Lựa chọn thép không gỉ

Bài viết cho thấy, có rất nhiều loại vật liệu mới với những tính năng vượt trội, đặc biệt được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của khoa học - công nghệ và đời sống như vật liệu áp điện, vật liệu siêu dẫn, carbon nanotube,... Tuy nhiên vật liệu truyền thống như thép vẫn giữ một vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống của chúng ta.

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 LỰA CHỌN THÉP KHƠNG GỈ TRẦN THỊ THANH VÂN Viện Cơ khí, Trường ĐHHHVN ĐẶT VẤN ĐỀ Chúng ta biết, phát triển xã hội loài người gắn liền với phát triển công cụ sản xuất kỹ thuật, mà vật liệu yếu tố định cho hai ngành Ngày nay, với phát triển vũ bão khoa học kỹ thuật vai trò ngành vật liệu học ngày trở nên quan trọng Có nhiều loại vật liệu với tính vượt trội, đặc biệt đời nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển khoa học - công nghệ đời sống vật liệu áp điện, vật liệu siêu dẫn, carbon nanotube, Tuy nhiên vật liệu truyền thống thép giữ vai trò quan trọng sản xuất đời sống so với loại vật liệu khác việc sản xuất thép với khối lượng lớn dễ dàng, tốn kém; ta điều chỉnh hàm lượng, phương phápxử lý, nấu luyện… để tạo nhiều loại thép khác nhằm đáp ứng mục đích sử dụng khác thực tế Trong sống, ta dễ dàng bắt gặp loại đồ dùng, chi tiết, máy móc, chế tạo từ thép Tuy nhiên, chi tiết làm từ loại thép; phải tùy vào chức năng, mục đích sử dụng yêu cầu chi tiết cần chế tạo để lựa chọn loại thép cho phù hợp Có chi tiết tạo đảm bảo chất lượng Thép khơng gỉ hợp kim Fe-C có chứa hàm lượng Cr từ 10,5 % trở lên Nó sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp, kiến trúc, hóa chất, từ hàng nửa kỷ Hiện có nhiều loại thép khơng gỉ đời, xuất thị trường, cần phải lựa chọn loại thép khơng gỉ cho thích hợp với u cầu sử dụng vấn đề không đơn giản CÁC TIÊU CHÍ KHI LỰA CHỌN VẬT LIỆU Có tiêu chí mà cần quan tâm tiến hành lựa chọn vật liệu Tính vật liệu: Tính vật liệu bao gồm tính chất cơ, lý, hóa xác định phịng thí nghiệm tính chất khác liên quan đến trình sử dụng tuổi thọ độ tin cậy.Tùy vào đối tượng sử dụng mà ta đặt yêu cầu tính chất cho vật liệu khác nhau, ví dụ: chi tiết chịu lực tiêu chí đặt độ bền học; chi tiết máy ngành hóa chất, dầu khí u cầu vật liệu phải có tính chống ăn mịn…Khi lựa chọn vật liệu cần quan tâm đến hệ số dự trữ, điều có nghĩa tính chất phải cao giá trị yêu cầu Với sản phẩm yêu cầu nhiều tính chất khác ta phải cố gắng lựa chọn loại vật liệu thỏa mãn tất tính chất Tính cơng nghệ: Tính cơng nghệ khả thực phương pháp công nghệ loại vật liệu cho để đạt tính chất mong muốn Các tính cơng nghệ thơng dụng là: tính đúc; tính cắt gọt; tính hàn; khả biến dạng nguội, nóng dập sâu; khả xử lý nhiệt Các vật liệu có tính cơng nghệ cao dễ tạo hình, dễ sử dụng để chế tạo chi tiết Tính kinh tế Khi có nhiều vật liệu thỏa mãn tiêu chí tính sử dụng tính cơng nghệ tính kinh tế trở thành yếu tố định để lựa chọn vật liệu Với sản phẩm vậy, tồn giá thành