Trong vài chục năm gần đây, thép không gỉ ferrite cho thấy sự tăng trưởng sản xuất ổn định, do chúng được sử dụng hầu hết cho hệ thống khí xả của Ôtô. Nhóm thép 409, và thép không gỉ ferrite nói chung, cho thấy có nhiều phẩm chất hấp dẫn khi so sánh với thép không gỉ Austenite. Về giá thành, thép không gỉ ferrite có giá thấp hơn nhờ sử dụng hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp hơn. Thép không gỉ Austenite cần có hàm lượng cao hơn về các nguyên tố hợp kim để hóa bền pha Austenite như Ni, Mn & Mo, đây là những nguyên tố đẩy giá thành lên cao. Thép không gỉ ferrite có tính chống chịu ăn mòn tốt trong hầu hết các điều kiện, chỉ có điều rằng lượng Cr phải nằm trong dung dịch (solution) nền. Trong khi thép không gỉ Austenite thường chứa 17-18%Cr hoặc cao hơn, thép không gỉ Ferrite 409 chỉ yêu cầu hàm lượng Cr tối thiểu cho tính chống ăn mòn là 11%. Hàm lượng Cr thấp hơn có nghĩa là toàn bộ hàm lượng Cr sẽ phải được giữ trong dung dịch hoặc là sẽ xuất hiện ăn mòn. Khi ở trạng thái không ổn định, thép không gỉ 409 rất nhạy với ăn mòn tinh giới (intergrnular corrosion) ở các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt trước đây tại các điểm hàn kết nối. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, bằng việc bổ sung 1 lượng Ti và/hoặc Nb có thể ngăn chặn sự tạo thành Cacbit Cr và giữ Cr ổn định trong dung dịch. Tuy nhiên, các nguyên tố bổ sung này cũng có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của cả tính tan và cả sự tiết pha. Thép không gỉ được chia làm 5 nhóm chính dựa vào vi cấu trúc: Ferrite, Austenite, xong pha (duplex), Marteniste và hóa bền tiết pha. Chi tiết các nhóm thép được nêu ở bài viết sau đây (click để xem). Bài viết này sẽ tập trung vào họ thép không gỉ Ferrite và mác 409 Đặc trưng chung của họ mác thép không gỉ Ferrit 409 Có rất nhiều đặc trưng về thép không gỉ Ferrite, trong đó các tính chất quan trọng cần được chú trong quá trình lựa chọn, xử lý và khả năng phục vụ của thép. Mác 409 là thép ferrite cơ bản nhất, có chứa 11% Cr và nguyên tố ổn định hóa. 11% là trị số hàm lựong tối thiểu của Cr về bảo vệ ăn mòn và hơn nữa là ổn định trường pha Ferrite BCC. Cấu trúc khác nhau giữa thép không gỉ F và A dẫn đến sự khác nhau về tính chất cơ học. Giới hạn chảy tại nhiệt độ thường về cơ bản có thể sánh với hợp kim A. Tuy vậy, thép không gỉ A có tốc độ hóa bền rèn cao hơn và có độ bền kéo cao hơn. Tốc độ hóa bền rèn cao hơn của thép không gỉ A cũng dẫn đến khả năng dãn mạng tốt hơn so với thép không gỉ F. Thép không gỉ F có khả năng dập sâu tốt hơn do mặt textua {111} chiếm ưu thế vốn có của vi cấu trúc BBC, nhờ đó chúng rất thích hợp với các chi tiết xả của Ôtô. Một đặc trưng khác nữa của thép không gỉ F là sự xuất hiện nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-dòn (DBTT), sẽ dẫn đến phá hủy dòn một cách mau chóng. Sử dụng thép không gỉ F trong các ứng dụng khác sẽ phụ thuộc vào sự gia tăng khả năng biến dạng và giảm bớt nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-dòn. Khả