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

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với sự đánh đổi giữa khả năng chống ăn mòn, hiệu suất cơ học, khả năng sản xuất và chi phí khi lựa chọn thép không gỉ austenit. 316L và 904L đều là các loại thép không gỉ austenit được sử dụng khi cần khả năng chống ăn mòn, nhưng mỗi loại chiếm một điểm khác nhau trên thang đo hiệu suất - chi phí: 316L là "ngựa thồ" tiết kiệm, phổ biến rộng rãi cho môi trường chứa clorua, trong khi 904L là lựa chọn hợp kim cao, chi phí cao hơn, được tối ưu hóa cho các hóa chất có tính axit mạnh và chứa clorua.

Sự khác biệt thực tế quan trọng nằm ở chiến lược hợp kim: 316L chủ yếu dựa vào crom, niken và molypden để có khả năng chống ăn mòn và hàn nói chung; 904L tăng cường niken, molypden và bổ sung đồng để tăng khả năng chống axit khử và ăn mòn cục bộ. Điều này khiến hai loại thép này thường xuyên được so sánh trong các quyết định thiết kế và mua sắm, khi khả năng chống ăn mòn cao hơn phải được cân nhắc so với chi phí vật liệu và gia công cao hơn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và mã định danh chung được sử dụng để xác định các cấp độ này bao gồm: - 316L - UNS: S31603 - Các thông số kỹ thuật ASTM/ASME phổ biến cho tấm/tấm và thanh: ví dụ, ASTM A240 (tấm/tấm), ASTM A276 (thanh) và các thông số kỹ thuật đường ống liên quan - EN: thường được gọi là EN 1.4404 - JIS: thường gọi là SUS316L - GB: có các chất tương đương theo tiêu chuẩn Trung Quốc (quy định theo thành phần hóa học) - Phân loại: Thép không gỉ Austenitic (không gỉ) - 904L - UNS: N08904 - Thường được cung cấp cho các tài liệu ASTM/ASME khi thích hợp (ví dụ: A240 cho tấm khi được UNS chỉ định) - EN: thường được gọi là EN 1.4539 (được sử dụng như một tiêu chuẩn tương đương chung trong ngành) - JIS/GB: có sẵn dưới dạng hợp kim đặc biệt hoặc thành phần tương đương - Phân loại: Thép không gỉ hợp kim cao Austenitic chứa niken (không gỉ)

Cả hai đều là thép không gỉ (thuộc họ austenit), không phải thép cacbon, thép dụng cụ hay HSLA. Chúng được quy định trong các tiêu chuẩn cho các dạng sản phẩm khác nhau (tấm, ống, thanh, dây, phụ kiện) tùy theo ứng dụng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện các phạm vi hoặc giới hạn thành phần điển hình được tìm thấy trong các thông số kỹ thuật chung. Đây là các phạm vi đại diện được sử dụng trong quá trình lựa chọn và tiêu chuẩn — luôn luôn xác nhận với chứng chỉ vật liệu cụ thể khi mua sắm.

Yếu tố	316L (điển hình)	904L (điển hình)
C	≤ 0,03% khối lượng	≤ 0,02% khối lượng
Mn	≤ 2,0% khối lượng	≤ 2,0% khối lượng
Si	≤ 0,75% khối lượng	≤ 1,0% khối lượng
P	≤ 0,045% khối lượng	≤ 0,045% khối lượng
S	≤ 0,03% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
Cr	16,0–18,0% khối lượng	19,0–23,0% khối lượng
Ni	10,0–14,0% khối lượng	23,0–28,0% khối lượng
Mo	2,0–3,0% khối lượng	4,0–5,0% khối lượng
Cu	— (dấu vết/không có)	~1,0–2,0% khối lượng
N	≤ 0,10% khối lượng	≤ 0,10% khối lượng
Nb/Ti/V/B	Thông thường không đáng kể	Thông thường không đáng kể

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom (Cr): tạo lớp màng oxit thụ động và khả năng chống ăn mòn nói chung. - Niken (Ni): ổn định cấu trúc vi mô austenit và cải thiện độ dẻo và độ dai; hàm lượng Ni cao hơn cũng cải thiện khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua và giảm độ từ thẩm. - Molypden (Mo): tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường có chứa clorua. - Đồng (Cu) trong 904L: cải thiện khả năng chống axit sunfuric và các axit khử khác và tăng cường khả năng chống ăn mòn cục bộ trong một số môi trường clorua có tính axit. - Hàm lượng cacbon thấp (hạng L): hạn chế hiện tượng nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn.