tới hạn mà vượt qua giới hạn cần phải điều chỉnh yếu tố tính cơng nghệ vật liệu để giảm giá thành Chúng ta chọn loại vật liệu thỏa mãn tiêu chí tính tính cơng nghệ đồng thời giá thành phải thấp Ví dụ: So sánh tính kinh tế hợp kim nhôm composite chế tạo chi tiết chịu lực: Để đánh giá tính kinh tế cho chi tiết có yêu cầu độ bền học cao, người ta sử dụng tiêu CRE, ta có: (CRE)σ = σe1/2/(ρ.P) Và (CRE)E = E1/3/(ρ.P) chi tiết cần khả chống biến dạng lớn Với: σe – giới hạn đàn hồi; ρ - trọng lượng riêng; P - giá tính cho đơn vị trọng lượng; E – môđun đàn hồi Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 14 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Ta có: Vật liệu σe MPa E GPa ρ g/cm3 P USD/kg (CRE)σ (CRE)E Hợp kim 250 70 2.9 2.5 5.47 0.7 nhôm Composite polycacbonat140 11 1.4 3.5 5.5 0.4 sợi thủy tinh Từ bảng ta thấy, chi tiết chịu lực cần khả chống biến dạng lớn nên chọn hợp kim nhôm có số (CRE)E lớn Tính xã mơi trường: Ngồi yếu tố nêu trên, lựa chọn vật liệu ta cần quan tâm đến yếu tố xã hội môi trường.Vật liệu chọn phải đảm bảo khơng có tính độc hại người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường THÉP KHƠNG GỈ: Thép khơng gỉ họ hợp kim sở Fe, có tính chất chủ yếu chống ăn mịn mơi trường khác Crơm ngun tố hợp kim có vai trị định tính khơng gỉ thép Với hàm lượng Cr khơng 12% thép trở nên khơng gỉ mơi trường oxy hóa tạo lớp màng thụ động bề mặt Các đặc trưng chung thép khơng gỉ là: +Tốc độ hóa bền rèn cao + Độ dẻo cao + Độ cứng độ bền cao +Độ bền nóng cao +Chống chịu ăn mịn cao + Độ dẻo dai nhiệt độ thấp tốt +Phản ứng từ (chỉ với loại thép austenit) Người ta chia thép không gỉ làm loại sau: Thép không gỉ mactenxit: Lượng Cr thép từ 12-17% Qúa trình luyện thép khơng rỉ loại bao gồm: austenit hóa, tơi ram Cơng dụng thép là: làm đồ trang sức, ốc vít không gỉ, chi tiết chịu nhiệt cánh tuốc bin hơi, (loại có hàm lượng cacon thấp) làm lị xo khơng gỉ, dụng cụ đo (loại có hàm lượng cacbon cao) Nó cịn dùng để làm dụng cụ phẫu thật, chi tiết chịu nhiệt xupap xả động diezel, ổ bi… hàm lượng cacbon cao từ 0,9-1% Loại thép có tính chống ăn mịn cao khơng khí, nước sơng, nước máy, khơng bị ăn mịn axit HNO3 thụ động hóa, bị ăn mịn axit khác Nó trở nên bền xử lý nhiệt có từ tính, có tính dẻo cao, có độ bền chịu lực độ cứng tốt Các loai thép mactenxit: (theo tiêu chuẩn Mỹ) Đương lượng Đương lượng Loại Loại UNS UNS 403 S40300 420F S44020 410 S41000 422 S42200 414 S41400 431 S43100 416 S41600 440A S44002 416Se S41623 440B S44003 420 S42000 440C S44004 Thép không gỉ ferit: Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 15 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Thép không rỉ ferit chia thành ba nhóm tùy theo lượng crơm: + Nhóm chứa 13%Cr, loại chứa C Khi ta thêm 0,2 %Al vào ngăn cản tạo thành austenit nung tạo thuận lợi cho việc hàn Loại dùng nhiều công nghiệp dầu mỏ + Nhóm chứa 17% Cr, dùng nhiều cơng nghiệp sản xuất HNO3, hóa thực phẩm,… Thép khó hàn +Nhóm chứa