316Ti so với 904L – 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 cân nhắc lựa chọn thép không gỉ dựa trên một loạt các ưu tiên cạnh tranh: khả năng chống ăn mòn trong môi trường ăn mòn, khả năng hàn và chi phí chế tạo, hiệu suất cơ học ở nhiệt độ vận hành và tính khả dụng của chuỗi cung ứng. Hai loại thép không gỉ austenit thường xuất hiện trong những sự đánh đổi này là 316Ti (một biến thể ổn định titan của 316) và 904L (một loại thép không gỉ austenit hợp kim cao, hàm lượng carbon thấp với hàm lượng niken, molypden và đồng cao).

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: một loại sử dụng titan để ổn định cacbon và tránh kết tủa cacbua giữa các hạt, trong khi loại còn lại dựa vào hàm lượng niken và molypden cao hơn (và đồng bổ sung) để đạt được khả năng chống ăn mòn tổng thể và cục bộ tốt hơn. Do đó, 316Ti và 904L chiếm các phạm vi ứng dụng chồng chéo nhưng riêng biệt, trong đó chế độ ăn mòn, độ ổn định nhiệt độ, khả năng hàn và chi phí quyết định việc lựa chọn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 316Ti
• Tên gọi chung: UNS S31635, EN 1.4571, ASTM A240 (là một phần của họ 316 với tính năng ổn định Ti trong một số thông số kỹ thuật).
• Phân loại: Thép không gỉ Austenit / hợp kim thép không gỉ.
• 904L
• Các chỉ định phổ biến: UNS N08904, EN 1.4539.
• Phân loại: Thép không gỉ austenit hợp kim cao (thường được sử dụng trong môi trường có tính ăn mòn cao).

Các tiêu chuẩn khu vực khác (JIS, GB) có thể đề cập đến hóa chất tương đương hoặc tương tự dưới các mã định danh khác nhau; hãy chỉ rõ tiêu chuẩn chính xác và chứng chỉ vật liệu cần thiết khi đặt hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các nguyên tố thường được chỉ định cho các cấp độ này. Các giá trị hiển thị là phạm vi thành phần điển hình được sử dụng trong thông số kỹ thuật của ngành; giá trị thực tế phải được xác nhận theo chứng nhận vật liệu từ nhà cung cấp.

Yếu tố	316Ti (phạm vi điển hình, wt%)	904L (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,08 (ổn định bởi Ti)	≤ 0,02 (C thấp)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	~16–18	~19–23
Ni	~10–14	~23–28
Mo	~2–3	~4–5,5
V	dấu vết/không có	dấu vết/không có
Lưu ý	không có	không có (thường không được thêm vào)
Ti	~0,5–0,7 (hoặc một lượng hóa học để liên kết C)	không có
B	dấu vết/không có	dấu vết/không có
N	thấp (vết tích)	≤ 0,1 (thường là số lượng nhỏ)
Cu	không có	~1–2

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Titan trong 316Ti ưu tiên tạo thành cacbonitrit ổn định (TiC/TiN) giúp ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ trung gian (nhạy cảm hóa), duy trì khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau chu kỳ nhiệt hoặc hàn. - 904L đạt được khả năng chống ăn mòn chủ yếu nhờ hàm lượng niken cao hơn (ổn định austenit và tăng khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua) và hàm lượng molypden cao hơn để cải thiện khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở. Việc bổ sung đồng giúp cải thiện khả năng chống axit khử (đặc biệt là axit sulfuric).

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

Cả hai loại thép này về cơ bản đều là thép austenit hoàn toàn trong điều kiện chuẩn hóa/ủ dung dịch.

• 316Ti
• Cấu trúc vi mô: Ma trận austenit với các cacbua/nitrit ổn định Ti phân bố ở các giai đoạn xử lý nhiệt độ cao. Trong vật liệu được ủ dung dịch đúng cách, hiện tượng kết tủa cacbua bị ức chế và hiện tượng nhạy cảm ranh giới hạt được giảm thiểu.
• Phản ứng xử lý nhiệt: Thực hành thông thường là ủ dung dịch (ví dụ, phạm vi nhiệt độ 1040–1150 °C đối với thép không gỉ austenit) sau đó làm nguội nhanh để duy trì austenit một pha. 316Ti không thể làm cứng bằng cách làm nguội và ram như thép ferritic/martensitic; độ bền chủ yếu được điều chỉnh bằng phương pháp gia công nguội.