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

Cả 316L và 904L đều là thép austenit hoàn toàn khi ủ ở nhiệt độ môi trường. Các điểm chính về vi cấu trúc và xử lý nhiệt: - Cấu trúc vi mô điển hình: austenit lập phương tâm mặt (FCC) pha đơn có thể có một lượng nhỏ cacbua hoặc kim loại liên kết nếu tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm. - Ủ dung dịch/kết tinh lại: Cả hai loại thép này thường được ủ dung dịch (nhiệt độ ủ dung dịch điển hình cho thép không gỉ austenit nằm trong khoảng 1.040–1.120 °C tùy thuộc vào thông số kỹ thuật) và làm nguội nhanh để duy trì cấu trúc austenit đồng nhất và hòa tan crom cacbua. - Nhạy cảm: Hàm lượng carbon thấp (316L, 904L) làm giảm khả năng kết tủa crom cacbua ở ranh giới hạt (nhạy cảm) so với các biến thể có hàm lượng carbon cao hơn; do đó, cả hai đều được ưu tiên cho các kết cấu hàn yêu cầu khả năng chống ăn mòn. - Kết tủa và pha sigma: Tiếp xúc kéo dài trong khoảng 500–900 °C có thể thúc đẩy các pha liên kim loại (ví dụ: sigma) làm giòn hợp kim và giảm khả năng chống ăn mòn. Hàm lượng niken cao trong 904L có xu hướng làm thay đổi đặc tính kết tủa, nhưng cần tuân thủ các quy trình xử lý chống sigma và ủ dung dịch. - Làm cứng: Cả hai loại thép này đều không thể làm cứng bằng phương pháp tôi và ram thông thường vì chúng là thép austenit; độ bền chủ yếu được điều chỉnh bằng phương pháp làm nguội (làm cứng bằng cách gia công) hoặc bằng cách sử dụng độ dày mặt cắt/hình dạng sản phẩm dày hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các đặc điểm so sánh về chất lượng thường thấy trong điều kiện ủ (các giá trị cụ thể phụ thuộc vào dạng sản phẩm, xử lý nhiệt và chứng nhận của nhà cung cấp).

Tài sản	316L (đã ủ)	904L (ủ)
Độ bền kéo	Vừa phải	Nói chung là cao hơn (do hàm lượng hợp kim cao hơn và gia cố bằng dung dịch rắn)
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn một chút
Độ giãn dài / Độ dẻo	Cao (khả năng định hình tuyệt vời)	Cao, nhưng đôi khi thấp hơn một chút so với 316L ở trạng thái cắt dày hoặc gia công nguội
Độ bền va đập	Tốt trong phạm vi nhiệt độ rộng	Tốt; độ dẻo dai được duy trì với độ bền cao hơn
Độ cứng (ủ)	Thấp hơn (dễ hình thành)	Cao hơn một chút (có thể làm việc cứng hơn)

