Thép không gỉ bao gồm một họhợp kim trên cơ sở Fe mà tính chất chủ yếu của nó là bền chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau. Tuy gọi là thép không gỉ, nhưng cần hiểu tương đối so với thép thường. Thực ra mỗi loại thép không gỉ chỉ có
tính chống ăn mòn cao trong một số môi trường nhất định và ngay cả trong môi trường đó nó vẫn bị ăn mòn với tốc độ nhỏ không đáng kể và được coi là không gỉ. Có thể dựa vào tốc độ ăn mòn chiều dày lớp kim loại bị ăn mòn trong một đơn vị thời gian mm/năm để đánh giá tính không gỉ.
+ Trong môi trường ăn mòn yếukhông khí, nước ngọt,… có các mức.
Nếu tốc độ ăn mòn không lớn hơn 0,01mm/năm thép được coi là hoàn toàn không bịgỉ.
Nếu tốc độ ăn mòn không lớn hơn 0,1mm/năm thép được coi là không gỉ. Nếu tốc độ ăn mòn lớn hơn 0,1mm/năm thép coi bịgỉ.
+ Trong môi trường ăn mòn mạnh dung dịch axit, muối, bazơ… có các mức.
Nếu tốc độ ăn mòn không lớn hơn 0,1mm/năm được coi là chịu axit, muối tốt. Nếu tốc độ ăn mòn không lớn hơn 1mm/năm được coi là không gỉ.
Nếu tốc độ ăn mòn lớn hơn 1mm/năm coi là bịgỉ.
Tốc độ ăn mònđược đánh giá bằng mức độgiảm khối lượng trên đơn vịdiện tích trong đơn vịthời gian (g/m2h). Trongtrường hợp không có hiện tượng ăn mòn cục bộ, giữa hai đại lượng này có mối quan hệsau: 1g/m2h= 0,122mm/năm.
Crôm là nguyên tốhợp kim có vai trò quyết định đối với tính không gỉ của thép. Với lượng chứa không ít hơn 12%Cr, thép sẽ trở nên không gỉ trong môi trường oxy hóa do tạo ra lớp màng thụ động trên bề mặt của nó. Còn một cách giải thích khác là khi ferit chứa không ít hơn 12,5%Cr điện thế điện cực cả nó tăng lên tương đương với điện thế của xementit (hay cacbit nói chung), nâng cao khả năng chống ăn mòn điện hóa một cách rõ rệt.
2.6.2.1. Sơ lược vềthép không gỉ
Những loại thép không gỉ có thểaustenite hóa ở nhiệt độ cao, sau khi làm nguội có chuyển biến thành mactenxit thuộc loại thép không gỉmactenxit. Loại này có thành phần Cr không lớn hơn17%, còn lượng cacbon có thểcao tới 1,1%.
Khi thép có lượng cacbon thấp (ít hơn 0,08%), nếu thành phần Cr lớn hơn 12% sẽcó tổchức hoàn toàn ferit, nghĩa là ở mọi khoảng nhiệt độ, dù có tôi trong nước nó cũng không chuyển biến thành mactenxit, đó là loại thép không gỉ ferit. Loại này có thểchứa từ 12 đến 30%Cr.
Vì Ni là nguyên tố mở rộng vùng γ nó có khuynh hướng ổn định hóa pha austenit. Tùy theo thành phần Cr, Ni, C mà một vài loại thép không gỉ có tổ chức austenite ngay cả ởnhiệt độthấp hơn nhiệtđộ thường, đó là thép không gỉaustenite.
Ngoài ba loại thép không gỉ kểtrên, còn có những loại thép không gỉmà trong tổ chức có cả ferit và austenite, đó là thép không gỉ ferit- austenite. Cuối cùng còn gặp loại thép không gỉ hóa cứng tiết pha phân tán.
ta thường dùng giản đồ Schaeffler. Trên giản đồnày, trục hoành biểu thị lượng Cr quy đổi (tương đương), được tính theo công thức sau:
Crtđ= %Cr + %Mo + 1,5%Si + 0,5%Nb
Tương ứng với tác dụng tổng hợp của các nguyên tố mở rộng vùng α. Còn trục tung biểu thị lượng Ni quy đổi tương đương, được tính theo công thức sau:
Nitđ= %Ni + 30.%C + 0,5%Mn
Tương ứng với tác dụng tổng hợp của các nguyên tố mở rộng vùng γ. Các vùng bên trong giản đồ cho biết tổ chức của thép không gỉ sau khi nóng chảy rồi để nguội ngoài không khí (mẫu nhỏ), hoặc sau khi austenite hóa rồi nguội nhanh trong nước thao tác này được gọi là ÉtôiÊ nhưng thực tế đểgiữlại tổchức của thépởnhiệt độcao.
