904L so với 254SMO – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

904L và 254SMO là hai loại thép không gỉ austenit hiệu suất cao thường được cân nhắc sử dụng trong môi trường hóa chất và hàng hải khắc nghiệt. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, chi phí, khả năng hàn và hiệu suất cơ học khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết bị xử lý hóa chất, bộ trao đổi nhiệt, đường ống trong môi trường chứa clorua và các kết cấu hàn có độ toàn vẹn cao, trong đó khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở lâu dài là rất quan trọng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là 904L là loại thép austenit hợp kim cao, chứa đồng, hàm lượng carbon thấp, được thiết kế để chống axit khử và ăn mòn nói chung, trong khi 254SMO là loại thép siêu austenit với hàm lượng molypden và nitơ rất cao, được thiết kế chủ yếu để chống rỗ và ăn mòn khe hở vượt trội trong môi trường chứa clorua. Sự khác biệt này quyết định đến các quyết định về thiết kế và chi phí, đặc biệt là khi ăn mòn cục bộ do clorua gây ra là yếu tố hạn chế.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 904L
• UNS: N08904
• Tiêu chuẩn chung: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm/lá), ASTM A276 (thanh), EN (đôi khi được tham chiếu đến các tiêu chuẩn tương đương EN)

• Phân loại: Thép không gỉ Austenitic (không gỉ)

• 254SMO

• UNS: S31254
• EN: 1.4547 (thường được gọi là 254 SMO)
• Tiêu chuẩn chung: ASTM A240 / ASME SA-240, ASTM A276 (thanh)
• Phân loại: Thép không gỉ Superaustenitic (không gỉ)

Cả hai đều là thép không gỉ austenit (không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc thép HSLA) và được chỉ định trong các tiêu chuẩn sản phẩm thép không gỉ dành cho tấm, đĩa, ống và thanh.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình có trong bảng dữ liệu và tiêu chuẩn của nhà sản xuất cho từng loại. Các giá trị được tính theo phần trăm trọng lượng; thành phần chính xác cần được kiểm tra dựa trên chứng chỉ của nhà máy cho mỗi mẻ nấu.

Yếu tố	904L (phạm vi điển hình, wt%)	254SMO (phạm vi điển hình, wt%)
C	≤ 0,02	≤ 0,02
Mn	≤ 2.0	≤ 0,5–1,0
Si	≤ 1,0	≤ 0,8
P	≤ 0,035	≤ 0,03–0,035
S	≤ 0,01	≤ 0,01
Cr	19,0–23,0	20,0–22,0
Ni	23,0–28,0	17,0–19,0
Mo	4.0–5.0	6,0–6,5
V	—	—
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,1 (thường thấp)	0,18–0,24 (cao)

Ghi chú: - 904L chứa một lượng đáng kể niken và đồng (Cu thường chiếm ~1,5–2,5 wt%, không được hiển thị trong bảng đơn giản hóa ở trên) để tăng khả năng chống lại axit khử (ví dụ: axit sunfuric) và để duy trì độ dẻo và khả năng hàn. - 254SMO đạt được khả năng chống ăn mòn cục bộ cao thông qua hàm lượng molypden cao hơn và hàm lượng nitơ được tăng lên có chủ đích; đồng ở mức tối thiểu hoặc không có. - Cả hai loại đều có hàm lượng cacbon thấp để giảm thiểu hiện tượng nhạy cảm và kết tủa liên kim loại trong quá trình hàn và bảo dưỡng.

Ý nghĩa của chiến lược hợp kim: - Crom tạo thành lớp màng oxit thụ động có khả năng chống ăn mòn nói chung. - Molypden cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở; hàm lượng Mo cao hơn trong 254SMO giúp tăng đáng kể hiệu suất vượt trội của nó trong môi trường clorua. - Nitơ ổn định austenit, tăng độ bền và tăng khả năng chống rỗ (nhân lên trong PREN). - Niken ổn định austenit và cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình. - Đồng trong 904L đặc biệt giúp chống lại các loại axit khử như axit sunfuric.

