Tìm hiểu về thép không gỉ

1. Giới thiệu:

Thép không gỉ, hay còn gọi là inox (từ gốc tiếng Pháp: inoxydable) là một loại thép hợp kim có chứa Cr (với hàm lượng Cr tối thiếu là 10.5% khối lượng). Nếu các loại thép thông thường khi tiếp xúc với các tác nhân oxy hóa (như không khí, độ ẩm …) sẽ tạo thành gỉ sắt và ăn mòn vào lớp vật liệu bên trong, thì trong thép không gỉ, khi hàm lượng Cr đủ cao, trên bề mặt nó sẽ hình thành một lớp màng thụ động là oxit crom có tác dụng ngăn cản quá trình tạo gỉ và ăn mòn vào lớp vật liệu bên trong khiến cho bề mặt nó luôn tạo cảm giác sáng bóng.

Nhờ những đặc tính nổi bật, ngày nay, thép không gỉ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế, đời sống … Tuy nhiên, vì cái tên “không gỉ”, đây cũng làm loại vật liệu hay được lạm dụng vì nhiều mục đích khác nhau, nhất là đối với các ứng dụng trong đời sống. Nhưng thực tế, khả năng chịu ăn mòn của loại thép này tùy thuộc theo các thành phần hợp kim của nó và môi trường sử dụng, trong nhiều trường hợp, nó còn nhạy cảm với ăn mòn hơn cả thép thường (nhất là trong dung dịch muối clo, VD: muối ăn NaCl …)

2. Đặc điểm thép không gỉ:

Thép không gỉ là một họ hợp kim trên cơ sở Fe có tính chất chủ yếu là chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau. Tuy nhiên, cần hiểu tính chất “không gỉ” ở đây là tương đối so với thép thông thường. Còn thực chất, 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 nhưng với tốc độ không đáng kể nên được coi là không gỉ.

Trong số khoảng 16 ~ 18 nguyên tố hợp kim được sử dụng trong thép không gỉ, các nguyên tố C, Ni, Cr, Mo, Mn, Si, Nb là các nguyên tố có ảnh hưởng chính, quyết định đến cấu trúc và tính chất của thép. Trong đó, Cr là nguyên tố hợp kim quyết định cho tính không gỉ của thép. Giải thích về điều này có thể theo 2 cách như sau:

* với hàm lượng từ 12% Cr trở lên, thép trở nên không gỉ trong môi trường oxy hóa do bề mặt được bảo vệ bởi lớp màng thụ động Cr2O3..

* khi ferrite chứa không ít hơn 12.5% Cr, điện thế điện cực của nó tăng lên tương đương điện thế của pha xementit (carbit nói chung) –> nâng cao khả năng chống ăn mòn điện hóa –> thép trở nên không gỉ.

3. Phân loại thép không gỉ:

3.1. Phân loại theo tốc độ bị ăn mòn:

Như đã trình bày ở trên, tính không gỉ của thép chính là khả năng chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau. Căn cứ theo đó, tùy thuộc tính ăn mòn của môi trường, thép nói chung và thép không gỉ nói riêng được phân loại theo tốc độ ăn mòn như sau:

* trong môi trường ăn mòn yếu: nước ngọt, không khí …

- không lớn hơn 0.01 mm/năm: thép được coi là hoàn toàn không gỉ

- không lớn hơn 0.1 mm/năm: thép được coi là không gỉ

- lớn hơn 0.1 mm/năm: thép coi là bị gỉ

* trong môi trường ăn mòn mạnh: nước biển, muối, axit …

- không lớn hơn 0.1 mm/năm: được coi là chịu muối, axit (tốt)

- không lớn hơn 1 mm/năm: được coi là không gỉ (đạt yêu cầu)

- lớn hơn 1 mm/năm: coi là bị gỉ.

3.2. Phân loại theo cấu trúc của thép:

Căn cứ theo ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cấu trúc của thép, chúng được chia thành 2 nhóm: các nguyên tố ổn định cấu trúc austenite (đặc trưng bằng hàm lượng Ni tương đương) và ổn định cấu trúc ferrite (đặc trưng bằng hàm lượng Cr tương đương). Điều này được trình bày trong giản đồ Schaeffler về cấu trúc của thép không gỉ với trục tung theo %Ni tương đương, trục hoành theo %Cr tương đương.

