Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha

Tuy nhiên trong quá trình hàn có thể làm xuất hiện các pha trung gian làm giảm khả năng chống ăn mòn cũng như cơ tính của thép, đây chính là nhược điểm lớn nhất của thép không gỉ song ph

MỤC LỤC

MỤC LỤC - 1

LỜI CAM ĐOAN - 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - 5

DANH MỤC CÁC BẢNG - 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - 7

MỞ ĐẦU - 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - 13

I TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG GỈ - 13

1.1 Giới thiệu - 13

1.2 Phân loại thép - 14

1.2.1 Thép không gỉ ferit - 14

1.2.2 Thép không gỉ austenit - 15

1.2.3 Thép không gỉ mactenxit - 15

1.2.4 Thép không gỉ duplex - 16

1.2.5 Thép không gỉ hóa bền tiết pha - 17

II THÉP KHÔNG GỈ SONG PHA - 17

2.1 Lịch sử phát triển - 17

2.2 Thành phần hóa học và vai trò của các nguyên tố hợp kim - 19

2.3 Tổ chức thép không gỉ song pha - 23

2.4 Tính chất của thép không gỉ song pha - 24

2.4.1 Cơ tính - 24

2.4.2 Tính chống ăn mòn - 25

2.5 Quá trình tiết pha trong thép không gỉ song pha 2205 - 28

2.6 Quá trình tiết pha σ - 31

2.6.1 Đặc trưng của sự tiết pha sigma σ - 31

2.6.2 Hình thái pha sigma (σ) - 32

2.7 Ưng dụng của thép không gỉ song pha 2205 - 33

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - 35

2.1 Sơ đồ nghiên cứu - 35

2.2 Mẫu và các chế độ thí nghiệm - 36

2.2.1 Các mẫu thí nghiệm - 36

2.2.2 Chế độ nhiệt luyện - 37

2.3 Phương pháp thực nghiệm - 38

2.3.1 Phương pháp chuẩn bị mẫu để chụp ảnh tổ chức tế vi - 38

2.3.2 Phương pháp phân tích pha - 39

2.3.3 Xác định thành phần pha bằng phổ tán sắc năng lượng tia rơngen - 40

2.3.4 Phương pháp xác định cơ tính - 41

2.4 Thiết bị thí nghiệm - 42

2.4.1 Thiết bị nung - 42

2.4.2 Môi trường làm nguội liên tục - 42

2.4.3 Thiết bị đo độ cứng - 43

2.4.4 Thiết bị chụp ảnh tổ chức tế vi - 43

2.4.5 Thiết bị phân tích nhiễu xạ rơnghen - 44

2.4.6 Thiết bị phân tích EDS và chụp ảnh SEM - 44

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM - 46

3.1 Sự hình thành tổ chức khi làm nguội liên tục - 46

3.1.1 Kết quả tính toán nhiệt động học bằng phần mềm Thermo-Calc - 46

3.1.2 Tổ chức thép khi làm nguội nhanh - 50

3.1.3 Tổ chức tế vi của thép khi làm nguội chậm - 52

3.2 Ảnh hưởng của các thông số cơ bản khi nguội tại nhiệt độ tiết pha - 54

3.2.1 Sự hình thành tổ chức thép khi nguội tại nhiệt độ tiết pha - 54

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ khi giữ nhiệt tại nhiệt độ tiết pha - 60

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt - 65

3.3 Tổ chức sau khi hóa già - 68

3.4 Cơ tính của thép - 70

KẾT LUẬN - 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 74

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha” là công trình nghiên cứu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

: Pha sigma

Pha ferit

 Pha austenit

PREN: chỉ số đánh giá chống ăn mòn điểm

EDS: Phổ tán sắc năng lượng tia rơngen

EBSD: (electron backcatster difaction) điện tử tán xạ ngược

SEM: Ảnh hiển vi điện tử quét

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên

Trang

Bảng 1.1 Thành phần nguyên tố của thép không gỉ 14

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của thép không gỉ song pha 20

Bảng 1.3 Thành phần nguyên tố của các pha trong thép 2205 30

Bảng 2.2 Ký hiệu mẫu thép tại các chế độ nhiệt luyện 37

Bảng 2.3 Biểu thức tính khoảng cách mặt d hkl của hệ tinh thể có trong thép 40

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Tổ chức tế vi thép không gỉ ferit (a), duplex (b) và austenit (c) 23

Hình 1.3 Tổ chức tế vi của thép 2205 ở trạng thái cung cấp 24

Hình 1.4 Giới hạn chảy của các loại thép không gỉ 25

Hình 1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn của thép 26

Hình 1.6 Chỉ số PREN của họ thép không gỉ song pha và họ thép không gỉ

austenit

27

Hình 1.7 Giản đồ pha tính toán bằng phần mềm Thermo-Calc 28

Hình 1.8 Giản đồ nguội đẳng nhiệt của thép không gỉ song pha 29

Hình 1.9 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới việc tiết ra các pha liên

kim trong thép không gỉ song pha

Hình 2.5 Lò nhiệt luyện điều khiển theo chu trình 42

Hình 2.8 Máy phân tích quang phổ phát xạ rơngen 44

Hình 3.3 Hàm lượng pha sigma ở khoảng nhiệt độ khảo sát 49

Hình 3.4 Ảnh tổ chức mẫu thép 2205: (a)-thép ban đầu; (b)- thép sau tôi

trong nước

50

Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ mẫu làm nguội trong môi trường nước 51

Hình 3.6 Chế độ nhiệt luyện cho thép thưong phẩm 52

Hình 3.7 Ảnh tổ chức mẫu ủ 1050 o C-40 phút: a-nguội trong nước; b-nguội

ngoài không khí; c-nguội cùng lò

53

Hình 3.8 Ảnh tổ chức tế vi và nhiễu xạ tia rơngen của thép 2205 ở 800 o C

giữ nhiệt 240 phút

55

Hình 3.9 Ảnh SEM và điểm xác định thành phần pha bằng EDS 56

Hình 3.10 (a)- Ảnh chụp mẫu thép bằng kỹ thuật EBSD với hiển thị mầu các

pha khác nhau;(b)- ảnh EDS của mẫu thép

Hình 3.13 Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt ở 700 O C-60 phút 61

