Thép không gỉ 316H: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 316H là một biến thể chịu nhiệt độ cao của loại 316, được phân loại là thép không gỉ austenit. Nó chủ yếu được hợp kim với crom (16-18%), niken (10-14%) và molypden (2-3%), giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học của nó. Ký hiệu "H" biểu thị hàm lượng carbon cao hơn (0,04% đến 0,10%) so với tiêu chuẩn 316, giúp cải thiện độ bền của nó ở nhiệt độ cao.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ 316H nổi tiếng với khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tuyệt vời trong môi trường clorua, khiến nó trở thành lựa chọn ưa thích cho các ứng dụng hàng hải và xử lý hóa chất. Hàm lượng niken cao góp phần tạo nên độ bền và độ dẻo dai, trong khi molypden tăng cường khả năng chống ăn mòn cục bộ.

Ưu điểm (Pros):
- Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.
- Độ bền và độ dẻo dai cao ở nhiệt độ cao, phù hợp cho các ứng dụng chịu ứng suất cao.
- Khả năng hàn và tạo hình tốt, cho phép chế tạo theo nhiều phương án khác nhau.

Hạn chế (Nhược điểm):
- Chi phí cao hơn so với thép không gỉ hợp kim thấp.
- Dễ bị nhạy cảm nếu không được xử lý nhiệt đúng cách, có thể dẫn đến ăn mòn giữa các hạt.
- Không có từ tính, điều này có thể là một nhược điểm trong các ứng dụng yêu cầu tính chất từ ​​tính.

Trong lịch sử, 316H có ý nghĩa quan trọng trong các ngành công nghiệp như hóa dầu, phát điện và kỹ thuật hàng hải do khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt. Vị thế thị trường của nó rất 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	S31609	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 316H
AISI/SAE	316H	Hoa Kỳ	Hàm lượng carbon cao hơn 316
Tiêu chuẩn ASTM	A240/A240M	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép không gỉ
VI	1.4878	Châu Âu	Cấp độ tương đương theo tiêu chuẩn Châu Âu
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS316H	Nhật Bản	Tính chất tương tự với sự khác biệt nhỏ về thành phần

Sự khác biệt giữa 316H và các loại thép tương đương, chẳng hạn như 316L (ít carbon) và 316, chủ yếu nằm ở hàm lượng carbon, ảnh hưởng đến độ bền nhiệt độ cao và khả năng nhạy cảm của chúng.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cr (Crom)	16.0 - 18.0
Ni (Niken)	10.0 - 14.0
Mo (Molipden)	2.0 - 3.0
C (Cacbon)	0,04 - 0,10
Mn (Mangan)	2.0 tối đa
Si (Silic)	1.0 tối đa
P (Phốt pho)	0,045 tối đa
S (Lưu huỳnh)	0,030 tối đa

Vai trò chính của crom là tăng cường khả năng chống ăn mòn, trong khi niken góp phần tạo nên độ bền và độ dẻo. Molypden tăng khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở, đặc biệt là trong môi trường clorua. Hàm lượng carbon cao hơn trong 316H cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao, khiến nó phù hợp với các ứng dụng chịu ứng suất cao.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	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	Ủ	515 - 690MPa	75 - 100 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	205 - 310MPa	30 - 45 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	40% phút	40% phút	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	70 - 90 HRB	70 - 90 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	-20°C	40 tháng	30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với các đặc tính giãn dài tốt, làm cho 316H phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn về mặt cấu trúc dưới tải trọng cơ học. Độ bền va đập ở nhiệt độ thấp cũng tăng cường hiệu suất của nó trong các ứng dụng đông lạnh.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	8,0 g/cm³	0,289 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1375 - 1400 °C	2500 - 2550 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	16,2 W/m·K	112 BTU·in/ft²·h·°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	0,72 µΩ·trong
Hệ số giãn nở nhiệt	20 - 100 °C	16,0 x 10⁻⁶/K	8,9 x 10⁻⁶/°F

Mật độ và điểm nóng chảy cho thấy 316H có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị biến dạng đáng kể. Độ dẫn nhiệt của nó ở mức trung bình, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng cần tản nhiệt. Nhiệt dung riêng cũng thuận lợi cho các ứng dụng nhiệt, trong khi điện trở suất cho thấy nó không phải là chất dẫn điện tốt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3,5%	20°C / 68°F	Xuất sắc	Nguy cơ rỗ
Axit sunfuric	10%	25°C / 77°F	Tốt	Sức đề kháng hạn chế
Axit clohydric	5%	25°C / 77°F	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn cục bộ
Nước biển	-	Môi trường xung quanh	Xuất sắc	Có sức đề kháng cao
Axit axetic	10%	25°C / 77°F	Tốt	Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất

316H thể hiện khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều tác nhân ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường biển. Hiệu suất của nó trong điều kiện giàu clorua vượt trội hơn so với các loại 304 và 316L, vốn dễ bị ăn mòn rỗ hơn. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù 316H hoạt động tốt trong nhiều môi trường có tính axit, nhưng nó vẫn có thể dễ bị ăn mòn cục bộ trong các điều kiện cụ thể, đặc biệt là với các axit mạnh như axit clohydric.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	800°C	1472°F	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	870°C	1598°F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	925°C	1697°F	Trên nhiệt độ này, quá trình oxy hóa xảy ra
Bắt đầu xem xét về sức bền kéo dài	600°C	1112°F	Khả năng chống biến dạng giảm ở nhiệt độ cao hơn

316H duy trì các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng như thành phần lò nung và bộ trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 800°C có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và đóng cặn, có thể làm giảm tính toàn vẹn của nó.

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
TIG	ER316L	Khí Argon	Tốt cho các phần mỏng
MIG	ER316L	Hỗn hợp Argon + CO2	Thích hợp cho các phần dày hơn
SÚNG BẮN TỪ	E316L	-	Yêu cầu làm nóng trước cho các phần dày

316H có khả năng hàn cao, nhưng phải cẩn thận để tránh nhạy cảm trong quá trình hàn. Nên nung nóng trước và xử lý nhiệt sau khi hàn để giảm thiểu nguy cơ ăn mòn giữa các hạt. Việc sử dụng kim loại độn như ER316L đảm bảo khả năng tương thích và duy trì khả năng chống ăn mòn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	316H	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	30%	100%	316H khó gia công hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	20 m/phút	40 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

316H có khả năng gia công thấp hơn so với thép cacbon, đòi hỏi tốc độ cắt chậm hơn và dụng cụ chuyên dụng. Các điều kiện tối ưu bao gồm sử dụng các dụng cụ sắc bén và bôi trơn đầy đủ để giảm quá trình làm cứng.

Khả năng định hình

316H thể hiện khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, do đặc tính làm cứng khi gia công, cần kiểm soát cẩn thận bán kính uốn để tránh nứt. Nó phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hình dạng và cấu hình phức tạp.

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	1010 - 1120 °C / 1850 - 2050 °F	30 phút	Không khí hoặc nước	Hòa tan cacbua, giảm căng thẳng
Giảm căng thẳng	400 - 600 °C / 750 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm ứng suất dư

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ dung dịch tăng cường khả năng chống ăn mòn của 316H bằng cách hòa tan các cacbua và ngăn ngừa sự nhạy cảm. Các biến đổi luyện kim trong quá trình xử lý này tác động đáng kể đến cấu trúc vi mô, dẫn đến độ dẻo dai và độ dẻo dai được cải thiện.

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
Kỹ thuật hàng hải	Đóng tàu	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Tiếp xúc với nước biển
Xử lý hóa học	Bình phản ứng	Độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn	Môi trường hóa chất khắc nghiệt
Dầu khí	Hệ thống đường ống	Độ bền, khả năng hàn	Ứng dụng chịu áp lực cao
Sản xuất điện	Bộ trao đổi nhiệt	Hiệu suất nhiệt độ cao	Hiệu suất nhiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:
* Thiết bị dược phẩm
* Máy chế biến thực phẩm
* Các công trình kiến ​​trúc tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt

316H được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng chống ăn mòn vượt trội và khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao, đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ trong môi trường khắc nghiệt.

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

Tính năng/Thuộc tính	316H	304	321	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	316H cung cấp hiệu suất nhiệt độ cao tốt hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Xuất sắc	Tốt	Xuất sắc	321 tốt hơn cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	316H cần được xử lý cẩn thận để tránh gây nhạy cảm
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	316H khó gia công hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao hơn	Thấp hơn	Cao hơn	Những cân nhắc về chi phí có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Vừa phải	304 thường có sẵn hơn

Khi lựa chọn 316H, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Hiệu suất cao trong môi trường ăn mòn và ở nhiệt độ cao khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên trong các ứng dụng quan trọng. Tuy nhiên, chi phí cao hơn và khả năng gia công thấp hơn so với các lựa chọn thay thế như 304 có thể ảnh hưởng đến quyết định, đặc biệt là trong các môi trường ít đòi hỏi hơn.

Tóm lại, thép không gỉ 316H là vật liệu đa năng và hiệu suất cao, vượt trội trong điều kiện khắc nghiệt, khiến nó trở nên không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp. Các đặc tính và khả năng độc đáo của nó đảm bảo cân nhắc cẩn thận trong quá trình lựa chọn vật liệu để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ tối ưu trong các ứng dụng.