Theo giản đồ, có 3 nhóm thép không gỉ chính (đơn pha) là: thép không gỉ mactensite, thép không gỉ austenite và thép không gỉ ferrite. Ngoài ra, còn có các nhóm thép không gỉ liên pha khác nhưng ít được sử dụng trong đời sống.

4. Tính chất và công dụng của một số nhóm thép không gỉ:

4.1. Thép không gỉ martensite:

Đây là nhóm thép không gỉ có chứa 12 ~ 17% Cr. Nếu hàm lượng Cr ở giới hạn dưới (12 ~ 13%) thì phải khống chế hàm lượng C không quá 0.4% để tránh tạo thành quá nhiều cacbit crom, làm nghèo Cr ở phần kim loại nền và giảm tính chống gỉ. Nếu hàm lượng Cr lên tới 17% thì lượng C có thể cao 0.9 ~ 1.1% để tăng cơ tính (độ cứng) mà vẫn đảm bảo tính chống gỉ.

Chế độ nhiệt luyện của loại thép này: tôi ở 950 ~ 1100 °C, môi trường nguội có thể là dầu hoặc không khí (do có %Cr cao nên dễ tôi), nhiệt độ ram tùy theo yêu cầu cụ thể nhưng phải chú ý tránh giòn ram loại II ở vùng nhiệt độ 350 ~ 575 °C (bằng cách nguội nhanh trong dầu, nếu nguội chậm sẽ hình thành Cr23C6 làm thép bị giòn và giảm khả năng chống ăn mòn).

Thép không gỉ martensite có tính chống ăn mòn cao trong môi trường nước ngọt, do hiệu ứng thụ động hóa của crom nên không bị ăn mòn trong môi trường axit HNO3 (nhưng bị ăn mòn trong các loại axit khác). Loại thép này với hàm lượng carbon thấp (VD: mác 403, 410 của Mỹ) được dùng làm đồ trang sức, ốc vít không gỉ, chi tiết chịu nhiệt (dưới 450 °C) như cánh tuốc bin hơi .. Các mác có %C cao hơn (VD: 420) có độ cứng và giới hạn đàn hồi cao hơn được dùng làm lò xo không gỉ, dụng cụ đo … Các mác có %C lên tới 0.9 ~ 1.0% (VD: 440, 440B) được dùng làm dụng cụ mổ (dao, kéo), chi tiết chịu nhiệt và chịu mài mòn như supap xả, một số loại ổ bi làm việc trong môi trường ăn mòn.

4.2. Thép không gỉ ferrite:

Thép không gỉ ferrite có giới hạn đàn hồi cao hơn thép không gỉ austenite nhưng mức độ hóa bền do biến dạng dẻo thếp hơn nên chúng thích hợp cho việc chế tạo các chi tiết bằng phương pháp biến dạng dẻo nguội (cán, kéo, gò, dập …). Độ bền chống ăn mòn của chúng phụ thuộc hàm lượng Cr nhưng tốt nhất là ở trạng thái ủ. Để hạn chế hiện tượng ăn mòn cục bộ (ăn mòn điểm), phải tăng hàm lượng Cr lên trên 20% và tốt hơn là hợp kim hóa thêm 2% Mo để có thể sử dụng trong môi trường khí hậu biển, nước biển và axit.

Tùy theo hàm lượng Cr, thép không gỉ ferrite được chia thành 3 nhóm:

* nhóm thép chứa khoảng 13% Cr (VD: 405) có rất ít carbon (< 0.08%). Cho thêm ~ 0.2%Al sẽ ngăn cản sự tạo thành austenit khi nung và tạo thuận lợi cho việc hàn. Nhóm thép này được dùng nhiều trong công nghiệp dầu mỏ.

* nhóm thép chứa tới 17% Cr (VD: 430) là nhóm thép không gỉ ferrite được dùng nhiều nhất vì chúng có thể thay thế thép không gỉ austenite trong điều kiện cho phép, lại không chứa Ni nên có giá thành rẻ hơn nhiều. Nhóm thép này được sử dụng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit HNO3, hóa thực phẩm, kiến trúc … Nhược điểm chính là khó hàn, khi nhiệt độ vượt quá 950 °C, vùng gần mối hàn trở nên giòn và bị ăn mòn theo biên hạt (có thể khắc phục bằng cách hạ thấp %C hoặc thêm Ti vào thép).

* nhóm thép chứa từ 20 ~ 30% Cr (VD: 446, 446B) có tính chống oxy hóa cao (không bị tróc vẩy ở 800 ~ 900 °C) .

4.3. Thép không gỉ austenite:

Thép không gỉ austenite là nhóm thép không gỉ có tổ chức austenite ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thường nhờ việc tăng hàm lượng Ni trong thép đến mức thích hợp. Điển hình cho loại thép này là các mác 304 ( 18 – 8) và 316 (18 – 10).

Các ưu điểm chính của nhóm thép này:

* tính chống ăn mòn cao: hoàn toàn ổn định trong môi trường nước ngọt, nước mặn, trong hơi nước bão hòa và quá nhiệt, trong các dung dịch muối. Trong môi trường axit: ổn định trong axit HNO3 với mọi nồng độ và nhiệt độ, trong axit H2SO4 nguội, trong axit HCl loãng. Vì vậy, chúng được dụng trong công nghiệp sản xuất axit, hóa dầu, thực phẩm và các chi tiết chịu nhiệt tới 900 ~ 1000 °C.

* tính dẻo cao (độ biến dạng 40 ~ 60%) nên dễ cán, dập, gò ở trạng thái nguội, thích hợp để chế tạo các loại bình, ống .. Cũng do có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt nên nó không bị giòn ngay cả khi hạt lớn (do quá nung) và nhất là không có điểm chuyển biến dẻo – giòn. Vì vậy, chúng có thể dùng ở nhiệt độ rất thấp như ở vùng băng giá, làm bình chứa khí hóa lỏng và trong kỹ thuật lạnh.

* cơ tính đảm bảo: mặc dù không hóa bền được bằng phương pháp nhiệt luyện (do không có chuyển biến pha) nhưng lại hóa bền mạnh bằng biến dạng dẻo nguội. Nguyên nhân là do phần lớn austenite ở vùng bị biến dạng mạnh đã chuyển thành martensite (gọi là martensite biến dạng). Cũng vì nguyên nhân này, thép bị biến cứng rất nhanh sau mỗi lần biến dạng, để có thể biến dạng tiếp thì cần phải được ủ ở nhiệt độ thích hợp.

Những nhược điểm chính:

* đắt tiền: do có chứa nhiều Ni, có thể giảm giá thành bằng cách dùng Mn thay thế cho Ni như các trong các mác thép 201, 202 để chế tạo chi tiết làm việc trong môi trường ăn mòn yếu (axit hữu cơ, muối, kiềm) trong công nghiệp hóa thực phẩm.

* khó gia công cắt gọt: do dẻo quánh, phôi khó bó gãy. Có thể cải thiện bằng cách cho thêm selen hoặc tăng hàm lượng lưu huỳnh nhưng sẽ làm giảm chút ít khả năng chống ăn mòn của thép.

* bị ăn mòn trong một số trường hợp cụ thể: bị ăn mòn biên hạt ở vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn hoặc khi chi tiết phải thường xuyên làm việc ở vùng nhiệt độ 400 ~ 800 °C, bị ăn mòn tập trung (ăn mòn điểm), ăn mòn dưới ứng suất và các hiệu ứng tích lũy do ăn mòn và mỏi … vì có sự tiết pha cacbit crom ở vùng biên hạt làm nghèo crom ở vùng liền kề và khiến chúng bị ăn mòn nhanh hơn. Có thể khắc phục bằng cách giảm lượng cacbon đến mức thấp nhất có thể hoặc hợp kim hóa thêm các nguyên tố tạo cacbit mạnh hơn Cr như Ti, Nb, Ta, Mo … VD: các mác 316, 316L, 347 ..

4.4. Thép không gỉ austenite – ferrite:

Loại thép này có 18 ~ 28% Cr và 5 ~ 9% Ni, VD: mác 12X21H5T của Nga.