Hình 3.14 Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt: ở 800 O C -60

phút(M8-6) và 800 O C-240 phút(M8-8)

62

Hình 3.15 Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt ở 900 O C-120 phút 62

Hình 3.16 Ảnh tổ chức thép 2205 giữ nhiệt trong thời gian 15 phút:

Hình 3.18 Ảnh điê ̣n tử thứ cấp của thép sau nguội đẳng nhiê ̣t ở 800 o C sau

thời gian giữ nhiệt a – 1 phút, b – 2 phút và c – 60 phút

Hình 3.21 Ảnh tổ chức mẫu thép ở 800 o C giữ nhiệt thời gian (a)-60 phút;

Hình 3.23 Ảnh tổ chức của thép hóa già ở 800 o C và giữ nhiệt ở các thời

gian khác nhau: (a)- 2 phút; (b)- 10 phút; (c)- 60 phút

69

Hình 3.24 Giá trị độ cứng của thép khảo sát theo nhiệt độ nguội đẳng nhiệt

với thời gian giữ nhiệt tăng

70

Hình 3.25 Giá trị độ cứng thu được sau hóa già và giữ nhiệt ở 800 o C 71

Hình 3.26 Kết quả thử dai và đập trên mẫu thép giữ nhiệt ở 800 o C 72

(b) (b)

MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thép không gỉ ngày nay đang dần được sử dụng nhiều trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày Đây là loại thép hợp kim của sắt trong thành phần có chứa tối thiểu 12,5% Cr Thép không gỉ là vật liệu không bị ăn mòn trong các môi trường như không khí hay nước Có nhiều loại thép không gỉ như thép không gỉ austenit, ferit, mactenxit, thép không gỉ song pha và thép không gỉ hóa bền tiết pha Thép không gỉ có khả năng chống oxi hóa và ăn mòn cao, sự lựa chọn đúng chủng loại và các thông số kỹ thuật phụ thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể

Thép không gỉ song pha (duplex) có nhiều tính chất ưu việt hơn các loại thép không gỉ khác về khả năng chống ăn mòn ứng suất và chống ăn mòn lỗ tốt, có giới hạn chảy cao và rẻ hơn dòng thép không gỉ austenit Đây cũng là loại thép không gỉ

có tính hàn tốt Tuy nhiên trong quá trình hàn có thể làm xuất hiện các pha trung gian làm giảm khả năng chống ăn mòn cũng như cơ tính của thép, đây chính là nhược điểm lớn nhất của thép không gỉ song pha Hiện nay dòng thép không gỉ song pha đã được tiến hành nghiên cứu rất nhiều tại nhiều quốc gia trên thế giới Việc xác định được hàm lượng cũng như khoảng nhiệt độ và thời gian tiết pha trung gian trong thép không gỉ song pha đóng vai trò quan trọng trong việc khắc phục nhược điểm này của thép

Tại Việt Nam dòng thép không gỉ song pha chưa được phổ biến và cũng ít công trình nghiên cứu cụ thể về thép Với nhiều ứng dụng cũng như tính chất ưu việt của thép không gỉ song pha, việc nghiên cứu về cơ tính và tính chất cũng như ứng dụng của thép không gỉ song pha là cần thiết

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài tiến hành nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha Thông qua các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định vai trò của các chế độ xử lý nhiệt như cách

thức làm nguội, nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt trong việc tiết pha trung gian làm

giảm cơ tính của thép không gỉ song pha 2205

ĐÔI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện lên thép không gỉ song pha, mác 2205 Thông qua việc đánh giá tổ chức và sự hình thành các tổ chức,

cơ tính của thép sau các chế độ xử lý nhiệt khác nhau để xác định các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình tiết pha trung gian trong thép

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Thép không gỉ song pha với nhiều tính năng ưu việt khi cấu trúc của thép bao gồm hai pha ferit và austenit Sự xuất hiện của pha trung gian đặc biệt là pha sigma làm giảm cơ tính và khả năng chống ăn mòn của thép Việc xác định nhiệt độ và thời gian tiết ra pha sigma là cần thiết để mở rộng phạm vi ứng dụng của thép không gỉ song pha 2205

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu và các tài liệu về thép không gỉ song pha, thép không gỉ song pha 2205 và các tính toán nhiệt động học bằng phần mềm Thermo - Calc kết hợp với thí nghiệm công nghệ và đánh giá tổ chức, cấu trúc pha

để nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt đến tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha 2205

KẾT CẤU LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu chia làm 5 phần

Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả

Kết luận và kiến nghị Trong quá trình làm luận văn, học viên đã được sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, đặc biệt là thầy Nguyễn Anh Sơn

đã tận tính giúp đỡ học viên hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này Tuy nhiên do điều kiện thực tế có nhiều khó khăn khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được góp ý để bản luận văn được hoàn thiện hơn

có khả năng chống ăn mòn cao hơn các loại thép thông thường Có được tính chất

ưu việt đó là do khi có mặt crom với hàm lượng đủ lớn, sẽ tạo ra một lớp oxit crom

có cấu trúc xít chặt trên bề mặt Lớp oxit crom chính là lớp thụ động trên bề mặt bảo vệ kim loại nền không bị ăn mòn Tuy nhiên nếu làm việc trong môi trường khắc nghiệt hơn thì hàm lượng crom phải tăng lên Ngoài crom ra thép không gỉ còn

có thêm niken và mangan là những nguyên tố giúp mở rộng vùng γ để có thể hình thành tổ chức austenit trong thép, molepden được thêm vào để tăng khả năng chống lại ăn mòn lỗ Khi điều chỉnh các nguyên tố này với hàm lượng nhất định có thể tạo

