Thép không gỉ 318 (Duplex): Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 318, còn được gọi là Thép không gỉ Duplex , là một hợp kim độc đáo kết hợp các đặc tính có lợi của cả thép không gỉ austenit và ferritic. Được phân loại là thép không gỉ duplex, nó thường chứa một cấu trúc vi mô cân bằng gồm khoảng 50% austenit và 50% ferit. Các nguyên tố hợp kim chính bao gồm crom (Cr), niken (Ni) và molypden (Mo), ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và hiệu suất tổng thể của nó.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ 318 đặc biệt được biết đến với độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Hợp kim này thường chứa khoảng 24% crom, 6% niken và 3% molypden, góp phần tạo nên hiệu suất mạnh mẽ trong môi trường khắc nghiệt. Cấu trúc vi mô hai pha cung cấp độ dẻo dai và độ dẻo dai được cải thiện so với thép không gỉ austenit truyền thống.

Thuận lợi:
- Khả năng chống ăn mòn: Khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường clorua.
- Độ bền cơ học: Độ bền kéo cao hơn so với thép austenit, cho phép chế tạo các mặt cắt mỏng hơn trong các ứng dụng kết cấu.
- Khả năng hàn: Khả năng hàn tốt với vật liệu hàn thích hợp, thích hợp cho việc chế tạo.

Hạn chế:
- Chi phí: Nói chung đắt hơn thép không gỉ austenit tiêu chuẩn do có chứa các thành phần hợp kim.
- Giòn ở nhiệt độ thấp: Có khả năng làm giảm độ dẻo dai trong các ứng dụng đông lạnh.
- Nhạy cảm với sự hình thành pha Sigma: Ở nhiệt độ cao, tiếp xúc kéo dài có thể dẫn đến sự hình thành pha sigma, có thể làm giòn hợp kim.

Theo truyền thống, thép không gỉ duplex như 318 được phát triển để khắc phục những hạn chế của các loại austenit và ferritic, đặc biệt là về độ bền và khả năng chống ăn mòn. Ngày nay, chúng chiếm một vị trí quan trọng trên thị trường, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp như dầu khí, chế biến hóa chất và ứng dụng hàng hải.

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	S31803	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với 318L
AISI/SAE	318	Hoa Kỳ	Những khác biệt nhỏ về thành phần cần lưu ý
Tiêu chuẩn ASTM	A240/A240M	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm, lá và dải thép không gỉ crom và crom-niken dùng cho bình chịu áp suất và các ứng dụng chung
VI	1.4462	Châu Âu	Tương đương châu Âu với các đặc tính tương tự
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS318	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật Bản

Sự khác biệt giữa các cấp tương đương có thể rất nhỏ nhưng đáng kể. Ví dụ, trong khi S31803 và 1.4462 có thành phần tương tự nhau, tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của chúng có thể thay đổi đôi chút do sự khác biệt trong quy trình sản xuất và xử lý nhiệt.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Crom (Cr)	24.0 - 26.0
Niken (Ni)	4,5 - 6,5
Molipđen (Mo)	2,5 - 3,5
Mangan (Mn)	0,5 - 1,5
Nitơ (N)	0,08 - 0,20
Cacbon (C)	≤ 0,03
Phốt pho (P)	≤ 0,03
Lưu huỳnh (S)	≤ 0,02

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 cải thiện hơn nữa khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở, đặc biệt là trong môi trường clorua. Nitơ được thêm vào để tăng cường độ và cải thiện khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	620 - 850MPa	90 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	450 - 650MPa	65 - 94 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	25-40%	25-40%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	85 - 95 HRB	85 - 95 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	-20°C	40 tháng	29,5 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao làm cho thép không gỉ 318 phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn về mặt cấu trúc dưới tải trọng cơ học. Độ giãn dài và độ bền va đập của nó cho thấy độ dẻo dai và độ bền tốt, cần thiết cho các điều kiện tải trọng động.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	-	7,8g/cm³	0,283 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Độ dẫn nhiệt	20 °C	15 W/m·K	86 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	20 °C	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	20 °C	0,72 µΩ·m	0,00000072Ω·m
Hệ số giãn nở nhiệt	20 - 100 °C	16,5 x 10⁻⁶ /K	9,2 x 10⁻⁶ /°F

Mật độ của thép không gỉ 318 cho thấy đây là vật liệu bền chắc, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng cho thấy nó có thể xử lý ứng suất nhiệt hiệu quả. Hệ số giãn nở nhiệt rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến biến động nhiệt độ, đảm bảo tính ổn định về kích thước.

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	Xuất sắc	Nguy cơ rỗ ở nồng độ cao
Axit sunfuric	10-30	20-40 °C / 68-104 °F	Tốt	Sức đề kháng hạn chế ở nhiệt độ cao
Axit clohydric	1-5	20-25 °C / 68-77 °F	Hội chợ	Không khuyến khích sử dụng ở nồng độ cao
Nước biển	-	Môi trường xung quanh	Xuất sắc	Khả năng chống ăn mòn của nước biển rất cao

Thép không gỉ 318 có khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều tác nhân ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường biển và các ứng dụng xử lý hóa chất. Hiệu suất chống lại clorua của nó rất đáng chú ý, khiến nó phù hợp cho các ứng dụng ngoài khơi và ven biển. Tuy nhiên, cần thận trọng trong môi trường có nồng độ axit sunfuric và axit clohydric cao, nơi các vật liệu thay thế có thể phù hợp hơn.

Khi so sánh với các loại thép không gỉ khác, chẳng hạn như 316L và 2205, 318 có khả năng chống rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất vượt trội, đặc biệt là trong môi trường giàu clorua. Tuy nhiên, 316L có thể hoạt động tốt hơn trong điều kiện có tính axit cao, trong khi 2205 có độ bền cao hơn.

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	Thích hợp để sử dụng liên tục ở nhiệt độ này
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	350 °C	662 °F	Có thể chịu đựng được phơi nhiễm trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	500 °C	932 °F	Khả năng chống biến dạng bắt đầu giảm ở nhiệt độ này

Ở nhiệt độ cao, Thép không gỉ 318 vẫn duy trì các đặc tính cơ học tốt, mặc dù tiếp xúc lâu dài có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và hình thành pha sigma, có thể làm giòn hợp kim. Điều cần thiết là phải xem xét môi trường dịch vụ và biến động nhiệt độ khi lựa chọn vật liệu này cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

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	ER318L	Khí Argon	Kết quả tốt với kỹ thuật phù hợp
MIG	ER318L	Hỗn hợp Argon/CO2	Thích hợp cho các phần dày hơn
SÚNG BẮN TỪ	E318-16	-	Yêu cầu làm nóng trước cho các phần dày hơn

Thép không gỉ 318 thường được coi là có khả năng hàn tốt, đặc biệt là với các kim loại phụ thích hợp. Có thể cần phải gia nhiệt trước cho các phần dày hơn để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính cơ học và giảm ứng suất dư.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ 318	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	40%	100%	Yêu cầu tốc độ cắt chậm hơn
Tốc độ cắt điển hình	20-30 m/phút	60-80 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Gia công thép không gỉ 318 có thể là một thách thức do độ bền và độ dẻo dai của nó. Nên sử dụng các công cụ thép tốc độ cao hoặc cacbua và duy trì tốc độ cắt thấp hơn để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

Thép không gỉ 318 có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, do độ bền của nó, nó có thể cần lực cao hơn so với các loại thép austenit. Vật liệu có thể được uốn cong và định hình bằng dụng cụ thích hợp, nhưng phải cẩn thận để tránh làm cứng khi gia công.

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	1020 - 1100 °C / 1868 - 2012 °F	30 phút	Không khí hoặc nước	Hòa tan cacbua và cải thiện độ dẻo
Giảm căng thẳng	300 - 600 °C / 572 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm ứng suất dư

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ dung dịch rất quan trọng để tối ưu hóa cấu trúc vi mô và tính chất của Thép không gỉ 318. Phương pháp xử lý này giúp hòa tan cacbua và tăng cường độ dẻo, giúp vật liệu phù hợp hơn để chế tạo.

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)
Dầu khí	Nền tảng ngoài khơi	Độ bền cao, chống ăn mòn	Cần thiết cho môi trường biển khắc nghiệt
Xử lý hóa học	Bể chứa	Khả năng chống chịu tuyệt vời với hóa chất mạnh	Đảm bảo độ bền và an toàn
Hàng hải	Đóng tàu	Khả năng chống ăn mòn của nước biển	Quan trọng đối với tính toàn vẹn của cấu trúc
Sản xuất điện	Bộ trao đổi nhiệt	Độ dẫn nhiệt tốt và khả năng chống ăn mòn	Truyền nhiệt hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Công nghiệp giấy và bột giấy: Được sử dụng trong quá trình tẩy trắng và thu hồi hóa chất.
- Chế biến thực phẩm: Thiết bị đòi hỏi tiêu chuẩn vệ sinh cao và khả năng chống ăn mòn.
- Dược phẩm: Thiết bị và hệ thống đường ống đòi hỏi độ sạch sẽ và khả năng chống ăn mòn tối quan trọng.

Việc lựa chọn thép không gỉ 318 cho các ứng dụng này chủ yếu là do các đặc tính cơ học vượt trội và khả năng chống ăn mòn, những yếu tố cần thiết để duy trì hiệu suất và độ an toàn trong môi trường đầy thách thức.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ 318	Thép không gỉ 316L	2205 Thép không gỉ Duplex	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Độ dẻo tốt	Sức mạnh cao hơn	318 mang lại sự cân bằng giữa sức mạnh và độ dẻo dai
Góc nhìn ăn mòn chính	Tuyệt vời trong clorua	Tốt trong axit	Tuyệt vời trong clorua	318 vượt trội hơn trong môi trường clorua
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	316L dễ hàn hơn
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	316L dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Vừa phải	316L cung cấp khả năng định hình tốt hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao hơn	Vừa phải	Cao hơn	Chi phí thay đổi theo nhu cầu thị trường
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Vừa phải	316L được dự trữ phổ biến hơn

Khi lựa chọn Thép không gỉ 318, những cân nhắc như hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể là rất quan trọng. Mặc dù có thể đắt hơn các loại austenitic tiêu chuẩn, nhưng hiệu suất vượt trội của nó trong môi trường ăn mòn thường biện minh cho khoản đầu tư. Ngoài ra, các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng thích hợp mà các vật liệu khác có thể không đáp ứng được.

Tóm lại, Thép không gỉ 318 là vật liệu đa năng và bền chắc, vượt trội trong nhiều ứng dụng đòi hỏi khắt khe, đặc biệt là trong môi trường mà khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học là tối quan trọng. Các đặc tính và ưu điểm độc đáo của nó khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên trong nhiều ngành công nghiệp, đảm bảo an toàn và tuổi thọ trong các ứng dụng quan trọng.