Nghiên cứu thép không gỉ chế tạo dụng cụ y tế luận văn thạc sỹ ngành khoa học vật liệu

Do những đặc tính ưu việt của thép không gỉ nên chúng được sử dụng rất rỗng rãi trong ngành y tế, từ việc chế tạo các y cụ thông thường cho đến các chi tiết trong cơ thể người, các máy đ

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

1

Lời nói đầu

Hiện nay và trong tương lai thép vẫn là vật liệu chủ yếu được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các ngành công nghiệp và nhiều ngành khác Sản xuất thép là lĩnh vực quan trọng có tác dụng quyết định đối với sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước

Cùng với sự phát triển của đất nước trong công cuộc đổi mới trong những năm gần đây ngành thép Việt Nam đã có những bước phát triển

đáng kể về sản lượng thép Tuy nhiên vấn đề sản xuất thép chất lượng cao vẫn là mảng khuyết lớn Hơn nữa thép chất lượng cao ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành trong công nghiệp trong cuộc sống và các ngành khác

Do những đặc tính ưu việt của thép không gỉ nên chúng được sử dụng rất rỗng rãi trong ngành y tế, từ việc chế tạo các y cụ thông thường cho đến các chi tiết trong cơ thể người, các máy đo các máy kiểm tra…các máy, các công cụ này hiện nay Việt Nam hầu như phải nhập khẩu từ nước ngoài

Thép không gỉ hệ Crôm Niken là một trong những hệ thép được sử dụng khá phổ biến, ưu điểm của loại thép này là có tính chống ăn mòn rất cao nhưng giá thành đắt và tính chống mài mòn và chịu tải chưa cao Để triển khai sản xuất hệ thép này cần phải có nguồn cung cấp Niken, một kim loại rất đắt tiền và ngày càng khan hiếm, hơn nữa chúng ta hoàn toàn phải nhập ngoại Chính vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng sản xuất thép không gỉ hệ Cr là rất cần thiết

Trên thế giới, đặc biệt ở các nước có nền công nghiệp phát triển như Đức, Nhật, Mỹ, … vấn đề này đã được nghiên cứu từ rất lâu và đã

được ứng dụng rỗng rãi

ở Việt Nam thép không gỉ đã được nghiên cứu và được sản xuất ở một số nơi như: Nhà máy Cơ Khí Hà Nội, ( sản xuất thép không gỉ 1X118H9T cho thủy điện, 2X13 làm trục cống nước biển ), Z127 ( sản xuất thép không gỉ 1X13, 1X118H9T ), Viện Luyện Kim Đen ( sản xuất thép không gỉ mác Cr20Ni8, 08Cr18Ni10 đặc biệt đã sản xuất mác 03Cr18Ni10Mo dùng trong chấn thương chỉnh hình)… ở nhà máy Y cụ 2 Sông Công Thái Nguyên hiện là nhà máy duy nhất ở miền bắc sản xuất dụng cụ y tế nhưng cũng phải nhập phôi thép không gỉ từ nước ngoài về rồi chế tạo ra sản phẩm

3

Luận án gồm:

Phần mở đầu Phần nội dung của luận án

• Chương 1: Tổng quan

• Chương 2: Cơ sở lý luận

• Chương 3: Nội dung thực nghiệm

• Chương 4: Các thông số công nghệ sản xuất chế tạo dụng cụ y tế

Phần kết luận

Qua luận án này tôi xin chân thành cảm ơn:

• Sự hướng dẫn chu đáo của TS Nguyễn Sơn Lâm, PGS-TS Ngô Trí Phúc,

sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong bộ môn Luyện kim đen, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại học, Trường đại học Bách khoa Hà Nội

• Sự tạo điều kiện giúp đỡ tận tình của Lãnh đạo Tổng công ty Thép Việt Nam

• Sự giúp đỡ của các Trung tâm đo lường, các cơ quan trong Bộ công nghiệp, Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ giáo dục đào tạo, Bộ quốc phòng

• Sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp

Phần mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trải qua hơn 80 năm kể từ ngày bắt đầu sản xuất ở mức độ công nghiệp, sản lượng thép không gỉ đã tăng lên nhanh chóng và đã thoả mãn ngày càng nhiều cho nhu cầu của nhiều ngành kỹ thuật nói chung và ngành y tế nói riêng Sản lượng thép không gỉ hàng năm trên thế giới được nêu cụ thể ở bảng sau:

đồng bộ, do đó việc triển khai đề tài này là một đòi hỏi khách quan của thực tế cuộc sống

3 Mục đích nghiên cứu

Nội dung của đề tài này không đặt vấn đề nghiên cứu cơ bản để tìm ra một loại vật liệu mới của thế giới mà ở đây chỉ đi sâu vào tìm hiểu bản chất các loại vật liệu nhiều nước đã và đang dùng Hướng của đề tài là tận dụng tối đa những kết quả áp dụng thành công của các nước có nền y học phát triển Cụ thể chọn

mác thép tương đương với mác thép của Trung Quốc, Pháp, Mỹ, Nhật đã và dang dùng Nội dung chủ yếu của đề tài còn lại là làm sao xác lập được các quy trình công nghệ thích hợp Thước đo của sự thích hợp này là theo quy trình đó tạo ra được vật liệu có thông số nằm trong giới hạn các thông số tương xứng thu

được từ các mẫu đang sử dụng ở Việt Nam

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Để tăng chất lượng của thép phải khống chế các khâu: Nấu luyện - Đúc rót – Gia công cơ - Nhiệt

Luận án đi nghiên cứu và thiết lập quy trình công nghệ nấu luyện và gia

công chế tạo mác thép 30Cr13 (theo tiêu chuẩn Việt Nam) thành dụng cụ sử dụng trong y tế