ra thép không gỉ với các tổ chức khác nhau Thép không gỉ chia làm 5 nhóm chính

(1) Thép không gỉ ferit

(2) Thép không gỉ austenit

(3) Thép không gỉ mactenxit

(4) Thép không gỉ song pha

(5) Thép không gỉ hóa cứng tiết pha

Bảng 1.1 đưa ra thành phần nguyên tố của các loại thép không gỉ khác nhau

Bảng 1.1 Thành phần nguyên tố của thép không gỉ

Thép không gỉ ferit là thép có chứa thành phần nguyên tố hợp kim chủ yếu là

Cr (12-30%) và một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim khác như: Mo, Si, Al và Ti[24] Đây là thép không gỉ có tổ chức tế vi hoàn toàn là ferit với mạng lập phương tâm khối tương tự như tổ chức của sắt non ở nhiệt độ phòng Để đảm bảo thép có tổ chức thuần ferit, hàm lượng cacbon trong thép được giữ rất thấp Ưu điểm chủ yếu của các dòng thép này là độ dai cao, khả năng chống ăn mòn và ăn mòn ứng suất rất tốt nên thường được ứng dụng trong công nghiệp ô tô, chế tạo đồ gia dụng Thép không gỉ ferit không thể hóa bền bằng nhiệt luyện Do vậy phương pháp hóa bền chủ yếu thường áp dụng cho dòng thép này là hóa bền biến dạng Nhìn chung, đây

là loại thép có thể hàn được Tuy nhiên, một số chủng loại thép không gỉ trong quá trình hàn thường xuất hiện các vết nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt vì vậy làm giảm lĩnh vực áp dụng của loại thép này Do sử dụng hàm lượng Cr nhỏ hơn dòng thép khác

và trong thép không chứa Ni nên giá thành của thép không gỉ ferit thấp hơn dòng thép austenit

1.2.2 Thép không gỉ austenit

Thép không gỉ austenit là thép mà trong tổ chức tế vi chỉ chứa một pha γ với mạng lập phương tâm mặt ở ngay nhiệt độ phòng [24] Đây là loại thép có chứa lượng Ni rất cao (lên đến 35%) do Ni là nguyên tố có khả năng mở rộng vùng γ rất mạnh Ngoài ra trong thành phần của thép này còn chứa các nguyên tố nhằm ổn định γ như C, N, Mn Do có tổ chức thuần austenit và trong thép có chứa hàm lượng

Ni lớn nên độ dai của thép rất cao Ở trạng thái ủ, giới hạn chảy của thép có thể đạt giá trị 200MPa nên có khả năng gia công biến dạng tốt Tương tự như thép không gỉ ferit, do có tổ chức một pha nên thép không gỉ austenit không thể hóa bền bằng nhiệt luyện Tuy nhiên, đây là dòng thép có khả năng hóa bền biến dạng rất cao, giới hạn chảy có thể tăng lên đến 2000MPa khi biến dạng dẻo Ngoài ra, do tổ chức austenit với kiểu mạng lập phương tâm mặt đảm bảo cho thép có độ dai khi làm việc ở nhiệt độ dưới 0oC Đây là dòng thép có khả năng chống ăn mòn tốt nhất Nhìn chung thép không gỉ austenit có thể hàn được Tuy nhiên, khi hàn hoặc làm việc ở nhiệt độ cao, sẽ hình thành cacbit crom ở vùng biên giới hạt làm nghèo Cr ở vùng này dẫn đến suy giảm khả năng chống ăn mòn tinh giới của thép Để nâng cao tính hàn cho thép có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như giảm hàm lượng cacbon xuống thấp hơn, tăng lượng Cr trong thép hay hợp kim hóa thêm một lượng Ti nhất định Nhìn chung đây là dòng thép có nhiều ứng dụng nhất, không những trong công nghiệp (công nghiệp ô tô, công nghiệp hóa chất, hóa dầu …) mà còn được sử dụng nhiều trong dân dụng

Đây là loại thép không gỉ có chứa Cr không quá 12-17% Trong dòng thép này thì các mác thép khác nhau phải có sự cân đối giữa cacbon và Cr để đảm bảo cho sự cân bằng giữa việc hình thành cacbit Cr và lượng Cr có trong kim loại nền Nếu kim loại nền mà thiếu Cr sẽ làm cho tính chống ăn mòn của thép bị giảm đi Chính điều này làm cho thép không gỉ mactenxit là thép có hàm lượng cacbon cao nhất trong tất cả các loại thép không gỉ Cacbon có thể lên đến 1% ví dụ như mác thép 440A, 440B, 440C (tiêu chuẩn AISI) để tăng cơ tính mà vẫn giữ được tính không gỉ Ở trạng thái ủ thép có giới hạn chảy thấp khoảng 275MPa đảm bảo cho thép có khả năng gia công biến dạng và gia công cắt gọt tốt Ưu điểm lớn nhất của dòng thép này là có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện Sau tôi thép có thể đạt độ cứng tới 60HRC nhưng độ dẻo và độ dai của thép sẽ giảm mạnh do tổ chức đạt được sau tôi

là thuần mactenxit So với trạng thái ủ, sau tôi thép có khả năng chống ăn mòn tốt hơn, tuy vậy vẫn kém hơn thép không gỉ ferit và austenit Về chế độ nhiệt luyện thì thép này có nhiệt độ tôi cao (950-1100)oC do Cr lớn nên làm nâng cao điểm chuyển biến α thành γ cùng với việc cần hòa tan được cacbit Cr vào γ Đây là thép dễ tôi do

có lượng Cr cao, chỉ cần nguội trong dầu hoặc trong không khí cũng có thể nhận được tổ chức mactenxit

Công dụng chủ yếu của thép này là làm đồ trang trí, ốc vít không gỉ, các chi tiết chịu nhiệt như là tua bin hơi, lò xo không gỉ (420 - tiêu chuẩn AISI) dụng cụ làm dao mổ chi tiết chịu nhiệt như supap xả, ổ bi làm việc trong môi trường ăn mòn (440 - tiêu chuẩn AISI)

1.2.4 Thép không gỉ duplex

Thép không gỉ duplex (thép không gỉ song pha) là thép mà trong cấu trúc pha có

chứa hai pha là ferit có thể dao động trong khoảng 30% đến 70% và austenit[24]

Ưu điểm nổi trội của dòng thép không gỉ duplex là có độ bền cao hơn trong khi khả năng chống ăn mòn vẫn tương đương với dòng thép không gỉ austenit Các dòng thép không gỉ duplex thế hệ thứ hai do có thêm Mo và N nên khả năng chống ăn mòn lỗ được nâng lên một cách đáng kể

Tuy nhiên thép này lại rất dễ tạo thành pha liên kim với độ cứng cao và gây ảnh hưởng đến tính chất của thép

1.2.5 Thép không gỉ hóa bền tiết pha

Thép không gỉ hóa bền tiết pha là dòng thép không gỉ có chứa Cr và Ni với hàm lượng nhất định để kết hợp các tính chất tốt của dòng thép mactenxit và austenit Dòng thép này có độ bền cao tương đương như thép không gỉ mactenxit trong khi khả năng chống ăn mòn tương tự như thép không gỉ austenit Độ bền cao của thép đạt được bằng phương pháp hóa bền tiết pha của các pha liên kim từ các dung dịch rắn mactenxit hay austenit Quá trình tiết pha có thể xảy ra khi thép được hợp kim hóa với các nguyên tố như Cu, Al, Ti … với hàm lượng nhất định Một trong những

ưu điểm của thép này là ở trạng thái cung cấp, thép có khả năng gia công cơ khí tốt

để tạo hình chi tiết Quá trình hóa bền tiết pha có thể thực hiện ở vùng nhiệt độ thấp nên không gây ra biến dạng chi tiết Nhìn chung công nghệ hóa bền thép này tương

tự như quá trình hóa già hợp kim Al Loại thép không gỉ hóa bền tiết pha thông dụng nhất là mác 17-4-PH với 17%Cr và 4% Ni Ngoài ra, thép còn chứa 4%Cu và 0,3% Nb Do có độ bền cao nên thép thường được ứng dụng để chế tạo các chi tiết chịu tải và chống ăn mòn trong lĩnh vực hàng không cũng như các lĩnh vực công nghệ cao khác Thép không gỉ hóa bền tiết pha có thể được sử dụng để chế tạo các loại bánh răng, trục chịu tải nặng, các loại cánh bơm hoặc khuôn đúc

II THÉP KHÔNG GỈ SONG PHA

2.1 Lịch sử phát triển

Thép không gỉ song pha là loại thép có cấu trúc tế vi gồm hai pha ferit và austenit có tỉ lệ bằng nhau Cấu trúc tế vi của thép không gỉ song pha được nói đến lần đầu tiên là bởi Bain và Griffiths vào năm 1927 Đến năm 1930 thép không gỉ song pha được sản xuất tại Thụy Điển và được sử dụng cho ngành công nghiệp giấy[10,19] Ban đầu thép song pha là hợp kim của Cr, Ni và Mo Các thế hệ tiếp theo của thép không gỉ song pha đã được phát triển để giảm thiểu các vấn đề về ăn

mòn biên hạt trong thép không gỉ austenit có hàm lượng cacbon cao Thép không gỉ song pha đúc lần đầu được sản xuất tại Phần Lan vào năm 1930 và bằng sáng chế được cấp ở Pháp vào năm 1936 Ở Pháp loại thép không gỉ song pha với tỉ lệ 20-35% là ferit được bán với các dòng sản phẩn dùng cho ngành công nghiệp như là lọc dầu, chế biến thực phẩm, giấy và bột giấy, dược phẩm Thép được nấu luyện trong lò cảm ứng tần số cao trong môi trường chân không và có khả năng bổ sung hợp kim chính xác, giảm thiểu được hàm lượng cacbon, khử oxi.[10,19]

Một trong những mác thép không gỉ song pha đầu tiên phát triển nâng cao khả năng chống ăn mòn ứng suất trong môi trường có chứa ion Cl- là loại 329 (tiêu chuẩn AISI), được sử dụng rộng rãi sau thế chiến thứ II với các ứng dụng trong ống trao đổi nhiệt Những năm sau đó thép mác 329 được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như tàu biển, bộ trao đổi nhiệt và máy bơm

Những mác thép không gỉ song pha đầu tiên được sản xuất có ứng dụng tốt nhưng chúng vẫn có nhiều hạn chế trong các điều kiện về mối hàn Trong mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt có độ bền thấp vì lượng ferit nhiều và khả năng chống ăn mòn thấp hơn đáng kể so với các kim loại thông thường Chính vì điều này nên những mác thép trên của thép không gỉ song pha chủ yếu sử dụng trong điều kiện không có ứng dụng trong hàn và một vài ứng dụng khác

Vào khoảng thời gian cuối năm 1960 và đầu năm 1970, có hai yếu tố chính đẩy mạnh sự phát triển cũng như nhu cầu sử dụng của thép không gỉ song pha Đó là sự thiếu hụt hàm lượng Ni trên thế giới đã đẩy giá thép không gỉ austenit lên và kết hợp với sự gia tăng của ngành công nghiệp dầu khí đã khiến cho nhu cầu có một loại vật liệu không gỉ phù hợp với môi trường đó Đồng thời vào những năm đó thì

kỹ thuật sản xuất thép đã phát triển với các công nghệ khử cacbon trong thép Với những kỹ thuật như vậy đã khiến cho khả năng sản xuất thép tốt hơn với hàm lượng cacbon thấp và lượng nitơ được kiểm soát

Vào những năm 80, mác thép không gỉ song pha khác được giới thiệu với khả năng hàn được cải thiện Phổ biến là 2205, trong đó thành phần nguyên tố hợp kim

là 22%Cr, 5%Ni, 3%Mo, và 0,16%N Thép 2205 được sử dụng trong nhiều ứng dụng, thép 2205 chứa Nitơ vì nitơ cải thiện được tính chống ăn mòn của hợp kim và giới hạn chảy (chảy) cao hơn gấp đôi so với thép không gỉ austenit thông thường Các mác thép không gỉ trước đó có khả năng chống ăn mòn và chống nứt trong môi trường clorua nhưng sẽ làm cho tính chất thép bị mất đi khi hàn Thép không gỉ song pha 2205 có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường tương tự như các mác thép không gỉ austenit loại AISI 304, 316 và 317 Thép không gỉ song pha

2205 thường ở dạng ống sử dụng trong các môi trường ăn mòn nói chung và bền ăn mòn trong clorua, độ bền tăng nên việc sản xuất thép có thể không cần dầy và không phải xử lý sau ăn mòn

Sự phát triển của thép không gỉ song pha vẫn tiếp tục và hiện nay có các năm nhóm thép không gỉ song pha:

- thép không gỉ song pha 2304, với mác thép này có chứa rất ít Mo,

- thép không gỉ song pha 2205, loại thép thông dụng với hơn 80% nhu cầu sử dụng

- thép không gỉ song pha 25Cr như là hợp kim 255 với chỉ số PREN* ít hơn 40

- thép không gỉ song pha 2507 với 25-26% Cr, Mo và N tăng so với 25Cr, có chỉ số PREN vào khoảng 40-45

- thép không gỉ song pha Hyper là loại thép hợp kim cao với chỉ số PREN hơn 45.Chỉ số PREN (chỉ số đánh giá chống ăn mòn điểm) được định nghĩa như trong công thức sau

PREN = %Cr + 3.3 %Mo + 16%N

2.2 Thành phần hóa học và vai trò của các nguyên tố hợp kim

Thép không gỉ song pha về mặt cấu trúc gồm hai pha là ferit và austenit Thành phần hóa học của thép phải đảm bảo sự tồn tại của hai pha trong cấu trúc Điều này

có thể được bảo đảm khi sử dụng các nguyên tố mở rộng vùng ferit như Cr, Mo và các nguyên tố mở rộng vùng austenit như Ni, Mn, N [1,16,22] Bảng 1.2 là thành phần của một vài loại thép không gỉ song pha

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của thép không gỉ song pha

Mỗi nguyên tố hợp kim đều có ảnh hưởng đến tính chất của thép Sự kết hợp giữa các nguyên tố hợp kim có trong thép cũng rất quan trọng Cấu trúc và tính chất của các loại thép không gỉ phụ thuộc vào những thành phần nguyên tố có trong thép.[10,19]

Crôm (Cr): đây là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép không gỉ

Crôm là nguyên tố tạo nên tính chống ăn mòn cao của thép không gỉ Khả năng chống ăn mòn tăng khi hàm lượng Cr tăng Crôm cũng làm tăng khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng  (ferit) trên giản đồ pha Fe – Fe3C

Nicken (Ni): Đây là nguyên tố mở rộng vùng  (austenit) trên giản đồ pha Fe –

Fe3C Niken làm tăng độ dai và làm giản tốc độ ăn mòn trong môi trường axit

Trong loại thép hóa bền tiết pha thì niken cũng đóng vai trò quan trọng nhờ tăng khả năng hình thành các pha liên kim để làm tăng độ cứng và độ bền cho thép.

Molybden (Mo): Tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn và ăn mòn cục bộ Nó

làm tăng cơ tính và mở rộng vùng  (ferit) trên giản đồ pha Fe – Fe3C Trong thép không gỉ song pha molybden thúc đẩy sự hình thành các pha liên kim trong ferit Điều này cũng xảy ra trong thép không gỉ ferit – austenit và thép không gỉ austenit Còn trong thép không gỉ mactenxit thì molypden có tác dụng làm tăng độ cứng của thép, hình thành cacbit khi nhiệt luyện ở nhiệt độ cao

Đồng (Cu): Tăng khả năng chống ăn mòn và mở rộng vùng austenit Trong quá

trình nhiệt luyện tiết pha làm tăng giá trị độ cứng của thép, đồng được sử dụng để tạo thành các hợp chất liên kim để tăng độ bền

Mangan (Mn): Thường được sử dụng trong thép không gỉ để cải thiện độ dẻo

nóng Mangan có tác dụng đối với sự cân bằng ferit/austenit thay đổi theo nhiệt độ: tại nhiệt độ thấp thì mangan là nguyên tố làm ổn định austenit nhưng ở nhiệt độ cao mangan sẽ ổn định ferit[18] Mangan tăng độ tan của nitơ và được sử dụng để có được hàm lượng nitơ cao trong thép austenit

Silic (Si) Silic làm tăng khả năng chống oxy hóa, cả ở nhiệt độ cao và đặc biệt

là ở nhiệt độ thấp Silic mở rộng vùng cấu trúc ferit

Cacbon (C): Là nguyên tố mở rộng vùng austenit Cacbon cũng làm tăng cơ

tính của thép Tuy nhiên trong thép không gỉ khi có nhiều cacbon sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn biên giới hạt Trong thép không gỉ ferit có chứa nhiều cacbon sẽ làm giảm độ bền và khả năng chống ăn mòn của thép Trong thép không gỉ mactenxit và thép mactenxit-austenit cacbon làm tăng độ cứng và độ bền nên trong thép này có hàm lượng cacbon cao nhất lên đến 1% Tuy nhiên do độ cứng tăng nên

độ dẻo dai của thép không gỉ mactenxit bị giảm và vì thế mà làm giảm độ bền của thép

Nitơ (N): Là một nguyên tố làm mở rộng cấu trúc austenit Nó cũng làm tăng

đáng kể cơ tính Nitơ làm tăng khả năng chống ăn mòn lỗ, đặc biệt là khi kết hợp với molypden

Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim vào cấu trúc của thép không gỉ được tóm tắt trong giản đồ Schaeffler-Delong (hình 1.2.) [11,19] Sơ đồ này dựa trên thực tế là các nguyên tố hợp kim có thể được chia thành các nguyên tố ổn đinh ferit và các nguyên tố ổn định austenit Điều này có nghĩa rằng sự hình thành của hai pha ferit hoặc austenit trong cấu trúc là cần thiết và là mong muốn có trong thành phần cấu trúc của thép Nếu cần thúc đẩy sự hình thành austenit thì cần sử dụng các nguyên

tố làm ổn định pha austenti như là niken, nitơ Nếu cần thúc đẩy sự hình thành ferit khi đó cần sử dụng các nguyên tố làm ổn định pha ferit như là Cr, Mo Dựa vào hai nguyên tố cơ bản nhất là Ni và Cr có thể tính toán được tổng lượng ferit và austenit

có ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim Cách tính toán này gọi là tính toán lượng crom đương lượng và niken đương lượng dựa trên giản đồ Schaeffler-Delong Crôm đương lượng = %Cr + 1,5 x %Si +%Mo

