TP304 so với TP316 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

TP304 và TP316 là hai loại thép không gỉ austenit được chỉ định phổ biến nhất cho các sản phẩm ống và tấm. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà chế tạo thường xuyên cân nhắc lựa chọn giữa chúng khi cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn, hiệu suất cơ học và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: lựa chọn vật liệu cho đường ống quy trình tiếp xúc với clorua, chỉ định bộ trao đổi nhiệt hoặc ống kết cấu cho các công trình ngoài khơi, và lựa chọn thiết bị vệ sinh cho sản xuất thực phẩm và dược phẩm.

Sự khác biệt cơ bản về mặt thực tế là một loại thép có chứa thành phần hợp kim giúp tăng cường khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở trong môi trường chứa clorua, trong khi loại còn lại là thép không gỉ austenit thông dụng, kinh tế hơn và phổ biến hơn. Do tính chất luyện kim và chế tạo của chúng tương tự nhau, việc so sánh TP304 và TP316 thường phụ thuộc vào môi trường ăn mòn, chi phí vòng đời và các hạn chế cụ thể của quá trình chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn ASTM/ASME phổ biến: TP304 và TP316 được sử dụng trong các ký hiệu ASTM A312/A213/A269/A240 cho ống và tấm thép không gỉ. Trong thực hành ASME, tiền tố "TP" biểu thị thông số kỹ thuật sản phẩm ống (ví dụ: TP304).
• Tương đương UNS/EN/JIS/GB:
• TP304 ≈ UNS S30400; EN 1.4301 (AISI 304); JIS SUS304; GB 06Cr19Ni10.
• TP316 ≈ UNS S31600; EN 1.4401/1.4404 (AISI 316/316L); JIS SUS316; GB 00Cr17Ni14Mo2 (các biến thể có thể khác nhau).
• Lớp vật liệu: Cả hai đều là thép không gỉ austenit (không có từ tính khi ủ hoàn toàn) — không phải thép cacbon, thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (%) cho TP304 và TP316. Các giá trị mang tính đại diện; tham khảo tiêu chuẩn sản phẩm cụ thể hoặc giấy chứng nhận nhà máy để biết giới hạn được đảm bảo.

Yếu tố	TP304 (dải sản phẩm điển hình)	TP316 (dải điển hình)
C	≤ 0,08 (chuẩn)	≤ 0,08 (chuẩn)
Mn	≤ 2,0	≤ 2,0
Si	≤ 0,75	≤ 0,75
P	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	17,5 – 19,5	16,0 – 18,0
Ni	8,0 – 10,5	10,0 – 14,0
Mo	0 – dấu vết	2.0 – 3.0
V	thường là ≤ 0,05	thường là ≤ 0,05
Nb (Cb)	thường ≤ 0,1 (không có trong các cấp độ chưa ổn định)	≤ 0,1 (trừ khi độ dốc ổn định)
Ti	thường ≤ 0,7 (chỉ trong các biến thể ổn định)	≤ 0,7 (chỉ trong các biến thể ổn định)
B	dấu vết	dấu vết
N	theo dõi đến 0,11 (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)	theo dõi đến 0,11 (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)

Ghi chú: - Việc bổ sung molypden (Mo) một cách có chủ đích và hàm lượng niken thường cao hơn một chút vào TP316 là sự khác biệt chính về hợp kim nhằm cải thiện khả năng chống ăn mòn cục bộ (ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở) và duy trì hiệu suất trong môi trường chứa clorua. - Hàm lượng carbon ảnh hưởng đến độ nhạy trong quá trình hàn; các biến thể carbon thấp (304L, 316L) và các loại ổn định (có Ti hoặc Nb) làm giảm sự ăn mòn giữa các hạt sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. - Một lượng nhỏ nitơ (nếu có) làm tăng độ bền và cải thiện khả năng chống rỗ.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom (Cr): tạo thành lớp màng oxit crom thụ động giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn cơ bản. - Niken (Ni): ổn định cấu trúc austenit, tăng độ dẻo dai, độ bền và cải thiện khả năng chống ăn mòn nói chung. - Molypden (Mo): tăng khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở, đặc biệt trong môi trường chứa clorua. - Cacbon, Ti, Nb: ảnh hưởng đến tính chất kết tủa cacbua và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn.