từ 20-30% Cr, lương Cr cao nên chúng có tính chống oxy hóa cao Thép khơng rỉ ferit có giới hạn đàn hồi cao thép austenit độ hóa bền biến dạng dẻo thấp hơn, chúng thích hợp với gia cơng biến dạng nguội Chúng khơng thể hóa bền cách xử lý nhiêt thép austenit mà hóa bền khibiến dạng dẻo nguội Độ bền chống ăn mòn chúng phụ thuộc vào hàm lượng Cr, tốt trạng thái ủ Thép có từ tính , tính dẻo cao Các loại thép không gỉ ferit ( theo tiêu chuẩn Mỹ) Đương lượng Đương lượng Loại Loại UNS UNS 405 S40500 430Fse S43023 409 S40900 434 S43400 429 S42900 436 S43600 430 S43000 442 S44200 430F S43020 446 S44600 Thép không gỉ austenit Thép có chứa Ni lẫn Cr, loại thép không gỉ thông dụng Những ưu điểm nhóm thép là: +Tính chống ăn mịn cao phạm vi nhiệt độ rộng, chúng hoàn tồn ổn định nước sơng, nước biển, nước bão hòa nhiệt, dung dịch muối, dd axit Chúng sử dụng công nghiệp sản xuất axit, cơng nghiệp hóa dầu thực phẩm… +Tính dẻo cao, dễ uốn, dễ hàn…rất thích hợp để tạo thiết bị hóa học +Khơng bị nhiễm từ +Cơ tính bảo đảm, khơng hóa bền nhiệt luyện, hóa bền biến dạng dẻo dạng nguội Nhược điểm: + Đắt tiền, có chứa Ni +Khó cắt gọt tính dẻo qnh, phoi khó gãy +Bị ăn mòn số trường hợp Loại thép sử dụng nhiều để làm đồ gia dụng, bình chứa, ống cơng nghiệp, tàu thuyền cơng nghiệp, vỏ ngồi kiến trúc, cơng trình xây dựng khác… Các loại thép không gỉ austenit( tiêu chuẩn Mỹ) Thép không gỉ austenit-ferit Đây loại thép có tính chất “ở giữa” loại Ferit Austenit có tên gọi chung DUPLEX Loại thép chứa hàm lượng Cr từ 18-28% chứa hàm lượng Ni từ 5-9 % Đặc điểm loại thép có độ bền chịu lực cao độ mềm dẻo; khơng có tượng giòn thép ferit giới hạn đàn hồi cao gấp lần so với thép austenit; độ bền chống ăn mòn tương đối, đặc biệt điều kiện chịu áp lực chịu ăn mòn tập trung ăn mịn dạng Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 16 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 hang hốc khí có tính xâm thực mạnh Loại thép sử dụng nhiều cơng nghiếp hóa dầu, sản xuất tàu biển… Vài loại thép không gỉ duplex( tiêu chuẩn Mỹ) Thép không gỉ hóa cứng tiết pha( thép austenit-mactenxit) Là hợp kim Fe Cr, Ni họ austenit hàm lượng Cr, Ni thấp chút (13-17% Cr, 4-7% Ni), ngồi có thêm vài ngun tố khác đồng nhơm Loại thép có ưu điểm tính cơng nghệ tính học cao : tiến hành gia công biến dạng nguội cắt gọt trạng thái tương đối mềm ; hóa bền cách hóa già vùng nhiệt độ tương đối thấp để tránh biến dạng oxy hóa Loại thép dùng để chế tạo chi tiết máy làm việc điều kiện chịu ăn mòn lại cần có độ cứng, độ bền tương đối cao (nhưng không nhiệt độ cao nhiều so với nhiệt độ hố già nó) Một vài loai thép hóa cứng tiết pha (Tiêu chuẩn Mỹ) Ta có bảng so sánh tính chất loại thép khơng gỉ sau: Nhóm hợp kim Austenit Duplex Ferit Mactenxit Hóa cứng tiết pha Từ tính Khơng Trung bình Trung bình Có Có Nhóm hợp kim Tính dẻo Austenit Duplex Ferit Mactenxit Hóa cứng pha Rất cao Trung bình Trung bình Thấp Trung bình tiết Tốc độ hóa bền rèn Rất