Vấn đề đặt ra là lựa chọn công nghệ sản xuất thép không gỉ làm sao cho hợp lý phù hợp với điều kiện hiện có

5 Phương pháp nghiên cứu

Các mẫu được đo lường và phân tích trên thiết bị hiện đại và tính toán, xem xét kết quả nghiên cứu tuân thủ nguyên tắc loại bỏ các sai số ngẫu nhiên và quy luật không đồng nhất của vật chất

Phần nội dung của luận án

Chương 1 – Tổng quan 1.1 Tình hình phát triển thép không gỉ

1.1.1 Lịch sử phát triển thép không gỉ

Lịch sử phát triển thép không gỉ bắt đầu từ việc phát minh ra tác dụng của crôm khi cho thêm vào thép đã tạo ra các đặc tính ưu việt sau đó đến việc áp dụng và đưa vào sản xuất công nghiệp các loại thép này

Từ năm 1821 Berthier là người đầu tiên đã nhận thấy rằng khi cho crôm vào thép thì tính chống gỉ của thép trong axit tăng lên và khi hàm lượng crôm càng tăng lên thì tính chống gỉ càng tăng

Hàm lượng crôm chỉ hạn chế ở một giới hạn thấp nhưng cũng đủ để chế tạo lưỡi dao có độ cứng cao và tính chống gỉ cao hơn nhiều so với thép cacbon

Đó chính là nguyên nhân tại sao Berthier đã khuyến nghị loại hợp kim này để chế tạo các loại dao kéo

Phát minh của Berthier có tầm quan trọng rất lớn, song việc phát triển chúng cho những áp dụng khác và việc nâng cao hàm lượng crôm trong thép đến như hiện nay đã được tiến hành rất chậm do một số nhân tố hạn chế

Trước hết là các hợp kim được chế tạo bằng các quá trình hoàn nguyên có hàm lượng cacbon cao nên các hợp kim này rất dòn Hàm lượng crôm thì rất khó

điều chỉnh và kiểm tra, hàm lượng crôm nhiều khi lại quá thấp làm cho tính chống gỉ không đạt được hiệu quả cao Thứ hai, tính chống gỉ đã được đánh giá

từ các thực nghiệm được tiến hành trong axit sunfuric hay trong nước, mà trong khi đó tính chống gỉ của thép có thể thay đổi rất nhiều môi trường từ môi trường này đến môi trường khác

Vì vậy các nhà khoa học đã không chú ý lắm đến loại thép này trong khoảng 50 năm Năm 1870 Brustlein lại bắt đầu nghiên cứu các hợp kim sắt – crôm và đã đóng góp nhiều công sức cho sự phát triển của chúng Ông đã đề nghị sử dụng các loại thép này để chế tạo vũ khí Song sự phát triển lại bị hạn chế do công nghệ nấu luyện lúc bấy giờ Việc phát triển các loại thép crôm được triển khai chỉ khi có phát minh của Goldschmit (người Đức) cho phép sản xuất ferrocrôm cacbon thấp bằng phương pháp nhiệt nhôm

Như vậy chúng ta thấy rằng việc phát triển các vật liệu mới có liên quan rất chặt chẽ đến các công nghệ chế tạo vật liệu Bắt đầu từ ferrocrôm cacbon thấp được chế tạo theo phương pháp của Goldschmit, một số nhà luyện kim người Pháp và Đức đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt luyện lên cấu trúc và cơ tính của thép không gỉ

Trong các nhà khoa học này có thể kể ra là Guillet, Portevin, Giesen nhiều công trình đã nghiên cứu cơ chế gỉ của thép không gỉ Momartz đã nghiên cứu vai trò của tính thụ động và của hàm lượng cacbon lên tính chống gỉ của thép Trong thời gian này đã tạo ra một số lớn các loại thép không gỉ dẫn

đến nhiều bằng sáng chế

Phần lớn các nghiên cứu được tiến hành trong các phòng thí nghiệm nhưng những ý đồ xem xét khả năng của các ứng dụng thực tế và những thành tựu công nghiệp đầu tiên cũng đã được tiến hành Có rất nhiều nhà khoa học đã

đóng góp nhiều trong lĩnh vực này, tiêu biểu là Brearly, Dansitzen, Becket,

9

1.1.2 Tình hình phát triển thép không gỉ trên thế giới

Sản lượng thép không gỉ trên thế giới hàng năm vẫn có sự tăng trưởng rất lớn đặc biết những quốc gia đã và đang phát triển Hiện nay người ta đã nhìn vào sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu người để làm tiêu chí đo mức độ phát triển, cuộc sống của một đất nước Mức tiêu thụ này ở một số nước tiêu biểu như sau:

Nhật, Đức, Nam Tiều Tiên 14kg/nguời/năm

Bảng 3: Mức tiêu thụ bình quân theo đầu người

Nói chung ngày nay trên thế giới thép không gỉ đóng vai trò hết sức quan trọng, trong hầu hết các ngành công nghiệp cũng như dân dụng, y tế…

1.1.3 Tình hình phát triển thép không gỉ ở Việt Nam

Cho đến nay việc sản xuất thép không gỉ, đặc biệt là các sản phẩm ứng dụng cho gia đình tại Việt Nam đã và đang không ngừng tăng trưởng và phát triển Hàng loạt các Nhà máy, các Công ty kinh doanh các mặt hàng thiết yếu về thép không gỉ phục vụ cho cuộc sống đã được thành lập, điều đó minh chứng cho việc nhu cầu về thép không gỉ đang tăng nhanh

Từ năm 1990 đến nay Viện Luyện kim đen, theo số liệu thống kê [14] đã sản xuất được các mác thép không gỉ như:

- Thép mactenxit 410, 420J1, 420J2

- Thép ferrit 430

- Thép austenit 304, 316, 316L

Trong đó Viện đã nghiên cứu thành công việc sản xuất thép không gỉ mác 316L được dùng trong phẫu thuật chấn thương chỉnh hình với các thiết bị hiện có như: Lò cảm ứng trung tần, thiết bị tinh luyện điện xỉ đã đạt được chất lượng cao và được thử nghiệm trên chính cơ thể con người tại Bệnh viện 108 và đạt kết quả tốt

Hiện nay Viện đang tiến hành nghiên cứu chế tạo thép không gỉ Duplex (mắc Cr12Ni5Ti), mác thép không gỉ hoá bền do tiết pha (mác AISI 630) và thép không gỉ có chứa nitơ

Tuy nhiên do điều kiện về thiết bị còn hạn chế nên Viện chỉ sản xuất được sản phẩm nhỏ lẻ…Ngoài ra, Viện còn sản xuất nhiều sản phẩm thép không gỉ ở dạng đúc để phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp có liên quan như công nghiệp giấy, tầu thuỷ…

Ngoài ra còn một số công ty sản xuất đồ dùng thép không gỉ nhưng phôi thép lại nhập từ nước ngoài và phần lớn được nhập từ Trung Quốc

Như vậy nước ta hiện nay gần như chưa tự sản xuất được thép không gỉ,

mà hầu hết phôi đều được nhập từ nước ngoài

1.2 Công nghệ sản xuất thép không gỉ

Trước đây sản xuất thép không gỉ được tiến hành trong lò điện hồ quang nên yêu cầu nguyên liệu đưa vào phải rất sạch, phế thép không gỉ cùng loại với thép định sản xuất, ferro hợp kim cacbon thấp hoặc các hợp chất hợp kim hóa ở dạng kim loại Vì vậy giá thành của thép không gỉ rất cao

Năm 1954 Union Carbid Corporation (USA) đã nghiên cứu công nghệ khử cac bon bằng Argon – Oxygen Decarburization (AOD) ở trong phòng thí nghiệm và đến năm 1968 thì xây dựng pilot ở mức độ công nghiệp Đến năm

định nấu là 0,5 %, C= 0,25 ữ 2,0 %, Si = 0,2 ữ 1,5 % Sau khi nấu chảy liệu trong lò hồ quang thì thép lỏng được chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng hỗn hợp Ar + O2 Sự thay đổi thành phần hoá học của thép lỏng theo từng giai

Phương pháp công nghệ này có nhiều ý nghĩa về kinh tế:

- Có thể sử dụng nguyên liệu chứa cacbon cao nên giá thành rẻ

- Giảm tiêu hao vật liệu chịu lửa so với EAF

- Hệ số sử dụng của Crôm và Niken cao (98 –100%)

Nếu chỉ dùng EAF thì thời gian luyện kéo dài 4h30 còn khi kết hợp với AOD thì thời gian nấu chảy ở EAF chỉ còn 2h30 và thời gian xử lý ở AOD là ít hơn 1h30

Hơn nữa, phương pháp công nghệ này cho phép nâng cao chất lượng thép không gỉ rất nhiều

Có thể sản xuất được các loại thép không gỉ với hàm lượng cac bon cực thấp Nếu chỉ dùng EAF thì việc tạo ra thép không gỉ với C = 0,025% là khó khăn Còn công nghệ EAF + AOD thì hoàn toàn dễ dàng đạt được C< 0,02%, thậm chí đạt tới C = 0,01 % , một hàm lượng mà ngay cả EAF + VOD cũng khó

mà đạt được

- Điều khiển thành phần hoá học chính xác hơn

- Giảm hàm lượng lưu huỳnh do khuấy trộn mạnh xỉ bazơ và môi trường khử nên dễ đạt S < 0,01 % thậm chí S = 0,001%

- Nâng cao độ sạch của thép

Ngày nay trên thế giới người ta coi công nghệ EAF + AOD là công nghệ

số 1 để sản xuất thép không gỉ với các tính năng vượt trội của nó so với công nghệ khác

Gần đây nhiều tác giả đã nghiên cứu cải tiến công nghệ EAF + AOD để sản xuất thép không gỉ với nguyên liệu đầu vào là quặng crôm chứ không phải là ferro crôm Công nghệ này gồm hai bước:

1 Tạo ra hợp kim Fe-16%Cr-6%C trong lò điện từ nguyên liệu là quặng crôm, thép phế và than kốc

13

2 Khử cac bon của hợp kim trên trong lò chuyển bằng cách thổi oxy vào sau

đó xử lý chân không Sau giai đoạn AOD, trước khi đúc liên tục người ta tiếp tục xử lý trong lò thùng để hợp kim hoá các nguyên tố bổ xung như

Ti, Nb… và khử ôxy bằng Al, Ca hay đất hiếm

1.3 Thép không gỉ dùng trong y tế

Thép không gỉ thông thường chiếm khoảng 2 –3% tổng sản lượng thép của một quốc gia Đối với nước ta con số đó là khoảng 6000 tấn/năm và một khối lượng tương đối trong đó được sử dụng trong ngành y tế

Thép không gỉ dùng trong y tế được phân loại theo phạm vi ứng dụng của chúng

và được chia làm 2 lĩnh vực sử dụng:

- Thép không gỉ dùng trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình (dùng trong cơ thể con người) như ốc, vít, nép xương…

- Thép không gỉ dùng để chế tạo các dụng cụ y tế như dao, kéo, panh, kìm…

Vấn đề đặt ra là lựa chọn công nghệ sản xuất thép không gỉ làm sao cho hợp lý phù hợp với điều kiện hiện có

