CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ 1. Tổng quan chung về thép không gỉ Thép không gỉ được đặc trưng bởi khả năng chống ăn mòn, tính dẻo dai, độ bền cao, chịu nhiệt tốt nên được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y tế, thực phẩm, công nghiệp hàng không. Tuy nhiên, vì có độ bền cao nên khi gia công thép không gỉ thường tạo lực cắt lớn, nhiệt cắt cao, khả năng biến cứng cao, dễ dẫn đến phoi bám (BUL) và lẹo dao (BUE), … đó là nguyên nhân dