9 Thép Niken: Tính chất và Ứng dụng chính

Thép 9 Nickel , còn được gọi là thép 9Ni, là một loại thép hợp kim chuyên dụng chủ yếu được phân loại là thép hợp kim thấp. Nó chứa khoảng 9% niken làm nguyên tố hợp kim chính, giúp tăng đáng kể độ dẻo dai và đặc tính đông lạnh của nó. Loại thép này đặc biệt đáng chú ý vì khả năng duy trì độ bền và độ dẻo ở nhiệt độ thấp, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như lưu trữ và vận chuyển khí hóa lỏng đông lạnh.

Tổng quan toàn diện

Nguyên tố hợp kim chính trong Thép 9 Niken là niken, góp phần tạo nên độ dẻo dai tuyệt vời ở nhiệt độ thấp và khả năng chống gãy giòn. Việc bổ sung niken cũng cải thiện khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn tổng thể của thép. Các nguyên tố khác, chẳng hạn như mangan, silic và cacbon, có mặt với lượng nhỏ hơn, giúp tinh chỉnh thêm các đặc tính của thép.

Đặc điểm chính:
- Hiệu suất ở nhiệt độ thấp: Thép 9Ni thể hiện độ dẻo dai đáng kể ở nhiệt độ thấp tới -196°C (-321°F), khiến nó phù hợp cho các ứng dụng nhiệt độ thấp.
- Khả năng hàn: Thép có thể được hàn bằng các kỹ thuật tiêu chuẩn, điều này rất cần thiết khi xây dựng các công trình hoặc tàu thuyền lớn.
- Khả năng chống ăn mòn: Mặc dù không có khả năng chống ăn mòn như thép không gỉ, thép 9Ni vẫn hoạt động tốt trong nhiều môi trường, đặc biệt là khi được xử lý đúng cách.

Thuận lợi:
- Độ bền vượt trội ở nhiệt độ cực thấp.
- Khả năng hàn và tạo hình tốt.
- Thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là trong các cơ sở LNG (khí thiên nhiên hóa lỏng).

Hạn chế:
- Tính khả dụng hạn chế so với các loại thép thông dụng hơn.
- Chi phí cao hơn do có chứa niken.
- Cần xử lý và chế biến cẩn thận để tránh các vấn đề như giòn do hydro trong quá trình hàn.

Trong lịch sử, Thép Niken 9 đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ đông lạnh, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ và năng lượng, nơi nó được sử dụng trong việc xây dựng các bể chứa và đường ống dẫn khí hóa lỏng.

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	N08904	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với thép 9Ni với sự khác biệt nhỏ về thành phần.
Tiêu chuẩn ASTM	A353	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép hợp kim niken dùng trong môi trường nhiệt độ thấp.
VI	1.6368	Châu Âu	Cấp độ tương đương có tính chất tương tự.
Tiêu chuẩn Nhật Bản	G3115	Nhật Bản	Được sử dụng cho bình chịu áp suất, đặc tính độ bền tương tự.

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho Thép Niken 9. Đáng chú ý là trong khi các loại như UNS N08904 và ASTM A353 thường được coi là giá trị tương đương, chúng có thể có những thay đổi nhỏ về thành phần có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể, đặc biệt là trong môi trường đông lạnh.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,05 - 0,15
Mn (Mangan)	0,30 - 0,60
Si (Silic)	0,15 - 0,40
Ni (Niken)	8.0 - 10.0
Cr (Crom)	0,25 - 0,50
Mo (Molipden)	0,10 - 0,30
P (Phốt pho)	≤ 0,020
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,010

Vai trò chính của niken trong Thép 9 Niken là tăng cường độ dẻo dai và độ dẻo, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Mangan góp phần làm cứng và tăng độ bền, trong khi silic cải thiện quá trình khử oxy trong quá trình luyện thép. Crom và molypden cung cấp thêm độ bền và khả năng chống ăn mòn.

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	Ủ	Nhiệt độ phòng	620 - 690MPa	90 - 100 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	350 - 450MPa	50 - 65 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	20-30%	20-30%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	Nhiệt độ phòng	80 - 90 HRB	80 - 90 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Charpy V-notch	-196°C	40 - 60J	30 - 45 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Tính chất cơ học của Thép 9 Niken làm cho nó đặc biệt phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao dưới tải trọng cơ học. Khả năng chịu được ứng suất đáng kể mà không bị hỏng là rất quan trọng trong các ứng dụng kết cấu, đặc biệt là trong môi trường đông lạnh, nơi vật liệu phải chịu các điều kiện khắc nghiệt.

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	-	1450 - 1500 °C	2642 - 2732 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	30 W/m·K	20,9 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,7 µΩ·m	0,7 µΩ·trong

Mật độ và điểm nóng chảy của Thép Niken 9 cho thấy độ bền của nó, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của nó rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến biến động nhiệt độ. Điện trở suất tương đối thấp, có thể có lợi trong một số ứng dụng mà độ dẫn điện là một yếu tố.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20 - 60	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ.
Axit sunfuric	10 - 20	25 - 50	Nghèo	Không khuyến khích sử dụng ở nồng độ cao.
Nước biển	-	25 - 50	Tốt	Có sức đề kháng tốt và điều trị đúng cách.

Thép 9 Niken có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong môi trường clorua, nơi nó có thể dễ bị rỗ. Trong axit sunfuric, nó cho thấy khả năng chống chịu kém, khiến nó không phù hợp với các ứng dụng liên quan đến axit mạnh. So với thép không gỉ, thép 9Ni kém khả năng chống chịu với môi trường ăn mòn hơn, nhưng độ dẻo dai của nó ở nhiệt độ thấp thường vượt trội hơn giới hạn này trong các ứng dụng cụ thể.

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 tiếp xúc trong thời gian dài.
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400 °C	752 °F	Giới hạn phơi nhiễm ngắn hạn.
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá điểm này.

Ở nhiệt độ cao, Thép 9 Nickel vẫn giữ được các đặc tính cơ học của nó, nhưng tiếp xúc kéo dài trên 300 °C có thể dẫn đến đóng cặn và oxy hóa. Điều cần thiết là phải xem xét các giới hạn này trong các ứng dụng liên quan đến môi trường 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
SÚNG BẮN TỪ	E7018	Argon/CO2	Nên làm nóng trước.
GMAW	ER80S-Ni	Khí Argon	Thích hợp cho các phần mỏng.
GTAW	ERNi-1	Khí Argon	Tuyệt vời cho các ứng dụng quan trọng.

9 Thép Niken thường được coi là có thể hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn. Việc nung nóng trước thường được khuyến nghị để giảm thiểu nguy cơ nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường thêm các đặc tính của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	9 Thép Niken	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	Yêu cầu tốc độ cắt chậm hơn.
Tốc độ cắt điển hình	30 m/phút	50 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất.

Gia công thép 9 niken có thể là một thách thức do độ bền của nó. Nên sử dụng tốc độ cắt chậm hơn và dụng cụ chất lượng cao để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

9 Thép Niken có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức, có thể dẫn đến nứt. Cần cân nhắc bán kính uốn tối thiểu trong quá trình chế tạo để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc.

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
Ủ	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm ứng suất, tăng độ dẻo.
Chuẩn hóa	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Làm mịn cấu trúc hạt.
Làm nguội	900 - 1000 °C / 1652 - 1832 °F	30 phút - 1 giờ	Dầu/Nước	Tăng độ cứng.

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ và chuẩn hóa đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa cấu trúc vi mô của Thép Niken 9, tăng cường các tính chất cơ học và đảm bảo tính đồng nhất của toàn bộ 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	Bồn chứa nhiên liệu đông lạnh	Độ bền nhiệt độ thấp, khả năng hàn	Cần thiết cho sự an toàn và hiệu suất.
Năng lượng	Đường ống dẫn khí LNG	Độ bền cao, chống ăn mòn	Cần thiết cho việc vận chuyển khí hóa lỏng.
Hóa chất	Bình chịu áp suất	Độ dẻo dai, khả năng tạo hình	Cần thiết cho các ứng dụng áp suất cao.

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Bồn chứa khí hóa lỏng.
- Các thành phần trong hệ thống đông lạnh.
- Các thành phần cấu trúc trong môi trường nhiệt độ thấp.

Việc lựa chọn Thép Niken 9 cho các ứng dụng này chủ yếu là do độ bền vượt trội của nó ở nhiệt độ thấp, điều này rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn và an toàn của cấu trúc.

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

Tính năng/Thuộc tính	9 Thép Niken	Thép không gỉ AISI 304	Thép hợp kim AISI 4130	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Khả năng chống ăn mòn tốt	Độ bền cao	9Ni hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp, trong khi 304 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Xuất sắc	Tốt	9Ni có khả năng chống chịu môi trường ăn mòn kém hơn so với 304.
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Hội chợ	9Ni cần phải được làm nóng trước; 304 dễ hàn hơn.
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Tốt	9Ni cứng hơn, đòi hỏi tốc độ chậm hơn.
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Vừa phải	Có thể hình thành 9Ni nhưng cần phải cẩn thận để tránh nứt.
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao hơn	Vừa phải	Thấp hơn	Hàm lượng niken của 9Ni làm tăng chi phí.
Khả năng cung cấp điển hình	Giới hạn	Có sẵn rộng rãi	Có sẵn rộng rãi	Có thể khó tìm được 9Ni hơn.

Khi lựa chọn Thép Niken 9, cần cân nhắc đến các đặc tính độc đáo, tính khả dụng và hiệu quả về chi phí của nó. Mặc dù nó mang lại hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng đông lạnh, nhưng chi phí cao hơn và tính khả dụng hạn chế so với các loại phổ biến hơn có thể ảnh hưởng đến việc ra quyết định. Ngoài ra, các yêu cầu về an toàn và hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể sẽ hướng dẫn việc lựa chọn vật liệu, đảm bảo rằng loại thép được chọn đáp ứng mọi nhu cầu vận hành.