cao Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình Tính chống mịn Cao Rất cao Trung bình Trung bình Trung bình Làm việc nhiệt độ cao Rất cao Thấp Cao Thấp Thấp ăn Khả bền Rèn nguội Không Khơng Tơi ram Hóa già Làm việc nhiệt độ thấp Rất tốt Trung bình Thấp Thấp Thấp hóa Tính hàn Rất cao Cao Thấp Thấp Cao LỰA CHỌN THÉP KHƠNG GỈ Thép khơng gỉ loại vật liệu kỹ thuậtcó độ bền chống ăn mịn tốt, độ bền học cao, tính cơng nghệ việc gia cơng chế tạo tốt Do dễ dàng đáp ứng tiêu chí lựa chọn vật liệu : chịu lực tốt, tuổi thọ cao, không cần bảo dưỡng nhiều…Để lựa chọn loại thép không gỉ, ta cần quan tâm đến bốn yếu tố sau: Độ bền kháng ăn mòn : Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 17 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Đây tiêu chí để đánh giá tính “ khơng gỉ” vật liệu Đánh giá khả chống ăn mòn vật liệu ta cần xem xét đến môi trường làm việc, mật độ ăn mòn độ bền nhiệt yêu cầu vật liệu Cơ tính: độ bền vật liệu nhiệt độ phòng, nhiệt độ cao nhiệt độ thấp Ta kết hợp tính chống ăn mịn độ bền vật liệu làm sở để lựa chọn Tính cơng nghệ: sau xem xét hai tiêu chí trên, ta xét đến tính cơng nghệ thép, tức khả gia cơng cắt, gọt, hàn,tạo hình,rèn… thép để tạo thành sản phẩm Tính kinh tế: ngồi tiêu chí trên, tính kinh tế tiêu chí quan trọng cần xét đến lựa chọn thép khơng gỉ Khi xét đến tính kinh tế loại thép không gỉ, ta không quan tâm đến giá nguyên liệu giá thành chế tạo mà cịn phải lưu ý đến chi phí mà ta tiết kiệm từ việc kéo dài tuổi thọ sản phẩm hay giảm chi phí bảo trì cho sản phẩm Tính chống ăn mịn: Crơm hợp kim tạo thép khơng gỉ tính chống ăn mịn cách tạo với ôxy lớp phim oxyt mỏng phủ bề mặt thép làm thụ động hóa bề mặt Trong trường hợp lớp phim bị phá vỡ với diện oxy môi trường lớp phim tạo tiếp tục bảo vệ bề mặt thép Lớp phim tương đối ổn định bảo vệ tốt mơi trường khí mơi trường có nước Để cải thiện tính chống ăn mịn cho thép người ta nâng cao hàm lượng Cr cho thêm hợp kim khác Mo, Ni,… Lựa chọn loại thép khơng gỉ: Có nhiều yếu tố đặc trưng cho môi trường ăn mòn áp suất, nhiệt độ, nồng độ… nên khó để ta lựa chọn xác loại thép không gỉ cho môi trường Tuy nhiên, tham khảo hướng dẫn lựa chọn loại thép không rỉ thông dụng sau:  Loại 304: chống gỉ xây dựng, ngành hóa thực phẩm, có khả chống ăn mịn hóa chất hữu cơ, thuốc nhộm vài hợp chất vơ khác Loại 304L( hàm lượng C thấp) có khả chống ăn mịn mơi trường HNO3 H2SO4 nhiệt độ nồng độ vừa phải.Nó sử dụng rộng rãi để làm bình đựng chất khí hố lỏng, thiết bị sử dụng nhiệt độ đông lạnh (304N), thiết bị gia dụng sản phẩm tiêu dùng khác, thiết bị nhà bếp, bệnh viện, thiết bị vận chuyển nước xử lý chất thải  Loại 306: chứa nhiều Ni loại 304, chứa từ 2-3% Mo để có tính chống ăn mịn tốt loại 304 đặc biệt môi trường chloride Loại thường sử dụng sản xuất bột giấy sulfite có khả chống ăn mịn môi trường H2SO4  Loại 317: chứa 3-4% Mo hàm lượng Cr cao loại 306 Loại 317 chống ăn mòn lỗ ăn mòn khe tốt  Loại 430: có hàm lượng Cr thấp so