Khâi niệm: th ĩp không gỉ bao gồm một họ hợp kim trí n cơ sở sắt
mă tín h chất chủ yếu của nó lă chống ăn mịn trong câc mơi trường khâc nhau. Tuy gọi thĩp không gỉ, nhưng thực ra mỗi loại thĩp không gỉ chỉ có tính chơng ăn m ịn cao trong một sô" môi trường nhất định vă ngay cả trong mơi trường đó nó vẫn bị ên mòn với tốc độ nhỏ, không đâng kể vă được coi lă không gỉ. Có th ể dựa văo tốc dộ ăn mòn để đânh giâ “tính khơng gỉ”, ví dụ:
- Trong mơi trường ăn mịn yếu (khơng khí, nước ngọt..), có câc mức sau: Nếu tốc độ ên mịn khơng lứn hơn 0,01 mm/năm: thĩp được coi lă hoăn toăn không bị gỉ.
Nếu tốc độ ăn mòn không lớn hơn 0,lmĩn/năĩn: thĩp được coi lă Không gỉ.
Nếu tốc độ ăn mòn lớn hơn 0,lmm/nđm: thĩp coi lă bị gỉ.
- Trong mơi trường ăn mịn m ạnh (dung dịch axít, m'i...) có câc mức sau:
Nếu tốc độ ăn mịn khơng lớn hơn 0,1 mm/nêm thĩp được coi lă chịu axit, muối tốt.
Nếu tốc độ ăn mòn lớn hơn 1 mm/nătQ th ĩp dược coi lă bị gỉ.
Ngoăi ra, tốc độ ăn mòn còn được đânh giâ bằng mức dộ giảm khối lượng trí n đơn vị diện tích trong đơn vị thời gian (g/m2h).
Crơm lă ngun tơ" hợp kim có vai trị quyết định đối với tính khơng gỉ của thĩp. Với lượng chứa khơng ít hơn 12% Cr, thĩp sẽ trở nín khơng gĩ trong mơi trường ơxy hóa do tạo ra lớp măng thụ động trí n bề m ặt của nó. Cịn m ột câch giải thích khâc lă khi ferit chứa khơng ít hơn
12,5% Cr, điện th ế điện cực của nó tăn g lín tương đương vối điện th ế của
pha xím entit (hay cacbit nói chung), nđng cao khả năng chống mịn điện hóa, lăm cho thĩp trờ nín khơng gỉ.
+ Sơ lược về câc loại thĩp không gỉ:
- Những thĩp khơng gỉ có chuyển biến ơstenit ở nhiệt độ cao, khi lăm
nguội chậm cố thể chuyển biến thănh mactenxit, thuộc họ thĩp khồng gỉ mactenxit có thănh phần crơm khoảng 12,5-5-17%, cịn cacbon có thể đạt tới 1,1%.
C r ,------- ^
H ìn h 6.17. Giản đồ Schaeffler ■ tổ chức của thĩp không g ỉ phụ thuộc lượng Cr, N ỉ quy đổi: M- vùng tồn tại của mactenxit; a - ferit; p - ôstenit
- Khi thĩp có lượng cacbon thấp (< 0,08 -ỉ- 0,02%), nếu th ăn h phần
crôm lớn hơn 12%, sẽ có tổ chức hoăn toăn ferit ở mọi khoảng n h iệt độ, đó ỉă thĩp khơng gỉ ferit. Loại năy chứa 12 ~ 30%Cr.
- Như đê biết, Ni có khuynh hướng ổn định hóa pha ơstenit. Tùy theo thănh phần Cr, Ni, c mă một số loại thĩp khơng gỉ có tổ chức ơstenit ngay cả ở n h iệt độ thường, đó lă thĩp không gỉ ôstenit.
- Ngoăi ba loại thĩp khơng gỉ kể trín, cịn có những loại thĩp không gỉ mă trong tố chức có cả ferit vă ơstenit, đó lă thĩp khơng gỉ loại a - ferit vă y - ơstenit. Ngoăi ra, cịn gặp loại thĩp khơng gỉ hóa cứng tiết
pha phăn tân.
Để xâc định tổ chức của thĩp không gỉ khi biết th ăn h phần hóa học của nó, người ta thường dùng giản đồ Schaeffler như trí n H.6.17. Trín giản đồ năy, trục hoănh biểu thị lượng crôm quy đổi (tương đương), được tín h theo cơng thức:
. 'Crtđ = %Cr + c/cMo + l,5.%Si + 0,5.%Nb
tương ứng vổì tâc dụng tóng hợp của câc nguyín tố mở rộng vùng a, còn trục tung biểu thị lượng Ni quy đổi, được tính theo cơng thức:
Ntđ = % Ni + 30.%c + 0,5%.Mn
tương ứng với tốc dựng tổng hợp của câc ngun tơ" mỏ rộng vùng 7. Câc vùng bín trong giản đồ cho biết tổ chức của thĩp khơng gỉ sau khí nóng chăy rồi để nguội ngoăi khơng khí (mẫu nhỏ), hoặc sau khi ơstenit hóa rồi nguội nhanh trong nước (để giữ iại tổ chức của thĩp ở n h iệt độ cao).
Bảng 6,17 trìn h băy một số loại thĩp khơng gỉ theo tiíu chuẩn SAE/AISI (Mỹ).
B ả n g 6.17. Một số loại thĩp khơng g ỉ của Mỹ pìiđn loại theo tổ chức tế vi.
Thănh phần câc nguyín tố, % Cứ tính, MPa K ỷ hiệu thĩp (SAE/AISI) c C r Ni Nguyín tố khâc Trạng thâi °0 .2 8, % Loại macten xit
410 < 0,15 12.5 - • - Tói vă 700 1000 20 420 > 0,15 13,0 - - ram ở 1375 0760 10 440B 0,75-0,95 17,0 - • 400°c 1900 1950 3 Loại ferit: 405 < 0,08 13.Ơ - 0.2A1 ủ 275 450 25 430 < 0,12 17,0 - - 345 650 25 446 < 0 20 25,0 < 0.25N 350 560 20 Loại ỗstenit 301 < 0,15 17,0 7,0 - ủ ■■ 275 750 50 304 < 0,08 19 0 9 0 - 250 580 55 316 < 0,08 17 0 12,0 2,5Mo 290 580 50 316-L < 0,03 17 0 12,0 2,5Mo 260 550 50 347 < 0,08 18 0 1 1 0 Nb hoặc T a >10.% c 275 655 45 Loại hóa cứng tiết pha: 361 (17-7PH) < 0,09 17,0 7,0 1,2 AI Hóa giă 1550 1650 6 + Thĩp không gỉ mactenxit.
- Đặc điểm về thănh phần hóa học: Lượng crơm trong loại thĩp năy từ 12 - 17%, Bảng 6.17. Nếu lượng crôm ở mức độ giới hạn dưới {12,5 - 13%) thì lượng cacbon phải hạn chế không vượt quâ 0,4% để trânh tạo thănh nhiều pha cacbit crôm (lăm nghỉo crôm ở kim loại nền) lăm giảm tính chống gỉ của thĩp. Đđy chính lă câc mac thĩp 12Crl3, 20Crl3, 30Crl3, 40Crl3. Nếu tăng lượng crơm tới 17% thì lượng cacbon có thể tới 0,9 - 1,1% (mâc 90Crl8) để tâng độ cứng mă vẫn bảo đảm tính chống gỉ.
- Đặc điểm về nhiệt luyện: N hiệt luyện thĩp không gỉ loại năy bao gồm nung để đ ạt tổ chức ôstenit, tôi vă ram. N hiệt độ ơstenit hóa cao (950 -T 1.100°C) do crôm nđng cao điểm chuyến pha vă cần phải hịa tan cacbit crơm văo y. Do ỉượng Cr cao nín thĩp năy có thể lăm nguội trong dầu hoặc khơng khí mă vẫn có thể nhận được tổ chức mactenxit. Nhiệt dộ ram tùy yíu cầu cụ thể, nhưng phải trâ n h giòn ram loại II trong khoảng nhiệt độ 350 - 575°c, bằng câch nguội nhanh trong dầu,
- Công dựng: loại cacbon thấp (12Crl3, 20Crl3) có cơng dụng chung lăm đồ trang sức, ốc vít khơng gỉ, chi tiết chịu nhiệt (dưới 450°C) như cânh tưabin hơi, bộ phận cracking dầu mỏ ....
Câc mâc với lượng cacbon cao hơn (30Crl3, 40Crl3) có độ cứng vă giới hạn đăn hồi cao hơn, đùng lăm lò xo không gỉ, dụng cụ đo, chi tiết mây lăm việc trong diều kiện chịu ứng suất cao trong mơi trường ăn mịn hoặc nh iệt độ cao (tới 450°C), dụng cụ y tế ...
Nói chung thĩp khơng gỉ mactenxit có tính chống ăn mịn cao trong khơng khí, nước sơng, nước mây, HNO3, cịn trong câc môi trường axit khâc chúng bị ăn mòn. Cần lưu ý rằng trong ba loại thĩp khơng gỉ chính, thĩp m actenxit lă thĩp có tính chống ăn mòn kĩm nhất.
+ Thĩp không gỉ ferit.
Tùy theo lượng crôm, thĩp không gỉ ferit dược chia th ă n h ba nhóm: ' Nhóm thĩp chứa khoảng 13%'Cr, c thấp (< 0,08%). Cho thím 0,2% AI (nguyín tố mở rộng vùng a) sẽ ngăn cản sự tạo thănh ôstenit khi nung vă nđng cao tính hăn, được dùng nhiều trong công nghiệp dầu mỏ.
- Nhóm thĩp chứa 17% Cr như mâc 12Crl7, lă loại thĩp không gỉ ferit được dùng nhiều n h ất vì trong nhiều trường hợp nó có thể thay th ế thĩp không gỉ ôstenit, lại không chứa Ni liín rẻ hơn nhiều. Được dùng
nhiều trong cơng nghiệp sản xuất HNO3, hóa thực phẩm .... Nhược điểm
của thĩp năy lă khó hăn. Để nđng cao tính hăn, thường sử dụng mâc 08Crl7Ti với lượng Ti khoảng 0,8%-
- Nhóm thĩp chứa từ 20 - 30% Cr như mâc 15Cr25Ti, có tín h chống ơxy hóa cao.
Nói chung thĩp khơng gỉ ferit có giới h ạn đăn hồi cao hơn thĩp ơstenit, mức độ hóa bền do biến dạng dẻo thấp hơn (nín phù hợp gia công biến dạng dẻo nguội).
+ Thĩp không gỉ ôstenit: Ở hai loại thĩp khơng gỉ trín, pha y khơng tồn tại hoặc chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao. Nếu cho thím Ni (nguyín tố mở rộng vùng y) với lượng thích hợp, sẽ lăm cho thĩp có tổ chức ôstenit ngay cả ỗ n h iệt độ thấp hơn nhiệt độ thường, đó lă loại thĩp
không gỉ ôstenit. Bảng 6.18 trìn h băy một số mâc thĩp không gỉ ôstenit theo TCVN 2735-78.
B ảng 6.18. Một số ỉoại thĩp khơng gì ơstenit
Thính phấn hóa học ,% Kỹ hiệu c Cr Ni TI Mn Si p s Khơng ớn htìn . 12Cr1BNi9 £ 0 ,1 2 17-19 8-10 - 2,0 0,8 0.0Ị35 0,02 17Cr18Ni9 0.13-0,21 17-19 8-10 2,0 0,8 0.035 0,02 12CM8NÌ9TÌ £0,12 17-19 8-9,5 0,8 2,0 0,6 0,035 0.02 4Cr18Ni1D £ 0,04 17-19 9-11 2,0 0.6 0,035 . 0,02 BCr1SNi10 £ 0.06 17-19 9-11 2.0 0.8 0,035 0,02 8Cr18Ni10Ti £0.08 17-19 0 -11 0,7 2.0 c.a 0.035 0,02 12Cf18NitOTi £ 0 .12 17-19 0 -11 0,6 2.0 0,8 0.035 ■, 0,02 Những líu điểm chính của nhóm năy:
- Tính chơng ăn mịn cao: hoăn toăn ổn định trong nước sông, nước biển, hơi nước bêo hòa vă quâ nhiệt, trong câc dung dịch muôi. Chúng ổn định trong H N O3 với mọi nồng độ vă nhiệt độ, trong H2SO4 nguội, trong
HC1 loêng, nguội. Vì vậy, chúng được dùng trong công nghiệp sản xuất axit, cơng nghiệp hóa dầu, cơng nghiệp thực phẩm.
