá mức của vật liệu độn; kim loại độn thường là vật liệu tiêu hao loại 316L/316 để duy trì khả năng chống ăn mòn. - Cả hai loại này thường không yêu cầu gia nhiệt trước; tránh làm nguội chậm ở nhiệt độ 500–800 °C trong các ứng dụng nhạy cảm; có thể chỉ định ủ dung dịch sau hàn cho các ứng dụng quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai đều là thép không gỉ chống ăn mòn (mặc định không được mạ kẽm hoặc sơn).
• Để đánh giá tình trạng rỗ và ăn mòn khe hở, hãy sử dụng PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này nhấn mạnh vào Cr, Mo và N. Giá trị PREN điển hình của thép họ 316 nằm trong phạm vi trung bình; 316L và 316Ti có PREN rất giống nhau vì hàm lượng Cr và Mo của chúng tương đương nhau và N thấp.
• Khi lựa chọn thép không gỉ không phù hợp (ví dụ, môi trường có tính khử cao hoặc kiềm), các loại thép không gỉ cần được bảo vệ bề mặt như mạ kẽm, phủ hoặc ốp; đây không phải là tiêu chuẩn đối với các bộ phận thuộc họ 316.
• Lưu ý thực tế: 316Ti được ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng mà tiếp xúc nhiệt có thể gây kết tủa crom cacbua (ví dụ: bộ trao đổi nhiệt, đường ống hơi nước) vì Ti làm giảm độ nhạy. 316L đạt được kết quả thực tế tương tự nhờ hàm lượng carbon rất thấp.

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. 316Ti có thể khó gia công hơn 316L một chút vì độ ổn định và hàm lượng cacbon cao hơn có thể làm tăng độ cứng và độ mài mòn của dụng cụ. Hãy sử dụng dụng cụ chắc chắn, tốc độ cắt, tốc độ cắt và dung dịch làm mát phù hợp.
• Khả năng định hình: 316L thường có khả năng định hình và hiệu suất kéo sâu tốt hơn do giới hạn chảy thấp hơn và độ dẻo cao hơn trong điều kiện ủ. 316Ti có hình dạng tương tự nhưng có thể yêu cầu lực cao hơn một chút và kiểm soát bán kính uốn chặt chẽ hơn.
• Hoàn thiện: cả hai đều sử dụng lớp hoàn thiện bề mặt tiêu chuẩn và thụ động hóa; có thể sử dụng phương pháp tẩy/trung hòa sau khi hàn để phục hồi lớp màng thụ động và loại bỏ lớp màu nhiệt.

8. Ứng dụng điển hình

316L — Công dụng điển hình	316Ti — Ứng dụng điển hình
Thiết bị và bể xử lý hóa chất (hàn)	Bộ trao đổi nhiệt và các thành phần lò tiếp xúc với nhiệt độ trung gian
Thiết bị thực phẩm, đồ uống và dược phẩm (vệ sinh)	Đường ống hơi nước và nhiệt độ cao nơi có nguy cơ nhạy cảm
Các thành phần biển và các yếu tố cấu trúc ven biển	Đường ống nhiệt độ cao của ô tô và hóa dầu
Các thành phần thiết bị y tế được chỉ định có hàm lượng carbon thấp	Các thành phần cần sự ổn định trong các chu kỳ nhiệt không liên tục
Bình chứa và thiết bị chịu áp suất cực lạnh (do có độ bền tốt)	Lò hơi công nghiệp, ống siêu nhiệt (thiết kế riêng)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316L khi khả năng chống ăn mòn sau khi hàn, độ kéo sâu và tính khả dụng/chi phí là những yếu tố chính. - Chọn 316Ti khi hoạt động bao gồm tiếp xúc kéo dài hoặc theo chu kỳ với nhiệt độ có thể gây nhạy cảm và khi linh kiện không được ủ trong dung dịch sau khi chế tạo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 316L phổ biến hơn và thường có nhiều dạng sản phẩm và lớp hoàn thiện hơn; đây thường là lựa chọn có chi phí thấp hơn giữa hai loại.
• 316Ti có mức phí bảo hiểm khiêm tốn do bổ sung titan và tổng khối lượng thị trường thấp hơn; tình trạng cung ứng vẫn tốt đối với các dạng thông thường (ống, tấm, ống) nhưng thời gian giao hàng cho các kích thước hoặc lớp hoàn thiện đặc biệt có thể lâu hơn.
• Đối với việc mua sắm: chỉ định tiêu chuẩn chính xác (ví dụ: ASTM A240 316L hoặc EN 1.4571) và yêu cầu hoàn thiện/xử lý nhiệt để tránh các vấn đề về chuỗi cung ứng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	316L	316Ti
Khả năng hàn	Tuyệt vời (ít carbon)	Tuyệt vời, được thiết kế để chống lại sự nhạy cảm; cần chú ý đến Ti:C
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt, năng suất thấp hơn một chút	Độ dẻo dai tương đương, tiềm năng UTS/năng suất cao hơn một chút
Trị giá	Thấp hơn / có sẵn rộng rãi	Chi phí cao hơn một chút / khả năng cung cấp tốt

Khuyến nghị: - Chọn 316L nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn đa năng tốt nhất với khả năng hàn và tạo hình tối đa, và khi chi phí và tính khả dụng rộng rãi là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 316Ti nếu ứng dụng sẽ trải qua chu kỳ nhiệt hoặc tiếp xúc kéo dài trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 425–850 °C) và bạn không thể hoặc sẽ không thực hiện ủ dung dịch sau khi chế tạo; 316Ti cung cấp khả năng ổn định chống lại sự tấn công giữa các hạt trong những điều kiện đó.

Lưu ý thực tế cuối cùng: đối với các thiết kế quan trọng, hãy luôn nêu rõ tiêu chuẩn chính xác, hình dạng sản phẩm, quy trình xử lý nhiệt hoặc xử lý sau hàn cần thiết, đồng thời yêu cầu giấy chứng nhận nhà máy/kiểm tra. Khi nghi ngờ về khả năng tiếp xúc nhiệt lâu dài hoặc cơ chế ăn mòn cụ thể, hãy tham khảo dữ liệu thử nghiệm ăn mòn hoặc thực hiện các bài kiểm tra chất lượng vật liệu cho môi trường làm việc dự kiến.