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

Giới thiệu

904L và 316L là hai loại thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi, thường xuyên cạnh tranh trong việc lựa chọn vật liệu cho thiết bị quy trình hóa chất, hàng hải và dược phẩm. Các kỹ sư và quản lý mua sắm thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí vòng đời khi lựa chọn giữa chúng—cân bằng giữa nhu cầu về hiệu suất vượt trội trong môi trường khắc nghiệt với ngân sách và hạn chế về nguồn cung. Nhìn chung, 904L là loại thép không gỉ austenit hợp kim cao, chống ăn mòn, được thiết kế cho các ứng dụng chứa clorua và axit khắc nghiệt, trong khi 316L là loại thép không gỉ austenit cacbon thấp “thợ chính” được sử dụng rộng rãi, mang lại khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt, khả năng định hình và tính kinh tế cao. Những khác biệt này giải thích tại sao chúng thường được so sánh trong các quyết định thiết kế và sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và tên gọi chung cho từng cấp độ:

• 316L
• ASTM/ASME: UNS S31603, ASTM A240 (tấm/lá), ASTM A276 (thanh), ASTM A479 (rèn/ống), v.v.
• EN: 1.4404 (thường được gọi là X2CrNiMo17‑12‑2)
• JIS: SUS316L
• GB: 0Cr17Ni12Mo2 (tên gọi gần đúng của Trung Quốc)

• Phân loại: Thép không gỉ Austenit

• 904L

• ASTM/ASME: UNS N08904
• EN: 1.4539 (đôi khi được tham chiếu)
• JIS: Không thường được sử dụng làm cấp độ cụ thể của JIS; thường được chỉ định bởi UNS
• GB: Các họ tương đương có sẵn theo các tên gọi khác nhau
• Phân loại: Thép không gỉ siêu austenit (austenit hợp kim cao)

Cả hai đều là thép không gỉ (austenit); không loại nào được coi là thép cacbon, thép công cụ hoặc thép HSLA theo nghĩa truyền thống.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình (wt%) cho các loại thép 316L và 904L thương mại thông dụng. Các giá trị này là các phạm vi đại diện được sử dụng trong thông số kỹ thuật của ngành; lựa chọn cuối cùng nên tham khảo tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy.

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
V	–	dấu vết/≤ đặc tả
Lưu ý	–	dấu vết/≤ đặc tả
Ti	–	dấu vết/≤ đặc tả
Cu	dấu vết – 0,75	1.0 – 2.0
B	–	dấu vết
N	≤ 0,10 (thường rất thấp)	≤ 0,10 (thường rất thấp)
Fe	THĂNG BẰNG	THĂNG BẰNG

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Crom cung cấp khả năng chống ăn mòn nói chung và độ ổn định của màng oxit (Cr cao hơn làm tăng khả năng chống rỗ cơ bản). - Niken ổn định pha austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo, đồng thời tăng khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua trong nhiều trường hợp. - Molypden làm tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường clorua. - Đồng trong 904L cải thiện khả năng chống lại axit khử (ví dụ, axit sunfuric) và tăng cường độ ổn định trong một số môi trường ăn mòn. - Hàm lượng carbon thấp (ký hiệu “L”) làm giảm độ nhạy cảm trong quá trình hàn và hạn chế ăn mòn giữa các hạt.

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

Cả 316L và 904L về cơ bản đều là austenit hoàn toàn (hình lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Các đặc điểm chính về cấu trúc vi mô và xử lý nhiệt:

• Cấu trúc vi mô điển hình
• 316L: Austenit ổn định, có thể có ferit delta trong mối hàn hoặc vùng gia công nguội nếu không được kiểm soát đúng cách. Kích thước hạt và sự hình thành song tinh xảy ra tùy thuộc vào lịch sử nhiệt cơ học.

• 904L: Cũng hoàn toàn là austenit nhưng có hàm lượng Ni và Mo/Cu cao hơn giúp ổn định austenit và giảm xu hướng hình thành ferit hoặc martensite. 904L có khả năng chống kết tủa cacbua (nhạy cảm) mạnh mẽ.

