TP304 so với TP304L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

TP304 và TP304L là các loại thép không gỉ austenit thường được chỉ định cho bình chịu áp lực, đường ống, bồn chứa và các kết cấu chống ăn mòn nói chung. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn, hiệu suất cơ học và chi phí vòng đời khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các cụm hàn yêu cầu tránh ủ dung dịch sau hàn, hoặc các thiết kế ưu tiên độ bền cao hơn một chút, trong đó rủi ro nhạy cảm được kiểm soát.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa hai loại thép này là hàm lượng carbon tối đa của chúng: TP304 cho phép giới hạn trên bình thường đối với thép không gỉ loại 304, trong khi TP304L là một biến thể carbon thấp nhằm mục đích giảm nguy cơ kết tủa crom cacbua và ăn mòn liên hạt trong các chi tiết hàn. Do hàm lượng crom và niken của chúng tương tự nhau, nên các loại thép này được so sánh chủ yếu dựa trên đặc tính hàn, độ nhạy xử lý nhiệt và các đặc tính cơ học thu được.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật quốc tế chung bao gồm các cấp độ này bao gồm: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm & tấm), ASTM A276 (thanh), ASTM A312 (ống) — TP304 và TP304L xuất hiện trong họ loại 304. - EN: Dòng EN 10088; các ký hiệu EN 1.4301 (304) và EN 1.4306 (304L) thường được sử dụng ở Châu Âu. - JIS: SUS304 và SUS304L (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản). - GB: GB/T 3280 v.v. (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc) sử dụng tên tương tự.

Phân loại: cả TP304 và TP304L đều là thép không gỉ austenit (thép không gỉ, không phải thép cacbon, hợp kim, thép dụng cụ hoặc thép HSLA). Tiền tố “TP” thường được sử dụng trong bối cảnh bình chịu áp lực ASME/ASTM để chỉ vật liệu được phép.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Thành phần hóa học điển hình (% khối lượng) — các giá trị được đưa ra dưới dạng giới hạn thông số kỹ thuật chung từ thông lệ ASTM/ASME được sử dụng rộng rãi. Các tiêu chuẩn và nhà sản xuất riêng lẻ có thể công bố các giới hạn hơi khác nhau; hãy luôn kiểm tra lại với thông số kỹ thuật mua sắm cụ thể.

Yếu tố	TP304 (giới hạn thông số kỹ thuật điển hình)	TP304L (giới hạn thông số kỹ thuật điển hình)
C	≤ 0,08	≤ 0,03
Mn	≤ 2,00	≤ 2,00
Si	≤ 1,00	≤ 1,00
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,030	≤ 0,030
Cr	18,0 – 20,0	18,0 – 20,0
Ni	8,0 – 10,5	8,0 – 10,5 (thỉnh thoảng được phép cao hơn một chút theo một số thông số kỹ thuật)
Mo	— (thường ≤ 0,60)	— (thường ≤ 0,60)
V	—	—
Nb (Cb)	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0,10 (vết)	≤ 0,10 (vết)

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr ~18–20%): tạo lớp màng oxit thụ động chịu trách nhiệm chống ăn mòn và chống oxy hóa nói chung. - Niken (Ni ~8–10,5%): ổn định cấu trúc tinh thể austenit, tăng cường độ dẻo dai và độ bền, cải thiện khả năng chống ăn mòn trong một số môi trường nhất định. - Cacbon (C): tăng cường độ thông qua dung dịch rắn và góp phần hình thành crom cacbua tại ranh giới hạt nếu tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm (khoảng 425–850°C). Giới hạn cacbon thấp hơn của TP304L là chiến lược có chủ đích nhằm ngăn chặn sự kết tủa cacbua trong các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt khi hàn hoặc sau khi hàn. - Mangan và silic có vai trò là chất khử oxy và chất điều chỉnh độ bền; lưu huỳnh và phốt pho được kiểm soát như những tạp chất có thể gây hại đến độ bền và khả năng chống ăn mòn. - Các nguyên tố hợp kim như Mo, Nb, Ti hoặc V không phải là đặc trưng của thép 304/304L thông thường (là đặc trưng của các loại thép khác như 316, 347, v.v.).

