Thép không gỉ 17-4 PH: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 17-4 PH (SAE 630) là thép không gỉ tôi kết tủa kết hợp độ bền cao và khả năng chống ăn mòn với khả năng chế tạo tốt. Được phân loại là thép không gỉ martensitic , nó chủ yếu được hợp kim với crom (15-17,5%) và niken (3-5%), cùng với đồng (3-5%) giúp tăng khả năng tôi của nó. Thành phần độc đáo này cho phép 17-4 PH đạt được nhiều tính chất cơ học thông qua xử lý nhiệt, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Tổng quan toàn diện

Các đặc tính chính của thép không gỉ 17-4 PH bao gồm các tính chất cơ học tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn tốt và dễ chế tạo. Nó thể hiện độ bền kéo, độ bền chảy và độ cứng cao, đặc biệt là trong điều kiện xử lý nhiệt. Khả năng duy trì các tính chất này của thép ở nhiệt độ cao làm tăng thêm tính linh hoạt của nó.

Thuận lợi:
- Độ bền cao: 17-4 PH có thể đạt độ bền kéo vượt quá 1.200 MPa (174 ksi) khi được xử lý nhiệt đúng cách.
- Khả năng chống ăn mòn: Có khả năng chống chịu tốt với nhiều môi trường ăn mòn khác nhau, bao gồm điều kiện khí quyển và một số loại axit.
- Khả năng chế tạo: Thép có thể dễ dàng gia công và hàn, phù hợp với các thành phần phức tạp.

Hạn chế:
- Nứt do ăn mòn ứng suất (SCC): Mặc dù có khả năng chống lại nhiều tác nhân ăn mòn, nhưng nó vẫn có thể bị nứt do SCC trong môi trường clorua.
- Hiệu suất nhiệt độ cao hạn chế: Tính chất cơ học của nó có thể bị suy giảm ở nhiệt độ rất cao so với một số loại thép không gỉ khác.

Trong lịch sử, 17-4 PH đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, hàng hải và xử lý hóa chất do sự kết hợp độc đáo của các đặc tính. Vị thế thị trường của nó vẫn vững mạnh, đặc biệt là trong các lĩnh vực đòi hỏi vật liệu hiệu suất cao.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	S17400	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 630
AISI/SAE	630	Hoa Kỳ	Tên gọi thường dùng
Tiêu chuẩn ASTM	A564	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép không gỉ tôi kết tủa
VI	1.4542	Châu Âu	Những khác biệt nhỏ về thành phần cần lưu ý
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS630	Nhật Bản	Tính chất tương tự nhưng có thể có tiêu chuẩn xử lý khác nhau

Sự khác biệt giữa các loại này có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi UNS S17400 và AISI 630 thường có thể hoán đổi cho nhau, thì những thay đổi nhỏ về thành phần có thể ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn và các đặc tính cơ học.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cr (Crom)	15.0 - 17.5
Ni (Niken)	3.0 - 5.0
Cu (Đồng)	3.0 - 5.0
C (Cacbon)	≤ 0,07
Mn (Mangan)	≤ 1.0
Si (Silic)	≤ 1.0
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,03

Các nguyên tố hợp kim chính trong 17-4 PH là crom, niken và đồng. Crom cung cấp khả năng chống ăn mòn và độ cứng, niken tăng cường độ dẻo dai và độ dẻo, trong khi đồng góp phần vào quá trình tôi kết tủa, làm tăng đáng kể độ bền của thép.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	1.200 - 1.300MPa	174 - 188 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	1.050 - 1.200MPa	152 - 174 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	5-10%	5-10%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	35 - 45HRC	35 - 45HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-40°C (-40°F)	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao làm cho 17-4 PH phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn về mặt cấu trúc dưới tải trọng cơ học. Độ cứng của nó cho phép chống mài mòn, trong khi các giá trị độ giãn dài cho thấy độ dẻo tốt, cần thiết cho các quy trình tạo hình.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,75g/cm³	0,28 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1.400 - 1.500 °C	2.552 - 2.732 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	25 W/m·K	14,5 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,72 μΩ·m	0,0000013 Ω·ft
Hệ số giãn nở nhiệt	Nhiệt độ phòng	16,5 x 10⁻⁶/K	9,2 x 10⁻⁶/°F

Mật độ và điểm nóng chảy của 17-4 PH cho thấy tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của nó cho thấy các đặc tính quản lý nhiệt tốt. Điện trở suất tương đối thấp, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng mà tính dẫn điện có lợi.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20-60 °C (68-140 °F)	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit sunfuric	10-30	20-40 °C (68-104 °F)	Tốt	Sức đề kháng hạn chế
Axit axetic	10-50	20-60 °C (68-140 °F)	Tốt	Nguy cơ ăn mòn ứng suất
Nước biển	-	Môi trường xung quanh	Tốt	Chống ăn mòn khí quyển

Thép không gỉ 17-4 PH thể hiện khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường khác nhau, đặc biệt là trong điều kiện khí quyển và biển. Tuy nhiên, nó dễ bị rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường clorua, đây là một cân nhắc quan trọng đối với các ứng dụng trong môi trường ven biển hoặc xử lý hóa chất. So với các loại như thép không gỉ 316 , có khả năng chống clorua vượt trội, 17-4 PH có thể không phải là lựa chọn tốt nhất cho các môi trường có tính ăn mòn cao.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	300 °C	572 °F	-
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400 °C	752 °F	-
Nhiệt độ thang đo	600 °C	1.112 °F	-
Cân nhắc về sức bền biến dạng	400 °C	752 °F	Bắt đầu suy thoái

Ở nhiệt độ cao, 17-4 PH duy trì độ bền và độ cứng lên đến khoảng 300 °C (572 °F). Vượt quá mức này, nguy cơ oxy hóa và mất tính chất cơ học tăng lên. Không nên sử dụng thép liên tục ở nhiệt độ cao hơn vì nó có thể bị xuống cấp đáng kể.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
Hàn TIG	ER630	Khí Argon	Nên làm nóng trước
Hàn MIG	ER630	Hỗn hợp Argon/CO2	Khuyến nghị xử lý nhiệt sau khi hàn
SMAW (Gậy)	E630	-	Cần kiểm soát cẩn thận để tránh nứt

17-4 PH có thể được hàn bằng nhiều quy trình khác nhau, nhưng cần kiểm soát cẩn thận lượng nhiệt đầu vào để tránh các vấn đề như nứt. Việc gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn thường được khuyến nghị để giảm ứng suất và tăng cường các đặc tính của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	17-4 PH	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	Yêu cầu các công cụ sắc bén
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	80-100 m/phút	Sử dụng chất làm mát để có kết quả tốt nhất

Khả năng gia công của thép 17-4 PH ở mức trung bình và mặc dù có thể gia công hiệu quả nhưng đòi hỏi phải có dụng cụ sắc bén và tốc độ cắt phù hợp để tránh hiện tượng cứng khi gia công.

Khả năng định hình

17-4 PH không dễ tạo hình như thép không gỉ austenit do cấu trúc martensitic của nó. Có thể tạo hình nguội nhưng có thể dẫn đến quá trình tôi cứng khi làm việc, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận bán kính uốn và quy trình tạo hình. Tạo hình nóng khả thi hơn nhưng đòi hỏi phải quản lý nhiệt độ chính xác để duy trì các đặc tính.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Dung dịch ủ	1.000 - 1.050 °C (1.832 - 1.922 °F)	1 giờ	Không khí	Hòa tan chất kết tủa, tăng độ dẻo
Lão hóa	480 - 620 °C (896 - 1.148 °F)	4 - 8 giờ	Không khí	Tăng cường sức mạnh thông qua quá trình làm cứng kết tủa

Các quy trình xử lý nhiệt cho 17-4 PH bao gồm ủ dung dịch sau đó là lão hóa, biến đổi cấu trúc vi mô để tăng cường độ bền và độ cứng. Quá trình lão hóa tạo ra các hạt mịn cản trở chuyển động trật khớp, làm tăng đáng kể độ bền của vật liệu.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Hàng không vũ trụ	Linh kiện máy bay	Độ bền cao, chống ăn mòn	Quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất
Hàng hải	Các thành phần của bơm và van	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt
Xử lý hóa học	Bình chịu áp suất	Khả năng chống ăn mòn, khả năng chế tạo	Cần thiết cho độ bền và độ tin cậy

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Linh kiện ngành dầu khí
- Thiết bị y tế
- Thiết bị chế biến thực phẩm

Việc lựa chọn 17-4 PH trong các ứng dụng này chủ yếu là do tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khiến nó trở nên lý tưởng cho các thành phần phải chịu được môi trường khắc nghiệt và ứng suất cơ học.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	17-4 PH	Thép không gỉ 316	Tiêu chuẩn AISI 4140	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Sức mạnh vừa phải	Độ bền cao	17-4 PH vượt trội về sức mạnh
Góc nhìn ăn mòn chính	Tốt	Xuất sắc	Hội chợ	316 có khả năng chống ăn mòn vượt trội
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	17-4 PH yêu cầu hàn cẩn thận
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Tốt	17-4 PH khó gia công hơn
Khả năng định hình	Giới hạn	Tốt	Tốt	17-4 PH ít có khả năng định hình hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Thấp	Chi phí thay đổi tùy theo điều kiện thị trường
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Rất phổ biến	Chung	17-4 PH có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép không gỉ 17-4 PH, cần cân nhắc đến độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vừa phải, khiến nó phù hợp với các ứng dụng mà hiệu suất cơ học là quan trọng. Tuy nhiên, khả năng nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường clorua và những thách thức trong hàn và gia công cần được đánh giá cẩn thận theo yêu cầu của dự án.

Tóm lại, thép không gỉ 17-4 PH là vật liệu đa năng cung cấp sự kết hợp độc đáo của các đặc tính, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Việc lựa chọn nó phải dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về các đặc tính cơ học, vật lý và chống ăn mòn của nó, cũng như các yêu cầu cụ thể của ứng dụng dự định.