317L so với 904L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

317L và 904L đều là thép không gỉ austenit được chỉ định rộng rãi cho các thiết bị chống ăn mòn, nhưng chúng chiếm những vị trí khác nhau trên phổ hiệu suất - chi phí. Các kỹ sư và nhóm mua sắm thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn (đặc biệt là với clorua và axit khử), khả năng hàn và tạo hình, các yêu cầu cơ học và chi phí vòng đời khi lựa chọn giữa chúng. Sự khác biệt chính về mặt luyện kim nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: 317L là thép austenit chứa molypden được thiết kế để cải thiện khả năng chống rỗ và khe hở so với các dòng thép 304/316, trong khi 904L là thép austenit hợp kim cao hơn, kết hợp niken, molypden và đồng cao cấp để mang lại khả năng chống chịu vượt trội trong môi trường khử và chứa clorua khắc nghiệt.

Vì cả hai đều được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng về ăn mòn, chúng thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu cho xử lý hóa chất, ngoài khơi và ứng dụng clorua cao. Phần còn lại của bài viết này so sánh các tiêu chuẩn, hóa học, cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt, hành vi cơ học, khả năng hàn, chỉ số ăn mòn, đặc tính chế tạo, không gian ứng dụng, chi phí và tính khả dụng, và kết luận bằng các khuyến nghị.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung bao gồm các cấp độ này:
• ASTM / ASME: các tiêu chuẩn sản phẩm tiêu biểu bao gồm ASTM A240 / ASME SA-240 cho tấm và lá, ASTM A276 cho thanh và hình dạng thép không gỉ, ASTM A312 cho ống.
• EN / ISO: được đề cập trong loạt tiêu chuẩn EN 10088 (thép không gỉ) và các tiêu chuẩn sản phẩm liên quan.
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) và GB (Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc) cung cấp các thông số kỹ thuật sản phẩm tương đương cho thép không gỉ austenit; tham khảo bảng chuyển đổi để biết thông số chính xác.
• Ký hiệu UNS: 317L thường được gọi là UNS S31703; 904L thường được gọi là UNS N08904.
• Phân loại:
• 317L: thép không gỉ (hợp kim austenit, biến thể "L" ít carbon để cải thiện khả năng hàn/chống ăn mòn giữa các hạt).
• 904L: thép không gỉ (biến thể austenit, hợp kim cao, hàm lượng carbon thấp được thiết kế để tăng khả năng chống ăn mòn trong môi trường khử và chứa clorua).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: thành phần hóa học điển hình (wt%) — phạm vi ủ tiêu biểu; Fe là cân bằng.

Yếu tố	317L (điển hình)	904L (điển hình)
C	≤ 0,03	≤ 0,02
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03–0,035	≤ 0,035
Cr	18,0–20,0	19,0–23,0
Ni	11,0–15,0	23,0–28,0
Mo	~3.0–4.0	~4.0–5.0
V	dấu vết	dấu vết
Lưu ý	dấu vết	dấu vết
Ti	dấu vết	dấu vết
B	dấu vết	dấu vết
N	theo dõi đến ≤ 0,11	theo dõi đến ≤ 0,10
Lưu ý: Các giá trị là phạm vi đại diện thường được trích dẫn cho vật liệu ủ, đạt tiêu chuẩn. Giới hạn thông số kỹ thuật thực tế phụ thuộc vào tiêu chuẩn sản phẩm và nhà cung cấp cụ thể.