Nicken đương lượng =%Ni + 30 x (%C +%N) + 0,5 x (%Mn +%Cu +%Co)

Dựa vào giản đồ này có thể thấy những ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên thép Sơ đồ Schaeffler-Delong ban đầu được phát triển cho mối hàn kim loại, tức là nó mô tả cấu trúc sau khi nung nóng và làm nguội nhanh Tuy nhiên với vật liệu rèn và xử lý nhiệt trên giản đồ cũng thể hiện ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim

Hình 1.1 Giản đồ Schaeffler-Delong [11,19]

2.3 Tổ chức thép không gỉ song pha

Với thành phần các nguyên tố hợp kim như đã nêu, tổ chức thép gồm hai pha ferit và austenit Do có cấu trúc pha như vậy, tổ chức tế vi của thép nằm giữa tổ chức vùng đơn pha ferit và vùng đơn pha austenit (hình 1.2) [10]

Hình 1.2 Tổ chức tế vi thép không gỉ ferit (a), duplex (b) và austenit (c)

Thông thường, việc phân biệt tổ chức ferit và austenit trên ảnh kim tương sử dụng dung dịch tẩm thực thông thường là rất khó khăn vì chúng đều có cấu trúc hạt sáng và biên hạt tối Do vậy để phân biệt được hai tổ chức này cần phải áp dụng phương pháp tẩm thực mầu Dung dịch tẩm thực mầu để chụp ảnh tổ chức tế vi cho thép 2205 thường dùng là Beraha Với phương pháp tẩm thực mầu, các vùng tổ chức austenit và ferit thường được hiển thị với các mầu khác nhau nên khả năng phân biệt chúng là dễ dàng Trên ảnh tổ chức tế vi tẩm thực bằng dung dịch tẩm thực mầu, tổ chức austenit thường có mầu sáng có dạng đa cạnh trên nền ferit có mầu tối Tuy nhiên, sau quá trình cán và tạo tấm, các hạt có xu hướng dài ra theo phương biến dạng nên các hạt austenit thường phân bố theo dải định hướng theo phương biến dạng (hình 1.3)

Hình 1.3 Tổ chức tế vi của thép 2205 ở trạng thái cung cấp

2.4 Tính chất của thép không gỉ song pha

2.4.1 Cơ tính

Thép không gỉ song pha 2205 có thể thay thế cho thép không gỉ austenit đặc biệt là khi làm việc ở nhiệt độ từ -50 đến 300oC [7] và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau

Thép không gỉ duplex có độ bền cao hơn so với thép không gỉ austenit Tại nhiệt độ phòng, thép 2205 có thể đạt giới hạn chảy tới 450MPa và giới hạn bền 655MPa, cao hơn thép không gỉ austenit 316L Khi làm việc ở nhiệt độ cao, độ bền của thép vẫn cao hơn hai lần so với thép này (hình 1.4) [10] So với thép không gỉ ferit thép không gỉ song pha có nhiệt độ chuyển biến dẻo-giòn cao hơn nên khả năng làm việc tại nhiệt độ thấp tốt hơn Tuy nhiên, khi làm việc ở nhiệt độ dưới

0oC, độ dai của thép duplex thường thấp hơn thép austenit

Hình 1.4 Giới hạn chảy của các loại thép không gỉ

Do có độ bền cao hơn nên có thể sử dụng thép không gỉ song pha với kích thước mỏng hơn và tiết kiệm hơn Đặc biệt so với thép không gỉ austenit thì thép không gỉ song pha rẻ hơn do lượng niken chứa trong thép không gỉ song pha thấp hơn nhiều so với thép không gỉ austenit

2.4.2 Tính chống ăn mòn

Lý do cho việc chống ăn mòn tốt của thép không gỉ là chúng tạo ra một lớp màng trên bề mặt rất mỏng chống oxy hóa môi trường Lớp màng này là một lớp oxit bảo vệ thép khỏi bị tấn công trong một môi trường ăn mòn Như Cr được thêm

vào thép, đã giảm nhanh tốc độ ăn mòn được khoảng 10% vì sự hình thành lớp ôxit bảo vệ hay lớp thụ động (hình 1.5) [10]

Để có được một lớp thụ động liên tục, thì hàm lượng crom chứa ít nhất 11% Quá trình thụ động hóa tăng lên khá nhanh chóng với sự gia tăng hàm lượng Cr lên đến khoảng 17% Cr Đây là lý do tại sao nhiều thép không gỉ chứa 17-18% Cr Các nguyên tố hợp kim quan trọng nhất tạo nên tính chống ăn mòn là Cr, nhưng một số nguyên tố tố khác như molypden, niken và nitơ cũng góp phần vào việc tăng khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ

Hình 1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn của thép

Tuy nhiên luôn luôn tồn tại khuyết tật nhỏ do các yếu tố bên ngoài làm hư hại lớp ôxit tại một vị trí nhất định Trong các môi trường ăn mòn, nhìn chung lớp thụ động có thể được tái tạo nên thường không ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của thép Tuy nhiên, trong môi trường có chứa ion của clo, việc tái tạo lại lớp ôxit tại các vị trí bị hư hại không thể thực hiện được Do vậy, tại vị trí đó (lỗ rỗ, vị trí có pha tiết) thép sẽ bị ăn mòn Cường độ dòng ăn mòn tại các vị trí này lớn do diện tích vùng khuyết tật nhỏ hơn rất nhiều lần so với diện tích toàn bộ bề mặt thép Điều này dẫn đến tốc độ ăn mòn ở các vị trí này rất cao gây nênn ăn mòn cục bộ, ví dụ rỗ

hoặc vết nứt do ăn mòn Loại ăn mòn này thường xảy ra trong dung dịch nước có chứa clo như nước biển, nhưng cũng có thể xảy ra trong môi trường có chứa ion halogen khác

