Thép không gỉ Super Duplex: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ Super Duplex là vật liệu hiệu suất cao 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 cấu trúc vi mô cân bằng gồm khoảng 50% austenit và 50% ferit, góp phần tạo nên độ bền và khả năng chống ăn mòn đặc biệt của nó. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép không gỉ super duplex bao gồm crom (Cr), niken (Ni), molypden (Mo) và nitơ (N), mỗi nguyên tố đều đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường các đặc tính của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ siêu duplex có đặc điểm là hàm lượng crom cao (thường vào khoảng 25%), có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường clorua. Việc bổ sung molypden (lên đến 7%) giúp tăng cường khả năng chống rỗ, trong khi nitơ cải thiện độ bền và khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất (SCC). Sự kết hợp độc đáo của các nguyên tố này tạo ra một vật liệu thể hiện các tính chất cơ học vượt trội, bao gồm độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ dẻo tốt.

Thuận lợi:
- Chống ăn mòn: Khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở tuyệt vời, lý tưởng cho những môi trường khắc nghiệt.
- Độ bền: Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, cho phép tạo ra các phần mỏng hơn trong các ứng dụng mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của cấu trúc.
- Tính linh hoạt: Thích hợp cho nhiều ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm dầu khí, chế biến hóa chất và môi trường biển.

Hạn chế:
- Chi phí: Nói chung đắt hơn thép không gỉ thông thường do có chứa các thành phần hợp kim.
- Khả năng hàn: Mặc dù có thể hàn được, nhưng cần kiểm soát cẩn thận lượng nhiệt đầu vào và vật liệu độn để tránh các vấn đề như nứt nóng.
- Tính khả dụng: Có thể không dễ dàng có được như các loại thép không gỉ thông dụng hơn.

Theo truyền thống, thép không gỉ siêu song công được ưa chuộng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi khả năng chống ăn mòn và độ bền tối ưu, đặc biệt là trong các ứng dụng dầu khí ngoài khơi.

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	S32750	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với EN 1.4410
Tiêu chuẩn ASTM	A890/A890M	Hoa Kỳ	Bao gồm nhiều loại duplex khác nhau
VI	1.4410	Châu Âu	Thường được sử dụng ở Châu Âu
Tiêu chuẩn Nhật Bản	G4305	Nhật Bản	Tính chất tương tự như UNS S32760
Tiêu chuẩn ISO	1.4462	Quốc tế	Tiêu chuẩn chung cho thép duplex

Sự khác biệt tinh tế giữa các loại này, chẳng hạn như sự thay đổi về hàm lượng nitơ hoặc các nguyên tố hợp kim cụ thể, có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của chúng trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi S32750 và S32760 thường được coi là tương đương, thì S32760 thường có hàm lượng molypden cao hơn, giúp tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Biểu tượng)	Phạm vi phần trăm (%)
Crom (Cr)	24.0 - 26.0
Niken (Ni)	6.0 - 8.0
Molipđen (Mo)	3.0 - 5.0
Nitơ (N)	0,1 - 0,3
Sắt (Fe)	Sự cân bằng

Vai trò chính của crom trong thép không gỉ siêu song công là tăng cường khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là chống rỗ và ăn mòn khe hở. Niken góp phần vào sự ổn định của pha austenit, cải thiện độ dẻo và độ dai. Molypden tăng cường khả năng chống ăn mòn cục bộ, trong khi nitơ tăng cường độ bền và 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 đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (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)	Ủ	28 - 32HRC	28 - 32HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	-20°C	50 - 100J	37 - 74 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao làm cho thép không gỉ siêu duplex phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tải trọng cơ học cao và tính toàn vẹn về mặt cấu trúc. Tỷ lệ giãn dài đáng chú ý của nó cho thấy độ dẻo tốt, cho phép biến dạng mà không bị gãy.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	-	7,8g/cm³	0,28 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1350 - 1400 °C	2462 - 2552 °F
Độ dẫn nhiệt	20°C	14 W/m·K	81,0 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	20°C	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	20°C	0,7 µΩ·m	0,7 µΩ·trong
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 siêu duplex góp phần tạo nên độ bền của nó, trong khi điểm nóng chảy tương đối cao của nó cho phép sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến trao đổi nhiệt, đảm bảo quản lý nhiệt hiệu quả.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20-60	Xuất sắc	Nguy cơ rỗ ở nồng độ cao hơn
Axit sunfuric	10-30	20-40	Tốt	Sức đề kháng hạn chế ở nhiệt độ cao
Axit clohydric	5-20	20-40	Hội chợ	Không khuyến khích sử dụng trong thời gian dài
Nước biển	-	Môi trường xung quanh	Xuất sắc	Thích hợp cho các ứng dụng hàng hải

Thép không gỉ siêu 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 trở nên lý tưởng cho các ứng dụng ngoài khơi và hàng hải. Tuy nhiên, nó dễ bị ăn mòn cục bộ trong môi trường có tính axit cao, đặc biệt là với axit sunfuric và axit clohydric.