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

Cả 904L và 254SMO đều là austenit hoàn toàn trong điều kiện ủ dung dịch. Đặc điểm vi cấu trúc điển hình và phản ứng xử lý nhiệt:

• 904L
• Cấu trúc vi mô: Hoàn toàn là austenit với lượng cacbua kết tủa thấp nếu ủ dung dịch đúng cách.
• Xử lý nhiệt: Không làm cứng bằng xử lý nhiệt; khuyến nghị ủ dung dịch (ví dụ: 1010–1120 °C / 1850–2050 °F) sau đó làm nguội nhanh để hòa tan các kim loại liên kết và phục hồi khả năng chống ăn mòn. Nguy cơ nhạy cảm thấp khi hàm lượng carbon được kiểm soát.

• Làm nguội giúp tăng cường độ thông qua quá trình làm cứng; cần ủ để phục hồi khả năng chống ăn mòn nếu hình thành kết tủa giữa các hạt.

• 254SMO

• Cấu trúc vi mô: Hoàn toàn là austenit với độ ổn định austenit cao hơn do Mo và N.
• Xử lý nhiệt: Cũng ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ ~1100–1150 °C / 2010–2100 °F) và làm nguội nhanh. Do hàm lượng Mo và Cr cao, chu trình nhiệt không phù hợp có thể thúc đẩy pha sigma hoặc các kim loại liên kết khác; việc kiểm soát chặt chẽ quá trình ủ dung dịch và làm nguội là rất quan trọng, đặc biệt là sau khi hàn.
• Xử lý nhiệt cơ học và gia công nguội giúp tăng cường độ; hàm lượng nitơ giúp duy trì độ ổn định của austenit và cấu trúc vi mô chính.

Cả hai loại đều không thể làm cứng bằng phương pháp tôi và ram thông thường—tính chất của chúng chủ yếu được thiết lập thông qua thành phần và quá trình làm nguội hoặc quá trình làm cứng.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc vào quy trình và hình dạng sản phẩm (gia công nguội so với ủ). Phạm vi điển hình cho hình dạng sản phẩm ủ dung dịch:

Tài sản	904L (ủ dung dịch, điển hình)	254SMO (ủ dung dịch, điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~500–700	~500–700
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~200–300	~250–350
Độ giãn dài (A%, tính bằng 50 mm)	~40–60%	~30–50%
Độ bền va đập (Charpy, nhiệt độ phòng)	Tốt, gãy dẻo	Tốt, sức mạnh cao hơn một chút có thể làm giảm độ giãn dài
Độ cứng (HB hoặc HRC)	Thông thường thấp (mềm khi ủ)	Thông thường thấp nhưng cao hơn một chút so với 904L khi hợp kim với N/Mo

Giải thích: - Cả hai loại đều dẻo và dai khi ủ; 254SMO có thể có năng suất cao hơn một chút do được tăng cường nitơ. - Làm việc nguội làm tăng độ bền kéo và độ bền chảy nhưng lại làm giảm độ giãn dài. - Đối với nhu cầu kết cấu chịu tải hoặc cường độ cao, không loại nào có thể cạnh tranh với thép tôi kết tủa; lựa chọn tập trung vào hiệu suất chống ăn mòn cân bằng với các yêu cầu về cơ học.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là thông số lựa chọn quan trọng.

Các yếu tố chính: - Hàm lượng cacbon thấp và cấu trúc austenit mang lại cho cả hai loại thép này khả năng hàn tổng thể tuyệt vời so với thép martensitic hoặc thép ferritic. - Nitơ trong 254SMO làm tăng độ bền và cải thiện khả năng chống rỗ nhưng đòi hỏi quy trình hàn kiểm soát thất thoát nitơ và tránh hiện tượng xốp. - Đồng trong 904L có thể thay đổi hành vi đông đặc nhưng nhìn chung tương thích với các kim loại hàn austenit tiêu chuẩn; 904L thường được coi là dễ hàn hơn trong điều kiện xưởng hoặc ngoài hiện trường.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (chỉ sử dụng cho mục đích định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số ăn mòn rỗ (Pcm) cũng cho biết khả năng hàn/khả năng dễ nứt: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại thép này thường có giá trị $CE_{IIW}$ thấp so với thép có thể làm cứng, cho thấy nguy cơ bị làm cứng martensitic và nứt nguội do hydro thấp. - Mo và N cao của 254SMO làm tăng các thông số liên quan đến $P_{cm}$ về khả năng chống ăn mòn nhưng có thể làm phức tạp việc lựa chọn kim loại phụ và làm mát mối hàn để tránh pha sigma liên kim loại. - Thông thường không cần gia nhiệt trước nhưng có thể khuyến nghị kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và ủ dung dịch sau hàn (hoặc tẩy gỉ và thụ động hóa) cho các ứng dụng quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Các loại thép không gỉ có đặc điểm cơ bản khác với thép cacbon về khả năng chống ăn mòn.