Luận án đi nghiên cứu và thiết lập quy trình công nghệ nấu luyện và gia

công chế tạo mác thép 30Cr13 thành dụng cụ sử dụng trong y tế

Chương 2: Cơ sở lý luận 2.1 Lý thuyết về thép không gỉ

2.1.1 Khái niệm về thép không gỉ

Thép không gỉ bao gồm một họ hợp kim trên cơ sở Fe mà tính chất chủ yếu của nó là bền chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau Crôm là nguyên tố hợp kim có vai trò quyết định đối với tính không gỉ của thép Với lượng crôm không ít hơn 12,5 % thép sẽ trở nên không gỉ trong môi trường oxy hoá do tạo ra lớp màng thụ động trên bề mặt của nó Còn một cách giải thích khác là khi pha ferrit chứa không ít hơn 12,5 % Cr, điện thế điện cực của nó tăng lên tương

đương pha mactenxit (hay pha cacbit nói chung), nâng cao khả năng chống ăn mòn điện hoá một cách rõ rệt, làm cho thép trở nên không gỉ

Tuy gọi là thép không gỉ nhưng trong thực tế mỗi loại thép không gỉ chỉ có tính chịu 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

Sở dĩ thép không gỉ có tính chịu ăn mòn là do trong thép có chứa nguyên tố hợp kim crôm Thông thường hàm lượng crôm yêu cầu tối thiểu là lớn hơn 12,5

% như đã nói ở trên Ngoài ra người ta còn cho thêm các nguyên tố hợp kim khác như đồng, Silic, Nhôm, Niken, molipden, vanadi, titan… làm tăng tính chịu

ăn mòn của thép nhưng ảnh hưởng của chúng sẽ giảm đi nhiều nếu vắng mặt nguyên tố crôm

Thép không gỉ có thể luyện được trong lò điện hồ quang, lò thổi, lò điện tần số… sản phẩm có thể ở dạng thanh, tấm, băng cuộn, ống…

2.1.2 Phân tích quá trình ăn mòn kim loại

Ăn mòn là quá trình phá huỷ kim loại do hậu quả các phản ứng hoá học hoặc các quá trình điện hoá giữa kim loại và môi trường xung quanh Phân loại ăn mòn theo cơ chế quá trình hoặc theo dạng bên ngoài của bề mặt ăn mòn Theo

ở Việt Nam, do khí hậu nóng ẩm tỷ lệ vật liệu kim loại sử dụng còn cao, vì vậy thiệt hại do ăn mòn chắc chắn sẽ lớn hơn nhiều

a Ăn mòn hoá học

Tiêu biểu cho ăn mòn hoá học là ăn mòn khí, khi kim loại tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao trên bề mặt của nó tạo ra màng oxyt Màng oxyt này sẽ không phát triển nếu oxy không có khả năng xâm nhập vào bên trong, khi đó màng oxyt lại có tính chất bảo vệ Các điều kiện để tạo nên màng oxyt có tính chất bảo vệ là:

- Cơ cấu trục sít và phủ kín toàn bộ bề mặt kim loại

- Không bị phá huỷ trong môi trường

- Có liên kết chặt chẽ với kim loại nền

- Có hệ số giãn nở nhiệt xấp xỉ hệ số giãn nở nhiệt của kim loại nền Khả năng bảo vệ thường được đánh giá tổng hợp thông qua số thể tích riêng

- Al2O3 ε = 1,28

- Cr2O3 ε = 2,00

- SiO2 ε = 1,88 Nhưng nếu tỷ số thể tích riêng quá lớn (ε >>1) liên kết giữa màng oxyt và kim loại dễ bị phá huỷ, do đó không có tính bảo vệ

Biện pháp chủ động để bảo vệ khỏi ăn mòn do khí (ăn mòn hoá học) là hợp kim hoá bằng các nguyên tố tạo ra các màng oxyt bảo vệ Thông thường các oxyt nhiều cấu tử ví dụ: FeCr2O4, NiCr2O4 có tính bảo vệ tốt hơn các oxyt đơn

b ăn mòn điện hoá

Là sự phá huỷ do tác dụng của quá trình điện hoá khi kim loại nằm trong môi trường điện ly, là kết quả của hoạt động của các vipin Môi trường thường gặp là nước có hoà tan muối, axit hoặc các chất khác

Tốc độ ăn mòn điện hoá phụ thuộc vào điện thế điện cực, kim loại có điện thế âm hơn sẽ bị hoà tan vào chất điện ly Các vi pin tạo ra là do:

- Sự không đồng đều về tổ chức, tức kim loại chứa nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau

- Do trạng thái ứng suất không đồng nhất

- Do lớp phủ (màng ôxyt bảo vệ ) bị phá huỷ

- Do tiếp xúc với các kim loại khác

Các biện pháp chống ăn mòn điện hoá là:

- Tạo trạng thái thụ động gồm thụ động do màng bảo vệ và thụ động môi trường

- Các biện pháp hạn chế sự tạo thành các vi pin bằng cách khắc phục các nguyên nhân như đã nêu, trong đó quan trọng hơn cả là tạo ra một pha đồng nhất không chịu ứng suất dư…

17

+ Cơ chế của ăn mòn điện hoá

Khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện ly, các ion của môi trường sẽ tác dụng với ion của kim loại, dưới tác dụng này các ion kim loại sẽ bị chuyển vào dung dịch điện ly và để lại trong kim loại những điện tử thừa Điều này thể hiện theo các phương trình phản ứng:

ne Me

Me→ n+ + (quá trình anốt) Còn các chất oxy hoá nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra theo phương trình phản ứng:

Ox + ne → Red (Quá trình catot) Ox: là chất oxy hoá

2

H H

H hp+ hp →

Còn nếu chất oxy hoá là oxy thì:

- Với môi trường là axit, quá trình xảy ra theo phản ứng sau:

O H e H

O2 + 4 + 4 → 2 2

- Với môi trường trung tính hoặc bazơ, quá trình catot sẽ là:

OH e

O H

O2 + 2 2 + 4 → 4 Kim loại trở nên tích điện âm, còn dung dịch điện ly tích điện dương, trên miền ranh giới giữa chúng tạo ra lớp điện tích kép và có điện thế nhất định gọi là thế điện cực Bảng 5 sau đây cho biết điện thế tiêu chuẩn ở 250C so với điện thế

điện cực của hyđro

điện thế tiêu

chuẩn (v)

Bảng 5: Điện thế tiêu chuẩn cân bằng ở 25 0 C của 1 số nguyên tố

Các vật liệu được dùng trong các ngành công nghiệp nhìn chung là có độ sạch thấp, thêm vào đó gồm nhiều pha, những pha này có điện thế điện cực khác nhau ở trong cùng một môi trường điện ly, do vậy rất dễ bị ăn mòn điện hoá Ví

dụ loại vật liệu thông dụng nhất là thép cacbon Thép cacbon luôn gồm 2 pha ferrit và mactenxit do có điện thế điện cực khác nhau nên sẽ tạo thành cặp pin, ở

đây ferrit là anốt bị hoà tan Nguyên nhân thép cacbon bị gỉ trong không khí cũng như vậy Không khí luôn chứa hơi nước nên trên bề mặt có màng nước rất mỏng, khí CO2 và các khi khác như SO2, H2S… hoà tan vào nước tạo nên dung dịch axit như H2CO3, H2SO3 làm màng nước trở thành môi trường điện ly

Từ đó có thể thấy rằng sở dĩ thép bị ăn mòn điện hoá là do nó có tổ chức nhiều pha và các pha này có điện thế điện cực khác nhau

c Các dạng ăn mòn khác

Hai dạng ăn mòn rất nguy hiểm là ăn mòn hố sâu, ăn mòn tinh giới ăn mòn hố sâu là dạng ăn mòn cục bộ, tốc độ ăn mòn tăng nhanh tại một số điểm nhất định trên bề mặt, tạo thành các hố sâu, lúc đầu có kích thước tế vi (không nhìn thấy được bằng mắt thường) Sau đó phát triển nhanh theo chiều sâu và chiều rộng Hậu quả đó dẫn đến chi tiết bị phá hỏng Ăn mòn hố sâu và ăn mòn tinh giới là hai dạng ăn mòn rất nguy hiểm, vì sự phá huỷ của chúng xảy ra đôi khi không kéo theo những thay đổi đáng kể trạng thái bề mặt, nhất là đối với chi tiết thanh mỏng

d Những quy ước để đánh giá mức chống gỉ của vật liệu kim loại

Thường gọi chung là thép không gỉ, nhưng thực ra mỗi loại thép không gỉ

có tính chống ăn mòn cao trong một số môi trường nhất định, ngay cả trong môi

* Theo chiều dày của lớp kim loại bị ăn mòn trong đơn vị thời gian (mm/năm)

- Trong môi trường ăn mòn yếu (không khí, nước…)

Tốc độ ăn mòn < 0,01 mm/năm được coi là hoàn toàn không gỉ Tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm được coi là không gỉ

Tốc độ ăn mòn > 0,1 mm/năm coi là bị gỉ

- Trong môi trường ăn mòn mạnh (axit, muối, bazơ…)

Tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm đựơc coi là chịu axit

Coi như không bị ăn mòn

Bị ăn mòn

Bảng 6 Phân loại ăn mòn theo độ giảm trọng lượng

2.2 Phân loại thép không gỉ

Năm 1910 việc phân loại thép không gỉ theo cấu trúc đã được đưa ra, đó là thép không gỉ mactensite, ferrit và austenit Việc phân loại này vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay Việc phân loại này đã cho thấy thép không gỉ có các cấu trúc rất khác nhau, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của chúng và chế độ gia công nhiệt hay cơ nhiệt Điều này nói lên tính linh hoạt của thép không gỉ, nghĩa

là tuỳ theo yêu cầu của các điều kiện làm việc mà ta có thể xác định loại cấu trúc và từ đó liên quan đến thành phần hoá học và chế độ gia công của loại thép không gỉ đó Thép thương phẩm đầu tiên đã được phát minh bởi Harry Brearley

ở Sheffield vào năm 1913 Như vậy những nghiên cứu đầu tiên đến việc sản xuất thép không gỉ ở mức độ công nghiệp phải mất gần 90 năm

Nếu như lúc đầu thép không gỉ tạo thành trên cơ sở hợp kim hai nguyên

Fe – Cr thì sau này, nhiều nguyên tố hoá học khác đã được đưa thêm vào hệ

Fe-Cr Đó là các nguyên tố niken, molypđen, magan, đồng, nhôm, titan, niobi…

- Các nguyên tố này tạo ra cấu trúc α (Lập phương thể tâm) Cr, Mo,

Nb Si

Ti Mo

%(

30 )

%(

5 , 0

21

Schaeffler đã xây dựng được giản đồ chỉ ra 4 vùng cấu trúc của thép không gỉ tuỳ thuộc vào thành phần hoá học như hình 2