Thảo luận về chiến lược hợp kim: - Crom mang lại khả năng thụ động chính và khả năng chống ăn mòn chung cho cả hai loại. Hàm lượng Cr cao hơn có xu hướng cải thiện khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn ở mức cơ bản. - Niken ổn định cấu trúc vi mô austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo dai, đồng thời tăng khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất clorua (SCC) khi có hàm lượng cao hơn; hàm lượng Ni cao của 904L làm tăng độ dẻo dai và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất clorua (SCC) trong nhiều môi trường. - Molypden là nguyên tố chính tạo nên khả năng chống rỗ và nứt trong môi trường chứa clorua; cả hai hợp kim đều chứa Mo, nhưng 904L thường chứa nhiều Mo hơn 317L và bổ sung thêm Ni cao hơn và đồng. - Đồng trong 904L tăng cường khả năng chống lại axit khử như axit sunfuric và hỗ trợ hiệu suất trong một số môi trường khử có chứa clorua. - Các biến thể carbon thấp (“L”) làm giảm nguy cơ tấn công giữa các hạt sau khi hàn và cho phép hàn rộng rãi mà không cần ổn định sau hàn trong nhiều tình huống sử dụng.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả 317L và 904L đều hoàn toàn là austenit ở trạng thái ủ (cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt). Không có sự chuyển đổi martensitic nào có thể tôi cứng bằng cách làm nguội; độ bền chủ yếu được kiểm soát bằng phương pháp gia cường dung dịch rắn và gia công nguội.
• Phản ứng với quá trình xử lý nhiệt:
• Ủ: Ủ hoàn toàn ở nhiệt độ thông thường (khoảng 1000–1150 °C đối với hợp kim thép không gỉ austenit) giúp khôi phục độ dẻo và hòa tan cacbua và kim loại liên kết trong dung dịch.
• Ổn định: Vì cả hai đều là loại có hàm lượng carbon thấp nên việc ổn định bằng Ti hoặc Nb thường không cần thiết để tránh gây nhạy cảm, mặc dù một số sản phẩm có thể bao gồm chất ổn định.
• Làm cứng khi gia công: Cả hai hợp kim đều được làm cứng khi gia công dưới dạng tạo hình nguội; hàm lượng Ni và hợp kim cao hơn của 904L có thể dẫn đến tính chất làm cứng khi gia công mạnh hơn so với 317L, ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và lực cần thiết.
• Xử lý nhiệt nhằm mục đích làm cứng kết tủa không áp dụng được; tiếp xúc kéo dài trong khoảng 400–900 °C có thể thúc đẩy kết tủa cacbua hoặc liên kim loại (có thể ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn). Các quy trình ram thường hóa/làm nguội được sử dụng cho thép ferit/hợp kim thấp không phù hợp với các mác thép hoàn toàn austenit.

4. Tính chất cơ học

Bảng: tính chất cơ học điển hình (điều kiện ủ, phạm vi chỉ định)

Tài sản	317L (ủ điển hình)	904L (ủ điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~500–700 MPa	~520–700 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~170–300 MPa	~210–350 MPa
Độ giãn dài (A, % trong 50 mm)	40–60%	30–50%
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	Cao, chắc chắn, không chuyển tiếp	Cao, chắc chắn, không chuyển tiếp
Độ cứng (HB hoặc HRB, ủ)	Thông thường ở mức thấp-trung bình (mềm)	Thông thường ở mức thấp-trung bình (mềm)

Giải thích: - Cả hai hợp kim đều có độ dẻo và độ dai tốt trong điều kiện ủ. 904L thường có giới hạn chảy cao hơn một chút do dung dịch được gia cường nhiều hơn từ Ni và Mo; tuy nhiên, sự khác biệt về UTS thường nhỏ ở trạng thái ủ. - 317L có thể giãn dài hơn một chút trong một số điều kiện của nhà cung cấp, điều này có thể hỗ trợ cho hoạt động tạo hình. - Độ bền va đập của cả hai loại thép này thường rất tốt ở nhiệt độ môi trường; không loại nào có sự chuyển đổi từ dẻo sang giòn đặc trưng của thép ferritic.