Khả năng chống ăn mòn lỗ của thép được đánh giá thông qua chỉ số PREN Hệ

số PREN càng cao thì khả năng chống ăn mòn lỗ càng cao

PREN = %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N Công thức này được sử dụng cho thép duplex nhưng nó đôi khi cũng được áp dụng cho thép austenit Tuy nhiên, đối với loại thép khác, giá trị của hệ số cho nitơ

là có thể lên đến 30, trong khi các hệ số khác không thay đổi như công thức sau đây:

PREN =% Cr + 3,3 x% Mo + 30 x% N

Sự khác biệt giữa các công thức nói chung là nhỏ nhưng hệ số cao hơn của nitơ

sẽ tạosự khác biệt trong chỉ số PREN Như vậy để có so sánh được khả năng chống

ăn mòn trong thép không gỉ sẽ dựa vào hệ số hàm lượng của nitơ Như vậy nitơ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng chống ăn mòn lỗ của thép không gỉ

Hình 1.6 Chỉ số PREN của họ thép không gỉ song pha và họ thép không gỉ

austenit [6]

Trên hình 1.6 thấy rằng khả năng chống ăn mòn lỗ của thép không gỉ 2205 cao hơn so với thép không gỉ 316 và 304 của họ thép không gỉ austenit

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

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

trong thép không gỉ song pha

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

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]

Cr 2 N 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]

M 23 C 6 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

2.6 Quá trình tiết pha 

2.6.1 Đặc trưng của sự tiết pha sigma σ

Pha  có cấu trúc bốn phương và nhiệt độ tiết pha nằm trong khoảng 600oC đến 1000°C Pha σ làm tăng độ cứng, giảm độ dẻo dai và hệ số dãn nở nhiệt của thép [7] Pha σ được sinh ra từ dung dịch rắn ferit Khi hàm lượng Cr nhỏ hơn 20%, do lượng pha  tiết ra không lớn nên việc năng quan sát thấy pha σ là rất khó Nhưng đối với thép chứa hàm lượng Cr cao hơn (từ 25-30%) thì σ được hình thành và phát triển nhanh chóng [2] Do đó trong thép không gỉ song pha 2205 ferit là pha thuận lợi để các pha σ tiết ra

Sự tiết pha σ bằng khuếch tán và thường xảy ra trong ferit có chứa 20-25%Cr

Tỉ lệ pha σ trong α là cao hơn 100 lần [2] so với trong γ Điều này chứng tỏ tốc độ phát triển của σ trong  là nhanh hơn nhiều so với tốc độ phát triển trong γ Hàm lượng Cr và Mo trong  giảm đồng thời lượng Ni tăng lên Kết quả dẫn đến sự hình thành γ2 (austenit thứ cấp) giàu Ni

2.6.2 Hình thái pha sigma (σ)

Các nghiên cứu về cơ chế quá trình tiết pha  từ dung dịch rắn trong thép không

gỉ cho thấy quá trình này có thể xảy ra tại 4 vị trí khác nhau trong cấu trúc hai pha của thép không gỉ song pha[2,6,13,21]

Tiết pha trên biên hạt γ/α

Pha σ dễ dàng tiết ra trên biên hạt γ/α ở đó có lượng Cr cao Vùng nghèo Cr sẽ

bị giảm khả năng chống ăn mòn Hơn nữa mặt phân cách giữa hai pha là nơi có mức năng lượng tự do cao và có nhiều khuyết tật mạng tập trung nên khả năng sinh ra pha liên kim là dễ dàng hơn cả Khi mầm pha σ xuất hiện ở biên giới hạt thì khuyết tật mất đi và giải phóng năng lượng tự do của thép

Tiết pha ở góc hạt

Sigma là các pha tiết ra ngay tại góc hạt α vì ở đó có chứa hàm lượng crom cao

và vì pha σ sinh ra ở vùng có crom cao Khi hình thành σ nó sẽ lấy đi lượng Cr có trong ferit và làm ferit nghèo Cr

Tiết pha tại vùng giao ba hạt

Pha σ tiết ra ở nút giao ba hạt trên biên hạt α Và điểm tiết pha này chỉ hình thành khi ủ ở nhiệt độ 600oC trong 10000 phút đến 15000 phút Pha σ tiết ra ở ba điểm cũng xảy ra ở biên giới hai pha và các tạp chất trong hạt

Tiết pha trong hạt

Tiết pha ở dạng này là các pha σ và γ2 tiết ra trong hạt α Đặc điểm của quá trình tiết pha  bên trong hạt ferit là sự hình thành austenit thứ cấp giàu Ni là kết quả của quá trình khuếch tán gần bên trong hạt

Như vậy sự hình thành pha σ hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ xử lý nhiệt cũng như thời gian giữ nhiệt trong khoảng thời gian tiết pha để nhận được hàm lượng pha

σ là nhiều hay ít

2.7 Ưng dụng của thép không gỉ song pha 2205

Tính chất cơ học của thép không gỉ song pha 2205 rất tốt Thép có thể làm việc

ở trong khoảng nhiệt độ -50oC đên 300oC Khi thép làm việc ở nhiệt độ cao có khả năng xảy ra các chuyển biến không mong muốn làm thay đổi tính chất của vật liệu đặc biệt là độ dai

Dựa vào lý luận phần 2.6 cũng như căn cứ vào giản đồ tiết pha, khi thép được ủ

ở nhiệt độ 700 - 9000C sẽ có hiện tượng tiết pha liên kim σ, Cr2N và γ2 Vì hàm lượng pha σ sinh ra là rất lớn nên khảo sát sự tiết pha σ là rất quan trọng

Thép không gỉ song pha là thép có chứa 50% ferit và 50% austenit Trong thực

tế thép với cấu trúc pha bao gồm 30% đến 70% ferit và austenit có thể được coi như

là thép không gỉ song pha Tuy nhiên để làm việc tốt thì việc thành phần đồng đều nhau thì sẽ làm cho tính chất của thép tốt hơn rất nhiều Đã có nhiều khảo sát về quá trình nhiệt luyện cho thép không gỉ song pha 2205 Để ủ đồng đều hóa thành phần của thép phải ủ ở nhiệt độ trên 1030oC và làm nguội trong môi trường là nước