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

Cả TP304 và TP304L đều là austenit (lập phương tâm mặt) ở nhiệt độ phòng khi ủ dung dịch. Các đặc điểm vi cấu trúc điển hình và phản ứng nhiệt:

• Cấu trúc vi mô ủ: hoàn toàn austenit, với các cacbua phân tán thường ở dạng dung dịch nếu vật liệu đã được ủ dung dịch thích hợp (ví dụ: 1010–1150°C sau đó làm nguội nhanh).
• Nhạy cảm: TP304, với hàm lượng carbon cho phép cao hơn, dễ bị kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt hơn khi được giữ trong phạm vi nhạy cảm (khoảng 425–850°C), dẫn đến sự suy giảm cục bộ crom và tăng nguy cơ ăn mòn giữa các hạt. Hàm lượng carbon thấp của TP304L làm giảm động lực hình thành cacbua, cải thiện khả năng chống nhạy cảm tại các mối hàn hoặc làm nguội chậm.
• Xử lý nhiệt:
• Ủ dung dịch/ngâm chua: phương pháp tiêu chuẩn để hòa tan cacbua và phục hồi khả năng chống ăn mòn—thường được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 1010–1150°C sau đó là làm nguội nhanh.
• Chuẩn hóa và làm nguội không phải là phương pháp gia cường hiệu quả đối với thép không gỉ austenit (chúng là austenit ổn định ở nhiệt độ phòng); các loại thép này không cứng lại do quá trình biến đổi martensitic như một số loại thép khác.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học và gia công nguội làm tăng độ bền bằng cách làm cứng biến dạng và có thể tạo ra một lượng nhỏ martensite trong thép 304 tùy thuộc vào biến dạng và nhiệt độ (nhiều hơn ở thép 304 so với một số loại thép ổn định).
• Các biến thể ổn định (ví dụ: 347 có Nb hoặc 321 có Ti) là các lựa chọn thay thế khi cần tránh ủ sau khi hàn nhưng cũng cần độ bền cao hơn hoặc khả năng chống rão cụ thể.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các tính chất cơ học điển hình trong điều kiện ủ (các giá trị mang tính đại diện và phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm và thông số kỹ thuật chính xác; xác minh từ chứng chỉ thử nghiệm vật liệu).

Tài sản	TP304 (ủ, điển hình)	TP304L (ủ, điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~ 515–700 MPa	~ 485–690 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~ 205–310 MPa	~ 170–270 MPa
Độ giãn dài (tính bằng 50 mm)	≥ 40%	≥ 40%
Độ bền va đập (Charpy V, nếu được chỉ định)	Nói chung là cao; không được chỉ định thường xuyên	Nói chung là cao; không được chỉ định thường xuyên
Độ cứng (phạm vi HRB/HRC)	Trung bình; HRB ủ ~70–90	Thấp hơn một chút ở một số lô do C thấp hơn

Giải thích: - TP304 thường có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn TP304L một chút do carbon góp phần tăng cường độ bền trong dung dịch rắn. Sự khác biệt này không đáng kể ở trạng thái ủ. - Cả hai loại đều có độ dẻo và độ bền tuyệt vời ở nhiệt độ môi trường; độ bền ở nhiệt độ thấp vẫn tốt nhờ vào ma trận austenit. - Vì carbon là thành phần tạo nên độ bền tương đối nhỏ so với niken và hiệu ứng gia công nguội, nên việc kiểm soát quy trình chặt chẽ và mức độ gia công nguội có thể thay đổi các đặc tính nhiều hơn sự khác biệt giữa carbon 304 và 304L.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn tập trung vào nguy cơ nhạy cảm, nứt nóng và nhu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn.

• Hiệu ứng cacbon: hàm lượng cacbon tối đa thấp hơn trong TP304L làm giảm xu hướng hình thành cacbua crom trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn; do đó, TP304L được ưu tiên cho các mối hàn nhiều lớp hoặc mối hàn lớn, trong đó không thực hiện ủ dung dịch sau hàn.
• Độ cứng/khả năng làm cứng: thép không gỉ austenit không dễ bị làm cứng khi nguội; nứt nóng là mối quan tâm chính khi hàn và thường được xử lý bằng cách kiểm soát tạp chất, lựa chọn chất độn và thiết kế mối nối.
• Chỉ số tương đương cacbon và khả năng hàn có thể được sử dụng để định tính. Ví dụ:
• $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
• $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Diễn giải: $C$ thấp hơn làm giảm $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, cho thấy xu hướng giảm các vấn đề liên quan đến mối hàn như ăn mòn liên hạt và một số loại nứt. Trên thực tế, TP304L thường cho phép hàn mà không cần ủ dung dịch sau đó, trong khi TP304 có thể cần được chú ý nhiều hơn (kiểm soát nhiệt đầu vào, làm nguội nhanh hoặc ủ sau hàn) để tránh nhạy cảm trong các ứng dụng quan trọng.

Kim loại độn: sử dụng thành phần độn phù hợp hoặc vượt trội; đối với các kết cấu hàn mà khả năng chống ăn mòn là tối quan trọng, người ta thường chọn các loại độn có hàm lượng carbon thấp hoặc ổn định.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả TP304 và TP304L đều dựa vào hàm lượng Cr/Ni để hình thành lớp màng thụ động và có khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển, nhiều axit hữu cơ và môi trường vô cơ nhẹ.
• Nguy cơ ăn mòn liên hạt cao hơn đối với TP304 nếu vật liệu tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm sau khi chế tạo. TP304L giảm thiểu nguy cơ này nhờ hàm lượng carbon thấp hơn.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được áp dụng cho các loại vật liệu chứa Mo; để hiểu rõ hơn: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Đối với 304/304L, Mo về cơ bản không có và N thấp, do đó PREN ở mức khiêm tốn — nghĩa là không có loại nào phù hợp với môi trường chứa nhiều clorua, nơi hiện tượng rỗ và ăn mòn khe hở là những mối lo ngại quan trọng (các loại có Mo, ví dụ như 316, hoặc siêu austenitic có hàm lượng Cr/N cao, được chọn cho mục đích sử dụng như vậy).
• Bảo vệ bề mặt: Đối với thép không gỉ, mạ kẽm/sơn là tiêu chuẩn; đối với TP304/TP304L, những công đoạn này thường không cần thiết trừ khi cần bảo vệ thẩm mỹ hoặc chống mài mòn. Thụ động hóa bằng axit nitric sau khi chế tạo thường được thực hiện để khôi phục khả năng chống ăn mòn tối ưu.

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

• Khả năng định hình: Cả hai loại thép này đều có khả năng định hình cao trong điều kiện ủ và thường được sử dụng cho các hoạt động kéo sâu, uốn và kéo sợi. Hàm lượng carbon thấp trong TP304L không làm thay đổi đáng kể đặc tính định hình.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit thường khó gia công hơn thép cacbon do độ dẻo dai và khả năng làm cứng cao. TP304 có thể có độ cứng cao hơn một chút và khả năng làm cứng nhanh hơn TP304L, điều này có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ dụng cụ; tuy nhiên, sự khác biệt là nhỏ và chiến lược gia công (độ cứng, tốc độ ăn dao/tốc độ, chất làm mát) chiếm ưu thế.
• Hoàn thiện bề mặt và đánh bóng: cả hai đều cần hoàn thiện bề mặt tốt; hàn và nhuộm nhiệt cần làm sạch bằng hóa chất/cơ học để phục hồi lớp màng thụ động trên bề mặt.
• Phản ứng gia công nguội: tạo hình nguội làm tăng độ bền thông qua quá trình làm cứng biến dạng; ủ cẩn thận được sử dụng để khôi phục độ dẻo nếu cần.