Giải thích: Hàm lượng niken và molypden (và đồng) cao hơn của 904L dẫn đến khả năng gia cường dung dịch rắn cao hơn và thường có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn một chút trong điều kiện ủ so với 316L. Cả hai hợp kim đều giữ được độ dẻo và độ bền đáng kể; 316L được sử dụng rộng rãi khi cần tạo hình rộng hoặc kéo sâu nhờ các đặc tính tạo hình đã được hiểu rõ của nó.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn đối với thép không gỉ austenit phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, nitơ và hợp kim, cộng với chu trình nhiệt. - Mức carbon: Carbon thấp (316L, 904L) làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn; cả hai đều được coi là có thể hàn mà không cần gia nhiệt trước trong hầu hết các ứng dụng. - Khả năng tôi cứng và nứt nguội: Thép không gỉ austenit không cứng như thép martensitic; nứt nguội do hydro không phải là mối quan tâm chính. Tuy nhiên, việc kiểm soát biến dạng và quản lý ứng suất dư là rất quan trọng. - Hiệu ứng hợp kim: Hàm lượng niken và molypden cao trong 904L làm tăng xu hướng nứt nóng trong một số tổ hợp kim loại/quy trình và có thể khiến việc lựa chọn chất độn phù hợp và xác định quy trình trở nên quan trọng hơn. - Các phương trình khả năng hàn thông thường được sử dụng để diễn giải (không có dữ liệu số ở đây). Tương đương cacbon (IIW) thường được sử dụng để đánh giá khả năng hàn theo định tính: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Và chỉ số Pcm chi tiết 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: Hàm lượng hợp kim cao hơn làm tăng các chỉ số này, cho thấy nhu cầu về quy trình hàn được kiểm soát. Trên thực tế, 316L dễ hàn hơn và phù hợp với các kim loại hàn thông dụng (ví dụ: vật liệu hàn 316L), trong khi 904L thường yêu cầu vật tư hàn đạt tiêu chuẩn, quy trình chuyên biệt và thử nghiệm ăn mòn sau hàn cho các môi trường khắc nghiệt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất không gỉ: Cả hai đều không gỉ và dựa vào lớp màng oxit crom thụ động để có khả năng chống ăn mòn nói chung.
• PREN cho khả năng chống ăn mòn cục bộ: Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ trong môi trường chứa clorua: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Diễn giải: PREN cao hơn cho thấy khả năng chống rỗ tốt hơn; 904L thường có PREN cao hơn 316L do hàm lượng Mo và Cr cao hơn và đôi khi Ni cao hơn giúp chống lại sự tấn công tại chỗ.
• Hành vi ăn mòn cụ thể:
• 316L: Khả năng chống nước biển bắn vào, môi trường clorua vừa phải và nhiều điều kiện xử lý hóa học tốt.
• 904L: Khả năng chống axit khử (ví dụ: axit sunfuric) vượt trội, khả năng chống ăn mòn khe hở và rỗ tốt hơn trong môi trường chứa clorua, và hiệu suất được cải thiện trong môi trường axit/clorua hỗn hợp nhờ hàm lượng Cu và hợp kim cao hơn.
• Khi không áp dụng được thép không gỉ (ví dụ: thép cacbon không phải thép không gỉ), các phương án bảo vệ bề mặt bao gồm mạ kẽm, sơn và phủ polymer. Những phương án này không liên quan đến việc so sánh 316L/904L vì cả hai đều là thép không gỉ.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép hợp kim thấp. Thép 316L gia công khá tốt với dụng cụ và tốc độ phù hợp; thép 904L thường khó gia công hơn do hàm lượng niken cao và quá trình tôi luyện — thường đòi hỏi đường cắt nhẹ hơn, dụng cụ chắc chắn và thay đổi dụng cụ thường xuyên hơn.
• Khả năng định hình/uốn cong: 316L có khả năng định hình và kéo sâu tuyệt vời trong điều kiện ủ. 904L định hình tốt nhưng có thể làm cứng nhanh hơn và có thể cần ủ trung gian cho các hoạt động định hình nghiêm ngặt.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều áp dụng các kỹ thuật hoàn thiện thông thường (đánh bóng, thụ động hóa). Hợp kim cao của 904L có thể yêu cầu quy trình tẩy rửa/làm sạch mạnh hơn và thụ động hóa cẩn thận để phục hồi lớp màng thụ động sau khi chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