Đặc điểm quan trọng của loại thép này là cơ tính rất tốt: hầu như không có hiện tượng giòn của thép ferrite, giới hạn đàn hồi cao gấp 3 lần thép austenite. Ngoài ra, nhóm thép này cũng có độ bền chống ăn mòn đảm bảo, nhất là trong điều kiện chịu áp lực (ăn mòn ứng suất), hoặc chịu ăn mòn tập trung (ăn mòn điểm) và dạng hang hốc trong môi trường có tính xâm thực mạnh (ống xả, lỗ van xả, ống dẫn hơi hóa chất …)

4.5. Thép không gỉ austenite – martensite (thép không gỉ hóa cứng tiết pha):

Nhóm này có ít nhất hai ưu điểm: có thể gia công bằng biến dạng nguội và cắt gọt ở trạng thái tương đối mềm, tiếp đến là có thể hóa bền bằng hóa già ở vùng nhiệt độ tương đối thấp để tránh biến dạng hoặc oxy hóa. VD: mác 361

Chế độ nhiệt luyện:

* nung đến 1050 °C rồi làm nguội ngoài không khí. Tổ chức nhận được là austenite, có thể gia công tạo hình bằng biến dạng dẻo và cắt gọt ở trạng thái nguội.

* nung tới nhiệt độ 750 ~ 950 °C rồi làm nguội ngoài không khí. Tổ chức nhận được gồm nền austenite và các hạt cacbit có số lượng phụ thuộc nhiệt độ nung.

* làm nguội tiếp xuống -75 ~ 0 °C (gia công lạnh) để chuyển một phần hoặc toàn bộ austenite thành martensite.

* hóa già nhân tạo ở ~ 525 °C trong 1h, cơ tính (độ bền, độ cứng) sẽ đạt giá trị cực đại nhờ tiết ra các phần tử nhỏ mịn NiAl và Ni3Al (sự hóa bền cấu trúc)

6. Nhận biết một số mác thép không gỉ thông dụng:

6.1. Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ thông dụng:

6.2. Phân biệt thép không gỉ 2xx, 3xx, 4xx:

Theo những trình bày ở trên, có thể thấy các mác thép 4xx thuộc họ thép không gỉ martensite và ferrite, các mác thép 2xx và 3xx thuộc họ thép không gỉ austenite. Theo lý thuyết, nhóm thép austenite nguyên bản hoàn toàn không nhiễm từ (không bị nam châm hút) nhưng, cũng theo những trình bày trên, nhóm thép austenite bị biến cứng mạnh khi biến dạng dẻo nguội do có sự chuyển pha từ austenite thành martensite biến dạng (mà pha martensite thì có từ tính). Vậy nên, trong thực tế, dùng nam châm để phân biệt các mác inox, nhất là để phân biệt các mác 2xx và 3xx, thì có thể nói là bất khả thi. Để phân biệt chính xác nhất thì chỉ có thể dùng phương pháp phân tích thành phần hóa học (nhưng giá thành cao) hoặc dựa vào phương pháp nhận biết theo tia lửa mài (phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm).

* nhóm thép 4xx: do trong thành phần có chứa nhiều Cr và hầu như không có Ni nên khi mài sẽ tạo thành tia và hoa lửa có màu cam sẫm, phần cuối nở thành hình bông hoa. Có từ tính mạnh hơn các mác 2xx và 3xx

* nhóm thép 2xx: do một phần Ni được thay thế bằng Mn nên nếu cùng độ dày với mác 3xx, khi bẻ hoặc uốn sẽ có cảm giác cứng hơn. Khi mài, chùm tia có màu vàng cam sáng, tia lửa dày, hoa lửa nhiều cánh hơn (so với 3xx)

* nhóm thép 3xx: khi mài, chùm tia có màu vàng cam, số cánh hoa lửa ít, dọc theo các tia lửa có các đốm sáng nhấp nháy.

6.3. Bảo quản:

Như đã trình bày về khả năng chống ăn mòn của các loại thép không gỉ ở trên, có thể nhận thấy điểm chung nhất là chúng hầu như không bị ăn mòn trong điều kiện khí quyển bình thường. Vì vậy, nhất là với các loại đồ dùng inox để chứa, chế biến thực phẩm, cách bảo quản tốt nhất là sau khi sử dụng, rửa sạch, phơi khô và để nơi thoáng gió