8. Ứng dụng điển hình

TP304 (sử dụng thông thường)	TP304L (sử dụng thông thường)
Thiết bị chế biến thực phẩm, trang trí kiến ​​trúc chung, bộ trao đổi nhiệt nơi có thể thực hiện ủ sau hàn	Bồn chứa hóa chất hàn lớn, hệ thống đường ống nơi mà việc ủ sau khi hàn là không thực tế
Vỏ và các bộ phận của bình chịu áp suất trong môi trường vừa phải (với các biện pháp hàn được kiểm soát)	Các bình chứa chế biến sữa và dược phẩm yêu cầu hàn không gây nhạy cảm
Các loại ốc vít, thanh và phụ kiện có độ bền cao hơn một chút là chấp nhận được	Bộ trao đổi nhiệt hàn, đường ống chứa môi trường ăn mòn (clorua vừa phải) trong đó khả năng chống ăn mòn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn là cần thiết
Thiết bị nhà bếp, bồn rửa, đồ gia dụng	Bồn chứa hóa chất, ống khuỷu nhà máy lọc dầu, cụm hàn có nhiều đường đi

Cơ sở lựa chọn: - Chọn TP304 khi cường độ chịu kéo/giới hạn chảy cao hơn một chút có lợi và khi các biện pháp kiểm soát chế tạo (hoặc ủ dung dịch sau chế tạo) sẽ quản lý được rủi ro nhạy cảm. - Chọn TP304L khi cần hàn nhiều và tránh xử lý nhiệt sau khi hàn để duy trì khả năng chống ăn mòn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: TP304 thường rẻ hơn TP304L một chút tính theo kg vì thông số kỹ thuật của 304L có thể yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn về nhiệt độ nấu chảy và hàm lượng carbon, và đôi khi cần điều chỉnh hàm lượng niken cao hơn một chút. Giá thị trường thay đổi theo giá hàng hóa Ni và Cr; mức chênh lệch giá cho loại L thường không đáng kể.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi dưới dạng tấm, lá, cuộn, ống, thanh và dây từ các nhà cung cấp toàn cầu. Một số dạng sản phẩm dành cho kết cấu hàn nặng (ví dụ: ống đường kính lớn) thường được chỉ định và lưu kho dưới dạng 304L.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh ngắn gọn

Thuộc tính	TP304	TP304L
Khả năng hàn (nguy cơ nhạy cảm)	Tốt với các biện pháp kiểm soát hàn; nguy cơ nhạy cảm cao hơn	Tốt hơn cho hàn mà không cần ủ sau hàn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền cao hơn một chút (đóng góp C); độ dẻo dai tuyệt vời	Độ bền thấp hơn một chút; khả năng chống ăn mòn HAZ ngang bằng hoặc vượt trội
Trị giá	Thấp hơn một chút (thường là như vậy)	Cao hơn một chút (thường là như vậy)

Kết luận và hướng dẫn thực hành: - Chọn TP304 nếu: bạn cần độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn một chút trong điều kiện ủ, quy trình chế tạo cho phép kiểm soát các thông số hàn hoặc ủ dung dịch sau hàn, hoặc bạn đang làm việc với các thành phần nhỏ hơn hoặc dễ ủ, trong đó có thể giảm thiểu hiện tượng nhạy cảm. - Chọn TP304L nếu: linh kiện sẽ trải qua quá trình hàn nhiều lần, các cụm hàn lớn tại chỗ được chỉ định khi việc ủ dung dịch sau hàn là không thực tế, ứng dụng nhạy cảm với sự ăn mòn giữa các hạt trong vùng hàn hoặc các yêu cầu của quy định đối với đường ống/bồn chứa áp suất ưu tiên biến thể ít carbon cho dịch vụ hàn.

Lưu ý thực tế: đối với các ứng dụng hàn quan trọng cũng yêu cầu độ bền nhiệt độ cao hoặc khả năng chống rão, hãy cân nhắc sử dụng thép cấp ổn định (ví dụ: TP321, TP347) hoặc thép không gỉ chứa Mo (ví dụ: TP316) tùy thuộc vào yêu cầu về hóa học môi trường và cơ học. Luôn xác nhận thành phần chính xác và dữ liệu cơ học với chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và thông số kỹ thuật áp dụng cho dự án.