năng biến dạng của thép không gỉ F có thể được cải thiện theo nhiều cách. Một phương pháp là tăng tổng lượng thành tố textua {111} trong thép. Hình 1 cho thấy ảnh hưởng của textua {111} đến tỉ số biến dạng dẻo trung bình, r-bar, và do đó tăng khả năng dập sâu, của thép AKQD. Tỉ số biến dạng trung bình được định nghĩa là (r o +2r 45 +r 90 )/4, trong đó r là tham số Lankford, được định nghĩa bởi Lankford và các cộng sự trong những năm 1950. Tham số Lankford là giá trị đo của dị hứong pháp tuyến của vật liệu tấm, được đo là tỉ số biến dạng ngang với biến dạng chiều dày tấm. Thành tố textua {111} đối với thép không gỉ F cao hơn thép không gỉ A nhờ cấu trúc lập phương tâm khối, nhưng nó có thể được tăng cường qua quá trình cán nóng. Một cách khác để tăng khả năng biến dạng là giảm hàm lựong chất xen kẽ N và C. Hàm lượng C thấp hơn sẽ gia tăng khả năng biến dạng của thép do gia tăng giá trị r trung bình (xem hình 2). Hình 1: Ảnh hưởng của thành phần textua {111} đến hệ số r. Khi cường dộ tuơng đối của thành tố {111} tăng thì tỉ số biến dạng trung bình cũng tăng Hình 2: Ảnh hưởng của C đến tỷ số biến dạng trung bình Khử bớt hàm lượng C cho thấy làm tăng tính hàn của thép F-P, được biểu thị ở giản đồ Graville (hình 3). Làm giảm hàm lượng C cũng làm giảm nhiệt độ chuyển pha dẻo - dòn (hình 4). Có thể giảm nhiệt độ DBTT bằng cách giảm kích thước hạt tinh thể trong thép, và cũng làm tăng độ bền, dẻo và biến dạng. Trang 2 / 3 Có hai cấu tử chính của thép không gỉ F là Fe và Cr. Vì vậy, chúng ta hãy cùng nhau khảo sát giản đồ pha Fe-Cr, hình 7. Hệ Fe-Cr có dung dịch rắn lập phuơng tâm khối BCC trong toàn bộ giải thành phần và nhiệt độ dưới 1500C ngoại trừ 2 vùng ghi chú. Tại nhiệt độ cao 830-1400C và hàm lượng Cr thấp <12.7%, có một vòng kín pha A và tại các hàm lượng Cr trung gian (~15-70%) và nhiệt độ thấp (500-800C), đấy là vùng tạo pha cấu trúc lục giác cứng, dòn và được biết đến là pha sigma. Pha sigma là nguồn gốc biến dòn và sẽ được thảo luận ở phần tiếp theo. Do họ thép không gỉ F có chứa 11%Cr, nó có khả năng tạo thành A trong quá trình xử lý. Do 11%Cr rất gần mũi vòng kín A, một khi có sự thăng giáng về hàm lượng Cr có thể làm thay đổi một cách đáng kể cân bằng pha F và A trong quá trình cán nóng. Mục lục bài viết Thép không gỉ Ferrite họ 409 và vai trò của Ti, Nb - Phần 1/2 Hệ Fe-Cr Hiện tượng biến dòn Hình 7: Giản đồ pha Fe-Cr Ảnh hưởng của C và N xen kẽ Trong khi có sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ hoặc hàm lượng Cr sẽ dẫn đến dịch cân bằng pha trong quá trình cán nóng và dẫn đến wuj thay đổi, tình huống này có thể giải quyết bằng ảnh hưởng của C và N theo giản đồ pha. C và N sẽ làm dịch vị trí của vòng kín A lên nhiệt độ cao hơn và hàm lượng Cr cao hơn, hình 8. Kết quả là khi có sự thăng giáng nhỏ của C và N, hoặc Cr có thể thay đổi lượng A tại nhiệt độ cao. Điều này có thể được minh họa bằng giản đồ pha giả 2 nguyên Fe-Cr-C. Hình 9 cho thấy giản đồ pha giả 2 nguyên tạo