• Khả năng chống nhạy cảm: Cải thiện hơn so với 316/316L vì Ti liên kết cacbon, ngăn ngừa sự hình thành Cr-cacbua.

• 904L

• Cấu trúc vi mô: Hoàn toàn là austenit, thường không có chất ổn định được thêm vào một cách có chủ đích. Hàm lượng cacbon thấp giúp loại bỏ đáng kể nguy cơ kết tủa cacbua; việc bổ sung một lượng nhỏ nitơ (nếu có) sẽ giúp austenit bền chắc hơn.
• Phản ứng xử lý nhiệt: Ủ dung dịch và làm nguội nhanh được sử dụng để hòa tan bất kỳ kết tủa không mong muốn nào. Giống như các loại thép không gỉ austenit khác, các tính chất cơ học được điều chỉnh bằng phương pháp gia công nguội thay vì xử lý nhiệt tôi.
• Khả năng chống nhạy cảm: Hình thành cacbua có hàm lượng crom thấp do hàm lượng C thấp; không cần Ti hoặc Nb.

Lưu ý: Các chu trình chuẩn hóa, làm nguội và ram thông thường được sử dụng cho thép cacbon hoặc thép martensitic không áp dụng cho các loại thép austenitic này.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh), gia công nguội và xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi điều kiện ủ tiêu biểu thường được trích dẫn cho các loại thép không gỉ austenit này; hãy sử dụng chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp để tính toán thiết kế.

Tính chất (ủ)	316Ti (đại diện)	904L (đại diện)
Độ bền kéo (UTS)	~480–620 MPa	~500–700 MPa
Độ bền kéo dài (độ bền 0,2%)	~170–300 MPa	~200–350 MPa
Độ giãn dài (A, %)	~40% (độ dẻo tốt)	~35–45% (độ dẻo tốt)
Độ bền va đập	Tốt, giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Tương đương; độ bền nhìn chung tốt
Độ cứng (HRB/HRC)	Ủ: thấp (~70–95 HRB)	Ủ: phạm vi tương tự

Giải thích: - Cả hai đều là loại thép austenit dẻo, dai. Hàm lượng niken và molypden cao hơn của thép 904L thường tạo ra độ bền tương đương hoặc cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm so với thép 316Ti ổn định, nhưng sự khác biệt thường không đáng kể so với tác động của quá trình gia công nguội. - Độ dẻo dai ở cả hai loại thép này thường cao; không loại nào có sự chuyển đổi từ dẻo sang giòn rõ rệt như thép ferritic/martensitic.

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ austenit là một trong những hợp kim kim loại dễ hàn nhất, nhưng thành phần ảnh hưởng đến tính chất hàn.

Các phương trình khả năng hàn chính được sử dụng để đánh giá định tính: - Đương lượng crom điển hình để đánh giá khả năng tôi cứng và xu hướng nứt mối hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Thông số kết hợp để ước tính khả năng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 316Ti: Tính ổn định của titan làm giảm đáng kể nguy cơ ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn bằng cách ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua. Tuy nhiên, Ti làm tăng khả năng xuất hiện các tạp chất khó gia công và có thể cần lựa chọn vật liệu hàn phù hợp; kim loại hàn thường được sử dụng là 316L/316 để tránh làm cạn kiệt chất ổn định trong vùng hàn. Xử lý nhiệt trước/sau khi hàn thường không cần thiết, mặc dù việc kiểm soát nhiệt lượng đầu vào được sử dụng để tránh kết tủa quá mức các pha giàu titan. - 904L: Khả năng hàn tuyệt vời về độ dẻo và độ nóng chảy; hàm lượng carbon thấp giúp giảm nguy cơ kết tủa carbide. Hàm lượng niken và molypden cao đồng nghĩa với việc lựa chọn vật liệu hàn phải đáp ứng các yêu cầu về hóa học và cơ học (vật liệu hàn hợp kim cao phù hợp để duy trì khả năng chống ăn mòn); vật liệu hàn hợp kim cao đắt hơn. Nguy cơ nứt nóng thường không cao hơn các loại austenit khác, nhưng các thông số hàn phải tính đến xu hướng giãn nở và co ngót nhiệt cao hơn.