5. Khả năng hàn

• Tổng quan: Cả thép không gỉ 317L và 904L đều được coi là thép không gỉ austenit có thể hàn được. Hàm lượng carbon thấp của chúng làm giảm khả năng kết tủa cacbua giữa các hạt trong quá trình hàn và giảm nhu cầu xử lý nhiệt sau hàn.
• Các yếu tố cần cân nhắc:
• Thép không gỉ austenit dễ bị nứt nóng (nứt đông đặc) ở mối hàn; việc lựa chọn vật liệu độn và thông số hàn phù hợp là rất quan trọng.
• Hàm lượng hợp kim cao (Ni, Mo, Cu) ảnh hưởng đến quá trình đông đặc và có thể yêu cầu kim loại độn phù hợp hoặc vượt trội.
• Chỉ số khả năng hàn hữu ích (không cần tính toán số ở đây):
• Có thể sử dụng định tính Carbon tương đương cho austenit (dạng IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy khả năng hàn dễ hơn trong một số trường hợp.
• Chỉ số rỗ/kẽ hở/bảo thủ hơn đối với khả năng hàn liên quan đến cacbon-mangan và các nguyên tố gia cường khác: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ đôi khi được sử dụng như một công cụ dự đoán định tính về nguy cơ nứt mối hàn.
• Giải thích thực tế:
• 317L: nhìn chung dễ hàn với vật liệu hàn thép không gỉ austenit thông thường (ví dụ: vật tư tiêu hao loại 316L). Thường không cần gia nhiệt trước. Ít khi cần ủ sau khi hàn.
• 904L: có thể hàn được nhưng cần lưu ý lựa chọn vật liệu hàn (thường là dây hàn tương thích với 904L hoặc vật liệu hàn gốc niken được lựa chọn đặc biệt) để tránh sự khác biệt về hiệu suất mạ điện hoặc ăn mòn. Hàm lượng hợp kim cao hơn có thể làm tăng nguy cơ nứt nóng nếu quy trình hàn không được tối ưu hóa. Nhà chế tạo nên tham khảo hướng dẫn hàn của nhà cung cấp.
• Đối với cả hai loại, việc kiểm soát lượng nhiệt đầu vào, nhiệt độ giữa các đường hàn và vệ sinh sau khi hàn đầy đủ đều quan trọng để duy trì hiệu suất chống ăn mòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thép không gỉ: không áp dụng ở đây; cả hai hợp kim đều không gỉ.
• Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) là cách phổ biến để chỉ ra khả năng chống lại sự tấn công cục bộ trong môi trường có chứa clorua: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng công thức này về mặt định tính, hợp kim có nhiều Mo và N hơn sẽ có PREN cao hơn và do đó cải thiện khả năng chống rỗ.
• So sánh định tính:
• 317L: Hàm lượng Mo cải thiện đáng kể khả năng chống rỗ so với các họ 304/316; được sử dụng rộng rãi khi cần tăng cường khả năng chống clorua và ăn mòn cục bộ.
• 904L: thường đạt khả năng chống ăn mòn cục bộ tổng thể cao hơn 317L vì nó kết hợp Mo cao hơn với Ni cao hơn đáng kể và Cu được thêm vào; hiệu ứng ròng làm tăng PREN và cải thiện khả năng chống lại cả môi trường chứa clorua oxy hóa và khử cũng như một số nồng độ axit sunfuric.
• Khi các chỉ số không đủ: điều kiện dịch vụ thực tế (nhiệt độ, nồng độ clorua, lưu lượng, khe hở, phản ứng oxy hóa hoặc khử) phải được đánh giá bằng thực nghiệm hoặc thông qua cơ sở dữ liệu ăn mòn và thử nghiệm; PREN chỉ là một chỉ báo và không đảm bảo hiệu suất trong mọi môi trường.

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

• Hình thành:
• 317L: khả năng tạo hình tốt trong điều kiện ủ; độ dẻo austenit điển hình cho phép thực hiện các quá trình tạo hình từ trung bình đến nghiêm ngặt.
• 904L: cũng có thể tạo hình, nhưng hàm lượng hợp kim cao hơn và khả năng làm cứng mạnh hơn khiến việc tạo hình sâu hoặc bán kính hẹp trở nên khó khăn hơn; có thể cần tốc độ tạo hình chậm hơn hoặc ủ trung gian.
• Khả năng gia công:
• Cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép ferritic hoặc thép hợp kim thấp do độ dẻo dai và khả năng làm cứng. Thép 904L thường khó gia công hơn thép 317L do hàm lượng Ni và Mo cao hơn và độ dẻo dai cao hơn; tuổi thọ dụng cụ thấp hơn và cần có dụng cụ chắc chắn, công suất cao hơn và thông số cắt được kiểm soát.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả đánh bóng và hoàn thiện điện hóa đều đơn giản, nhưng 904L có thể yêu cầu quy trình đánh bóng được điều chỉnh để loại bỏ các lớp cứng do gia công và đạt được bề mặt kim loại mong muốn.
• Khuyến nghị:
• Sử dụng các dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng cáp, dụng cụ chịu lực nặng và tốc độ cắt thấp hơn cho thép 904L. Đối với thép 317L, quy trình gia công thép không gỉ austenit tiêu chuẩn thường là đủ.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình theo từng loại