• Thép cacbon/hợp kim: bảo vệ thường đòi hỏi lớp phủ (mạ kẽm nhúng nóng, sơn, lót) để ngăn ngừa ăn mòn đồng đều; hiệu suất chống ăn mòn phụ thuộc vào tính toàn vẹn của lớp phủ.

• Thép không gỉ (904L và 254SMO): khả năng chống ăn mòn là đặc tính vốn có của lớp Cr-oxide thụ động; so sánh sử dụng chỉ số rỗ.

Số tương đương của khả năng chống rỗ: - Chỉ số chung là PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Diễn giải của PREN đại diện: - 904L (thành phần đại diện) tạo ra PREN ở mức giữa 30, có khả năng chống ăn mòn tổng thể tuyệt vời và khả năng chống rỗ hợp lý, cùng hiệu suất đặc biệt trong việc khử axit do Cu. - 254SMO (thành phần đại diện) tạo ra PREN thường ở mức thấp đến trung bình 40, phản ánh khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở vượt trội trong môi trường chứa clorua và phù hợp cho các dịch vụ xử lý hóa chất và hàng hải khắc nghiệt.

Làm rõ: - PREN là chỉ số so sánh; hiệu suất thực tế tại hiện trường cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ clorua, lưu lượng và hình dạng khe nứt. Đối với môi trường clorua có tính ăn mòn cao (ví dụ: nước biển ấm, khe nứt có diện tích bề mặt lớn), PREN cao hơn của 254SMO thường mang tính quyết định.

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

• Cắt và gia công:
• 904L gia công khá tốt đối với thép không gỉ austenit, nhưng hàm lượng niken cao và xu hướng làm cứng đòi hỏi phải có thiết lập cứng và dụng cụ cacbua phù hợp.
• 254SMO khó gia công hơn do hàm lượng Mo và N cao làm tăng độ cứng và độ mài mòn của dụng cụ; khuyến nghị nên sử dụng tốc độ cắt chậm hơn và dụng cụ chắc chắn.
• Tạo hình và uốn cong:
• Thép 904L có khả năng tạo hình tuyệt vời và khả năng kéo sâu.
• 254SMO có thể định hình được nhưng cần bán kính uốn lớn hơn và có thể cần ủ sau khi tạo hình nguội nhiều để phục hồi độ dẻo.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều có thể được đánh bóng để đạt độ hoàn thiện cao; hàm lượng Mo cao của 254SMO có thể khiến việc đánh bóng điện hóa trở nên khó khăn hơn nhưng lại tạo ra bề mặt có tính thụ động cao.
• Ghi chú chế tạo:
• Sử dụng kim loại hàn phù hợp (ví dụ, kim loại hàn siêu austenit phù hợp cho 254SMO trong các ứng dụng quan trọng) để duy trì hiệu suất chống ăn mòn ở các mối hàn.
• Tẩy gỉ/thụ động hóa sau hàn thường được sử dụng để phục hồi lớp màng thụ động.