với loại 304, sử dụng cho dầm có u cầu độ nhẵn bóng cao mơi trường khí Nó sử dụng ngành cơng nghệ thực phẩm có khả chống ăn mịn mơi trường HNO3  Loại 410: có hàm lượng Cr thấp loại thép không rỉ thông dụng nhất; dùng cho kết cấu yêu cầu tính chịu lực cao, bền tính kháng ăn mịn ốc vít Loại hoạt động tốt mơi trường khí quyển, nước số mơi trường hóa chất khác  Loại 2205: có ưu điểm loại 304 316 khả chống ăn mòn mạnh gấp hai lần, đặc biệt môi trường ăn mịn chloride Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 18 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Ta có bảng gợi ý lựa chọn loại thép không gỉ cho số loại môi trường: Môi trường Loại thép nên sử dụng AXIT *HCl *Hỗn hợp axit *Các loại thép khơng gỉ nói chung *304 hay 316( hỗn hợp axit có HNO3) * 304L 430 *Loại 304 tốt nhất( dùng cho mơi trường acid nguội có nồng độ tới 85%), dùng 316 hay 317 *Loại 304 dừng cho môi trường acid với nồng độ acid tới 80% nhiệt độ phịng; dùng 316 hoặc317 Loại 304 Loại 316 thường dùng nhiệt độ 300F ta dùng 304, nhiệt độ từ 300-500F ta dùng loại 316 loại 317 dùng mức nhiệt độ cao Loại 316 Loại 316 Loại 304 thường dùng cho tháp phun, loại 316 thường dùng cho vòi phun Ta dùng loại 316 giữ màu gây ô nhiễm *HNO3 *H3PO4 *H2SO4 Aldehydes Amines Acid béo Chất tẩy rửa tổng hợp Dược phẩm Xà phòng Sơn xe Cơ tính lý tính: Tùy vào yêu cầu tính, lý tính sản phẩm, ta sử dụng bảng tính, lý tính thép khơng gỉ để lựa chon loại thép cho phù hợp Ta có bảng tính lý tính vài loại thép khơng gỉ thơng dụng: 1) Tính cơng nghệ: Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 19 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 1/4/2018 Nhìn chung, loại thép khơng gỉ thép austenit có tính cơng nghệ cao Tuy nhiên, trường hợp ta phải xem xét đến yếu tố hình dạng, kích thước sản phẩm để lựa chọn loại thép có tính cơng nghệ cho phù hợp 2) Tính kinh tế: Sẽ xem xét sau sau vật liệu thỏa mãn tiêu chí TÀI LIỆU THAM KHẢO “Vật liệu học” – Lê Công Dưỡng, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội “Vật liệu vật liệu mới” – Phạm Phố, nhà xuất đại học Quốc gia TP HCM “Design guidelines for the selection and use for stainless steel” -Special steel industry of north America “ Những khái niệm kiến thứctổng quan thép, thép không gỉ” –Vũ Quang Long,Inox Hoa Binh COMPANY Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 03 – 4/2018 20 ... loại thép austenit) Người ta chia thép không gỉ làm loại sau: Thép không gỉ mactenxit: Lượng Cr thép từ 12-17% Qúa trình luyện thép khơng rỉ loại bao gồm: austenit hóa, tơi ram Công dụng thép. .. Thấp Cao LỰA CHỌN THÉP KHƠNG GỈ Thép khơng gỉ loại vật liệu kỹ thuậtcó độ bền chống ăn mịn tốt, độ bền học cao, tính cơng nghệ việc gia cơng chế tạo tốt Do dễ dàng đáp ứng tiêu chí lựa chọn vật... tiêu chí trên, tính kinh tế tiêu chí quan trọng cần xét đến lựa chọn thép không gỉ Khi xét đến tính kinh tế loại thép khơng gỉ, ta không quan tâm đến giá nguyên liệu giá thành chế tạo mà phải