Thép không gỉ hợp kim 20: Tính chất và ứng dụng chính

Hợp kim 20, còn được gọi là Carpenter 20 hoặc UNS N08020, là hợp kim niken-crom-molypden được thiết kế để có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường axit sunfuric. Nó được phân loại là thép không gỉ austenit, đặc trưng bởi hàm lượng niken cao, giúp tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở. Các nguyên tố hợp kim chính bao gồm niken (Ni), crom (Cr) và molypden (Mo), mỗi nguyên tố góp phần vào hiệu suất và độ bền tổng thể của hợp kim.

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 20 chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng mà khả năng chống chịu với môi trường ăn mòn là rất quan trọng. Thành phần của nó thường bao gồm khoảng 20% ​​niken, 20% crom và 2-3% molypden, giúp tăng cường khả năng chống chịu với nhiều tác nhân ăn mòn, đặc biệt là axit sunfuric. Hàm lượng niken cao giúp ổn định cấu trúc austenit, đảm bảo độ dẻo và độ bền tốt, trong khi crom cung cấp khả năng chống oxy hóa và molypden cải thiện khả năng chống rỗ.

Thuận lợi:
- Khả năng chống ăn mòn: Khả năng chống axit sunfuric và các môi trường ăn mòn khác cực tốt.
- Độ dẻo và độ bền: Giữ nguyên các tính chất cơ học tốt ngay cả ở nhiệt độ thấp.
- Khả năng hàn: Thích hợp cho nhiều quy trình hàn khác nhau mà không có nguy cơ nứt đáng kể.

Hạn chế:
- Chi phí: Hàm lượng niken cao hơn dẫn đến chi phí vật liệu tăng so với thép không gỉ tiêu chuẩn.
- Làm cứng bằng phương pháp gia công: Có thể gặp khó khăn khi gia công do đặc tính làm cứng bằng phương pháp gia công.

Hợp kim 20 có sự hiện diện đáng kể trên thị trường trong các ngành công nghiệp như chế biến hóa chất, dược phẩm và sản xuất thực phẩm, nơi khả năng chống ăn mòn của nó là tối quan trọng. Theo truyền thống, nó là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng liên quan đến hóa chất mạnh, khiến nó trở thành mặt hàng chủ lực trong lĩnh vực khoa học vật liệu.

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	N08020	Hoa Kỳ	Gần giống nhất với AISI 316L nhưng có khả năng chống axit sunfuric tốt hơn.
Tiêu chuẩn ASTM	A387 Lớp 20	Hoa Kỳ	Được sử dụng cho bình chịu áp suất trong môi trường ăn mòn.
VI	2.4660	Châu Âu	Tính chất tương tự nhưng có thể có sự khác biệt nhỏ về thành phần.
Tiêu chuẩn Nhật Bản	G4305	Nhật Bản	Tương đương với SUS 316L nhưng có khả năng chống ăn mòn tốt hơn.

Sự khác biệt giữa Alloy 20 và các loại tương đương thường nằm ở thành phần cụ thể và hiệu suất kết quả trong các môi trường cụ thể. Ví dụ, trong khi AISI 316L có khả năng chống ăn mòn tốt, Alloy 20 được thiết kế riêng để có hiệu suất vượt trội trong axit sunfuric, khiến nó trở thành lựa chọn tốt hơn cho một số ứng dụng nhất định.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Biểu tượng)	Phạm vi phần trăm (%)
Niken (Ni)	19.0 - 21.0
Crom (Cr)	19.0 - 21.0
Molipđen (Mo)	2.0 - 3.0
Sắt (Fe)	Sự cân bằng
Cacbon (C)	≤ 0,03
Mangan (Mn)	≤ 2.0
Silic (Si)	≤ 1.0
Phốt pho (P)	≤ 0,045
Lưu huỳnh (S)	≤ 0,030

Vai trò chính của niken trong Hợp kim 20 là tăng cường khả năng chống ăn mòn và ổn định cấu trúc austenit, trong khi crom góp phần chống oxy hóa. Molypden đặc biệt hiệu quả trong việc cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở, giúp Hợp kim 20 phù hợp với môi trường hóa chất khắc nghiệt.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham khảo
Độ bền kéo	Ủ	620 - 750MPa	90 - 110 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	310 - 450MPa	45 - 65 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	40 - 50%	40 - 50%	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	30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ giãn dài tốt, khiến Alloy 20 phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi cả độ bền và độ dẻo. Độ bền va đập ở nhiệt độ thấp đảm bảo độ tin cậy trong môi trường lạnh, khiến nó trở thành lựa chọn linh hoạt cho nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau.

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	-	1370 - 1400 °C	2500 - 2550 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	14 W/m·K	81 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	0,7 µΩ·m	0,7 µΩ·trong

Mật độ của hợp kim 20 cho thấy khối lượng đáng kể của nó, có lợi trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền. Độ dẫn nhiệt của nó ở mức trung bình, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng nhiệt mà không bị mất nhiệt quá mức. Nhiệt dung riêng cho thấy nó có thể hấp thụ nhiệt đáng kể mà không có sự thay đổi nhiệt độ đột ngột, có lợi trong môi trường xử lý nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Axit sunfuric	0-98	20 - 60	Xuất sắc	Độ bền cao, ít bị rỗ.
Clorua	0 - 10	20 - 50	Tốt	Nguy cơ rỗ ở nồng độ cao hơn.
Axit axetic	0 - 100	20 - 80	Tốt	Nhìn chung có khả năng kháng bệnh, nhưng cần thận trọng ở nhiệt độ cao.
Nước biển	-	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Dễ bị ăn mòn cục bộ.

Hợp kim 20 có khả năng chống axit sunfuric đặc biệt, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng xử lý hóa học. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù nó hoạt động tốt trong nhiều môi trường, nhưng nó có thể dễ bị ăn mòn cục bộ trong môi trường giàu clorua, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. So với các loại như AISI 316L, Hợp kim 20 có hiệu suất vượt trội trong điều kiện axit nhưng có thể không hiệu quả trong môi trường kiềm.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	400 °C	752 °F	Thích hợp để sử dụng liên tục ở nhiệt độ này.
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	450 °C	842 °F	Có thể chịu được nhiệt độ cao liên tục.
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ đóng cặn ở nhiệt độ cao hơn mức này.

Ở nhiệt độ cao, Hợp kim 20 vẫn giữ được tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn, phù hợp với các ứng dụng liên quan đến nhiệt. Tuy nhiên, cần lưu ý tránh tiếp xúc lâu với nhiệt độ trên 400 °C vì điều này có thể dẫn đến đóng cặn và suy giảm tính chất.

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	ERNiCr-3	Khí Argon	Thích hợp cho các phần mỏng.
MIG	ERNiCrMo-3	Argon + CO2	Thích hợp cho các phần dày hơn.
SÚNG BẮN TỪ	E NiCrFe-3	-	Thích hợp cho các ứng dụng thực tế.

Hợp kim 20 có khả năng hàn cao, với nguy cơ nứt tối thiểu trong quá trình hàn. Nhìn chung không cần phải nung nóng trước, nhưng xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính của mối hàn. Cần cẩn thận khi lựa chọn kim loại hàn phù hợp để đảm bảo khả năng tương thích và hiệu suất.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Hợp kim 20	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	30%	100%	Hợp kim 20 khó gia công hơn.
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	60 m/phút	Sử dụng các dụng cụ sắc bén và nguồn cấp dữ liệu phù hợp.

Gia công hợp kim 20 có thể khó khăn hơn gia công thép cacbon do đặc tính làm cứng của nó. Nên sử dụng các công cụ sắc bén và tốc độ cắt phù hợp để giảm thiểu hao mòn công cụ và đạt được bề mặt hoàn thiện mong muốn.

Khả năng định hình

Hợp kim 20 có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Có thể uốn cong và định hình mà không có nguy cơ nứt đáng kể, mặc dù cần phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức. Bán kính uốn cong được khuyến nghị phải được tuân thủ, đặc biệt là trong các ứng dụng định hình nguội.

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	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	30 phút	Không khí	Hòa tan cacbua, tăng khả năng chống ăn mòn.
Giảm căng thẳng	400 - 600 °C / 752 - 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 của Hợp kim 20. Quy trình này giúp hòa tan cacbua và tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong môi trường khắc nghiệt.

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
Xử lý hóa học	Bồn chứa axit sunfuric	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Cần thiết để xử lý hóa chất mạnh.
Dược phẩm	Thiết bị sản xuất thuốc	Khả năng vệ sinh, chống ăn mòn	Đảm bảo độ tinh khiết và an toàn của sản phẩm.
Chế biến thực phẩm	Thiết bị chế biến	Chống ăn mòn, vệ sinh	Đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về sức khỏe.

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Dầu khí: Các thành phần tiếp xúc với môi trường ăn mòn.
- Bột giấy và giấy: Thiết bị xử lý quá trình nghiền bột giấy có tính axit.
- Ứng dụng trong hàng hải: Các thành phần trong môi trường nước biển.

Hợp kim 20 được chọn cho các ứng dụng này do khả năng chống ăn mòn vượt trội, đặc biệt là trong môi trường mà các loại thép không gỉ khác có thể bị hỏng.

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

Tính năng/Thuộc tính	Hợp kim 20	AISI316L	Hastelloy C-276	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	Hợp kim 20 mang lại sự cân bằng giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn.
Góc nhìn ăn mòn chính	Tuyệt vời trong axit	Tốt nói chung	Tuyệt vời trong môi trường khắc nghiệt	Hợp kim 20 có khả năng chịu axit sunfuric tốt hơn, trong khi Hastelloy lại tốt hơn trong điều kiện khắc nghiệt.
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	Hợp kim 20 thích hợp cho nhiều quy trình hàn khác nhau.
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Nghèo	Hợp kim 20 khó gia công hơn so với 316L.
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao	Vừa phải	Rất cao	Cân nhắc về chi phí là điều cần thiết khi lập ngân sách dự án.
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Thấp	Hợp kim 20 có thể có thời gian hoàn thành lâu hơn so với 316L.

Khi lựa chọn Alloy 20, các cân nhắc như chi phí, tính khả dụng và yêu cầu ứng dụng cụ thể là rất quan trọng. Các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng chuyên biệt, đặc biệt là trong môi trường ăn mòn, trong khi chi phí cao hơn so với thép không gỉ tiêu chuẩn phải được biện minh bằng nhu cầu hiệu suất.

Tóm lại, Alloy 20 là vật liệu đa năng và hiệu quả cao cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống ăn mòn đặc biệt, đặc biệt là trong môi trường axit sunfuric. Các đặc tính cơ học, khả năng hàn và khả năng tạo hình của nó khiến nó trở thành lựa chọn ưa thích trong nhiều ngành công nghiệp, mặc dù chi phí cao hơn và thách thức về gia công.