2.6.2.2. Thép không gỉ mactenxit
Lượng Cr trong loại thép này từ 12%-17%, nếu vượt quá giới hạn trên sẽ trở thành thép austenite. Nếu lượng Cr ở mức giới hạn dưới (12,5%-13%) thì lượng cacbon phải hạn chế không vượt quá 0,4% để tránh tạo thành quá nhiều pha cacbit crôm dẫn tới làm nghèo Cr ở phần kim loại nền và giảm khả năng chống gỉ của thép. Đó chính là trường hợp các loại thép không gỉ mà ta vẫn thường gọi theo cách của Nga: 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, tương đương với mác thép của ta là 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 40Cr13. Nếu tăng lượng Cr nên tới 17% thì lượng cacbon có thểcao tới 0,9 -1,1% như các sốhiệu 440 hay 440B của Mỹ để tăng có tính chủyếu là độcứng mà vẫn đảm bảo tính chống gỉ.
Nhiệt luyện thép không gỉloại này cũng bao gồm austenite hóa, tôi và ram. Nhiệt độ austenite hóa khá cao (950-11000C) do Cr nâng cao điểm chuyển pha α↔γ và cần phải hòa tan cacbit Cr vào γ. Do lượng Cr cao nên thép này dễ tôi, có thể nguội trong dầu hoặc trong không khí vẫn có thể nhận được mactenxit. Nhiệt độram tùy vào yêu cầu cụ thể, nhưng lưuý tránh giòn ram loại II ở vùng nhiệt độ 350-5750C bằng cách nguội nhanh trong dầu. Nếu nguội chậm trong vùng nhiệt độ trên sẽ hình thành Cr23C6 nó là nguyên nhân làm thép bịgiòn và giảm khả năng chống ăn mòn.
Công dụng của thép không gỉ mactenxit như loại cacbon thấp 12Cr13, 20Cr13 có công dụng chung làm đồtrang sức, ốc vít không gỉ, chi tiết chịu nhiệt dưới 4500C như cánh tuôc bin hơi, bộphận cracking dầu mỏ…
Những loại thép với lượng cacbon cao hơn như 30Cr13, 40Cr13 có độ cứng và giới hạn đàn hồi cao, dùng làm lò xo không gỉ, dụng cụ đo,…
Những số hiệu có lượng cacbon cao tới 0,9-1,0% có độ cứng cao dùng để làm dụng cụmổ như dao, kéo, chi tiết chịu nhiệt và chịu mài mòn như supap xảcủa độ cơ điêzel, ổbi làm việc trong một số môi trường ăn mòn,…
Nói chung thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn mòn cao trong không khí, nước song, nước máy, do hiệuứng thụ động hóa của crôm nên không bị ăn mòn trong
axit HNO3, còn trong các axit khác chúng bị ăn mòn. Cần lưuý rằng trong ba loại thép không gỉ chính, thép mactenxit là loại có tính chống ăn mòn kém nhất. Thực tế thường gặp thép với lượng Cr tối thiểu 12,5-13% vừ đủ để bảo đảm tính thụ động hóa của lớp bề mặt, dung do một phần Cr tạo với C thành cacbit nên nó không thểtham gia tạo ra màng thụ động làm cho thép có tính chống ăn mòn kémđi.
2.6.2.3. Thép không gỉ Ferit
Tùy theo lượng Cr thép không gỉ ferit được chia thành ba nhóm.
Nhóm thép chứa khoảng 13%Cr loại này chứa rất ít cacbon nhỏ hơn 0,08%. Cho thêm 0,2%Al, nguyên tốmởrộng vùng αsẽ ngăn cản sựtạo thành austenit khi nung và tạo thuận lợi cho việc hàn, được dùng nhiều trong công nghiệp dầu mỏ.
Nhóm thép chứa tới 17%Cr như mác 12Cr17 đây là số hiệu thép không gỉ ferit được dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế thép không gỉ austenite khi điều kiện sử dụng cho phép, lại không chứa Ni nên rẻ hơn nhiều. Được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit HNO3, hóa thực phẩm, kiến trúc,… Nhược điểm của thép này là khó hàn, khi nhiệt độ vượt quá 9500C vùng gần mối hàn trở nên giòn và là nơi xảy ra ăn mòn theo biên hạt. Có thể khắc phục hiện tượng này bằng cách hạ thấp lượng cacbon hoặc cho thêm 0,8%Ti vào thép như mác 08Cr17Ti.
