Thép không gỉ 317L và 316L: Khi thêm Molypden tạo nên sự khác biệt về khả năng chống rỗ

thép 316Llà loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi nhất trong dịch vụ ăn mòn và vì lý do chính đáng: nó hàn dễ dàng, chống ăn mòn nói chung và chi phí thấp hơn hầu hết các hợp kim cao hơn. Tuy nhiên, có một dạng lỗi trong đó 316L lặng lẽ cho phép các kỹ sư giảm bớt - sự ăn mòn rỗ trong môi trường giàu clorua-. Nước biển, nước làm mát nước lợ, muối đường, nước muối chế biến và thậm chí cả độ ẩm ven biển đều có thể khiến 316L phát triển các hố sâu, nhỏ xuyên qua tường kim loại và gây rò rỉ - thường không có cảnh báo rõ ràng.

317L tồn tại chính xác cho tình huống này. Toàn bộ sự khác biệt giữa 316L và 317L nằm ở một nguyên tố duy nhất: molypden. 316L chứa 2-3% molypden; 317L chứa 3-4%. Lượng molypden bổ sung 1% đó, kết hợp với lượng crom nhiều hơn một chút (18-20% so với 16-18%), làm tăng khả năng chống rỗ của hợp kim lên khoảng 25% - đủ để tạo nên sự khác biệt giữa một bộ trao đổi nhiệt có tuổi thọ 3 năm và một bộ có tuổi thọ 15 năm. Chữ "L" trong cả hai loại có nghĩa là "Carbon thấp" (Nhỏ hơn hoặc bằng 0,03%), vì vậy cả hai đều hàn sạch mà không gây mẫn cảm.

Nếu thành phần 316L của bạn nhìn thấy các ion clorua (Cl⁻) -, đặc biệt là clorua ấm hoặc có tính axit - và rỗ là chế độ hỏng hóc mà bạn lo lắng, hãy nâng cấp lên 317L. Khoản phí bảo hiểm 15-30% giúp bạn tăng khả năng chống rỗ thêm khoảng 25%, đây là mức bảo hiểm rẻ tiền chống lại hư hỏng do rỗ ​​clorua. Nếu môi trường không có clorua thì 316L thường là đủ và tiết kiệm hơn. Tóm lại: 316L là mặc định, 317L là bản nâng cấp clorua.

Thành phần hóa học

316L và 317L có chung bazơ austenit và cùng một lượng carbon cực thấp (Nhỏ hơn hoặc bằng 0,03%), nhưng khác nhau ở ba nguyên tố hợp kim: molypden (2-3% so với 3-4%), crom (16-18% so với 18-20%) và niken (10-14% so với 11-15%). Lượng molypden bổ sung chính là sự khác biệt mang tính quyết định - nó là nguyên tố chống lại sự ăn mòn rỗ và kẽ hở trong môi trường clorua. Mọi thứ khác về hai lớp về cơ bản là giống nhau.

Cả hai loại đều thuộc họ thép không gỉ austenit dòng 300{17}}và có hậu tố "L", nghĩa là "Carbon thấp" (Nhỏ hơn hoặc bằng 0,03%) để có khả năng chống nhạy cảm mối hàn tối đa. Molypden là nguyên tố hợp kim xác định giúp phân biệt họ 316/317 với 304 trơn. Trong 316L, molypden dao động từ 2% đến 3%. Trong 317L, nó dao động từ 3% đến 4%. Đây là một bước nhảy vọt có ý nghĩa: molypden đắt tiền và mạnh mẽ, và việc tăng từ ~2,5% lên ~3,5% molypden là thứ biến 316L thành hợp kim "cấp hàng hải".

Tại sao Molypden có khả năng chống rỗ - Khoa học bằng ngôn ngữ đơn giản

Molypden chống rỗ vì nó làm cho màng oxit crom bảo vệ trên bề mặt thép bền hơn và có khả năng tự sửa chữa tốt hơn. Khi ion clorua tấn công vào điểm yếu trên màng, molypden trong hợp kim sẽ phản ứng với nước tạo thành molybdat, chất này sẽ- vá lại màng bị hỏng. Nhiều molypden hơn=nhanh hơn và tự sửa chữa-hoàn chỉnh hơn=ít vết rỗ phát triển thành rò rỉ hơn. Đây chính là lý do tại sao khả năng chống rỗ của vảy thép không gỉ gần như trực tiếp với hàm lượng molypden.

Thép không gỉ chống ăn mòn nhờ một lớp màng crom oxit (Cr₂O₃) vô hình, tự phục hồi hình thành trên bề mặt khi có oxy. Lớp màng này chỉ dày vài nanomet - mỏng hơn hàng nghìn lần so với sợi tóc người - nhưng nó lại là thứ khiến thép không gỉ trở thành "không gỉ". Vấn đề là các ion clorua là những chất phá vỡ-màng mạnh. Ion clorua có thể xuyên qua màng oxit tại một điểm yếu cực nhỏ (bao gồm sunfua, vết xước, ranh giới hạt) và tấn công kim loại trần bên dưới.

Khi hố bắt đầu hoạt động, nó sẽ tự-tăng tốc: bên trong hố trở nên có tính axit và thiếu oxy-, khiến màng không-hình thành lại, trong khi kim loại xung quanh vẫn thụ động. Điều này tạo ra một tế bào điện cực nhỏ - một cục pin thu nhỏ - trong đó phần bên trong hố là cực dương (bị ăn mòn nhanh chóng) và bề mặt xung quanh là cực âm (được bảo vệ). Kết quả là tạo ra một lỗ hẹp, sâu có thể xuyên qua toàn bộ độ dày của tường trong khi phần còn lại của bề mặt trông vẫn nguyên vẹn. Rỗ rỗ chính xác là nguy hiểm vì nó mang tính cục bộ: một đường ống có thể mất 0,01% tổng trọng lượng do bị ăn mòn nhưng lại hỏng hoàn toàn chỉ từ một-hố xuyên tường.

Molypden làm gián đoạn quá trình này. Molypden trong hợp kim hòa tan vào dung dịch rỗ và giúp-làm thụ động lại bề mặt kim loại, tạo thành các hợp chất molybdate ngăn cản sự tấn công và cho phép màng oxit tái-hình thành. Lượng molypden cao hơn có nghĩa là hợp kim có thể sửa chữa những hư hỏng của màng nhanh hơn clorua có thể phá vỡ nó. Đây là lý do tại sao 317L, với ~3,5% molypden, chống rỗ tốt hơn đáng kể so với 316L với ~2,5%.

PREN - Con số định lượng khả năng chống rỗ

PREN (Số tương đương với khả năng chống rỗ) là cách tiêu chuẩn để xếp hạng thép không gỉ về khả năng chống rỗ: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. 316L có PREN xấp xỉ 24-26; 317L có PREN khoảng 29-31. Khoảng cách 5 điểm đó thể hiện sự cải thiện thực sự, có thể đo lường được về khả năng chống rỗ clorua - và gần như hoàn toàn là do có thêm 1% molypden.

Công thức PREN là một công cụ sàng lọc nhanh, không phải là sự đảm bảo. Nó cho bạn biết, bằng một con số duy nhất, liệu một loại có phải là ứng cử viên hợp lý cho môi trường clorua nhất định hay không. Theo nguyên tắc chung: PREN dưới 20 không phù hợp với bất kỳ mức phơi nhiễm clorua đáng kể nào; PREN 20{11}}30 xử lý clorua nhẹ đến trung bình (nước lợ, nước biển nhẹ); PREN 30-40 xử lý clorua mạnh (ngâm trong nước biển, nước muối ấm); PREN trên 40 là cần thiết cho các dịch vụ khắc nghiệt (nước biển nóng, thuốc tẩy, clorua axit). Lưu ý vị trí 316L và 317L giảm: 316L nằm gần cuối dải "vừa phải", trong khi 317L đạt đến đỉnh của dải đó - một bước tiến có ý nghĩa, mặc dù vẫn ở dưới mức hợp kim thực sự dành cho nước biển.

Chống ăn mòn

Trong môi trường-chứa clorua, 317L có khả năng chống ăn mòn rỗ và kẽ hở rõ ràng hơn 316L. Nhiệt độ rỗ tới hạn (CPT) của 317L là khoảng 25-35 độ, so với 15-20 độ đối với 316L - nghĩa là 317L có thể chịu được dung dịch clorua nóng hơn 10-15 độ trước khi bắt đầu rỗ. Đối với sự ăn mòn kẽ hở, khe hở cũng tương tự: 317L tồn tại trong điều kiện clorua sẽ nhanh chóng ăn mòn kẽ hở 316L, đặc biệt là dưới các miếng đệm, cặn và ốc vít.

Ăn mòn rỗ là sự tấn công cục bộ tạo ra các lỗ nhỏ, sâu trên bề mặt nhẵn. Ăn mòn kẽ hở là họ hàng gần gũi của nó: sự tấn công xảy ra ở những khoảng trống chật hẹp - dưới miếng đệm, vòng đệm, đầu bu lông, vết hàn, sinh vật biển hoặc cặn tích lũy - nơi môi trường trở nên ứ đọng, oxy-cạn kiệt và bị axit hóa. Ăn mòn kẽ hở thường mạnh hơn rỗ vì hình dạng kẽ hở giữ lại clorua và axit đồng thời loại bỏ lượng oxy cần thiết để sửa chữa màng bảo vệ.

Cả hai chế độ hư hỏng đều được đặc trưng bởi nhiệt độ tới hạn: dưới CPT (nhiệt độ rỗ tới hạn) hoặc CCT (nhiệt độ kẽ hở tới hạn), hợp kim chống lại sự tấn công; phía trên nó, cuộc tấn công bắt đầu và lan truyền. Những nhiệt độ này được đo bằng các thử nghiệm tiêu chuẩn hóa (ASTM G48) trong dung dịch clorua sắt. CPT của 316L thường ở khoảng 15-20 độ, trong khi 317L kiểm tra khoảng 25-35 độ. Sự chênh lệch 10-15 độ đó rất có ý nghĩa trong thực tế: đó là sự khác biệt giữa một bộ trao đổi nhiệt tồn tại được trong nước biển nhiệt đới và một bộ trao đổi nhiệt bị hỏng trong vòng vài tháng.

Axit sunfuric và photphoric - Ưu điểm khác của 317L

Ngoài rỗ, 317L còn vượt trội hơn 316L trong việc khử axit - đặc biệt là axit sunfuric và photphoric - vì hàm lượng molypden, crom và niken cao hơn của nó cải thiện khả năng chống lại các điều kiện khử (thiếu oxy{4}} được tìm thấy bên trong các axit này. Đây là lý do tại sao 317L là vật liệu truyền thống cho thiết bị bay hơi axit photphoric, xử lý axit béo và xử lý axit sunfuric trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm.

Đây là một điểm quan trọng mà nhiều kỹ sư bỏ qua: 317L không chỉ là "316L-chống rỗ tốt hơn" - mà còn có khả năng chống lại một số axit nhất định tốt hơn. Axit sulfuric (H₂SO₄) và axit photphoric (H₃PO₄) là các axit khử, nghĩa là chúng tấn công kim loại nơi khan hiếm oxy - bên trong chính axit - thay vì ở bề mặt giàu oxy-. Crom cao hơn (18-20%), molypden (3-4%) và niken (11-15%) trong 317L mang lại khả năng chống chịu các điều kiện khử này tốt hơn so với 316L.

Ví dụ kinh điển là sản xuất và bay hơi axit photphoric. Axit photphoric-quy trình ướt có chứa clorua và florua sẽ tạo thành hố 316L, vì vậy 317L là vật liệu tiêu chuẩn cho ống bay hơi, máy sưởi và máy bơm trong dịch vụ này. Tương tự, trong chế biến axit béo (dầu ăn, xà phòng, chất tẩy rửa), 317L chịu được điều kiện axit nóng tốt hơn 316L. Nếu ứng dụng của bạn liên quan đến axit sunfuric hoặc photphoric - ngay cả ở nồng độ khiêm tốn thì - 317L là lựa chọn an toàn hơn.

Ăn mòn chung

Đối với sự ăn mòn chung (đồng đều) trong môi trường không có clorua, không có axit -có tính axit -, tiếp xúc với khí quyển, nước ngọt, axit hữu cơ nhẹ trong thực phẩm - 316L và 317L hoạt động về cơ bản giống nhau, vì khả năng chống ăn mòn nói chung bị chi phối chủ yếu bởi hàm lượng crom gần giống nhau ở cả hai cấp. Giá cao hơn cho 317L chẳng mang lại lợi ích gì cho bạn trong những môi trường ôn hòa này, đó là lý do tại sao 316L vẫn là lựa chọn mặc định tiết kiệm cho dịch vụ ăn mòn-có mục đích chung.

Đây là điểm đối lập quan trọng với lợi thế của 317L: nó không tốt hơn về mặt tổng thể. Trong môi trường không có clorua hoặc axit khử, lượng molypden bổ sung trong 317L sẽ bị lãng phí và bạn đang phải trả thêm 15-30% cho khả năng chống ăn mòn mà bạn sẽ không bao giờ sử dụng. Để chế biến thực phẩm không dùng nước muối, thiết bị dược phẩm, ứng dụng kiến ​​trúc và xử lý hóa chất nói chung không chứa clorua, 316L là sự lựa chọn chính xác và tiết kiệm. Kỹ năng lựa chọn vật liệu là biết khi nào mối đe dọa clorua hoặc axit là thực sự đủ để biện minh cho việc nâng cấp 317L.

Tính chất cơ học

317L mạnh hơn một chút so với 316L ở nhiệt độ phòng: độ bền kéo tối thiểu của nó là 515 MPa (75 ksi) so với 485 MPa (70 ksi) đối với 316L và cường độ chảy tối thiểu của nó là 205 MPa (30 ksi) so với 170 MPa (25 ksi). Lợi thế về độ bền 6{13}}20% này đến từ hàm lượng crom, molypden và nitơ cao hơn - nhưng đó chỉ là một yếu tố phụ chứ không phải lý do để chọn 317L. Quyết định sử dụng 317L được thúc đẩy bởi khả năng chống ăn mòn chứ không phải độ bền.

Khả năng định dạng và khả năng làm việc

Cả hai loại đều là austenit hoàn toàn và có khả năng tạo hình cao, có thể hàn và dẻo. 317L khó gia công nguội-so với 316L một chút vì hàm lượng hợp kim cao hơn (nó hoạt động-cứng nhanh hơn một chút), nhưng sự khác biệt là không đáng kể trong thực tế. Về gia công, cả hai loại đều tương tự nhau, mặc dù hàm lượng hợp kim cao hơn của 317L làm giảm khả năng gia công một chút. Cả hai loại đều không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt - chúng chỉ được làm cứng bằng cách gia công nguội.

Một lưu ý thiết thực dành cho các nhà chế tạo: vì 317L chứa nhiều molypden, crom và niken hơn nên nó hoạt động-đông cứng nhanh hơn một chút so với 316L trong quá trình tạo hình và gia công nguội. Điều này có nghĩa là có thể cần phải thay dao thường xuyên hơn một chút và có thể cần bán kính uốn lớn hơn một chút. Tuy nhiên, đối với phần lớn các ứng dụng, - ống, phụ kiện, mặt bích, tấm và tấm - 317L được chế tạo về cơ bản dễ dàng giống như 316L bằng cách sử dụng thép không gỉ tiêu chuẩn.

[Nguồn] ASTM A240/A240M - Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho Crom và Crom-Tấm, tấm và dải thép không gỉ niken.

Hàn - Cả hai đều hàn sạch nhưng khớp với kim loại phụ

Cả 316L và 317L đều là cấp L{2}}có hàm lượng cacbon nhỏ hơn hoặc bằng 0,03% nên cả hai đều hàn sạch mà không cần xử lý nhiệt sau-hàn và chống lại sự nhạy cảm trong điều kiện-hàn như vậy. Quy tắc quan trọng là lựa chọn kim loại phụ: đối với mối nối 317L, hãy sử dụng chất độn ER317L (AWS A5.9) để kim loại hàn phù hợp với hàm lượng molypden cao hơn của kim loại cơ bản. Việc sử dụng chất độn 316L trong mối nối 317L sẽ tạo ra-vùng hàn PREN thấp hơn -, một điểm yếu tiềm ẩn khi sử dụng clorua.

Bẫy kim loại phụ

Khi hàn 317L - hoặc nối 316L với 317L - hãy sử dụng kim loại phụ ER317L. Kim loại hàn ít nhất phải có lượng molypden tương đương với kim loại cơ bản có khả năng chống ăn mòn-cao hơn. Nếu bạn hàn 317L với chất độn ER316L, đường hàn sẽ trở thành điểm yếu ăn mòn và sẽ rỗ trước 317L xung quanh - làm mất đi toàn bộ mục đích xác định 317L.

Đây là một sai lầm phổ biến và tốn kém trong lĩnh vực này. Một nhà chế tạo đã quen với việc hàn 316L có thể tự động tiếp cận chất độn ER316L. Khi mối nối thực sự là 317L (hoặc 316L-đến{11}}317L), kim loại mối hàn lắng đọng chỉ có ~2,5% molypden, trong khi kim loại cơ bản có ~3,5%. Trong môi trường clorua, đường hàn - có PREN - thấp hơn sẽ trở thành nơi đầu tiên bị rỗ. Kết quả là một mối hàn bị hỏng do ăn mòn ưu tiên tại đúng điểm mà loại 317L đắt tiền hơn đáng lẽ phải cung cấp khả năng bảo vệ. Luôn chỉ định và xác minh chất độn ER317L cho công việc 317L.

[Nguồn] Thông số kỹ thuật AWS A5.9/A5.9M - dành cho que và điện cực hàn trần bằng thép không gỉ.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Sự khác biệt giữa 316L và 317L là gì?

Đáp: Sự khác biệt là hàm lượng molypden và crom. 316L có 2-3% molypden và 16-18% crom; 317L có 3-4% molypden và 18-20% crom. Cả hai đều có ít hơn hoặc bằng 0,03% carbon. Lượng molypden bổ sung trong 317L giúp nó có khả năng chống rỗ và ăn mòn kẽ hở cao hơn khoảng 25% trong môi trường clorua, cộng thêm khả năng chống lại các axit khử như axit sulfuric và axit photphoric tốt hơn.

Hỏi: Khi nào tôi nên sử dụng 317L thay vì 316L?

Trả lời: Sử dụng 317L khi môi trường có chứa clorua (nước biển, nước lợ, nước muối, thuốc tẩy) hoặc axit khử (axit sunfuric, photphoric, béo) có thể khiến 316L bị rỗ hoặc ăn mòn. Các ứng dụng điển hình: máy lọc khử lưu huỳnh khí thải, thiết bị bay hơi axit photphoric, xử lý axit béo, tẩy trắng bột giấy và giấy, và bộ trao đổi nhiệt nước biển/lợ. Nếu môi trường không có clorua hoặc axit khử thì 316L là đủ và rẻ hơn.

Hỏi: 317L có đắt hơn 316L không?

Đáp: Có, 317L thường có giá cao hơn 15-30% so với 316L vì nó chứa nhiều molypden, crom và niken hơn -, tất cả đều là nguyên tố hợp kim đắt tiền. Khoản phí bảo hiểm này là hợp lý khi nó ngăn ngừa được hiện tượng ăn mòn rỗ, điều này sẽ tốn kém hơn nhiều so với việc nâng cấp vật liệu. Trong môi trường không có clorua, phí bảo hiểm sẽ bị lãng phí và 316L là giá trị tốt hơn.

Hỏi: PREN là gì?

Trả lời: PREN (Số tương đương với khả năng chống rỗ) là công thức ước tính khả năng chống rỗ: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. Càng cao càng tốt. 316L có PREN ~24-26; 317L có ~29-31. Theo hướng dẫn sơ bộ, PREN trên 32 là cần thiết cho dịch vụ nước biển và trên 40 cho dịch vụ có hàm lượng clorua cao. 317L, ở mức ~30, là một bước có ý nghĩa trên 316L nhưng vẫn thấp hơn các hợp kim cấp nước biển thực sự như 904L và siêu song công.

Hỏi: 317L có thể hàn được không?

Đáp: Có, 317L hàn dễ dàng và giống như 316L, không cần xử lý nhiệt sau{2}}hàn vì hàm lượng cacbon nhỏ hơn hoặc bằng 0,03%. Nguyên tắc chính là sử dụng kim loại phụ ER317L (AWS A5.9) để kim loại mối hàn phù hợp với hàm lượng molypden cao hơn của kim loại cơ bản. Việc sử dụng chất độn 316L trong mối nối 317L sẽ tạo ra mối hàn PREN{10}}thấp hơn sẽ rỗ trước kim loại xung quanh trong môi trường clorua.

Hỏi: 317L có tốt cho nước biển không?

A: 317L is better than 316L in seawater, but it is not the ultimate seawater material. For continuous seawater immersion at ambient temperature, 317L performs reasonably well. For warm seawater (>30 độ ), nước biển có dòng chảy-cao hoặc các điều kiện có kẽ hở, hãy xem xét các hợp kim cao hơn: 904L, 254 SMO (S31254), siêu song công 2507 hoặc siêu austenit 6Mo. 316L thường không được khuyên dùng để ngâm trong nước biển vì nó sẽ tạo thành hố.

Hỏi: 316L so với 317L so với 904L - tôi chọn cách nào?

Trả lời: Sử dụng 316L cho dịch vụ ăn mòn thông thường không có clorua hoặc axit khử (thực phẩm, dược phẩm, kiến ​​trúc). Sử dụng 317L cho clorua vừa phải hoặc dịch vụ-axit khử (nước lợ, FGD, axit photphoric). Sử dụng 904L cho dịch vụ clorua mạnh (ngâm trong nước biển, clorua nóng) khi 317L là không đủ. Mỗi bước nâng cao sẽ bổ sung thêm molypden và khả năng chống ăn mòn nhưng cũng tốn kém - hãy chọn loại thấp nhất đáp ứng yêu cầu ăn mòn của bạn.

Hỏi: Làm cách nào để xác minh rằng tôi đang nhận 317L chứ không phải 316L?

Đáp: Kiểm tra báo cáo thử nghiệm vật liệu (MTR): 317L phải hiển thị molypden 3,00-4,00%, crom 18,0-20,0% và niken 11,0-15,0%. XRF cầm tay (PMI) có thể phân biệt 317L với 316L vì nó phát hiện hàm lượng molypden cao hơn - không giống như carbon, molypden có thể được phát hiện bằng XRF. Điều này làm cho việc xác minh hiện trường của 317L tương đối đơn giản. Yêu cầu chứng chỉ EN 10204 Loại 3.1 để xác nhận tính chất hóa học.