Tài liệu Bài tập Vật Liệu Học 2: Thép không gỉ docx

Sự phân loại thépkhông gỉ không theo tên kim loại chính mà dựa vào cấu trúc luyện kimmetallurgical structure của chúng – các khái niệm sử dụng để kí hiệu cho sự sắpxếp của nguyên tử hình

THÉP KHÔNG GỈ

Thép không gỉ:

Nhóm thép không gỉ, hình thành từ họ thép hợp kim, được khởi nguồn từ năm

1913 tại Sheffield, nước Anh; Harry Brearley đã thử một số hợp kim để làm thépnòng súng, và Ông nhận thấy một số mẫu cắt không thấy bị gỉ và thực tế rất khótẩm thực Khi Ông tìm hiểu sâu về vật liệu kì thú này, thấy rằng thép có chứa 13%Cr

Kết quả này dẫn đến phát triển của dao kéo từ thép không gỉ và cũng từ đây,Sheffield trở nên nổi tiếng Công trình phát triển ngẫu nhiên này cũng đã đượcthực hiện ở Pháp cùng khoảng thời gian đó đã làm cho sự phát triển tột đỉnh của họthép không gỉ austenit đầu tiên này

Tiêu thụ thép không gỉ trên thế giới ngày càng gia tăng Đó là sự tăng trưởngnhu cầu về xây dựng và công trình công nghiệp – nơi mà thép không gỉ được sửdụng để làm trang trí và chống gỉ, yêu cầu về bảo dưỡng thấp và có độ bền Rấtnhiều ngành công nghiệp khác đang chấp nhận thép không gỉ vì các lý do trên cũngnhư nó không có nhiều đòi hỏi về xử lý sản phẩm, sơn phủ khi được đem sử dụng,chỉ có điều là giá thành của nó cao hơn thép Carbon thường Minh chứng cho sựứng dụng rộng rãi là các nhà sản xuất đồ gia dụng, họ là những nhà cung cấp ngàycàng tăng sản phẩm, về mặt truyền thống biết đến là “hàng trắng-whitegoods”,được sản xuất từ thép không gỉ

Mặc dù tất cả các loại thép không gỉ phụ thuộc vào sự có mặt của Cr, các kimloại khác được bổ sung để tăng cường các tính chất của chúng Sự phân loại thépkhông gỉ không theo tên kim loại chính mà dựa vào cấu trúc luyện kim(metallurgical structure) của chúng – các khái niệm sử dụng để kí hiệu cho sự sắpxếp của nguyên tử hình thành biên hạt, và chúng được quan sát với độ phóng đạilớn của kính hiển vi quang học qua phần mẫu được đánh bóng Tùy thuộc vàothành phần hóa học nhất định của thép, cấu trúc có thể là các pha bền austenit hayferrit, hỗn hợp “song pha” của cả hai, pha martenxit được hình thành khi thép đượcnguội nhanh từ nhiệt độ cao, hoặc cấu trúc hóa bền bởi sự tiết pha vi mô

Quan hệ giữa sự khác nhau của họ thép không gỉ được chia theo hình 1 Một

số sánh khác về tính chất của họ thép khác nhau được liệt kê ở Bảng 1

Hình 1 Các họ thép không gỉ

 Thép không gỉ austenit:

Nhóm thép này có chứa ít nhất 16%Cr và 6% Ni (mác thép cơ sở 304 đượcquy định là 18/8) và phạm vi này phụ thuộc vào tính hợp kim cao hay “siêuaustenit” như mác 904L với 6%Mo

Các nguyên tố bổ sung như Mo, Ti hay Cu để biến đổi hoặc cải thiện tính chấtcủa chúng, làm cho thép không gỉ thích ứng với các ứng dụng cụ thể ở nhiệt độ caocũng như chịu ăn mòn Nhóm thép này cũng thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độthấp do ảnh hưởng của hàm lượng Ni làm cho thép tránh đượchiện tượng ròn lạnhtại nhiệt độ thấp, Ni là nguyên tố đặc trưng của họ thép này

Quan hệ giữa các mác thép austenit khác nhau được biểu thị ở hình 2

Hình 2 Thép không gỉ austenit

 Thép không gỉ Austenite và Ferrit trong ứng dụng thực tiễn:

Thép austenit phổ biến nhất được gọi là 18/8 chứa khoảng 18%Cr và 8%Ni.Đây là họ thép có chứa ít Niken nhất có cấu trúc hoàn toàn Austenit Thép Austenit

có khuynh hướng bị nứt dưới tác động của sự ăn mòn ứng suất, đặc biệt sự có mặtcủa ion clorua chỉ với vài phần triệu đôi khi có thể gây nguy hiểm Đây là một dạngphá hủy không mong muốn, xảy ra trong các môi trường ăn mòn dưới có tác dụngcủa ứng suất nhỏ, là sự cố ý hay ứng suất dư hình thành trong quá trình chế tạo vậtliệu

Trong thép Austenit có xảy ra hiện tượng giống bẻ gãy xuyên tinh thể - quátrình này rất dễ phát triển trong dung dịch muối Clo nóng Phá hủy do ăn mòn ứngsuất được giảm thiểu trong thép hợp kim Austenit Ni cao

Thép austenit phổ biến nhất được gọi là 18/8 chứa khoảng 18%Cr và 8%Ni.Đây là họ thép có chứa ít Niken nhất có cấu trúc hoàn toàn Austenit Tuy nhiêntrong một vài trường hợp, ví dụ, sau khi bị biến dạng hay hàm lượng C rất thấp, nó

có thể chuyển đổi một phần thành Mactenxit ở nhiệt độ phòng Nhằm ổn định hơn

sự tạp thành của Macténit có thể đạt được bằng cách tăng dần hàm lượng Niken,giống như là minh họa trong họ thép từ 301 đến 310 Thép không rỉ 18/8 được sửdụng rộng rãi bởi tính chống chịu với các môi trường ăn mòn rất xuất sắc Tuynhiên, các tính chất đó chỉ được cải thiện bằng việc tăng thêm hàm lượng Niken và,tăng hàm lượng Crom làm tăng sự chống chịu ăn mòn giữa các hạt

Thép Austenit có khuynh hướng bị nứt dưới tác động của sự ăn mòn ứng suất,đặc biệt sự có mặt của ion clorua chỉ với vài phần triệu đôi khi có thể gây nguyhiểm Đây là một dạng phá hủy không mong muốn, xảy ra trong các môi trường ănmòn dưới có tác dụng của ứng suất nhỏ, là sự cố ý hay ứng suất dư hình thành trongquá trình chế tạo vật liệu Trong thép Austenit có xảy ra hiện tượng giống bẻ gãyxuyên tinh thể - quá trình này rất dễ phát triển trong dung dịch muối Clo nóng Pháhủy do ăn mòn ứng suất được giảm thiểu trong thép hợp kim Austenit Ni cao

Họ thép 316 chứa 2-4% Molipden, Mo làm tăng đáng kẻ tính chống ăn mòn, đặcbiệt trong chống ăn mòn lỗ, ăn mòn lỗ định nghĩa như một vùng thấm cục bộ trênmàng chống ăn mòn và xảy ra điển hình trong dung dịch muối Cl Gần đây, một sốmác với hàm lượng Mo là 6.5% đã phát triển, nhưng Crom phải được tăng đến 20%

và niken đến 24% để duy trì cấu trúc Austenit

Sự ăn mòn về biên giới hạt có thể trở thành một vấn đề nguy hiểm, đặc biệt khi

xử lý nhiệt độ cao, chẳng hạn quá trình hàn cho phép tiết ra Cr23C6 trong nhữngvùng biên giới này Dạng ăn mòn giữa các hạt đôi khi xuất xứ từ sự mục mối hàn

Để chống lại hậu quả này một vài loại thép Austenit, ví dụ họ 304 and 316, đượcchế tạo với cacbon thấp hơn 0.03% và tuân theo các qui định như của mác 304L và316L Bằng cách lựa chọn them vào Niobi hoăc Titan hơi quá một lượng hợp thức

để có thể kết hợp với C, giống như trong các họ 321 và 347

Thép Austenit cho đến nay vẫn được coi là vật liệu không có độ bền cao Điểnhình ứng suất dư tại biến dạng 0.2% chỉ khoảng 250 MPa và sức bền kéo trongkhoảng 500 và 600 MPa, cho thấy rằng họ thép có tiềm năng thực sự đối với hóabền bằng rèn (biến dạng), sẽ làm cho điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn so vớitrường hợp của thép mềm Tuy nhiên thép Austenit lại có tính dẻo tốt với độ giãndài lên đến 50% trong quá trình thử độ bền kéo

Thép Cr/Ni cũng chống chịu tốt trong môi trường oxy hóa nhiệt độ cao do có sựhình thành lớp màng mỏng bề mặt bảo vệ, còn các mác thông thường có độ bềnthấp ở nhiệt độ cao Họ thép này trở nên ổn định khi có mặt của Ti và Nb, họ thép

321 và 347, có thể được xử lý nhiệt để tạo ra sự phân tán nhỏ mịn của TiC hoặcNbC, chúng sẽ tương tác với lệch sinh ra trong quá trình rão Một trong những hợpkim được sử dụng phổ biến là 25Cr20Ni có sự bổ sung Ti hay Nb là nguyên tố duytrì độ bền rão tốt ở nhiệt độ 700°C

Để đạt được đặc tính chống dão cao nhất ở nhiệt độ cao, cần thiết trước hết lànâng độ bền ở nhiệt độ phòng lên mức cao hơn Điều này có thể đạt được bằng cách

xử lý nhiệt hóa bền tiết pha trong thép có thành phần nguyên tố phù hợp để chophép tiết ra các pha liên kim loại, thường là Ni3(Al,Ti).

Sự quan trọng của việc điều khiển miền γ để đạt được thép Austenit ổn định đãđược đề cập Giữa vùng pha austenit và sắt δ có một miền giói hạn (α+γ) mà có thểđược sử dụng để nhận được thép không rỉ hai pha hoặc cấu trúc song pha Cấu trúcphải được tạo thành bằng cách cân bằng chính xác giữa các nguyên tố mở rộng (tạothành) α (Mo,Ti, Nb, Si, Al) và nguyên tố mở rộng γ (Ni, Mn, C and N) Để đạtđược cấu trúc song pha, cần tăng hàm lượng Cr lên trên 20% Tuy nhiên tỷ lệ chínhxác của α+γ được xác định bởi quá trình xử lý nhiệt Rõ ràng, từ nhận định về phânvùng γ từ giản đồ trạng thái cân bằng, rằng phần nằm trong phạm vi 1000-1300°C

sẽ dẫn đến hàm lượng ferit biến thiên quá các khoảng giới hạn

Xứ lý thông thường được thực hiện giữa 1050 và 1150°C, ở đó hàm lượng feritkhông quá nhạy quá trình làm nguội tiếp theo Thép song pha bền hơn thépAustenit thường, một phần là nhờ kết quả của cấu trúc hai pha và cũng bởi vì điềunày dẫn đến kích thước hạt trở nên nhỏ mịn hơn Thực vậy bằng cách xử lý hóanhiệt thích hợp giữa 900 và 1000C, có thể nhận được cấu trúc song-pha-vi-mô rấtmịn, thể hiện ở tính siêu dẻo, ví dụ có độ tính dẻo rất cao ở nhiệt độ cao, khi tốc độbiến dạng nhỏ hơn giá trị tới hạn

Một lợi thế nữa là thép không gỉ song pha chống chịu quá trình phát sinh nứtkhi kết tinh, rất có ý nghĩa đối với quá trình hàn Trong khi sự tồn tại của sắt δ cóảnh hưởng bất lợi trong việc chống ăn mòn trong một số trường hợp, nó cải thiệnsức chịu đựng của thép chống lại quá trình phát sinh nứt ăn mòn ứng suất xuyêntinh do pha ferit trơ đối với dạng phá hủy này

Có 1 nhóm thép không rỉ có cấu trúc ferit quan trọng nữa Có chứa từ 17 đến30% Cr và, bằng quá trình phân tán của các nguyên tố hóa bền austenit Ni, chiếmđáng kể lợi thế về kinh tế Những loại thép này, đặc biệt với một lượng lớn Cr, cótính chống ăn mòn xuất sắc trong nhiều môi trường cụ thể và hoàn toàn không có

sự ăn mòn ứng suất

Thép này chứa vài giới hạn, đặc biệt những loại thép có hàm lượng Cr cao, lànguyên tố có chiều hướng làm cho thép trở nên bị dòn Quá trình gây ròn một phầncác nguyên tố xen kẽ C và N, ví dụ với thép 25 %Cr bình thường sẽ dòn ở nhiệt độphòng nếu hàm lượng C quá 0.3% Một nhân tố cộng nữa là không có sự thay đổipha dẫn đến khó khăn hơn trong việc làm mịn các hạt ferit, và chúng sẽ trở nên thôsau khi được xử lý ở nhiệt độ cao như hàn Điều này vẫn làm tăng thêm nhiệt độchuyên tiếp dẻo/dòn, điều đó giống như là hành vi của các nguyên tố xen kẽ Maymắn thay, các phương pháp luyện thép hiện đại như tinh luyện bằng Argon-Oxyen

có thể làm giảm lượng nguyên tố xen kẽ xuống dưới 0.03%, trong quá trình nấuchảy chân không bằng chùm tia điện tử vẫn có thể làm tốt hơn

 Cách phân loại các mác thép:

Có nhiều cách khác nhau để phân loại thép không gỉ:

-Thứ nhất: Theo cấu trúc tinh thể kim loại có 5 loại - thép austinic, feritic,

martenic, thép kết tủa cứng, thép hai pha

-Thứ hai: theo cách đánh số của Viện Sắt thép Mỹ (AISI), có mác thép

200/300/400/500/600 -Thứ ba: theo Hệ thống đánh số thống nhất do Hiệp hội kiểmđịnh vật liệu Mỹ (ASTM) và Hội các kỹ sư chế tạo máy của Mỹ (SAE) áp dụngcho tất cả các kim loại và hợp kim (Cách ghi mác thép bắt đầu bằng chữ S sau đó

là 5 chữ số tiếp sau, từ S00001 đến S99999 áp dụng cho tất cả các loại thép chịunhiệt và chống ăn mòn) -Thứ tư: theo ứng dụng có - thép không rỉ, thép chịu axit,thép chịu nhiệt cao -Thứ năm: theo cấu trúc nguyên tố hợp kim có - thép Crôm,

thép Crom-Nickel, thép Crom-nickel- molidenum, thép Crom- Nickel-Mangan Theo cách đánh số mác thép, thép không rỉ được chia làm các loại : mác thép

400, 300 và 200

(Theo cách đánh số của AISI ngoài ra còn có mác 500/600 nhưng vì chúng không phổ thông nên ta bỏ qua)

- Đây là cách phân loại đễ nhớ, quen dùng nhất (gọi tên mác thép theo số)

- Mác thép 400: Là loại thép hợp kim Cr (Cr từ 10.5-18%), không có Nikel, nhiễm từ Loại thép này có cơ lý tính không bằng mác thép 200/300: độ dập sâu và gia công tạo hình kém hơn,khả năng chống rỉ trong một số môi trường là tương đương, nhưng có ưu thế là giá thành thấp Mác thép 430 với hàm lượng Cr từ 16-18% là mác thép phổ biến nhất trong nhóm thép này

- Mác thép này được ứng dụng làm đồ trang trí, kiến trúc trong nhà, bồn rửa, máy giặt, đồ bếp, các bộ phận ô tô…

- Mác thép 300: L à loại hợp kim Nikel crom, hàm lượng Nikel và Crom cao (Nikel từ 6-15% Cr từ 16-26%), có độ bền cao được gia tăng thông qua việc gia công nguội Loại thép này không nhiễm từ, chống ăn mòn tốt, có khả năng chế tạo,

và tính hàn tốt Đây là loại thép đặc trưng, được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại thép không rỉ Mác thép 304 với hàm lượng Nickel là 8-10.5% và Cr là 18-20% là loại thép điển hình cho nhóm này

- Nó thường được dùng cho các ứng dụng sản xuất thiết bị thực phẩm, hoá chất và các ứng dụng kiến trúc

- Mác thép 200: L à loại hợp kim Nikel Mangan Crom Hàm lượng Nikel trongmác thép này thấp hơn nhiều so với mác 300 ( Nikel 1-4%), chúng được thay thế bằng một phần của Mangan (Mn từ 5-10%) Mác thép này không nhiễm từ, và có khả năng chế tạo tốt trong một số ứng dụng chế tạo Về cơ bản, cơ lý tính của nó cũng giống mác 300 tuy nhiên khả năng chống rỉ hạn chế hơn

- Nó đ ược dùng trong một số ứng dụng cơ cấu và dùng trong việc sản xuất đồ bếp, bộ phận trong máy giặt, trang trí kiến trúc trong nhà