- Tính dẻo cao (õ = 45 -ỉ- 60%), dễ cân, rập gò ỏ trạn g th âi nguội, phù hợp chí tạo câc th iế t bị hóa học (bình ống ...). Cũng do cấu tạo mạng lập phương diện tđm , chúng khơng bị giịn khi h ạ t lớn do quâ nung vă khơng có điểm chuyển biến dẻo - giịn, do vậy có thể sử dụng ở nhiệt độ rấ t thấp (vùng bêng giâ, trong kỹ th u ật lạnh ...).
- Cơ tín h bảo đảm: d trạng thâi ủ (hoặc trạng th â i tơi để có tổ chức hoăn toăn lă y) chúng có độ dẻo cao, độ bền thấp (ơb = 750MPa, ơ0 2 = 250MPa), nhưng sau biến cứng bằng biến dạng nguội có thể đ ạt độ bền rấ t cao (ơb = lOOOMPa, 00 2 = 750MPa), đâp ứng dược yíu cầu chịu tải của câc th ỉế t bị hóa học.
Do những ưu điểm trín, thĩp khơng gỉ ơstenit lă loại thĩp được
dùng r ấ t phổ biến. * .
Một số nhược điểm của thĩp không gỉ ôstenit:
- Đắt tiền, do chứa nhiều Ni, Có thể giảm giâ thănh băng câch dung Mn thay th ế một phần Ni, ví dụ: mâc 10Crl4Mnl4Ni4Ti thay cho mâc
l2Crl8NilOTi để chế tạo câc chi tiết lăm việc trong mơi trường ăn mịn yếu. - Khó cắt gọt do thĩp dẻo, phoi khó gẫy.
- Dễ bị ăn mịn theo biín h ạ t ố vùng ảnh hưộng n h iệt của môi hăn hoặc chi tiế t thường xuyín lăm việc ỏ 400 - 800°c, ăn mòn tập trung (dạng điểm, dạng hốc), ăn mòn dưới ứng suất vă hiệu ứng tích lũy do ăn mịn vă mỏi.... Ngun nhđn lă do sự tiết pha cacbit crôra ở vùng biín hạt
lăm nghỉo crơm ở vùng lđn cận vă vùng đó sẽ bị ăn mịn nhanh hơn. Có thể khắc phục bằng câch giảm lượng cacbon trong thĩp đến mức có thể được hoặc thím câc ngun tơ" tạo cacbit mạnh hơn Cr (Ti, Nb, Ta...), ví dụ: mâc 08Crl8Nil0Ti....
Để tăng khả năng lăm việc trong mơi trường có ion Cl", phải cho thím 2 - 4%Mo, ví dụ mâo 10Crl7Nil3Mo2Ti. Ngoăi ra, dể chế tạo câc kết cấu hăn lam việc trong H3S 04 vă H3PO4 nóng, thĩp thường được hợp kim hóa thím Mo (khoảng 1%) , Cu (khoảng 1 - 2%) vă Ti,Nb,V ... (câc nguyín tố tạo cacbit mạnh).
+ Thĩp khơng gỉ ơstenit-íerit:
Nếu tăng lượng crôm (18 - 28%) vă giảm lượng Ni (5 - 9%) thĩp sẽ có tổ chức lă hỗn hợp Ỵ vă G, đó lă thĩp khơng gỉ ôstenit-ferít, vi dụ: mâc
12Cr21Ni5Ti. . ■
Cơ tính của loại thĩp năy rấ t tốt: khơng có hiện tượng giòn của thĩp ferit, giới hạri đăn hồi cao gấp ba lần so với thĩp ôstenit. Ngoăi ra độ chống ăn mòn bảo đảm, đặc biệt trong điều kiện chịu âp lực, chịu ên mòn tập trung, ăn mồn dạng hang hốc trong khí quyển có tính xđm thực mạnh.
Ngoăi câc loại thĩp khơng gỉ níu trín, cịn có loại thĩp hóa cứng tiết pha (thĩp ơstenit-mactenxit). Thĩp năy có thí hóa bền bằng hóa giă.