bởi chương trình Thermocalc với Fe-Cr12% trên 1 trục và C trên trục còn lại. Giản đồ pha này cho thấy với sự thay đổi nhỏ của hàm lượng C có thể làm tăng kích thước của A và hai trường pha. Hình 8: Ảnh hưởng của C và N đến trường pha A Hình 9: Giản đồ pha giả 2 nguyên Fe-Cr11% với C, ThermoCalc Thụ động Thép không gỉ có thể chống chịu ăn mòn là nhờ lớp màng mỏng oxyt Cr gắn kết trên bề mặt. Lớp màng này đóng vai trò như 1 lớp bao phủ bảo vệ và ngăn chặn sự oxy hóa tiếp theo, quá trình này được biết đến là sự thụ động hóa. Hình 3:Giản đồ hàn Graville Hình 4: Ảnh hưởng của C đến DBTT Có nhiều cơ chế biến dòn xuất hiện trong thép không gỉ F cần phải được kể đến trong quá trình xử lý và sử dụng. Thép không gỉ F nhạy với ăn mòn tinh giới (intergranular corrosion). Nhạy ăn mòn tinh giới xảy ra khi một phần Cr từ dung dịch rắn phản ứng với C tạo thành dạng cacbit Cr. Hơn nữa, do thép chỉ có hàm lượng Cr tối thiểu cần thiết để tạo sự thụ động, điều này sẽ làm giảm hàm lượng Cr ở biên hạt dẫn đến bị ăn mòn tinh giới. Vì lý do đó, Ti và/hay Nb được bổ sung vào thép để ngăn cản sự tạo thành Cacbit Cr ở những vùng có sẵn C. Một cơ chế hóa dòn quan trọng khác nữa là hóa dòn tại nhiệt độ 475C và hóa dòn pha sigma. Sử dụng của thép không gỉ F Thép không gỉ F được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống xả Ôtô là sự thỏa hiệp giữa thép C thấp rẻ và thép F hợp kim hóa cao hoặc thép không gỉ A có giá thành cao hơn. Các hợp kim F có khả năng chống chịu ăn mòn tốt hơn và do đó có thời gian phục vụ dài hơn thép C thấp và có giá thành thấp hơn các thép không gỉ hợp kim hóa cao hơn. Khả năng chống chịu ăn mòn của thép C phủ Al, thép không gỉ họ mác 409 và thép không gỉ F Cr cao (17%Cr-1Mo) họ 436 trong môi trường cô đặc tổng hợp chứa C hoạt tính, được biểu thị ở hình 5. Rõ ràng là khi giá thành tăng cao, khả năng chống chịu ăn mòn tăng. hệ thống thép không gỉ cho thiết bị xả được cấu thành từ một đầu nóng và 1 đầu nguội, hình 6. Như hình vẽ cho thấy, hầu hết các chi tiết được chế tạo từ các mác thép không gỉ F 11%Cr khác nhau, ngoại trừ đối với các chi tiết tại các vùng chịu nhiều ảnh hưởng của nhiệt và ăn mòn. Hình 5: Tốc độ ăn mòn của thép C phủ Al, thép không gỉ 409 và thép không gỉ Cr cao họ 416 Hình 6: Thép được sử dụng trong hệ thống xả Ôtô điển hình Biên soạn và giới thiệu bởi Nguyễn Hoàng Việt. Kí hiệu • P: Pearlite . sigma. Sử dụng của thép không gỉ F Thép không gỉ F được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống xả Ôtô là sự thỏa hiệp giữa thép C thấp rẻ và thép F hợp kim hóa cao hoặc thép không gỉ A có giá thành. phục vụ dài hơn thép C thấp và có giá thành thấp hơn các thép không gỉ hợp kim hóa cao hơn. Khả năng chống chịu ăn mòn của thép C phủ Al, thép không gỉ họ mác 409 và thép không gỉ F Cr cao (17%Cr-1Mo). độ bền kéo cao hơn. Tốc độ hóa bền rèn cao hơn của thép không gỉ A cũng dẫn đến khả năng dãn mạng tốt hơn so với thép không gỉ F. Thép không gỉ F có khả năng dập sâu tốt hơn do mặt textua {111}