Nhóm thép chứa từ 20%-30%Cr như số hiệu 15Cr25Ti hay 15Cr28 vì lượng Cr cao nên chúng có tính chống oxy hóa cao không bịtróc vẩyởnhiệt độcao 800-9000C.
Nói chung thép không gỉ ferit có giới hạn đàn hồi cao hơn thép austenite, nhưng mức độ hóa bền do biến dạng dẻo lại thấp hơn, nên chúng thích hợp cho việc gia công bằng biến dạng dẻo nguội như: cán, kéo, gò, dập… Độbền chống ăn mòn của chúng phụ thuộc lượng Cr trong thép nhưng tốt nhất ở trạng thái ủ. Để hạn chếhiện tượng ăn mòn cục bộ ăn mòn điểm phải tăng lượng Cr lên trên 20% và tốt hơn là cho thêm khoảng 2%Mo cho phép sửdụng thép trong khí hậu biển, nước biển và trong môi trường axit.
2.6.2.4. Thép không gỉ austenite
Các thép không gỉkểtrên phaγkhông tồn tại hoặc chỉtồn tạiởnhiệt độcao. Nếu cho thêm Ni, nguyên tố mở rộng vùng γ với lượng thích hợp, sẽ làm cho thép có tổ chứcγngay cả ởnhiệt độthấp hơn nhiệt độ thường, đó là loại thép không gỉ austenite. Thép không gỉ austenite điển hình là loại thép 18.8 hay 18.9 (18%Cr và 8-10%Ni).
Những ưu điểm nổi bật của nhóm thép này có thểtóm tắt.
Tính chống ăn mòn cao, chúng hoàn toàn ổn định trong nước song, nước biển, trong hơi nước bão hòa và quá nhiệt, trong các dung dịch muối. Trong các dung dịch axit chúng có tính chống ăn mòn cao: ổn định trong axit HNO3 với mọi nồng độ và nhiệt độ, trong axit H2SO4 nguội, trong axit HCl loãng, nguội. Bởi vậy chúng được dùng trong công nghiệp sản xuất axit, công nghiệp hóa dầu và thực phẩm, chi tiết chịu nhiệt tới 900-10000C,…
Tính dẻo cao (δ=45-60%), dễcán, dập, gò ởtrạng thái nguội rất thích hợp đểchế tạo các thiết bịhóa học (làm bình,ống…). Cũng do cấu tạo mạng lập phương diện tâm nó không bị giòn ngay cả khi hạt lớn do quá nung và nhất là không có điểm chuyển biến dẻo giòn, do vậy có thể dùng ở nhiệt độ rất thấp như ở vùng băng giá, hoặc làm bình chứa khí hóa lỏng, trong kỹthuật làm lạnh,…
Cơ tính đảm bảo, mặc dầu không hóa bền được bằng nhiệt luyện (do không có chuyển biến pha), nhưng lại hóa bền mạnh bằng biến dạng dẻo ở trạng thái nguội ở trạng thaíủhoặc trạng thái tôi đểcó tổchức hoàn toàn austenite, chúng có độdẻo cao, nhưng độ bền thấp σb=750MPa, σ0,2=250MPa, nhưng sau biến cứng bằng biến dạng nguội có thể đạt độ bền rất cao σb=1000MPa; σ0,2=750MPa, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chịu tải của các thiết bị hóa học. Sựhóa bền này là do phần lớn austeniteở phần bị biến dạng mạnh đã chuyển thành mactenxit gọi là mactenxit biến dạng giống như trường hợp thép chống mài mòn mangan cao 130Mn13Đ. Cũng chính do nguyên nhân này, thép bị biến cứng rất nhanh sau mỗi lần biến dạng, để có thể biến dạng tiếp phải đem ủthépởnhiệt độcao thích hợp.
Do những ưu điểm trên thép không gỉaustenite là loại thép được dùng phổbiến nhất, ởMỹthép không gỉaustentit chiếm tới 70% tổng lượng thép không gỉ. Không những trong công nghiệp hóa học mà cảtrong ngành công nghiệp khác và làm đồgia dụng.