Hình 2: Giản đồ Schaeffler

- Thép không gỉ ferit: có nhiều các chất tạo α

- Thép không gỉ austenit: có nhiều các chất tạo γ

- Thép không gỉ hai pha: nằm giữa hai loại trên

- Thép không gỉ mactenxit: có các chất tạo α và γ

Mactensit M+F M+A

Trªn thÕ giíi cã rÊt nhiÒu hÖ thèng ph©n lo¹i thÐp kh«ng gØ

+ Tiªu chuÈn Liªn bang Nga

23

+ Tiªu chuÈn quèc tÕ ISO

- M¸c thÐp d¹ng ferit: 1Ti, 1, 2, 8, 8a, 8b, 8c, 9c…

- M¸c thÐp d¹ng mactenxit: 3, 4, 5, 7, 9a, 9b…

- M¸c thÐp d¹ng austenit: 1024 & A2A4

+ Tiªu chuÈn m¸c thÐp cña NhËt B¶n (JIS): SUS xxx gièng tiªu chuÈn AISI cña ViÖn gang thÐp Mü

+ Tiªu chuÈn Mü: cã nhiÒu tiªu chuÈn nh­ ASTM, ASME, AISI, UNS

- VÝ dô: theo tiªu chuÈn AISI

Thµnh phÇn ho¸ häc cña mét sè m¸c thÐp kh«ng gØ nªu trong b¶ng 7

329J3 ≤0,03 ≤ 1,0 ≤ 2,0 21-24

4,5-6,5

3,5

2,5-0,2

0,08-329J4 ≤0,03 ≤ 1,0 ≤ 1,5 24-26

5,5-7,5

3,5

2,5-0,3

0,08-Bảng 7: Thành phần hoá học của các mác thép không gỉ tiêu biểu

2.2.1 Tổ chức của hợp kim sắt – crôm – niken

Thép không gỉ là hợp kim tạo thành trên cơ sở các hệ Fe-Cr, Fe-Cr-Ni Khả năng chống ăn mòn của thép phụ thuộc rất lớn vào tổ chức, do đó trước hết cần nêu khái quát về tổ chức của các hệ hợp kim này

Hình 3: Giản đồ trạng thái Fe-Cr

- Crôm là nguyên tố mở rộng vùng Fe-α, với bất kỳ nồng độ crôm nào cũng có thể tạo ra tổ chức 1 pha của ferit, là dung dịch rắn giữa Fe-α và Cr

- Nếu nồng độ Crôm nằm trong phạm vi từ 30-65%, có khả năng tạo pha xecma có độ cứng cao và dòn Trong quá trình làm nguội các hợp kim có thành phần đã nêu, lúc đầu tạo ra ferit, sau đó một phần hoặc toàn bộ ferit chuyển thành pha xecma Tốc độ tạo thành pha xecma phụ thuộc vào nồng độ crôm và tốc độ nguội Nếu nguội nhanh trong quá trình đúc thì pha xecma có thể không tạo ra, nhưng khi nung lại để cán, rèn, dập nhiệt luyện… thì pha xecma sẽ được tiết ra Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian nung, độ hạt, trạng thái ứng suất Sự tạo thành pha xecma luôn kèm theo hiệu ứng thể tích, làm cho hợp kim trở nên dòn, dễ bị phá huỷ khi có ứng suất

Nếu ngoài Fe và Cr còn có những nguyên tố khác thì phải lưu ý đến xu thế

ảnh hưởng của chúng đến tổ chức Cần quan tâm đến các đặc điểm sau đây:

- Các nguyên tố mở rộng vùng Fe-α (tạo ferit) đều có xu thế mở rộng vùng pha xecma về phía nồng độ Cr thấp, tiêu biểu là Mo, Si Như vậy khi sử dụng Mo nên chú ý đến tạo pha xecma của nó Mangan

đầu là austenit đồng nhất, nếu nung lâu ở nhiệt độ đủ cao có khả năng xuất hiện một số hợp chất kim loại như Fe3Ni, Fe2Ni, Fe3Ni2 và FeNi3 trong đua xác xuất xuất hiện pha FeNi3 là lớn nhất Sự có mặt của những pha này làm giảm

Hình 4: Giản đồ trạng thái Fe-Ni

α

δ+γ

α+γ

γ

29

Hình 6: Mặt cắt ngang của giản đồ Fe-Cr-Ni ở nhiệt độ 400 0 C

Hệ hợp kim Fe-Cr-Ni là hệ cơ sở của thép không gỉ, trên hình 5 và hình 6 thể hiện mặt cắt ngang giản đồ trạng thái 3 cấu tử Fe-Cr-Ni ở nhiệt độ 11000C (nhiệt độ tôi) và 4000C (nhiệt độ ram) qua đây nhận thấy rằng đối với các hợp kim giàu sắt nếu tổng lượng chứa Ni+Cr cao hơn khoảng 15% thì nung lên 11000

C có thể đạt được trạng thái 1 pha austenit (A) và theo nguyên tắc nguội nhanh khi tôi, pha austenit có thể tồn tại ở nhiệt độ phòng, nhưng khi nung lên 4000 C thì từ austenit (A) sẽ tiết ra pha ferit (F) tạo tổ chức 2 pha (A+Feα) Muốn tổ chức sau khi ram ở nhiệt độ 4000 C vẫn giữ là A thì tổng lượng Ni + Cr phải cao hơn khoảng 40% Như đã nêu trên sự có mặt của pha xecma trong hợp kim vừa tạo nên tính dòn (cơ tính kém) vừa tạo nên sự không đồng nhất về tổ chức (giảm tính chống ăn mòn) nên thành phần thép không gỉ phải lựa chọn sao cho không tạo ra pha đó Khả năng tạo pha δ trong hợp kim hệ Fe-Cr-Ni với 8% Ni, thể hiện trên hình 7 và tổ chức hợp kim sau tôi (nguội nhanh trong nước) trên hình 8

Hình 7: Khả năng tạo pha δ trong hợp kim Fe-Cr-Ni với 8% Ni

F+A’

M

Hình 8: Tổ chức của hợp kim Fe-Cr-Ni với 0,1%C

Từ hình 7 ta thấy rằng nếu thành phần Cr nhỏ hơn 18% thì không có khả năng pha δ Tổ chức của hợp kim Fe-Cr-Ni còn phụ thuộc vào lượng chứa cacbon

Các ký hiệu trên hình 8:

F- Ferit K- cacbit A’-Austenit kém ổn định dễ phân huỷ khi nung A- Austenit ổn định, chỉ phân huỷ khi nung quá nhiệt độ xác định

Từ hình 8 thấy rằng để đạt được tổ chức một pha austenit khi tôi, thì yêu cầu tổng lượng chứa Cr+Ni phải lớn hơn khoảng 23-35%, trong đó Ni phải lớn hơn 7%

Như vậy so với hình 8 thấy rằng sự có mặt của cacbon làm dịch chuyển tổ chức sang vùng 2 pha và muốn có tổ chức 1 pha thì tổng lượng Cr+Ni phải cao hơn

Ngoài Cr và Ni ra còn có ảnh hưởng của một số nguyên tố khác như Mo,

Nb, C, Mn… đến tổ chức của thép không gỉ Trường hợp đó phải dùng giản đồ Schaeffler hình 9 để xác định vùng có tổ chức theo yêu cầu

γ γ+M

M

α+M

Hình 9: Giản đồ schaeffler tổ chức của thép không gỉ phụ thuộc vào lượng

Cr, Ni quy đổi

2.2.2 Nguyên tắc chọn thành phần cơ bản của thép không gỉ

Các yêu cầu chủ yếu của thép không gỉ là:

- Không bị phá huỷ do ăn mòn trong khí quyển và một số môi trường khác

- Có cơ tính phù hợp trong quá trình chế tạo và sử dụng

- Trong những trường hợp cần tính an toàn lớn chống ăn mòn, phải

có khả năng chống ăn mòn hố sâu và ăn mòn tinh giới cao

Để thoả mãn 3 yêu cầu cơ bản về tính chất như đã nêu trên thép không gỉ phải thoả mãn yêu cầu về thành phần và tổ chức sau đây:

a Hàm lượng crôm phải lớn

Crôm là nguyên tố cơ bản để tạo khả năng chống gỉ cho thép vì nó tạo ra màng oxyt Cr2O3 hoặc Fe Cr2O3 có tính bảo vệ cao Trong hệ 2 cấu tử Fe-Cr, Crôm hoà tan hoàn toàn trong Fe-α và theo kết qủa của nhiều công trình nghiên cứu khác nhau cho thấy để màng oxyt crôm nêu trên trong dung dịch rắn có tính bảo vệ thì lượng crôm phải lớn hơn 11,7% Lượng chứa crôm càng cao khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và một số môi trường khác càng cao

b Hàm lượng Ni phải đủ lớn

Thép không gỉ trên cơ sở hệ Fe-Cr chỉ bền vững chống ăn mòn trong một

số môi trường Nếu chứa thêm Ni tính chống ăn mòn sẽ được tăng cường đáng

kể do tác dụng thụ động hoá của Niken Mặt khác niken là nguyên tố mở rộng vùng Fe-γ (ngược với crôm mở rộng vùng Fe-α) do đó muốn nhận được tổ chức

1 pha austenit (hoặc gần với vùng 1 pha) là tổ chức có tính chống ăn mòn cao thì lượng chứa niken phải lớn hơn 8%

Từ các phân tích trên thành phần cơ bản của thép không gỉ có tính chống ăn mòn cao là Cr18Ni8 (gọi tắt là thép không gỉ 18-8), tổ chức cơ bản của thép sau tôi trong không khí (đối với chi tiết nhỏ mỏng) hoặc tôi trong nước (đối với chi tiết dầy) là austenit Tuy vậy cần chú ý ở trạng thái đúc trong quá trình kết tinh, xảy ra trong điều kiện thực tế – xa vùng cân bằng có thể gặp các pha khác như ferit, cacbit và cả xecma do không đồng nhất thành phần

c Hàm lượng của các nguyên tố khác như Mo, Ti, Mn, N 2

Vai trò của một số nguyên tố khác trong thép không gỉ 18-8 phụ thuộc vào những mục đích khác nhau, người ta có thể hợp kim hoá thép 18-8 bằng các

Mn trong thép không gỉ 18-8 làm xấu khả năng chống ăn mòn của

nó và người ta cố gắng khống chế lượng chứa Mn trong giới hạn cho phép, nhất là trong thép có chứa cacbon

- Nitơ:

Nitơ mở rộng vùng Fe-γ, do đó trong thép có chứa nitơ lượng niken

có thể giảm mà vẫn giữ được tổ chức một pha austenit Người ta tính rằng, với 0,1%N2 lượng Niken có thể giảm từ 2-4% còn với lượng 0,25%N2 lượng niken có thể giảm bớt 3-6%, thép FeCr18Ni

và (0,15-0,25%)N2 có độ bền và khả năng chống an mòn tinh giới tương đương với thép FeCr18Ni8, chống ăn mòn tốt hơn trong axit HNO3 sôi Về cơ tính ở nhiệt độ thường nitơ có khả năng hoá bền cao, thép chứa nitơ bền hơn nhưng kém dẻo hơn

2.2.3 Hàm lượng cacbon phải thấp hoặc rất thấp

Hình 10: Độ hoà tan của cacbon trong thép 18-8

ở trạng thái cân bằng cacbon có thể liên kết với một số kim loại để tạo thành cacbit, trong thép 18-8 chủ yếu là Cr23C6 Khi nung để tôi, cacbit sẽ hoà tan trở lại trong austenit

Tuy nhiên sự phân bố này là không đồng đều, lượng cacbon trong dung dịch rắn austenit sẽ cao hơn ở những nơi trước đó có phần tử cacbit Điều này dẫn đến hậu quả là dù cho tổ chức sau khi tôi là một pha thì tính chống gỉ ăn mòn vẫn bị hạn chế

35

Nếu quá trình nhiệt luyện không đạt được yêu cầu làm cho cacbit không hoà tan hết hoặc cacbit tiết ra trong quá trình ram tiếp sau thì khả năng chống ăn mòn sẽ thấp Từ những phân tích trên muốn đạt tính chống ăn mòn tối đa thì lượng cacbon phải hạn chế thấp hơn giới hạn hoà tan của cacbit ở nhiệt độ phòng Theo hình 8 thì giá trị này vào khoảng 0,03% từ đó trong các thép không

gỉ cần tính chống ăn mòn cao (ví dụ thép không gỉ dùng trong y tế) thì lượng cacbon phải khống chế nhỏ hơn 0,03%

2.3 Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ austenit

Đối với thép không gỉ dùng trong ngoại khoa, thì cần bảo vệ hệ số an toàn cao về khả năng phá huỷ do ăn mòn, mà hai dạng ăn mòn đáng lưu ý nhất là ăn mòn điểm và ăn mòn tinh giới

2.3.1 ăn mòn điểm

Nguyên nhân là do tác động môi trường tác dụng không đồng đều trên bề mặt hoặc do sự không đồng nhất tổ chức không thể kiểm tra, kết quả dẫn đến tạo các hố sâu ăn mòn Tốc độ phát triển của các hố rất nhanh và ở những vị trí không thể dự đoán Đây là loại ăn mòn rất nguy hiểm

Sự không đồng nhất về môi trường thường là do các phần tử lạ, bẩn bụi Hậu quả nhìn thấy trên bề mặt và thể hiện mạnh nhất ở các môi trường có chứa Clo Sự không đồng nhất về tổ chức có thể là do pha dư tạp chất và ngay cả các vết xước trên bề mặt cũng có thể thúc đẩy hoạt động của các vipin

Muốn khắc phục ăn mòn điểm thì phải hạn chế hai nguyên nhân trên, tuy nhiên trong nhiều trường hợp cũng không thể dự đoán hết các yếu tố khách quan

mà phải chọn biện pháp chủ động là hợp kim hoá thêm các nguyên tố có khả năng làm chậm hoặc hạn chế quá trình ăn mòn hố sâu Hai nguyên tố cho hiệu quả cao nhất về mặt này là molipden và nitơ Do đó thép không gỉ dùng trong ngoại khoa của ngành y tế thường chứa Mo hoặc N2

2.3.2 ăn mòn tinh giới

Đây cũng là một dạng ăn mòn rất nguy hiểm vì nó phát triển với tốc độ rất lớn và không nhìn thấy bằng mắt thường ăn mòn tinh giới liên quan chặt chẽ với trạng thái tổ chức nhận được sau khi nhiệt luyện Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào thành phần của hợp kim, số lượng, phân bố và độ hạt cacbit, trạng thái ứng suất trong đó sự có mặt của cacbit trên tinh giới là nguyên nhân chủ yếu để khắc phục ăn mòn tinh giới thường sử dụng 2 biện pháp sau:

- Giảm lượng chứa cacbon dưới 0,03 % để cacbit không tạo ra trên tinh giới, khả năng giảm cacbon phụ thuộc vào trình độ công nghệ luyện kim Nếu trước đây sự giảm cacbon xuống thấp hơn 0,06-0,07% là khó thì với công nghệ luyện kim hiện nay, với các phương pháp dùng oxy luyện trong chân không hoặc khí argon có thể dễ dàng giảm xuống dưới 0,03% hoặc thấp hơn Trên hình 11 thể hiện sự ảnh hưởng của cacbon đến khả năng ăn mòn tinh giới của thép 18-8

Hình 11: ảnh hưởng của C đến khả năng ăn mòn tinh giới cảu thép 18-8

- Sử dụng các chất ổn định cacbit là những chất có ái lực hoá học với cacbon mạnh hơn so với crôm, chúng tạo thành cacbit không hoà tan trong austenit ở nhiệt độ tôi và phân bố đều trong toàn bộ thể tích hạt tinh thể, không có hiện tượng cacbon tập trung không đều trong austenit và cũng không có hiện tượng cacbit tiết ra ưu tiên trên tinh giới Các nguyên

STT Mác thép Thành phần hóa học (% khối lượng) Tính chất và áp dụng

2 08Cr13 0,08 0,90 0,70 12,0- 14,0 - Ti(1) Dùng để bọc lót cho tấm phẳng về một phía Không rỉ, độ

bền cực đại đạt được khi thép được tôi và đánh bóng Tính chất cơ học phù hợp, đặc biệt tính dai Trong chế tạo cơ khí, người ta dùng vào các môi trường có hơi, nước, khí quyển, hóa dầu Bền trong axit yếu (có tính oxy hóa), kiềm loãng Khi thép có hàm lượng C thấp, dùng ở dạng ủ và chịu được nhiệt độ 930 0 C Trước khi hàn phải nung nóng sơ bộ thép ở 200-300 0 C, sau khi hàn cần tiến hành ủ để loại bỏ nguy cơ ăn mòn tinh giới

0,15 0,70 0,70 13-15 (S, Se, P, Zn) Thích hợp cho gia công tự động nhưng không được hàn

7 08Cr17 (S) 0,10 0,90 0,70 16-18,5 Max Ti (1) Thích hợp cho thiết bị chứa tải trọng mềm, bền vững với