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

• Cấu trúc vi mô: Cả TP304 và TP316 đều là austenit hoàn toàn (lập phương tâm mặt) ở trạng thái ủ. Không có pha martensitic khi ủ dung dịch đúng cách.
• Các tuyến xử lý thông thường: cán nóng sau đó ủ dung dịch và làm nguội nhanh để khôi phục khả năng chống ăn mòn và độ dẻo.
• Phản ứng với chu kỳ nhiệt:
• Ủ dung dịch (thường ở nhiệt độ 1.020–1.100 °C tùy theo thông số kỹ thuật) sẽ hòa tan crom cacbua và tạo ra ma trận austenit đồng nhất.
• Làm nguội chậm ở nhiệt độ khoảng 450–850 °C có thể gây ra hiện tượng kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt (nhạy cảm) ở các biến thể có hàm lượng cacbon cao hơn; điều này làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.
• Các biến thể carbon thấp (L) và ổn định (Ti hoặc Nb) kiểm soát quá trình kết tủa cacbua; 316L thường được chỉ định khi hàn nhiều và lo ngại về độ nhạy cảm.
• Độ cứng: Thép không gỉ austenit không được tôi cứng bằng cách làm nguội; chúng được gia cường chủ yếu bằng phương pháp gia công nguội hoặc bằng cách bổ sung hợp kim (ví dụ: N). Các phương pháp xử lý nhiệt cơ học không tạo ra martensite đáng kể nếu không có sự biến dạng do biến dạng gây ra.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình của vật liệu ủ (mang tính chất đại diện; tham khảo thông số kỹ thuật sản phẩm để biết mức tối thiểu được đảm bảo). Đơn vị: MPa và %.

Tài sản	TP304 (ủ điển hình)	TP316 (điển hình là ủ)
Độ bền kéo (UTS)	~500 – 700 MPa	~500 – 700 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~200 – 350 MPa	~200 – 350 MPa
Độ giãn dài (A%)	≥ 40% (thường là 40–60%)	≥ 40% (thường là 40–60%)
Độ bền va đập (Charpy, phòng T)	Dữ liệu cao, nhạy cảm thường không được chỉ định	Cao, tương tự TP304
Độ cứng (ủ)	Thông thường là 70–95 HRB (xấp xỉ)	Thông thường là 70–95 HRB (xấp xỉ)

Giải thích: - Trong điều kiện ủ, TP304 và TP316 thể hiện các tính chất cơ học rất giống nhau. Sự khác biệt về thành phần hợp kim (Mo, hàm lượng Ni cao hơn một chút trong 316) chỉ có tác động khiêm tốn đến giá trị độ bền kéo và giới hạn chảy; hàm lượng nitơ và quá trình gia công nguội có tác động lớn hơn đến độ bền. - Cả hai loại đều có độ dẻo dai tuyệt vời ngay cả ở nhiệt độ thấp nhờ cấu trúc vi mô austenit ổn định. - Nếu cần độ bền cao hơn, có thể chọn các biến thể gia công nguội hoặc chứa nitơ; đối với dịch vụ đông lạnh, thép austenit thường được ưa chuộng hơn do độ dẻo dai vẫn được giữ nguyên.

5. Khả năng hàn

• Khả năng hàn tổng quát: Cả TP304 và TP316 đều dễ dàng hàn bằng các phương pháp nóng chảy và điện trở thông thường (TIG, MIG, SMAW). Cấu trúc austenit tránh được sự hình thành martensite cứng, giòn đặc trưng của thép cacbon.
• Carbon và sự nhạy cảm: Carbon thúc đẩy quá trình kết tủa crom cacbua sau khi tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm; để giảm rủi ro, hãy sử dụng các loại thép có hàm lượng carbon thấp (304L/316L) hoặc các loại thép ổn định.
• Chỉ số khả năng hàn: Hữu ích cho việc giải thích định tính rủi ro nứt mối hàn và nhu cầu gia nhiệt trước:
• Ví dụ về lượng cacbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Ví dụ $P_{cm}$ về khả năng 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:
• Cả hai loại thép này đều có giá trị độ cứng thấp so với thép ferritic; việc nung nóng trước thường không cần thiết và có thể làm tăng nguy cơ nhạy cảm.
• TP316 có thể dễ tránh nứt nóng hơn một chút vì hàm lượng Ni cao hơn thúc đẩy tính dẻo của kim loại hàn; tuy nhiên, việc lựa chọn vật liệu độn và kiểm soát chu trình nhiệt hàn quan trọng hơn cấp cơ bản.
• Sử dụng vật liệu độn phù hợp hoặc vượt trội (ví dụ: ER316/316L) khi dịch vụ yêu cầu khả năng chống rỗ hoặc khi kim loại nền là TP316.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất không gỉ: Cả hai loại đều dựa trên lớp màng oxit thụ động giàu crom. Đối với môi trường nước nói chung, cả hai đều hoạt động tốt.
• Ăn mòn rỗ và khe hở:
• Sử dụng Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Vì TP316 chứa molypden (và thường có hàm lượng Ni tương tự hoặc cao hơn) nên PREN của nó cao hơn đáng kể so với TP304, giúp cải thiện khả năng chống rỗ do clorua và ăn mòn khe hở.
• Khi chỉ số không áp dụng được:
• PREN và các số liệu tương tự không áp dụng được cho các tình huống ăn mòn đồng nhất nói chung (trong đó Cr và độ ổn định của màng thụ động chiếm ưu thế) cũng không thể thay thế cho thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trong một ứng dụng nhất định.
• Bảo vệ bề mặt cho thép không gỉ: Không áp dụng ở đây, nhưng đối với các giải pháp thay thế không phải thép không gỉ, có thể cân nhắc mạ kẽm, sơn và lót polyme.

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

• Khả năng gia công:
• Thép không gỉ austenit có khả năng làm cứng và có thể bị “dẻo”; cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép mềm.
• TP316 thường khó gia công hơn TP304 một chút vì hàm lượng niken và molypden cao hơn giúp tăng độ dẻo dai và khả năng làm cứng.
• Khả năng định hình:
• Cả hai loại đều có khả năng định hình tuyệt vời trong điều kiện ủ; 304 thường dễ định hình hơn một chút.
• Phải tính đến độ đàn hồi và độ cứng do biến dạng; lựa chọn dụng cụ và chất bôi trơn là rất quan trọng.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều phản ứng với quá trình đánh bóng, đánh bóng điện hóa và thụ động hóa. Khả năng chống rỗ tốt hơn của TP316 khiến nó trở nên thích hợp hơn khi bề mặt hoàn thiện phải chống lại sự ăn mòn của clorua.
• Khuyến nghị:
• Đối với việc tạo hình khổ lớn hoặc uốn bán kính hẹp, hãy cân nhắc ủ sau khi tạo hình hoặc chọn loại có xu hướng làm cứng thấp hơn một chút để giảm nguy cơ nứt.

8. Ứng dụng điển hình

TP304 (sử dụng phổ biến)	TP316 (sử dụng phổ biến)
Thiết bị chế biến thực phẩm, mặt bàn bếp, đồ dùng nhà bếp	Phần cứng hàng hải, đường ống nước biển, các thành phần ngoài khơi
Trang trí kiến ​​trúc, hoàn thiện nội thất tòa nhà	Thiết bị xử lý hóa chất có tiếp xúc với clorua
Ống thông dụng và bộ trao đổi nhiệt trong môi trường không có clorua	Cấy ghép y tế (các biến thể cụ thể), thiết bị dược phẩm đòi hỏi khả năng chống chịu tấn công tại chỗ cao hơn
Các thành phần HVAC, hệ thống nước sinh hoạt (nơi có hàm lượng clorua thấp)	Bộ trao đổi nhiệt và tụ điện tiếp xúc với nước lợ hoặc môi trường chứa nhiều clorua