317L – Ứng dụng điển hình	904L – Ứng dụng điển hình
Đường ống và bình chứa hóa chất và hóa dầu cho môi trường clorua có tính ăn mòn vừa phải	Bộ trao đổi nhiệt, đường ống và bình chứa trong môi trường clorua mạnh và axit khử
Thiết bị chế biến thực phẩm và dược phẩm (nơi Mo cải thiện khả năng chống ăn mòn)	Thiết bị xử lý axit sunfuric, bể ngâm và dịch vụ khử axit
Hệ thống nước biển yêu cầu khả năng chống rỗ nhưng không có môi trường khắc nghiệt	Van, phụ kiện và linh kiện ngoài khơi tiếp xúc với chế độ dòng chảy nước biển có tính ăn mòn cao
Bộ trao đổi nhiệt, tụ điện và bay hơi trong các nhà máy hóa chất	Dịch vụ tẩy trắng và ngâm chua cao cấp, cùng các ứng dụng chuyên biệt cho ngành hàng hải
Cơ sở lựa chọn:
- Chọn 317L khi bạn cần khả năng chống rỗ tốt hơn 304/316 với mức giá vừa phải, nhìn chung có khả năng hàn và tạo hình tốt.
- Chọn 904L khi dịch vụ bao gồm axit khử mạnh, hàm lượng clorua cao với nhiệt độ cao hoặc khi tuổi thọ cao hơn và ít bảo trì hơn khiến chi phí vật liệu cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 904L đắt hơn đáng kể so với 317L do hàm lượng niken, molypden và đồng cao hơn. Dự kiến ​​chi phí nguyên liệu thô sẽ cao hơn đáng kể, cùng với chi phí gia công và chế tạo cũng cao hơn.
• Tính khả dụng: 317L được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng tấm, lá, thanh, ống và rèn. 904L có sẵn ở nhiều dạng sản phẩm nhưng ít được lưu kho hơn và thường yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn hoặc sản xuất theo đơn đặt hàng đặc biệt; tính khả dụng ở dạng đường kính lớn hoặc hình dạng tùy chỉnh có thể hạn chế hơn so với 317L.
• Ý nghĩa đối với việc mua sắm: việc chỉ định 904L cần xem xét đến lợi ích về chi phí vòng đời so với chi phí vật liệu ban đầu và chi phí xử lý; các chiến lược mua theo kế hoạch và trình độ của nhà cung cấp là rất quan trọng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh tóm tắt nhanh (định tính)

Thuộc tính	317L	904L
Khả năng hàn	Rất tốt; thực hành austenit tiêu chuẩn	Tốt với các biện pháp kiểm soát; yêu cầu chất độn phù hợp và quy trình được tối ưu hóa
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo và độ dai tốt; năng suất thấp hơn một chút	Độ bền và độ dẻo dai cao hơn một chút; khả năng làm cứng cao hơn
Khả năng chống ăn mòn (rỗ/rãnh/axit khử)	Cao (cải thiện so với 304/316)	Cao hơn — vượt trội trong môi trường clorua và axit khử
Chi phí chế tạo	Vừa phải	Cao
Khả dụng	Có sẵn rộng rãi	Ít phổ biến hơn; thời gian giao hàng lâu hơn

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 317L nếu bạn cần loại thép không gỉ austenit có giá thành phải chăng, phổ biến rộng rãi với khả năng chống rỗ tốt hơn so với các loại thép thông thường thuộc dòng 300, hàn và tạo hình đơn giản, và hoạt động trong môi trường clorua có tính ăn mòn trung bình. - Chọn 904L nếu ứng dụng phải tiếp xúc với clorua mạnh, axit khử (ví dụ: nồng độ axit sunfuric nhất định) hoặc điều kiện sử dụng mà khả năng chống ăn mòn thực tế cao nhất (và độ tin cậy lâu dài liên quan) biện minh cho chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn. 904L là lựa chọn ưu tiên khi việc tiếp cận bảo trì khó khăn và tuổi thọ kéo dài trong các hóa chất mạnh là rất quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: PREN và chỉ số hợp kim là những công cụ sàng lọc hữu ích, nhưng lựa chọn vật liệu cuối cùng phải dựa trên thử nghiệm ăn mòn cụ thể cho từng dịch vụ, phân tích chi phí vòng đời, thẩm định quy trình hàn và tham khảo ý kiến ​​của các nhà cung cấp vật liệu và chuyên gia về chống ăn mòn.