- Về m ặt lịch sử , nó ra đời sau mác thép 300 (được sáng chế vào những năm

30 của thế kỷ 20, phát triển vào những năm 50 ở Mỹ, những năm cuối 80 ở Ấn

Độ, và thời gian gần đây ở Đài Loan và Trung Quốc) xuất phát từ mục đích kinh tế

là làm giảm hàm l ượng Nikel, thay thế một phần Nickel bằng Mangan, qua một số cuộc khủng hoảng nguyên liệu Nickel trên thế giới Nhược điểm của mác thép này chính là khả năng tái chế nó, cũng như khả năng chống rỉ hạn chế trong một số môi trường Vì vậy việc mở rộng phát triển nó đang vẫn là vấn đề được bànnhiều đến trong các diễn đàn quốc tế về sản xuất thép không rỉ

 MỘT SỐ LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA THÉP KHÔNG GỈ:

Thép tấm, cuộn

Cán nóng, cán nguội

Các mác thép: 201; 202; 430; 430DDQ; 409; 304; 304L; 321; 316L

Tiêu chuẩn: AISI (JIS, EN)

Độ bóng bề mặt: 1D/No1, 2D, 2B, BA, HL, No.4, 800 (bóng gương)

Van và phụ kiện

• Van

Van nối ren, mặt bích (bi, bướm, cửa, cầu, y loc, một chiều, an toàn)

Kích thước: DN8 – DN250

Tiêu chuẩn: ASTM – A351/ANSI Class 150 – 600; JIS 5K - 20K

Van đặc chủng: Van điều khiển, van dao, van chân, van 3 ngã (nối bích, nốiren)

Tiêu chuẩn: JIS 5K – 20K, ANSI #150 - #600

Phụ kiện vi sinh: Van, cút, tê, côn, nối dùng trong ngành thực phẩm (vi sinh)

Kích thước: DN ½ “-6”

Tiêu chuẩn: DIN 11852 , 11850

THÉP GIÓ

I. Thép gió là một loại thép dụng cụ có đặc tính đặc biệt: có thể tôi (nhiệt

luyện) trong gió Ở đa số các quốc gia khác thép gió được gọi là "thép cắt

nhanh" (thí dụ, tiếng Anh: high speed steel).

Là loại thép hợp kim có các thành phần:

• Cacbon: 0,7-1,5%: đảm bảo đủ hoà tan vào mactenxit tạo thành cacbit với các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là Volfram, Mô lip đen và đặc biệt là Vanađi

• Volfram, Mô lip đen khá cao: > 10%

• Crom: Khoảng 4% (từ 3,8÷4,4%) có tác dụng làm tăng mạnh độ thấm tôi

Nhờ tổng lượng Cr+W+Mo cao (>15%) nên thép gió có khả năng tự tôi

(đây là lý do khiến người ta đặt tên là thép gió), tôi thâu với tiết diện bất kỳ

và có thể áp dụng tôi phân cấp

• Vanađi: Nguyên tố tạo thành các bít rất mạnh Mọi thép gió đều có ít nhất 1%V, khi cao hơn 2% tính chống mài mòn tăng lên, tuy nhiên không lên dùng quá 5% vì làm giảm tính mài

• Coban: Không tạo thành các bít, nó chỉ hoàn tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn, với hàm lượng không vượt quá 5% tính cứng nóng của thép gió tăng lên

rõ rệt

II Ứng dụng:

Thép gió có ứng dụng chủ yếu trong chế tạo các dụng cụ cắt gọt Theo phân loại của thép dụng cụ, chúng được xếp vào loại thép làm dao có năng suất cao

III Nhiệt luyện thép gió:

Nhiệt luyện thép gió thường là tôi+ram để quyết định độ cứng, tính chống mài mòn

và đặc biệt là tính cứng nóng theo yêu cầu

Thép gió được ram 2-4 lần ở 550C-570°C mỗi lần trong vòng 1 giờ

IV Xu hướng phát triển của thép gió:

1 Quá trình phát triển hợp kim hóa thép gió:

Năm 1861 được xác định là năm bắt đầu sản xuất thép gió [1] Người

ta đưa ra thị trường mác thép Mushet có thể tôi được bằng không khí (có lẽ là