8. Ứng dụng điển hình

904L — Công dụng điển hình	254SMO — Công dụng điển hình
Thiết bị xử lý hóa chất tiếp xúc với axit khử (dịch vụ axit sunfuric), bộ trao đổi nhiệt, thiết bị bay hơi	Các thành phần nước biển, khử muối, máy lọc, đường ống xử lý chứa clorua, các thành phần khử lưu huỳnh khí thải
Ống và phụ kiện trong các nhà máy hóa dầu nơi cần khả năng chống axit sunfuric, axit photphoric và ăn mòn nói chung	Bình chịu áp suất và đường ống trong môi trường clorua xâm thực, hệ thống nước biển ngoài khơi, phụ kiện dưới biển
Bồn chứa và lưu trữ cho chất ăn mòn, chất khử	Các thành phần có nguy cơ bị rỗ/rãnh nghiêm trọng và nhiệt độ cao trong dung dịch clorua
Các ứng dụng kiến ​​trúc đòi hỏi tính thẩm mỹ cao dựa trên niken và hiệu suất chống ăn mòn	Các công trình lắp đặt có độ tin cậy cao, ít bảo trì, trong đó tuổi thọ dài hợp lý với chi phí vật liệu cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 904L khi khả năng chống axit khử và khả năng tạo hình/hàn tuyệt vời là ưu tiên hàng đầu và khi chi phí phải ở mức vừa phải so với hợp kim siêu austenit. - Chọn 254SMO khi ăn mòn cục bộ do clorua (rỗ/kẽ hở) là rủi ro chính và cần bảo trì lâu dài ở mức thấp nhất ngay cả khi chi phí vật liệu ban đầu cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 254SMO thường đắt hơn đáng kể tính theo kilôgam/mét so với 904L do hàm lượng hợp kim Mo và N cao hơn và sản lượng sản xuất hạn chế hơn. 904L đắt hơn so với thép austenit tiêu chuẩn (304/316) do hàm lượng niken và đồng cao, nhưng nhìn chung lại rẻ hơn so với thép siêu austenit.
• Tính khả dụng: 904L có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng tấm, lá, ống, phụ kiện và thanh từ nhiều nhà máy. 254SMO cũng có sẵn nhưng thường chỉ có số lượng hạn chế và có thể yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn hoặc mua sắm đặc biệt tùy thuộc vào khu vực và dạng sản phẩm yêu cầu (ví dụ: ống liền mạch, tấm đường kính lớn).
• Mẹo mua sắm: Đối với các dự án lớn trong môi trường clorua mạnh, hãy tính đến thời gian hoàn thành và lãng phí khi so sánh chi phí; khoản tiết kiệm bảo trì trọn đời của 254SMO có thể bù đắp cho chi phí mua ban đầu cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	904L	254SMO
Khả năng hàn	Tuyệt vời (thực hành hàn austenit tiêu chuẩn)	Tốt đến trung bình (yêu cầu kiểm soát và chất độn phù hợp cho dịch vụ quan trọng)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo tốt; năng suất vừa phải	Năng suất cao hơn một chút (tăng cường N); độ dẻo dai tốt
Ăn mòn (chung)	Tuyệt vời (giảm axit, ăn mòn nói chung)	Tuyệt vời (khả năng chống rỗ/rãnh vượt trội trong clorua)
Trị giá	Cao (nhưng thấp hơn siêu austenitic)	Rất cao
Khả dụng	Rộng	Hạn chế hơn

Sự giới thiệu: - Chọn 904L nếu: - Môi trường làm việc bao gồm môi trường axit khử (ví dụ: axit sunfuric) hoặc axit hỗn hợp, trong đó cần có đồng và khả năng chống ăn mòn tốt. - Khả năng hàn và tạo hình tốt là ưu tiên hàng đầu nhưng vẫn tồn tại hạn chế về ngân sách/thời gian thực hiện. - Mức độ tiếp xúc với clorua ở mức trung bình và nguy cơ ăn mòn cục bộ có thể kiểm soát được bằng các biện pháp kiểm soát thiết kế.

• Chọn 254SMO nếu:
• Chế độ hỏng hóc chính cần ngăn ngừa là hiện tượng rỗ do clorua và ăn mòn khe hở (nước biển ấm, dòng quy trình clorua đậm đặc, tiếp xúc tĩnh điện lâu dài trong khe hở).
• Tuổi thọ cao với mức bảo trì tối thiểu và khả năng chống chịu tấn công cục bộ tối đa là lý do giải thích cho chi phí vật liệu cao hơn.
• Ứng dụng này chấp nhận các quy trình kiểm soát hàn và chế tạo nghiêm ngặt hơn và thời gian mua sắm có thể dài hơn.

Lưu ý kết luận: Việc lựa chọn vật liệu cuối cùng nên kết hợp đánh giá rủi ro ăn mòn (nồng độ clorua trong môi trường, nhiệt độ, hình dạng khe hở), các yêu cầu về cơ khí và chế tạo, và phân tích chi phí vòng đời. Đối với các hệ thống tiếp xúc với clorua quan trọng, nên tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (thử nghiệm tiếp xúc, thử nghiệm phiếu hoặc thử nghiệm điện hóa) và tham khảo ý kiến ​​của các nhà cung cấp vật liệu và kỹ sư chống ăn mòn để xác nhận lựa chọn giữa 904L và 254SMO cho điều kiện vận hành cụ thể.