• Xử lý nhiệt và chế biến

• Cả hai loại thép này đều không được tôi cứng bằng các phương pháp tôi và ram thông thường. Ủ (xử lý dung dịch) là quy trình tiêu chuẩn để khôi phục độ dẻo và khả năng chống ăn mòn: thường ủ dung dịch ở nhiệt độ khoảng 1.040–1.120 °C, sau đó làm nguội nhanh (tôi nước) để giữ lại cấu trúc austenit và hòa tan các cacbua.
• Gia công cơ nhiệt (gia công nguội) làm tăng độ bền bằng cách tôi biến dạng. Cả hai loại thép này đều không thể được gia cường đáng kể bằng phương pháp xử lý nhiệt thông thường; việc gia cường được thực hiện bằng cách tôi luyện hoặc tạo hình nguội, sau đó có thể được ổn định hóa (ví dụ, đối với thép 316Ti).
• Tiếp xúc kéo dài trong phạm vi nhiệt độ 450–870 °C có thể thúc đẩy quá trình kết tủa pha sigma hoặc crom cacbua trong hợp kim austenit cao; hàm lượng Ni và Cu cao trong 904L làm giảm nhưng không loại bỏ được rủi ro ở mức độ tiếp xúc dịch vụ khắc nghiệt.

4. Tính chất cơ học

Các đặc tính cơ học điển hình trong điều kiện ủ phụ thuộc vào dạng sản phẩm (tấm, tấm, thanh) và tiêu chuẩn cụ thể. Bảng này cung cấp các giá trị ủ tiêu biểu thường được sử dụng để so sánh thiết kế; tham khảo chứng chỉ vật liệu để biết dữ liệu dự án.

Tính chất (ủ)	316L (đại diện)	904L (đại diện)
Độ bền kéo (UTS)	~480–620 MPa	~500–650 MPa
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	~170–310 MPa	~200–350 MPa
Độ giãn dài (A%)	≥ 35–50%	≥ 30–50%
Độ bền va đập (nhiệt độ phòng, điển hình)	Cao (độ bền khía tốt)	Cao (độ bền khía tuyệt vời)
Độ cứng (HB/HRB ủ điển hình)	~90 HRB (hoặc ≤ 200 HB)	tương tự hoặc cao hơn một chút tùy thuộc vào hợp kim

Diễn giải - Độ bền: Cả hai loại đều có đặc tính chịu kéo tương tự nhau ở trạng thái ủ; gia công nguội sẽ làm tăng độ bền cho cả hai loại. 904L có thể có độ bền cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm do hợp kim, nhưng sự khác biệt thường nhỏ so với biên độ thiết kế. - Độ dẻo dai và độ dai: Cả hai đều có độ dẻo dai và dai cao ở nhiệt độ môi trường do có cấu trúc hoàn toàn là austenit. Hàm lượng niken cao của 904L thường cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp và giảm khả năng giòn. - Tính chất cơ học chủ yếu được kiểm soát bằng phương pháp làm cứng và tạo hình nguội thay vì xử lý nhiệt; thiết kế phải tham khảo chứng chỉ vật liệu cụ thể.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn bao gồm hàm lượng carbon, hợp kim và chỉ số độ cứng.

