316L so với 904L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa 316L và 904L là một quyết định vật liệu phổ biến đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất, những người phải cân bằng giữa hiệu suất chống ăn mòn, chi phí chế tạo và yêu cầu dịch vụ. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm xử lý hóa chất, môi trường biển và ngoài khơi, cũng như các thiết bị đòi hỏi khả năng chế tạo cao và khả năng chống ăn mòn đáng tin cậy.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai hợp kim này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: 316L là thép không gỉ austenit chứa molypden, hàm lượng carbon thấp, được tối ưu hóa cho khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn thông dụng; 904L là thép không gỉ austenit chứa nhiều niken, nhiều molypden, đồng, được thiết kế để có khả năng chống chịu vượt trội trong môi trường axit và clorua có tính ăn mòn cao. Sự khác biệt về hóa học này dẫn đến sự khác biệt về hiệu suất chống ăn mòn, chi phí và các yếu tố chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 316L
• Tên gọi chung: UNS S31603, EN 1.4404 / 1.4435, JIS SUS316L, ASTM A240 (cho tấm), ASTM A276 (thanh)
• Phân loại: Thép không gỉ Austenit
• 904L
• Tên gọi chung: UNS N08904, EN (đôi khi được gọi là biến thể 1.4539), ASTM B702/B574 cho một số dạng sản phẩm
• Phân loại: Thép không gỉ austenit có hàm lượng Ni và Mo cao, đôi khi được gọi là "siêu austenit"

Cả hai đều là thép không gỉ (không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA), được quy định rộng rãi trong ASTM/ASME, EN, JIS và các tiêu chuẩn quốc gia cho nhiều dạng sản phẩm khác nhau (tấm, lá, thanh, ống).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình của vật liệu rèn, ủ dung dịch được sử dụng trong công nghiệp. Các giá trị được hiển thị dưới dạng phần trăm trọng lượng và là các phạm vi đại diện có trong các thông số kỹ thuật phổ biến.

Yếu tố	316L (phạm vi điển hình, wt%)	904L (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,03	≤ 0,02
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 0,75	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,035
Cr	16,0 – 18,0	19,0 – 23,0
Ni	10,0 – 14,0	23,0 – 28,0
Mo	2.0 – 3.0	4.0 – 5.0
Cu	–	1.0 – 2.0
V	–	–
Lưu ý	–	–
Ti	–	–
B	–	–
N	≤ 0,10 (thường rất thấp)	≤ 0,10 (thường rất thấp)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom cung cấp lớp màng oxit thụ động giúp thép không gỉ có đặc tính cơ bản; Cr nhiều hơn thường cải thiện khả năng chống ăn mòn và oxy hóa nói chung. - Niken ổn định pha austenit, tăng độ dẻo dai và độ dẻo, đồng thời tăng khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua khi kết hợp với các nguyên tố khác. - Molypden cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở trong môi trường có chứa clorua. - Đồng trong 904L cải thiện khả năng chống axit khử (ví dụ: axit sunfuric) và tăng cường khả năng chống ăn mòn khe hở trong một số môi trường nhất định. - Hàm lượng cacbon thấp giúp giảm thiểu lượng kết tủa cacbua trong quá trình hàn, duy trì khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.

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

• Cấu trúc vi mô:
• Cả 316L và 904L đều là austenit hoàn toàn trong điều kiện ủ dung dịch. Chúng không chuyển thành ferit hoặc martensite khi làm nguội trong quá trình xử lý thông thường.
• Xử lý nhiệt và phản ứng:
• Phương pháp xử lý điển hình: ủ dung dịch ở nhiệt độ khoảng 1010–1120 °C (tùy theo tiêu chuẩn), sau đó làm nguội bằng nước để khôi phục cấu trúc vi mô austenit đồng nhất và hòa tan kết tủa.
• Không loại nào có thể làm cứng bằng cách làm nguội và ram—sự thay đổi về độ bền chủ yếu đạt được bằng cách làm nguội.
• 316L: Cần cẩn thận trong các chu trình nhiệt hàn để tránh nhạy cảm hóa ở các biến thể carbon cao hơn, nhưng loại L (carbon thấp) giúp giảm thiểu sự kết tủa cacbua. Hợp kim ổn định (ví dụ: 316Ti) được sử dụng khi hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ nhạy cảm hóa cao.
• 904L: Cũng được ủ trong dung dịch; hàm lượng hợp kim cao hơn (Ni, Mo, Cu) có nghĩa là nó có khả năng chống nhạy cảm tốt hơn và có khả năng chống lại sự tấn công giữa các hạt cao hơn sau khi hàn, nhưng việc lựa chọn chất độn phù hợp và kiểm soát nhiệt đầu vào vẫn quan trọng để duy trì hiệu suất chống ăn mòn.
• Xử lý nhiệt cơ học:
• Gia công nguội làm tăng năng suất và độ bền kéo ở cả hai loại thép nhưng lại làm giảm khả năng chống ăn mòn trong một số môi trường nếu lớp màng thụ động bị hư hỏng và không được phục hồi.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học điển hình của vật liệu rèn, ủ (giá trị gần đúng; kiểm tra tiêu chuẩn sản phẩm để biết bảo đảm chính xác):

Tính chất (ủ)	316L (điển hình)	904L (điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~485 MPa	~520–580 MPa
Độ bền kéo dài (độ bền 0,2%)	~170–210 MPa	~210–260 MPa
Độ giãn dài (A%)	~40%	~30–45%
Tác động Charpy (nhiệt độ phòng, điển hình)	Tốt, gãy dẻo	Tốt, gãy dẻo
Độ cứng (HB)	~140–160 HB	~150–190 HB

Giải thích: - 904L thường có độ bền danh nghĩa cao hơn 316L trong điều kiện ủ do hàm lượng hợp kim cao hơn và dung dịch rắn gia cường từ Ni và Mo. - Cả hai đều dai và dễ uốn ở nhiệt độ môi trường; 316L thường có độ giãn dài cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm. - Không có loại nào được lựa chọn chủ yếu vì độ cứng cao hoặc khả năng chống mài mòn; gia công nguội sẽ tăng độ bền và độ cứng nhưng có thể làm giảm khả năng tạo hình.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép này nhìn chung đều tốt so với thép không gỉ ferritic hoặc martensitic, nhưng vẫn có những khác biệt thực tế.

• 316L: Khả năng hàn tuyệt vời nhờ hàm lượng carbon thấp; nguy cơ nhạy cảm hóa và ăn mòn liên hạt thấp. Chất độn thông dụng: ER316/ER316L. Ủ sau hàn thường không cần thiết cho các ứng dụng thông thường.
• 904L: Có thể hàn nhưng cần cẩn thận: hàm lượng hợp kim cao hơn (Ni, Mo, Cu) làm thay đổi đặc tính đông đặc và có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu hàn cũng như xu hướng nứt nóng. Kim loại hàn phù hợp được sản xuất cho 904L hoặc các vật liệu hàn có hàm lượng Ni cao khác thường được sử dụng. Việc kiểm soát nhiệt đầu vào và các biện pháp xử lý trước/sau hàn giúp duy trì khả năng chống ăn mòn.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (không cần nhập số ở đây): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Diễn giải $CE_{IIW}$ theo định tính: giá trị cao hơn ngụ ý khả năng tôi cứng tăng và khả năng nứt hàn trong thép. Đối với thép không gỉ austenit, hàm lượng cacbon thấp và hàm lượng Ni cao làm giảm nguy cơ nứt mặc dù hàm lượng hợp kim cao hơn. - Tham số Pcm (Siewert): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$ có thể được sử dụng một cách định tính để đánh giá khả năng nứt nguội trong mối hàn; đối với các hợp kim austenit này, mối quan tâm chính là nứt nóng và duy trì khả năng chống ăn mòn hơn là nứt nguội martensitic.

Hướng dẫn thực tế: nên sử dụng thông số kỹ thuật quy trình hàn tiền thẩm định và kim loại hàn phù hợp cho 904L, đặc biệt là đối với dịch vụ chịu áp suất quan trọng hoặc ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hành vi không gỉ:
• Cả hai loại đều dựa trên oxit thụ động giàu Cr để có khả năng chống ăn mòn nói chung.
• Khả năng chống rỗ và nứt:
• Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng các giá trị danh nghĩa điển hình làm ví dụ minh họa (xấp xỉ):
  • 316L (Cr ≈ 17, Mo ≈ 2.2, N ≈ vết): PREN ≈ 17 + 3,3×2,2 + 16×0,02 ≈ 25
  • 904L (Cr ≈ 20,5, Mo ≈ 4,5, N ≈ vết): PREN ≈ 20,5 + 3,3×4,5 + 16×0,02 ≈ 36
• Diễn giải: Hàm lượng Mo và Cr cao hơn trong 904L tạo ra PREN cao hơn đáng kể và do đó có khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn đáng kể trong môi trường chứa clorua và oxy hóa.
• Phương tiện truyền thông cụ thể:
• 316L: Khả năng chống ăn mòn tốt; được lựa chọn cho các khu vực nước biển bắn vào, chế biến thực phẩm, dược phẩm và nhiều dịch vụ hóa chất có nồng độ halogenua vừa phải.
• 904L: Khả năng chống chịu vượt trội với axit oxy hóa mạnh, môi trường chứa clorua ở nhiệt độ cao và môi trường chứa axit sunfuric (trong đó Cu có lợi).
• Các lựa chọn thay thế không gỉ:
• Đối với thép không gỉ, khả năng chống ăn mòn được cung cấp bởi lớp phủ (mạ kẽm, sơn, lớp lót polymer, v.v.). Những lớp phủ này không liên quan trực tiếp đến việc so sánh 316L/904L, ngoại trừ khi xem xét chi phí hoặc thay thế thiết kế.

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

• Khả năng gia công:
• Thép 316L dễ gia công hơn nhiều loại thép austenitic hợp kim cao hơn; thép này có độ cứng vừa phải và phản ứng tốt với các dụng cụ sắc bén và cấu hình cứng.
• 904L gia công chậm hơn, có xu hướng cứng hóa và đòi hỏi dụng cụ và quản lý chất làm mát mạnh mẽ hơn. Ni và Mo cao hơn làm tăng độ mòn dụng cụ và đòi hỏi tốc độ cắt thấp hơn và bước tiến cao hơn.
• Khả năng định hình:
• Cả hai loại đều có hình dạng tốt khi ủ; 316L thường được sử dụng cho các hoạt động kéo sâu, uốn và dập.
• Thép 904L có tính dẻo và dễ định hình nhưng độ bền và tốc độ làm cứng cao hơn làm tăng tải trọng tạo hình và độ đàn hồi; có thể cần ủ trung gian nhiều hơn hoặc lực tạo hình cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Đánh bóng và thụ động hóa tốt; 904L có thể cần chuẩn bị bề mặt kỹ hơn để đạt được khả năng phản xạ bề mặt tương tự do sự khác biệt về hợp kim.

8. Ứng dụng điển hình

316L – Công dụng điển hình	904L – Công dụng điển hình
Thiết bị thực phẩm và đồ uống, thiết bị dược phẩm	Thiết bị xử lý hóa chất xử lý axit sunfuric, axit photphoric và axit hỗn hợp
Kiến trúc biển, thành phần nước biển (phơi nhiễm vừa phải)	Bộ trao đổi nhiệt, đường ống và bình chứa trong môi trường axit/clorua có tính ăn mòn cao
Bộ trao đổi nhiệt, bồn chứa, đường ống cho các nhà máy hóa chất nói chung	Thiết bị trong dây chuyền hóa dầu và tẩy rửa có chất oxy hóa mạnh
Thiết bị y tế, cấy ghép (cần ít carbon và khả năng tương thích sinh học)	Các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống rỗ và khe hở cao hơn ở nhiệt độ cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316L khi môi trường làm việc có hàm lượng clorua vừa phải và ưu tiên khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn tốt với chi phí thấp hơn. - Chọn 904L khi môi trường có chất oxy hóa mạnh, nồng độ clorua cao hơn, axit sunfuric hoặc axit hỗn hợp, hoặc khi tuổi thọ kéo dài trong môi trường ăn mòn bù đắp cho chi phí hợp kim cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 904L đắt hơn đáng kể so với 316L về chi phí vật liệu do hàm lượng niken và molypden cao, cùng với việc bổ sung đồng. Độ nhạy cảm về giá chủ yếu phụ thuộc vào giá thị trường Ni và Mo.
• Khả dụng:
• 316L được sử dụng rộng rãi ở hầu hết mọi dạng sản phẩm (tấm, tấm, ống, ống, rèn, thanh) và trên nhiều thị trường toàn cầu.
• 904L hiện có sẵn trên thị trường dưới dạng tấm, ống, ống tròn và một số thanh và phụ kiện, nhưng một số dạng sản phẩm hoặc kích thước tùy chỉnh có thể yêu cầu thời gian giao hàng hoặc quy trình sản xuất đặc biệt. Việc lập kế hoạch mua sắm nên cho phép thời gian giao hàng dài hơn và lựa chọn nhà cung cấp đủ tiêu chuẩn cho 904L.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	316L	904L
Khả năng hàn	Tuyệt vời (chất độn tiêu chuẩn có sẵn rộng rãi)	Tốt nhưng cần chất độn phù hợp và kiểm soát quy trình
Độ bền – Độ dẻo dai (đã ủ)	Độ dẻo tốt, độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn, độ dẻo dai tốt
Khả năng chống ăn mòn (cục bộ/rỗ)	Trung bình (sức đề kháng chung tốt)	Cao (khả năng chống rỗ/kẽ hở vượt trội)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn 316L nếu ứng dụng của bạn yêu cầu thép không gỉ austenit có khả năng hàn rộng, tiết kiệm chi phí, có khả năng chống ăn mòn đáng tin cậy, khả năng định hình tốt và có sẵn rộng rãi (ví dụ: thực phẩm, dược phẩm, dịch vụ hóa chất nói chung, tiếp xúc với môi trường biển ở mức độ vừa phải). - Chọn 904L nếu dịch vụ bao gồm môi trường clorua mạnh, axit oxy hóa hoặc các điều kiện đòi hỏi khả năng chống rỗ/kẽ hở đặc biệt và tuổi thọ cao hơn mặc dù chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn (ví dụ: đường ống quy trình hóa học chuyên dụng, bộ trao đổi nhiệt trong môi trường hóa chất khắc nghiệt).

Lưu ý cuối cùng: việc lựa chọn cấp độ cuối cùng nên được thúc đẩy bởi một đánh giá toàn diện: loại và nồng độ ăn mòn cụ thể, nhiệt độ, tải trọng cơ học, tuyến đường chế tạo, thông số kỹ thuật quy trình hàn và tổng chi phí vòng đời. Đối với các dịch vụ quan trọng hoặc không quen thuộc, hãy thực hiện thử nghiệm ăn mòn, tham khảo ý kiến ​​chuyên gia về ăn mòn và thẩm định quy trình hàn trước khi sản xuất.