Ở cả hai cấp độ, vật liệu hàn, thiết kế mối nối và kiểm soát nhiệt đầu vào đều quan trọng để duy trì khả năng chống ăn mòn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ, hệ thống bảo vệ bao gồm mạ kẽm, sơn, lót epoxy hoặc bảo vệ catốt; các biện pháp như vậy không phải là cân nhắc chính đối với các loại thép không gỉ này.
• Đối với các loại thép không gỉ, khả năng chống rỗ thường được định lượng bằng Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN): $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Chỉ số này đưa ra dấu hiệu sơ bộ về khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ) trong môi trường có chứa clorua.

Hành vi ăn mòn: - 316Ti: Khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt, đặc trưng của dòng thép 316 nhờ hàm lượng crom và molypden giúp chống rỗ. Việc ổn định titan chủ yếu bảo vệ khả năng chống ăn mòn sau khi tiếp xúc với các chu trình nhiệt nhạy cảm hoặc hàn bằng cách ngăn ngừa sự kết tủa crom cacbua. - 904L: Được thiết kế để chống ăn mòn tổng thể và cục bộ vượt trội. Hàm lượng Ni và Mo cao hơn làm tăng PREN so với 316Ti, cải thiện khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua. Đồng cải thiện khả năng chống axit khử (ví dụ: axit sulfuric). 904L thường được lựa chọn ở những nơi có rỗ clorua hoặc môi trường axit mạnh và cần giảm thiểu bảo trì.

Lưu ý: PREN là một chỉ số—không phải là phương pháp thay thế cho thử nghiệm ăn mòn dành riêng cho ứng dụng—vì hiệu suất thực tế phụ thuộc vào cấu trúc vi mô, bề mặt hoàn thiện, nhiệt độ, điều kiện dòng chảy và môi trường hóa học.

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

• Khả năng gia công
• 316Ti: Làm cứng khi gia công; quá trình ổn định hóa titan có thể làm cho dụng cụ bị mài mòn nhiều hơn một chút so với 316L. Áp dụng các phương pháp gia công thép không gỉ austenit tiêu chuẩn (dao cụ sắc bén, thiết lập cứng, lưu lượng chất làm mát cao, tốc độ được kiểm soát).
• 904L: Nhìn chung khó gia công hơn hợp kim loại 316 do hàm lượng niken và độ dẻo dai cao hơn; tuổi thọ của dao cắt ngắn hơn và các thông số cắt phải thận trọng.
• Khả năng định hình
• Cả hai loại đều dễ dàng định hình trong điều kiện ủ. 316Ti vẫn giữ được khả năng định hình tương tự như các biến thể 316 khác; 904L có thể được định hình nguội nhưng cần tính đến khả năng đàn hồi và làm cứng khi gia công.
• Hoàn thiện bề mặt
• Cả hai đều có thể được đánh bóng, thụ động hóa và đánh bóng điện. 904L có thể khó đánh bóng điện đồng đều hơn do sự khác biệt về hợp kim.

8. Ứng dụng điển hình

316Ti — Ứng dụng điển hình	904L — Công dụng điển hình
Các thành phần nhiệt độ cao có nguy cơ nhạy cảm (ví dụ: thành phần lò, bộ trao đổi nhiệt, ống nồi hơi và ống quá nhiệt)	Thiết bị xử lý hóa chất trong môi trường có tính ăn mòn cao (ví dụ: sản xuất axit sunfuric, dây chuyền tẩy rửa)
Đường ống và bình chứa trong quy trình xử lý các chu trình nhiệt hoặc hàn khi cần ổn định	Xử lý nước biển và thiết bị ngoài khơi có nguy cơ rỗ và ăn mòn khe hở cao
Hệ thống xả, linh kiện tăng áp và đồ đạc lò sưởi	Hệ thống khử lưu huỳnh khí thải, xử lý axit và môi trường có axit khử do bổ sung Cu
Các thành phần chống ăn mòn mục đích chung trong đó các đặc tính của họ 316 là đủ nhưng cần có độ ổn định chống nhạy cảm	Các ứng dụng có tính toàn vẹn cao, trong đó tuổi thọ kéo dài trong môi trường hóa chất khắc nghiệt vượt quá chi phí vật liệu

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 316Ti khi chu kỳ nhiệt hoặc chế tạo có thể gây nhạy cảm và khả năng chống ăn mòn tiêu chuẩn của 316 là đủ. - Chọn 904L khi cần khả năng chống ăn mòn rỗ/kẽ hở cao hơn và khả năng chống axit cụ thể (đặc biệt là axit sunfuric) và khi chi phí vòng đời hợp lý hóa chi phí vật liệu cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 904L đắt hơn đáng kể so với 316Ti tính theo kg do hàm lượng niken và molypden cao hơn nhiều và việc bổ sung thêm đồng. Chi phí vật liệu có thể ảnh hưởng đáng kể đến ngân sách dự án cho các thiết bị lớn.
• Tính khả dụng: 316Ti được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, lá, ống và thanh từ nhiều nhà máy và nhà phân phối. 904L cũng có sẵn nhưng ít phổ biến hơn; thời gian giao hàng lâu hơn hoặc sản xuất theo đơn đặt hàng đặc biệt có thể được yêu cầu đối với các tiết diện lớn hoặc hình dạng tùy chỉnh. Kim loại hàn 904L cũng có giá cao hơn và có thể bị hạn chế ở một số khu vực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	316Ti	904L
Khả năng hàn	Rất tốt; Ti làm giảm nguy cơ nhạy cảm ở vùng HAZ	Rất tốt; C thấp có ích, nhưng lựa chọn chất độn quan trọng
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo và độ dai tốt; đặc tính austenit điển hình	Độ bền tương đương hoặc cao hơn một chút ở một số dạng; dai và dễ uốn
Hiệu suất ăn mòn	Khả năng chống ăn mòn tổng thể và cục bộ tốt; ổn định khi tiếp xúc với nhiệt	Khả năng chống ăn mòn cục bộ vượt trội (rỗ/kẽ hở) và khả năng chống axit khử
Chi phí tương đối	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận và hướng dẫn lựa chọn: - Chọn 316Ti nếu: - Mối quan tâm chính là ngăn ngừa tình trạng nhạy cảm sau khi hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ trung gian (ví dụ: các bộ phận chịu áp lực hàn, các thành phần chịu nhiệt). - Khả năng chống ăn mòn tiêu chuẩn 316 (có Mo để chống rỗ) phù hợp với môi trường sử dụng. - Bạn cần một giải pháp kinh tế hơn với tính khả dụng rộng rãi và khả năng chế tạo có thể dự đoán được.

• Chọn 904L nếu:
• Dịch vụ bao gồm môi trường clorua có tính ăn mòn cao, điều kiện khe hở hoặc dễ bị rỗ hoặc axit khử (ví dụ: axit sunfuric) và yêu cầu khả năng chống ăn mòn vượt trội.
• Tuổi thọ cao và giảm bảo trì trong môi trường hóa chất khắc nghiệt giúp tăng chi phí vật liệu và chế tạo.
• Việc mua sắm có thể đáp ứng được nhu cầu về vật tư tiêu hao hợp kim có giá thành cao hơn và thời gian giao hàng có thể kéo dài.

Luôn kiểm tra lựa chọn vật liệu dựa trên dữ liệu ăn mòn theo môi trường, yêu cầu cơ học, quy trình hàn và phân tích chi phí vòng đời. Đối với các hệ thống quan trọng, hãy tiến hành thử nghiệm ăn mòn theo ứng dụng cụ thể hoặc tham khảo ý kiến ​​chuyên gia luyện kim và chứng nhận nhà máy trước khi đưa ra thông số kỹ thuật cuối cùng.