• Cả 316L và 904L đều có hàm lượng carbon thấp (cấp “L”), giúp giảm nguy cơ nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn và cải thiện khả năng hàn.
• Việc sử dụng kim loại hàn austenit tiêu chuẩn (ví dụ: niken hoặc niken cao hơn, gốc Ni nếu cần) và quy trình hàn phù hợp là thông lệ. Ủ dung dịch sau hàn hiếm khi được yêu cầu cho các ứng dụng tiêu chuẩn nhưng có thể được sử dụng để đạt khả năng chống ăn mòn quan trọng.
• Chỉ số khả năng hàn (để hướng dẫn so sánh định tính):
• Đương lượng cacbon (dạng IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
• Độ chống ăn mòn rỗ tương đương với độ nhạy hàn: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Giải thích định tính
• 316L: Khả năng hàn tốt, được sử dụng rộng rãi và được hiểu rõ. Hàm lượng carbon thấp giúp giảm thiểu nhạy cảm; lựa chọn kim loại hàn dễ dàng.
• 904L: Cũng hàn được nhưng cần chú ý. Mo và Cr cao hơn làm tăng các thông số CE và Pcm so với 316L; Ni cao hơn làm giảm khả năng tôi cứng nhưng có thể ảnh hưởng đến khả năng nứt nóng nếu sử dụng chất độn hoặc thông số không phù hợp. 904L thường yêu cầu chất độn phù hợp với lượng niken cần thiết và có thể nhạy cảm hơn với việc kiểm soát nhiệt độ đầu vào và pha loãng. Việc gia nhiệt trước thường không cần thiết; việc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và vệ sinh là rất quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ: các biện pháp bảo vệ tiêu chuẩn bao gồm mạ kẽm, sơn, bảo vệ catốt và lớp phủ. (Không áp dụng cho hai loại thép không gỉ này vì chúng sử dụng màng thụ động.)

• Chỉ số ăn mòn thép không gỉ

• Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống rỗ: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$
• PREN gần đúng (sử dụng các thành phần tầm trung tiêu biểu):
  • 316L: với Cr ≈ 17% và Mo ≈ 2,5% → PREN ≈ 17 + 3,3×2,5 ≈ 25,25
  • 904L: với Cr ≈ 20% và Mo ≈ 4,5% → PREN ≈ 20 + 3,3×4,5 ≈ 34,85

• Diễn giải: PREN cao hơn cho thấy khả năng chống lại sự tấn công cục bộ (rỗ/kẽ hở) tốt hơn trong môi trường clorua. PREN cao hơn đáng kể của 904L và việc bổ sung đồng mang lại khả năng chống chịu vượt trội trong nhiều môi trường clorua mạnh và axit khử (ví dụ: axit sulfuric), trong khi 316L mang lại khả năng chống rỗ nói chung tốt khi tiếp xúc với clorua ở mức độ vừa phải.

• Khi PREN không áp dụng

• PREN là một chỉ số đơn giản hóa tập trung vào hiện tượng rỗ; nó không phản ánh đầy đủ hành vi trong môi trường oxy hóa mạnh, ăn mòn nói chung trong axit sunfuric, hoặc khả năng nứt do ăn mòn ứng suất. Đánh giá ứng dụng thực tế đòi hỏi phải thử nghiệm hoặc có kinh nghiệm đánh giá kỹ thuật chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công
• 316L: Khả năng gia công từ trung bình đến kém so với thép cacbon; quá trình tôi cứng trong quá trình cắt đòi hỏi dụng cụ cứng và cấp liệu phù hợp. Hiệu suất được cải thiện với dụng cụ carbide phủ và các thông số được tối ưu hóa.
• 904L: Nhìn chung khó gia công hơn 316L do hàm lượng niken cao hơn và độ cứng tăng; độ mài mòn dụng cụ và lực cắt cao hơn. Hợp kim giàu niken thường yêu cầu tốc độ cắt thấp hơn và dụng cụ chắc chắn.
• Khả năng định hình và uốn cong
• Cả hai loại đều có khả năng định hình tốt trong điều kiện ủ; 316L được sử dụng rộng rãi để tạo hình sâu và hình dạng phức tạp. 904L có thể được định hình nhưng có thể cần lực định hình lớn hơn và chú ý đến độ đàn hồi; ủ sau khi định hình nặng thường được sử dụng.
• Hoàn thiện bề mặt
• Đánh bóng và thụ động hóa đều hiệu quả cho cả hai; 904L có thể yêu cầu hóa chất tẩy rửa/làm sạch hơi khác do hàm lượng Cu và Mo. Tẩy rửa và thụ động hóa đúng cách sẽ khôi phục lớp màng thụ động và tối ưu hóa hiệu suất chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

