Thép không gỉ Duplex: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ Duplex là một loại thép không gỉ kết hợp các đặc tính có lợi của cả thép không gỉ austenit và ferritic. Sự kết hợp độc đáo này đạt được thông qua cấu trúc vi mô cân bằng, thường bao gồm khoảng 50% austenit và 50% ferit. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép không gỉ Duplex bao gồm crom, niken và molypden, ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cơ học và chống ăn mòn của nó.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ Duplex được phân loại là thép không gỉ austenit-ferritic, đặc trưng bởi độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và khả năng hàn tốt. Các nguyên tố hợp kim chính bao gồm:

• Crom (Cr) : Thường có nồng độ 18-30%, crom tăng cường khả năng chống ăn mòn và góp phần hình thành lớp oxit bảo vệ.
• Niken (Ni) : Thường có hàm lượng 4-8%, niken cải thiện độ dẻo dai và độ dai, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.
• Molypden (Mo) : Thường có hàm lượng 2-5%, molypden giúp tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở, đặc biệt là trong môi trường clorua.

Các đặc tính nổi bật của thép không gỉ hai pha bao gồm độ bền kéo cao, độ bền va đập tốt và khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất (SCC).

Thuận lợi:
- Độ bền cao : Thép không gỉ duplex có độ bền kéo cao hơn so với thép austenit và ferritic, cho phép tạo ra các mặt cắt mỏng hơn trong các ứng dụng.
- Khả năng chống ăn mòn : Khả năng chống ăn mòn cục bộ tuyệt vời, chẳng hạn như ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở.
- Hiệu quả về mặt chi phí : Hàm lượng niken thấp hơn so với thép austenit có thể làm giảm chi phí vật liệu.

Hạn chế:
- Khả năng hàn : Mặc dù nhìn chung là tốt, thép không gỉ duplex có thể khó hàn hơn thép austenit do có nguy cơ hình thành các pha có hại.
- Độ giòn : Ở một số nhiệt độ nhất định, đặc biệt là trong quá trình hàn, thép không gỉ hai pha có thể trở nên giòn nếu không được xử lý đúng cách.

Theo truyền thống, thép không gỉ hai pha được phát triển vào những năm 1930 và kể từ đó trở nên phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm dầu khí, chế biến hóa chất và các ứng dụng hàng hải, do sự kết hợp độc đáo các đặc tính của chúng.

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 EN 1.4462
Tiêu chuẩn ASTM	A240	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép không gỉ
VI	1.4462	Châu Âu	Loại song công thường dùng
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS329J3L	Nhật Bản	Tương tự như S31803 nhưng có sự khác biệt nhỏ về thành phần
ĐẠI HỌC	X2CrNiMoN22-5-3	Đức	Tương đương với S31803 tập trung cụ thể vào hàm lượng nitơ

Sự khác biệt giữa các loại này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, đặc biệt là về khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học. Ví dụ, trong khi S31803 và 1.4462 thường được coi là tương đương, sự thay đổi về hàm lượng nitơ có thể dẫn đến sự khác biệt về độ bền và độ dẻo dai.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cr (Crom)	18.0 - 28.0
Ni (Niken)	4,5 - 8,0
Mo (Molipden)	2.0 - 5.0
N (Nitơ)	0,08 - 0,20
C (Cacbon)	≤ 0,03
Si (Silic)	≤ 1.0
Mn (Mangan)	≤ 2.0
P (Phốt pho)	≤ 0,03
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,01

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép không gỉ hai pha bao gồm:
- Crom : Có khả năng chống ăn mòn và tăng cường hình thành lớp oxit bảo vệ.
- Niken : Cải thiện độ dẻo dai và độ dai, đặc biệt ở nhiệt độ thấp.
- Molypden : Tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở, đặc biệt là trong môi trường clorua.
- Nitơ : Tăng cường độ bền và cải thiện khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất.

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 - 850MPa	90 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	450 - 600MPa	65 - 87 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	25-40%	25-40%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	Nhiệt độ phòng	80 - 95 HRB	80 - 95 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Ủ	-20°C	50 - 100J	37 - 74 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép không gỉ hai pha đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao và khả năng chống chịu tải trọng cơ học, chẳng hạn như trong bình chịu áp suất và hệ thống đường ống.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,8g/cm³	0,283 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1350 - 1400 °C	2462 - 2552 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	15 W/m·K	87 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	500 J/kg·K	0,119 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,72 µΩ·m	0,0000013 Ω·ft
Hệ số giãn nở nhiệt	20 - 100 °C	16,0 x 10⁻⁶/K	8,9 x 10⁻⁶/°F