Những nhược điểm của loại thép không gỉ Cr-Ni họ 18.8 là đắt tiền, do chứa nhiều Ni. Có thể giảm giá thành bằng cách dùng Mn thay thế một phần Ni. Ví dụ 10Cr14Mn14Ni4Ti thay cho thép 12Cr18Ni10Ti để chế tạo một số chi tiết làm việc trong môi trường ăn mòn yếu như axit hữu cơ, muối, kiềm trong công nghiệp hóa thực phẩm hoặc 10Cr14Mn24Ni3 thay cho 12Cr18Ni9 và 17Cr8Ni9,…Khó gia công cắt gọt do dẻo quánh, phoi khó gãy. Có thể cải thiện bằng cách cho thêm sêlen hoặc lưu huỳnh với lượng khoảng 0,15% dĩ nhiên là có làm giảm chút ít khả năng chống ăn mòn của thép.
Bị ăn mòn trong một số trường hợp sử dụng cụ thể như bị ăn mòn theo đường biên hạtởvùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn hoặc chi tiết phải thường xuyên làm việc ở khoảng nhiệt độ 400-8000C, ăn mòn tập trung dạng điểm, dạng hốc, ăn mòn dưới ứng suất và hiệu ứng tích lũy do ăn mòn và mỏi… do có sựtiếp pha Cr cacbit ở vùng biên hạt làm nghèo Crởvùng liền kềvà vùng đó sẽbị ăn mòn nhanh hơn. Có thểkhắc phục hiện tượng này bằng cách giảm lượng cacbon trong thép đến mức có thể được như các mác 4Cr18Ni10 hoặc 316-L của Mỹít cacbon dễ hàn. Hoặc là cho thêm các nguyên tố tạo cacbit mạnh hơn Cr như Ti, Nb, hay Ta như các mác 12Cr18Ni9Ti, 8Cr18Ni10Ti, 12Cr18Ni10Ti. Để tăng khả năng làm việc trong môi trường có ion Cl- như nước biển, khí hậu biển, cũng như đối với thép ferit, phải cho thêm 2-4%Mo.
dùng loại thép không gỉ austenite có lượng cacbon thấp hơn nhưng lượng Cr và Ni cao hơn họ 18.8 và phải hợp kim hóa 1%Mo, 1-2%Cu và một vài nguyên tố tạo cacbit mạnh như Ti, V, Nb… trong đó Ni, Mo, Cu đảm bảo tính ổn định của thép với axit, còn Tiđảm bảo loại trừ ăn mòn tinh giới.
2.6.2.5. Thép không gỉ austenite- ferit
Nếu tăng lượng Cr và giảm lượng Ni (18-28%Cr và 5-9%Ni) thép sẽ có tổchức là hỗn hợpγvàα, đó là thép không gỉaustenti–ferit, ví dụ12Cr21Ni5Ti.
Đặc điểm quan trọng của loại thép này là cơ tính của chúng rất tốt hầu như không có hiện tượng giòn của thép ferit, còn giới hạn đàn hồi lại cao gấp 3 lần so với thép austenite. Ngoài ra độbền chống ăn mònđảm bảo, đặc biệt trong điều kiện chịu áp lực ăn mòn ứng suất hoặc chịu ăn mòn tập trung ăn mòn điểm và ăn mòn dạng hang hốc trong khí quyển có tính xâm thực mạnh như ống xả, lỗvan xả,ống dẫn hơi hóa chất,…
2.6.2.6. Thép không gỉ hóa cứng tiết pha (thép austenite- mactenxit)
Thép không gỉ hóa cứng tiết pha ít nhất có hai ưu điểm có thểtiến hành gia công bằng biến dạng nguội, và cắt gọt ở trạng thái tương đối mềm, tiếp đến có thểhóa bền bằng hóa già vùng nhiệt độ tương đối thấp để tránh sự biến dạng hoặc là sự oxy hóa. Nhiệt luyện thép này như sau:
Nung tới nhiệt độ 10500C rồi làm nguội ngoài không khí. Tổchức nhận được là austenite, có thểtiến hành gia công tạo hình bằng biến dạng dẻo hoặc cắt gọt ở trạng thái nguội.
Nung tới nhiệt độtrong khoảng 750- 9500C rồi làm nguội ngoài không khí. Tổchức nhận được gồm nền là austenite và các hạt cacbit với số lượng tùy vào nhiệt độnung.
Làm nguội tiếp xuống từ 0 đến -750C (gia công lạnh) để chuyển một phần hoặc toàn bộaustenite thành mactenxit.
Hóa già nhân tạo ở khoảng 5250C trong 1h, cơ tính độ bền, độ cứng sẽ đạt cực đạiđó là sựhóa bền cấu trúc nhờtiết ra các phần tửnhỏmịn NiAl và Ni3Al.
Loại thép này dùng để chế tạo một số chi tiết máy làm việc trong điều kiện chịu ăn mòn lại cần cần độ cứng, độ bền tương đối cao nhưng không ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độhóa già.