316L – Công dụng điển hình	904L – Công dụng điển hình
Thiết bị chế biến thực phẩm và đồ uống, thành phần dược phẩm và y tế, phụ kiện hàng hải, bộ trao đổi nhiệt, đường ống xử lý hóa chất nói chung (clorua vừa phải)	Thiết bị xử lý hóa chất xử lý axit mạnh (đặc biệt là axit sunfuric), hệ thống làm mát nước biển có hàm lượng clorua và nhiệt độ cao, máy lọc kiểm soát ô nhiễm, các bộ phận ngoài khơi và dưới biển cần khả năng chống rỗ/kẽ hở cao hơn
Ứng dụng kiến ​​trúc và thẩm mỹ, bồn chứa và lưu trữ cho môi trường ôn hòa	Lò phản ứng este hóa, thiết bị tẩy axit, hệ thống có độ tinh khiết cao tiếp xúc với môi trường khử

Cơ sở lựa chọn - 316L được lựa chọn cho các dự án nhạy cảm về chi phí, yêu cầu khả năng chống ăn mòn đáng tin cậy, khả năng định hình tốt và tính khả dụng rộng rãi. - 904L được lựa chọn khi dịch vụ bao gồm môi trường clorua mạnh, nồng độ axit khử cao hoặc khi tuổi thọ kéo dài với mức bảo trì chống ăn mòn tối thiểu là rất quan trọng mặc dù chi phí ban đầu cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá
• 904L thường có giá cao hơn đáng kể so với 316L do hàm lượng niken và molypden cao hơn và có thêm đồng. Chênh lệch giá có thể đáng kể và dao động tùy theo thị trường kim loại hợp kim.
• Khả dụng
• 316L: Cực kỳ phổ biến trong các nhà máy trên toàn thế giới dưới nhiều hình thức sản phẩm (tấm, tấm, ống, ống, thanh, rèn).
• 904L: Có sẵn tại các nhà cung cấp chuyên dụng và các nhà máy lớn, nhưng phạm vi hình thức sản phẩm và thời gian giao hàng có thể hạn chế hơn 316L; thường cần phải chế tạo theo yêu cầu và lập kế hoạch mua sắm cho số lượng lớn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	316L	904L
Khả năng hàn	Rất tốt (quy trình chuẩn)	Tốt, yêu cầu kiểm soát chất độn và hàn phù hợp
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt; độ bền vừa phải	Độ dẻo dai tương đương; thường có độ bền tương tự hoặc cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm
Khả năng chống ăn mòn (chung/rỗ)	Tốt (dịch vụ clorua vừa phải)	Cao cấp (khả năng chống rỗ/rãnh cao; tốt cho việc giảm axit)
Trị giá	Thấp (tiết kiệm)	Cao (chi phí hợp kim cao cấp)
Khả dụng	Xuất sắc	Tốt (ít phổ biến hơn 316L)

Khuyến nghị - Chọn 316L nếu: - Ứng dụng này yêu cầu khả năng chống ăn mòn đáng tin cậy trong môi trường clorua hoặc khí quyển vừa phải, kết hợp với khả năng định hình tốt và chi phí kinh tế. - Sự đơn giản của chuỗi cung ứng và các lựa chọn vật liệu và chế tạo đa dạng là ưu tiên hàng đầu. - Hệ thống không phải tiếp xúc lâu dài với nồng độ clorua cao, axit khử mạnh hoặc môi trường đòi hỏi PREN rất cao.

• Chọn 904L nếu:
• Môi trường làm việc bao gồm clorua mạnh, axit sunfuric hoặc các axit khử khác, hoặc các điều kiện dễ xảy ra hiện tượng rỗ và ăn mòn khe hở nghiêm trọng.
• Tuổi thọ dài cùng với việc bảo trì chống ăn mòn tối thiểu là ưu tiên hàng đầu và dự án có thể biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn.
• Có chuyên môn về hàn và chế tạo để kiểm soát các quy trình và chỉ định kim loại hàn phù hợp.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu phải xem xét toàn bộ hệ thống—nhiệt độ, nồng độ clorua, lưu lượng, khe hở, trạng thái ứng suất, phương pháp chế tạo và chi phí vòng đời. Khuyến nghị sử dụng các thử nghiệm ngâm trong phòng thí nghiệm, dữ liệu điện hóa hoặc kinh nghiệm thực tế với chất lỏng quy trình cụ thể cho các dịch vụ quan trọng.