316L — Công dụng điển hình	904L — Công dụng điển hình
Thiết bị xử lý hóa chất cho môi trường ăn mòn vừa phải (ống dẫn, bể chứa, bộ trao đổi nhiệt)	Thiết bị xử lý hóa chất cho môi trường ăn mòn/khử cao (nhà máy axit sunfuric, hỗn hợp axit clorua mạnh)
Chế biến thực phẩm, thiết bị dược phẩm, phụ kiện hàng hải, thành phần kiến ​​trúc	Các đơn vị lọc dầu và hóa dầu, bộ trao đổi nhiệt hiệu suất cao, các thành phần van trong dịch vụ axit mạnh
Thiết bị y tế và cấy ghép (có cấp độ/thông số kỹ thuật phù hợp)	Thiết bị chuyên dụng cao cấp yêu cầu khả năng chống ăn mòn rỗ/rãnh trong thời gian dài
Phụ kiện ngoài khơi (phơi nhiễm clorua vừa phải), xử lý trước khi khử muối	Các ứng dụng mà tuổi thọ hợp kim biện minh cho chi phí vật liệu ban đầu và chế tạo cao hơn

Cơ sở lựa chọn: Sử dụng 316L khi ưu tiên khả năng chống clorua vừa phải, khả năng hàn tuyệt vời và hiệu quả về chi phí. Sử dụng 904L khi yêu cầu hóa chất quy trình cụ thể (axit khử mạnh, môi trường axit/clo hỗn hợp) hoặc khả năng chống ăn mòn cục bộ lâu dài hợp lý với chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 904L đắt hơn đáng kể so với 316L do hàm lượng niken và molypden cao hơn đáng kể (và việc bổ sung thêm đồng). Mức chênh lệch này có thể khá lớn và thay đổi tùy theo thị trường kim loại hàng hóa.
• Tính khả dụng: 316L có mặt ở khắp nơi trên thế giới với nhiều dạng sản phẩm và cấp độ khác nhau; thời gian giao hàng thường ngắn. 904L có sẵn nhưng ở ít dạng lưu kho hơn và thường yêu cầu thời gian giao hàng dài hơn hoặc sản xuất theo đơn đặt hàng đặc biệt cho một số dạng sản phẩm và độ dày nhất định.
• Ý nghĩa đối với việc mua sắm: Tổng chi phí sở hữu (vật liệu + chế tạo + kiểm tra + tuổi thọ bảo trì) cần được đánh giá; trong nhiều trường hợp, 316L là lựa chọn kinh tế trừ khi các điều kiện quy trình đòi hỏi phải sử dụng 904L để tránh hỏng hóc hoặc bảo trì thường xuyên.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	316L	904L
Khả năng hàn	Tuyệt vời (kim loại và quy trình phụ tiêu chuẩn)	Tốt nhưng đòi hỏi quy trình và chất độn có trình độ; kiểm soát chặt chẽ hơn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt; độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn một chút với độ dẻo dai được giữ lại; khả năng làm cứng tốt hơn
Trị giá	Thấp hơn (có sẵn rộng rãi)	Cao hơn (hợp kim cao cấp; dạng tồn kho hạn chế)

Chọn 316L nếu: - Môi trường tiếp xúc với clorua ở mức độ vừa phải, dịch vụ hóa chất nói chung, bầu khí quyển biển hoặc nơi mà chi phí và tính dễ chế tạo là mối quan tâm chính. - Bạn cần khả năng hàn và tạo hình tuyệt vời cho sản xuất số lượng lớn hoặc công việc chế tạo mở rộng.

Chọn 904L nếu: - Dịch vụ này liên quan đến axit khử mạnh (ví dụ, axit sunfuric) hoặc hỗn hợp clorua/axit mạnh trong đó 316L có hiện tượng rỗ, ăn mòn khe hở hoặc tuổi thọ giảm. - Tuổi thọ dài không cần bảo trì và khả năng chống ăn mòn tại chỗ giúp tăng chi phí vật liệu và xử lý hoặc khi được chỉ định theo đánh giá về hóa học quy trình và kỹ thuật chống ăn mòn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn ghi rõ hợp kim, dạng sản phẩm, yêu cầu xử lý nhiệt và thử nghiệm chính xác trên đơn đặt hàng, và tham khảo ý kiến ​​chuyên gia chống ăn mòn hoặc kỹ sư vật liệu khi điều kiện vận hành không rõ ràng. Khuyến nghị sử dụng chứng chỉ vật liệu và thử nghiệm chống ăn mòn tại chỗ khi nâng cấp từ 316L lên 904L cho thiết bị quy trình quan trọng.