Cơ sở lựa chọn: - Chọn TP304 khi khả năng chống ăn mòn, khả năng tạo hình và chi phí là những yếu tố chính và mức độ tiếp xúc với clorua thấp hoặc được kiểm soát. - Chọn TP316 khi sử dụng liên quan đến clorua, sunfua hoặc các hóa chất dạng nước mạnh hơn và khi sự ăn mòn cục bộ có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: TP316 thường đắt hơn TP304 do có thêm molypden và hàm lượng niken thường cao hơn. Chênh lệch giá cả thay đổi tùy theo thị trường kim loại hàng hóa (giá Ni và Mo dao động).
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• TP304 thường được sử dụng rộng rãi hơn với nhiều hình dạng và bề mặt hoàn thiện khác nhau.
• TP316 cũng được sử dụng rộng rãi nhưng một số kích thước, bề mặt hoàn thiện hoặc sản phẩm cán đặc biệt (ví dụ: 316L, 316Ti) có thể có thời gian giao hàng dài hơn và phí bảo hiểm cao hơn.
• Lưu ý mua sắm: Đối với các dự án lớn, việc khóa vật liệu có giá trị cao và chỉ định các vật liệu thay thế có thể chấp nhận được (ví dụ: 316L so với 316) giúp quản lý sự biến động về chi phí.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	TP304	TP316
Khả năng hàn	Tuyệt vời (sử dụng 304L cho mối hàn lớn)	Tuyệt vời (sử dụng 316L cho mối hàn lớn)
Sức mạnh – Độ dẻo dai	Tốt, tương tự như TP316 trong điều kiện ủ	Tốt, tương tự như TP304; khả năng duy trì độ dẻo dai cao hơn một chút ở một số loại hóa chất
Khả năng chống ăn mòn (chung)	Rất tốt	Rất tốt
Ăn mòn cục bộ (rỗ/kẽ hở)	Trung bình trong môi trường clorua	Cao cấp (do Mo và Ni)
Khả năng gia công	Tốt cho thép không gỉ austenit (làm cứng bằng phương pháp gia công)	Ít thuận lợi hơn một chút so với TP304
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (phí bảo hiểm do Mo/Ni)

Kết luận — lựa chọn dựa trên nhu cầu về môi trường và vòng đời: - Chọn TP304 nếu: độ nhạy về chi phí cao, môi trường không có clorua hoặc chỉ ăn mòn nhẹ và ứng dụng coi trọng khả năng định hình và tính khả dụng rộng rãi (ví dụ: thiết bị phục vụ thực phẩm, các yếu tố kiến ​​trúc, đường ống quy trình chung không tiếp xúc với clorua). - Chọn TP316 nếu: môi trường làm việc có chứa clorua hoặc các tác nhân khác thúc đẩy ăn mòn rỗ/kẽ hở, cần khả năng chống chịu lâu dài với sự tấn công tại chỗ hoặc ứng dụng là trong ngành hàng hải, ngoài khơi hoặc xử lý hóa chất, trong đó khả năng chống chịu được tăng cường molypden là hợp lý.

Hướng dẫn thực hành cuối cùng: - Đối với các cụm hàn trong môi trường clorua, hãy chỉ định các biến thể carbon thấp (304L / 316L) hoặc các cấp ổn định để tránh nhạy cảm. - Khi nghi ngờ về khả năng tiếp xúc với clorua hoặc khi việc bảo trì khó khăn, hãy chọn TP316 mặc dù chi phí ban đầu cao hơn — lợi ích tiết kiệm trong vòng đời thường biện minh cho sự lựa chọn này. - Luôn xác nhận lựa chọn vật liệu dựa trên điều kiện chính xác của chất lỏng quy trình, nhiệt độ và tải trọng cơ học; khi rủi ro ăn mòn là nghiêm trọng, hãy thực hiện thử nghiệm ăn mòn cụ thể cho ứng dụng hoặc tham khảo ý kiến ​​của các chuyên gia về ăn mòn.