Ứng dụng của thép không gỉ 2205

Thép song pha đang được sử dụng ở Châu Âu thay cho loại thép truyền thống theo tiêu chuẩn JIS của Nhật là: SUS 304, SUS 316L, 904L trong ngành công nghiệp sử dụng thép không gỉ làm bồn chịu áp lực, kết cấu ngoài trời, cầu cảng, Xét

về giá cả, thép không gỉ song pha tương đương hoặc rẻ hơn giá của mác thép truyền thống, tuy nhiên với độ bền chịu lực gần gấp đôi, chúng ta có thể tiết kiệm vật tư bằng cách sử dụng độ dầy mỏng hơn khoảng 25-30% so với khi dùng mác thép truyền thống Bằng cách này, có thể giảm số lượng sử dụng tối thiểu 25-30%, cũng

có nghĩa là giảm chi phí sản xuất tối thiểu khoảng 23-30%

Thép không gỉ song pha có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn mác thép truyền thống tương đương Hàm lượng niken của thép không gỉ song pha chỉ chiếm 1.5%-5% nên giá cả của thép không gỉ song pha không bị ảnh hưởng bởi giá nicken

hiện nay đang tăng, tuy nhiên với hàm lượng crôm cao, khống chế cacbon thấp (0.02-0.03%), được bổ sung thêm Mo, Mn, đặc biệt là N, tất cả tạo nên những mác thép không gỉ song pha có khả năng chịu ăn mòn hoá học rất tốt Với thành phần hóa học bao gồm: cacbon đặc biệt thấp (C < 0.03%), hàm lượng Cr từ 21% đến 26%, hàm lượng Ni từ 3.5% đến 8% và có thể chứa Mo lên đến 4.50% loại này có cấu trúc hỗn hợp 50% ferit và 50% austenit và đạt được hầu hết các ưu điểm của hai cấu trúc này Hợp kim này có từ tính, đạt độ dãn dài và độ bền uốn cao hơn thép không gỉ austenit

Thép không gỉ song pha được ứng dụng trong ngành hàng hải, đặc biệt trong công nghiệp hóa chất, hóa dầu Bảng 1.5 Trình bày các ứng dụng cơ bản của thép không gỉ duplex 2205

Bảng 1.4 Ứng dụng của thép không gỉ song pha

Khả năng chống ăn mòn tương đương thép không gỉ 306L, nhưng

có độ bền uốn cao hơn Đặc biệt hữu dụng trong môi trường của Acid Nitric ( HNO3).Được sử dụng nhiều trong các ngành hàng hải, năng lượng, khai khoáng, hóa chất & thực phẩm

S31803

S32205

Tấm,

ống thanh

& đầu nối

Khả năng chống ăn mòn cao hơn hẳn thép không gỉ austenit loại 316L và 317L Kết hợp với độ bền và khả năng chống ăn mòn cao Được dùng trong các thiết bị trao đổi nhiệt, khí làm sạch, bồn hóa chất, quạt công nghiệp, hàng hải & hóa dầu

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Sơ đồ nghiên cứu

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu

Thép không gỉ 2205 trạng thái cungcấp

Phần mềm Thermo-Calc

EBSD Thử dai va đập

2.2 Mẫu và các chế độ thí nghiệm

Mác thép sử dụng trong nghiên cứu là loại thép không gỉ 2205 là dòng thép thương phẩm Thành phần mác thép được đưa ra trong bảng 2.1 Thép nghiên cứu

có thành phần các nguyên tố hoàn toàn phù hợp với thép 2205 theo tiêu chuẩn Mỹ

Bảng 2.1 Thành phần hóa học thép nghiên cứu

Mẫu thí nghiệm được khảo sát với hai kích thước là: hình trụ với kích thước

20x10 (mm) và dạng tấm kích thước 20x2 (mm) (hình 2.2) được chế tạo bằng phương pháp cắt dây

Hình 2.2 Mẫu thí nghiệm

Mẫu kích thước 20x10 được sử dụng cho các chế độ nguội liên tục và hóa già, trong khi mẫu mỏng hơn (20x2) được sử dụng cho chế độ làm nguội đẳng nhiệt để đảm bảo mẫu được đồng đều nhiệt nhanh khi làm nguội từ nhiệt độ 1050oC xuống nhiệt độ giữ tiết pha

- Chế độ giữ nhiệt tại nhiệt độ tiết pha: sau khi nung nóng tới nhiệt độ như trên, các mẫu được làm nguội cùng lò xuống nhiệt độ tiết pha trung gian và được giữ nhiệt tại nhiệt độ này với các thời gian khác nhau Chế độ giữ nhiệt được khảo sát tại các nhiệt độ 700oC, 800oC và 900oC sau đó được nguội trong nước (hình 2.3a)

- Chế độ hóa già: các mẫu sau tôi trong nước ở nhiệt độ 1050oC được hóa già tại 800oC với thời gian giữ nhiệt nhất định rồi làm nguội nhanh trong nước (hình 2.3b)

Chế độ công nghệ xử lý nhiệt và ký hiệu mẫu được liệt kê trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Ký hiệu mẫu thép tại các chế độ nhiệt luyện

già 800 M8’-1 M8’-2 M8’-3 M8’-4 M8’-5 M8’-6 - -

Hình 2.3 Các chế độ nhiệt luyện

2.3 Phương pháp thực nghiệm

2.3.1 Phương pháp chuẩn bị mẫu để chụp ảnh tổ chức tế vi

Ảnh tổ chức tế vi cho các thông tin về hình thái, phân bố cũng như hàm lượng các pha bằng phương pháp hiển vi Trong nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tạo ảnh sử dụng kính hiển vi quang học (OM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để chụp ảnh tổ chức kim loại Chuẩn bị mẫu để chụp ảnh tổ chức tế vi của thép không

gỉ song pha 2205 gồm có các bước

+ Mẫu được làm sạch và cắt nhỏ