So sánh mà nói, thép không gỉ siêu duplex vượt trội hơn thép không gỉ austenit tiêu chuẩn (như 316L) về khả năng chống rỗ và độ bền, đồng thời cũng có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép không gỉ ferritic (như 430) trong môi trường clorua.

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	Trên mức này, quá trình oxy hóa có thể xảy ra
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	350	662	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600	1112	Nguy cơ tăng nhiệt độ trên mức nhiệt độ này

Ở nhiệt độ cao, thép không gỉ siêu duplex vẫn giữ được độ bền và khả năng chống ăn mòn, mặc dù tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 300°C có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và giảm tính chất cơ học. Việc cân nhắc cẩn thận nhiệt độ sử dụng là điều cần thiết trong thiết kế để tránh bị xuống cấp.

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	ER2594	Khí Argon	Có thể cần phải làm nóng trước
MIG	ER2594	Argon + 2% Oxy	Kiểm soát nhiệt lượng đầu vào để tránh nứt
SÚNG BẮN TỪ	E2594	-	Thích hợp cho các ứng dụng thực địa

Thép không gỉ siêu duplex có thể hàn được, nhưng cần vật liệu độn đặc biệt và kiểm soát cẩn thận lượng nhiệt đầu vào để tránh các vấn đề như nứt nóng. Có thể cần phải làm nóng trước để giảm thiểu ứng suất nhiệt trong quá trình hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ Super Duplex	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	20%	100%	Yêu cầu dụng cụ tốc độ cao
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	80-120 m/phút	Sử dụng các công cụ sắc bén và chất làm mát

Gia công thép không gỉ siêu duplex có thể là một thách thức do đặc tính chịu lực và làm cứng cao của nó. Các điều kiện tối ưu bao gồm sử dụng dụng cụ tốc độ cao và làm mát đầy đủ để tránh quá nhiệt.

Khả năng định hình

Thép không gỉ siêu 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 thép không gỉ tiêu chuẩn 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	Hòa tan chất kết tủa, cấu trúc vi mô đồng nhất
Lão hóa	800 - 900 / 1472 - 1652	1 - 2 giờ	Không khí	Cải thiện sức mạnh và độ cứng

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ dung dịch rất quan trọng để đạt được cấu trúc vi mô và tính chất mong muốn trong thép không gỉ siêu song công. Phương pháp xử lý này hòa tan các chất kết tủa và thúc đẩy cấu trúc austenit-ferritic cân bằng, tăng cường khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học.

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
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 lại các hóa chất mạnh	An toàn và tuổi thọ
Hàng hải	Đóng tàu	Độ bền, khả năng chống rỗ	Hiệu suất trong nước biển
Sản xuất điện	Bộ trao đổi nhiệt	Độ dẫn nhiệt, khả năng chống ăn mòn	Hiệu quả và độ tin cậy

Các ứng dụng khác bao gồm:
* - Nhà máy khử muối
* - Thiết bị dược phẩm
* - Máy chế biến thực phẩm

Thép không gỉ siêu kép được lựa chọn cho các ứng dụng này vì sự kết hợp đặc biệt giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và độ bền chắc, đảm bảo tuổi thọ cao và giảm chi phí bảo trì.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ Super Duplex	AISI316L	Inconel 625	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Vừa phải	Cao	Siêu song lập mang lại sự cân bằng giữa sức mạnh và chi phí
Góc nhìn ăn mòn chính	Tuyệt vời trong clorua	Tốt	Xuất sắc	Inconel có khả năng chống chịu tốt hơn nhưng giá thành cao hơn
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	Siêu song công đòi hỏi kỹ thuật hàn cẩn thận
Khả năng gia công	Thách thức	Tốt	Vừa phải	Yêu cầu dụng cụ và kỹ thuật chuyên dụng
Khả năng định hình	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	Super duplex ít có khả năng định hình hơn các loại austenit
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp	Cao	Tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng hiệu suất cao
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Thấp	Siêu song công ít phổ biến hơn các loại tiêu chuẩn

Khi lựa chọn thép không gỉ siêu duplex, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Mặc dù thép này có hiệu suất vượt trội trong môi trường ăn mòn, nhưng chi phí cao hơn so với các loại thép tiêu chuẩn có thể là một yếu tố trong quá trình ra quyết định. Ngoài ra, các đặc tính độc đáo của thép này khiến thép này phù hợp với các ứng dụng chuyên biệt, nơi mà độ bền và khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng.