Các loại thép không gỉ (Stainless Steel)

1. Tính năng của thép không gỉ

Bằng cách thêm crom (Cr) vào sắt (Fe), sắt trở nên chống ăn mòn trong khí quyển. Khi hàm lượng Cr tăng lên 11～12% hoặc cao hơn, khả năng chống ăn mòn của thép trở nên cao đáng kể.

Do đó, thép có lượng Cr cao như vậy được đặt tên là thép không gỉ, trong đó “không gỉ” có nghĩa là không bị rỉ sét.

Lý do tại sao thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt là do Cr trong nó bị oxy hóa trong khí quyển và tạo thành một lớp màng bảo vệ có tên là “màng thụ động” trên bề mặt của nó.

Tùy thuộc vào điều kiện môi trường mà thép không gỉ được sử dụng, hàm lượng Cr được tăng lên và Ni và các nguyên tố khác cũng được thêm vào thép.

Tuy nhiên, vì khả năng chống ăn mòn của nó được cung cấp chủ yếu bằng Cr, nên Cr là một yếu tố cần thiết cho thép không gỉ. Tiêu chuẩn JIS định nghĩa thép không gỉ là “thép hợp kim có chứa Cr hoặc Cr và Ni để cải thiện khả năng chống ăn mòn, thường chứa khoảng 10,5% Cr hoặc cao hơn.” Tương tự, Sổ tay hàn AWS (Tập 4) định nghĩa thép không gỉ là “thép hợp kim có hàm lượng Cr danh nghĩa ít nhất 11%, có hoặc không có bổ sung hợp kim khác”.

Thép không gỉ có khả năng chịu nhiệt cao cũng như chống ăn mòn nên việc sử dụng nó rất đa dạng, từ các sản phẩm gia dụng đến thiết bị hóa chất, tàu thủy, đầu máy toa xe, máy chế biến thực phẩm, vật liệu kiến ​​trúc và thiết bị điện hạt nhân, vì vậy thép không gỉ rất quan trọng đối với các ngành công nghiệp của chúng ta.

(Nguồn Kobelco)

2. Các loại thép không gỉ

Thép không gỉ có thể được chia thành thép không gỉ Cr và thép không gỉ Cr-Ni.

Hai loại này có thể được phân loại thêm dựa trên cấu trúc kim loại của chúng như được thể hiện trong hình dưới. 

Thép không gỉ Cr có thể được chia thành thép không gỉ mactenxit và thép không gỉ ferit, và thép không gỉ Cr-Ni có thể được chia thành thép không gỉ Austenit, Austenit − ferit (thép không gỉ song pha, duplex, tổ chức gồm hỗn hợp 2 pha Austenit − ferit) và thép không gỉ hóa bền tiết pha (Thép không gỉ hóa bền tiết pha  là thép hợp kim của crôm và niken với mục đích tối ưu kết hợp tính chất của thép không gỉ mactenxit và thép không gỉ austenit.)

Ví dụ: Thép 17-7PH, là thép Cr-Ni-Al ổn định, là thép hóa bền tiết pha với độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vừa phải. Về khả năng chống ăn mòn, 17-7 PH có thể so sánh với thép không gỉ 304 và là sự lựa chọn tốt hơn khi so sánh với dòng 400 của thép không gỉ.

Về cơ bản thép không gỉ phân loại như sau:

(Nguồn Kobelco)

Phân loại sâu hơn

Xem sơ đồ các loại thép không gỉ và thay đổi thành phần hóa học ảnh hưởng đến đặc tính của chúng (độ bền, chống ăn mòn...)

Đặc điểm của các loại thép không gỉ

Như đã nêu ở trên, thép không gỉ được chia thành năm nhóm: thép không gỉ mactenxit, thép không gỉ ferit, thép không gỉ austenit, thép duplex và thép không gỉ hóa bền tiết pha căn cứ vào tổ chức của thép. Tổ chức của thép sau thường hóa phụ thuộc vào hàm lượng Cr và Ni đương lượng và được xác định thông qua giản đồ Schaeffler như dưới đây:

Giản đồ Schaeffler giúp phân loại thép không gỉ

Thép không gỉ một pha ferit chứa hàm lượng Cr trong khoảng 10,5% đến 30%. Để đảm bảo tổ chức thuần ferit và tránh tạo cacbit, hàm lượng C trong thép được giữ ở mức rất thấp sao cho tỷ lệ Cr/C khoảng 150 như các mác 08Cr13 hay 12Cr17. Ngoài ra, để nâng cao một số tính chất riêng biệt, thép có thể được hợp kim hóa với một số nguyên tố khác như Mo, Si, Al, Ti hay Nb. Để cải thiện khả năng gia công, một số nguyên tố như S hay Se có thể được đưa vào thép.

Thép không gỉ ferit có tính sắt từ, có độ dẻo và khả năng gia công biến dạng tốt. Do chỉ có một pha ferit trong tổ chức nên độ bền, độ cứng của thép thấp cả ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao. Đây là loại thép không thể nhiệt luyện tăng bền cũng như khả năng hóa bền biến dạng thấp. Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ ferit nhìn chung là tốt.

 Thép không gỉ một pha austenit là loại thép chỉ tồn tại một pha austenit trong tổ chức. Tổ chức này đạt được bằng cách sử dụng các nguyên tố hợp kim mở rộng vùng austenit như Ni, Mn hay N. Thép không gỉ austenit chứa Cr cao (>16 ÷18%)  và Ni cao (  6 ÷ 8%). Ngoài ra, thép có thể hợp kim hóa thêm Mn với hàm lượng có thể lên tới 15%.

Thép có kiểu mạng lập phương tâm mặt nên thép có tính dẻo cao, có khả năng hóa bền biến dạng mạnh. Tuy dẻo nhưng lại khó biến dạng nguội (uốn, gò) song lại làm tăng mạnh độ bền, độ cứng cho sản phẩm. Thép này có tổ chức một pha nên không thể hóa bền bằng nhiệt luyện. Để nâng cao tính chống mài mòn phải làm cho thép có một pha austenit đồng nhất. Khi nung lên đến một nhiệt độ nhất định thép này có thể tiết cacbit crom ở biên giới hạt làm tăng nguy cơ ăn mòn biên giới hạt. Để khắc phục hiện tượng này có thể cho thêm một số nguyên tố tạo cacbit mạnh như Ti hay Nb.

Thép không gỉ song pha (duplex) có tổ chức gồm hỗn hợp hai pha là ferit và austenit. Hàm lượng ferit trong thép có thể dao động trong khoảng (30-70)% tuy nhiên tốt nhất khi tỷ lệ ferit và austenit khoảng 50-50. Các nguyên tố hợp kim chính là crom và niken. Ngoài ra nitơ, molypden, đồng, silic và vonfram có thể được thêm vào để điều khiển thành phần pha và nâng cao tính chống ăn mòn cho thép. Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ duplex giống như thép không gỉ austenit có thành phần hợp kim tương tự. Tuy nhiên, thép không gỉ song pha có giới hạn bền kéo, giới hạn chảy và nâng cao khả năng chống ứng suất tốt hơn các dòng thép austenit. Độ bền của thép không gỉ song là giữa thép không gỉ austenit và ferrit. Nhược điểm chính của dòng thép không gỉ duplex là sự tiết ra các pha liên kim khi là việc ở nhiệt độ cao là tăng tính giòn của thép.

Thép không gỉ hóa bền tiết pha có thành phần và tổ chức gần với họ austenit song có hàm lượng Cr, Ni thấp hơn đôi chút (13 ÷ 17% Cr và 4 ÷ 7% Ni), có thêm Al, Cu, Mo, và tổ chức austenit chưa ổn định. Dòng thép này vừa có tính công nghệ vừa có cơ tính cao: rất dễ biến dạng và gia công cắt thép ở trạng thái mềm, sau đó hóa bền bằng hóa già ở nhiệt độ thấp nhờ đó tránh được biến dạng và oxy hóa.

Nhiệt luyện loại thép này thường là ủ ở 1050^oC, nguội ngoài không khí thu được tổ chức austenit mềm, dễ biến dạng dẻo và gia công cắt gọt. Gia công lạnh ở 0 ÷ (-75)^oC để austenit chuyển biến mactenxit, cuối cùng hóa già ở 525^oC khoảng 1 giờ các pha hóa bền NiAl, Ni₃Al tiết ra làm tăng mạnh độ bền.

Thép không gỉ mactenxit là nhóm thép có thể tăng bền và có độ cứng cao bằng tôi và ram. Các thép trong họ thép không gỉ mactenxit thường đặc trưng bởi độ bền cao nhưng khả năng chống ăn mòn còn thấp so với họ thép không gỉ austenit và ferit. Thép không gỉ mactenxit với hàm lượng cacbon cao làm độ bền tăng và độ dẻo dai giảm đi đáng kể cùng với đó tính hàn cũng kém đi vì thế một số thép không gỉ mactenxit 13% Cr với hàm lượng cacbon cao không được sử dụng trong các kết cấu hàn. Ngoài ra để tăng độ bền nhiệt và khả năng chống mài mòn có thể bổ sung các nguyên tố tạo cacbit mạnh như Mo, V, W hoặc bổ sung Ni để tăng độ dai cho thép. Lưu huỳnh được thêm vào để cải thiện khả năng gia công cắt gọt. Thép không gỉ mactenxit có khả năng chống ăn mòn trong môi trường ẩm, trong môi trường khí quyển, môi trường kiềm, dung dịch loãng của axit vô cơ, hữu cơ. Nói chung, với hàm lượng crom thấp và cacbon cao thì họ thép không gỉ mactenxit khả năng chống ăn mòn thấp hơn các loại thép không gỉ khác.

(nguồn: nhietluyen.vn)

3. Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim tới tính chất thép không gỉ

Mỗi nguyên tố hợp kim đều có một ảnh hưởng đến tính chất của thép. Sự kết hợp giữa các nguyên tố hợp kim có trong thép cũng rất quan trọng. Để hiểu được lý do tại sao cùng là thép không gỉ song pha nhưng trong mỗi loại thép khác nhau lại có các thành phần khác nhau và với những thành phần khác nhau sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của các loại thép khác nhau.

Các nguyên tố hợp kim đều có tính chất và tác dụng cụ thể đối với tính chất của thép. Đó là sự kết hợp của tất cả các nguyên tố hợp kim và các nguyên tố tạp chất sẽ quyết định độ sạch và giá trị của hợp kim đó. Hàm lượng của một số nguyên tố cũng quyết định độ cứng của thép không gỉ.

1. Chromium (Cr): Đây là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép không gỉ. Nó là nguyên yếu tố đem lại cho thép tính chống gỉ của họ chống ăn mòn cơ bản. Khả năng chống ăn mòn tăng lên khi tăng hàm lượng crom. Nó cũng tăng khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Crom làm mở rộng vùng ferrit trên giản đồ pha.

2.  Nickel (Ni): Việc bổ sung niken là để mở rộng vùng Austenit. Nickel thường làm tăng độ dẻo dai. Nó cũng làm giảm tỷ lệ ăn mòn và do đó thuận lợi trong môi trường axit. Trong môi trường có nước thép cứng nickel cũng được sử dụng để tạo thành các hợp chất liên kim được sử dụng để tăng độ bền.

3.  Molypden (Mo): Molypden làm tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn chung và cục bộ. Nó làm tăng độ bền cơ học phần nào và mở rộng vùng ferrit mạnh mẽ. Nó làm tăng cơ tính và mở rộng vùng a (ferit) trên giản đồ pha Fe – Fe₃ Trong thép không gỉ song pha thì molybden thúc đẩy sự hình thành các pha liên kim trong ferit. Điều này cũng tồn tại trong thép không gỉ ferit – austenit và thép không gỉ austenit. Còn trong thép không gỉ mactenxit thì molypden có tác dụng làm tăng độ cứng của thép, hình thành cacbit khi nhiệt luyện ở nhiệt độ cao. Trong thép mactenxit, nó sẽ tăng độ cứng ở nhiệt độ ủ cao hơn do ảnh hưởng của nó lên lượng cacbon.

4.  Silic (Si): Silic làm tăng khả năng chống oxy hóa, cả ở nhiệt độ cao và đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hơn. Silic mở rộng vùng cấu trúc ferit.

5.      Mangan (Mn): Mangan thường được sử dụng trong thép không gỉ để cải thiện độ dẻo nóng. Ảnh hưởng của nó lên ferrite / austenite cân bằng thay đổi theo nhiệt độ: ở nhiệt độ thấp mangan là chất ổn định austenite nhưng ở nhiệt độ cao sẽ ổn định ferrite. Mangan làm tăng khả năng hòa tan của nitơ và được sử dụng để thu được hàm lượng nitơ cao trong thép Austenit.

6.  Cacbon (C): Cacbon cũng làm tăng đáng kể độ bền cơ học. Cacbon làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. Trong thép không gỉ Ferit sẽ làm giảm mạnh cả độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn. Trong thép mactenxit và mactenxit-austenit, cacbon làm tăng độ cứng và độ bền. Trong thép mactenxit tăng độ cứng, độ bền nói chung và cacbon làm giảm độ dẻo dai của các loại thép này.

7.   Nitơ (N): Nitơ là một nguyên tố làm thúc đẩy mạnh cấu trúc austenit. Nó cũng làm tăng đáng kể cơ tính. Nitơ làm tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ, đặc biệt là khi kết hợp với molypden. Trong thép không gỉ ferit, nitơ sẽ giảm mạnh tính dẻo dai và khả năng chống ăn mòn. Trong thép không gỉ mactenxit và thép mactenxit-austenit, nitơ tăng cả độ cứng và độ bền nhưng làm giảm độ dẻo dai.

8.   Lưu huỳnh (S): Lưu huỳnh luôn luôn có trong thép không gỉ làm tăng khả năng gia công. Ở trong thép không gỉ với hàm lượng lưu huỳnh nhỏ, lưu huỳnh sẽ làm giảm tính chống ăn mòn, độ dẻo dai và các thuộc tính chế tạo như là hàn.

 (nguồn: nhietluyen.vn, Kobelco.welding.jp; Metallurgical engineering)

 

Related Posts by Categories