Ý nghĩa thực tiễn của các tính chất vật lý chính bao gồm:
- Mật độ : Ảnh hưởng đến cân nhắc về trọng lượng trong các ứng dụng kết cấu.
- Độ dẫn nhiệt : Quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến bộ trao đổi nhiệt.
- Nhiệt dung riêng : Ảnh hưởng đến việc quản lý nhiệt trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

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 / 68-140	Xuất sắc	Nguy cơ rỗ
Axit sunfuric	10-20	20-40 / 68-104	Tốt	Nguy cơ mắc SCC
Axit clohydric	5-10	20-40 / 68-104	Hội chợ	Không khuyến khích
Nước biển	-	20-40 / 68-104	Xuất sắc	Chống ăn mòn khe hở

Thép không gỉ Duplex có khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều môi trường ăn mòn khác nhau, đặc biệt là trong điều kiện giàu clorua, khiến nó phù hợp cho các ứng dụng hàng hải. Tuy nhiên, nó có thể dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong một số môi trường nhất định, đặc biệt là khi có clorua và ở nhiệt độ cao.

Khi so sánh với thép không gỉ austenit như 316L, thép không gỉ duplex có khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở tốt hơn, đồng thời cũng có độ bền cao hơn. Tuy nhiên, chúng có thể không hoạt động tốt bằng các loại ferritic trong môi trường khử.

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	572	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	350	662	Có thể chịu được tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600	1112	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	400	752	Bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ cao

Thép không gỉ hai pha vẫn duy trì các đặc tính cơ học tốt ở nhiệt độ cao, nhưng cần lưu ý tránh tiếp xúc lâu với nhiệt độ trên 300 °C (572 °F) để tránh bị oxy hóa và mất độ bền.

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	ER2209	Khí Argon	Tốt cho các phần mỏng
MIG	ER2209	Argon + CO2	Thích hợp cho các phần dày hơn
SÚNG BẮN TỪ	E2209	-	Yêu cầu làm nóng trước cho các phần dày

Thép không gỉ Duplex thường có thể hàn được bằng các kỹ thuật tiêu chuẩn, nhưng phải cẩn thận kiểm soát lượng nhiệt đầu vào để tránh hình thành các pha có hại. Có thể cần phải gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn để đảm bảo các đặc tính tối ưu.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ Duplex	Thép chuẩn (AISI 1212)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	20-30%	100%	Khó gia công hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	80-100 m/phút	Sử dụng công cụ cacbua

Khả năng gia công của thép không gỉ hai pha thấp hơn so với thép austenit, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các thông số về dụng cụ và cắt để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

Thép không gỉ Duplex có khả năng định hình ở mức trung bình. Có thể định hình nguội, nhưng phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức. Định hình nóng được ưu tiên cho các hình dạng phức tạp, với bán kính uốn cong được khuyến nghị lớn hơn so với các loại austenit để tránh nứt.

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 / 1868 - 2012	30 phút	Không khí hoặc nước	Sự hòa tan của chất kết tủa
Giảm căng thẳng	300 - 600 / 572 - 1112	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 hai pha. Các phương pháp xử lý này giúp hòa tan chất kết tủa và tăng cường khả năng chống ăn mòn.

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	Độ bền trong môi trường khắc nghiệt
Xử lý hóa học	Bể chứa	Khả năng chống rỗ và SCC	An toàn và tuổi thọ
Hàng hải	Đóng tàu	Khả năng chống ăn mòn trong nước biển	Tuổi thọ dịch vụ kéo dài
Sản xuất điện	Bộ trao đổi nhiệt	Độ bền và độ dẫn nhiệt cao	Hiệu quả truyền nhiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Hệ thống đường ống trong nhà máy hóa chất
- Bình chịu áp lực trong ngành công nghiệp hóa dầu
- Các thành phần trong nhà máy khử muối

Thép không gỉ hai lớp được lựa chọn cho các ứng dụng này vì sự kết hợp độc đáo giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và hiệu quả về chi phí, khiến nó trở nên lý tưởng cho các môi trường khắc nghiệt.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ Duplex	Lớp thay thế 1	Lớp thay thế 2	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	Duplex cung cấp tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng tốt hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng tuyệt vời	Sức đề kháng tốt	Sức đề kháng công bằng	Duplex vượt trội trong môi trường clorua
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Xuất sắc	Cần kiểm soát cẩn thận trong quá trình hàn
Khả năng gia công	Thấp hơn	Cao hơn	Vừa phải	Khó gia công hơn thép austenit
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp hơn	Cao hơn	Tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng hiệu suất cao
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Vừa phải	Tính khả dụng có thể thay đổi tùy theo khu vực

Khi lựa chọn thép không gỉ duplex, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng phải chú ý cẩn thận đến quy trình chế tạo để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Tóm lại, thép không gỉ hai pha là sự lựa chọn vật liệu linh hoạt và hiệu suất cao cho nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau, cân bằng giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và chi phí.