II. THÉP KHÔNG GỈ SONG PHA
2.5.Quá trình tiết pha trong thép không gỉ song pha 2205
Duy trì cấu trúc song pha trong thép sẽ đảm bảo tính chất tốt nhất của thép. Để đảm bảo được cấu trúc này, thép phải được xử lý nhiệt ở nhiệt độ trên 1030oC và làm nguội nhanh chóng [7]. Khi nhiệt luyện hay hàn mẫu cần phải xử lý khâu làm nguội đúng cách để tránh các quá trình chuyển pha của dung dịch rắn, cụ thể là quá trình tiết các pha liên kim là nguyên nhân làm suy giảm khả năng chống ăn mòn và độ dai của thép. Theo giản đồ pha của thép không gỉ song pha có chứa hai tổ chức pha là ferit (α) và austenit (γ), khi làm nguội xuống nhiệt độ thấp hơn sẽ hình thành nên các pha liên kim. Điều này được thể hiện trong hình 1.7.
Hình 1.7. Giản đồ pha tính toán bằng phần mềm thermo-calc [7]
Trên hình 1.7 với thép chứa 22% Cr, có thể xác định quá trình chuyển pha từ dung dịch rắn ( sang pha liên kim ( xảy ra trong khoảng nhiệt độ (500 – 900)oC.
29
Hình 1.8. Giản đồ nguội đẳng nhiệt của thép không gỉ song pha [10]
Giản đồ động học quá trình hình thành các pha trung gian từ dung dịch rắn khi nguội đẳng nhiệt đối với các loại thép không gỉ song pha khác nhau (hình 1.8) cho thấy khi nguội đẳng nhiệt các loại thép song pha cũng xảy ra quá trình chuyển pha trong khoảng nhiệt độ 300oC đến trên 1000oC [22,23,24]. Các pha trung gian có thể hình thành trong thời gian ngắn. Thép không gỉ song pha 2205 tiết pha sớm nhất tại 800oC trong khoảng thời gian vài phút.
Hình 1.9. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới việc tiết ra các pha liên kim
30
Quá trình tiết pha trung gian có thể xảy ra ở vùng nhiệt độ cao (500-1000)oC và vùng nhiệt độ thấp (300-500)oC ở hình 1.9. Các nguyên tố như Cr, Mo, W và Si kéo vùng chuyển biến vào gần trục nhiệt độ và làm giảm thời gian bắt đầu chuyển biến. Ở vùng nhiệt độ thấp do tạo thành pha nên ảnh hưởng của Cu cũng cần phải tính đến. Do vậy, việc tăng hàm lượng các nguyên tố này trong thép không gỉ là tăng khả năng tiết pha của thép khi làm việc ở nhiệt độ cao.
Đối với thép 2205, khi làm việc trong khoảng nhiệt độ từ (300-1000)°C khi đó sẽ sinh ra các pha σ, χ, Cr2N và cacbit Cr kiểu M23C6. Thành phần cáC nguyên tố có trong các pha này được chỉ ra ở bảng 1.3. Có thể thấy rằng, các pha liên kim như sigma (σ) và chi (χ) trong thép không gỉ song pha 2205 có thành phần khá tương đồng với pha ferit. Do vậy, nhiều khả năng quá trình tiết các pha liên kim σ và χ chủ yếu là từ dung dịch rắn ferit.
Bảng 1.3. Thành phần nguyên tố của các pha trong thép 2205[7]
Sigma (σ) là pha cần phải quan tâm nhất do pha này thường chiếm hàm lượng
cao nhất và là tác nhân chính làm giảm mạnh sự dẻo dai và tính chống ăn mòn của thép [2,7]. Pha là pha liên kim của Fe-Cr hay Fe-Cr-Mo được tiết ra trong khoảng nhiệt độ 600oC và 1000°C [7]. Quá trình tạo mầm pha thường xảy ra tại biên giới hạt ferit/austenit và có xu hướng phát triển vào ferit. Trong thép không gỉ song pha 2507 với việc bổ sung lượng Cr và Mo cao, đây là yếu tố dễ hình thành lên sigma, vì những nguyên tố này làm hàm lượng sigma tăng.
31
Chi (χ) pha liên kim sinh ra trong khoảng nhiệt độ 700-900°C [7] và có tác
dụng tương tự như pha σ, nhưng chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn một chút, nơi mà quá trình khuếch tán của Cr, Mo chậm hơn [8]. Hơn nữa, để tạo được pha χ đòi hỏi một lượng lớn Mo. χ là pha kém ổn định hơn σ pha và có thể chuyển biến thành pha σ khi hóa già. Công thức điển hình của pha χ là Fe36Cr12Mo10 .[7]
Cr2N nitrit crom tiết pha ở giữa nhiệt độ 700°C và 900°C trong thời gian làm
nguội nhanh hoặc ủ nhiệt đẳng nhiệt. Lượng pha nitrit crom tiết ra ở vùng biên giới hạt sẽ lấy crom ở vùng lân cận và làm cho các vùng đó nghèo crom. Do sự chênh lệch hàm lượng crom sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của thép [7].
M23C6 cacbit hình thành chủ yếu ở vùng biên hạt. Đối với thép không gỉ duplex, chúng như là tâm mầm để hình thành pha σ [7]. Thép không gỉ song pha thế hệ mới có hàm lượng C rất thấp nên việc tiết ra cacbit loại này không xảy ra .
Austenit thứ cấp được hình thành trong quá trình hàn và xử lý nhiệt sẽ có một
thành phần khác so với austenit ban đầu. Sự phân hủy của ferite thành austenit thứ cấp có thể xảy ra bởi một phản ứng cùng tích (δ-ferit → σ + γ) [7]. Austenit thứ cấp có một lượng Ni cao hơn và Cr, Mo thấp hơn so với austenit ban đầu gây ra sự suy giảm khả năng chống ăn mòn rỗ.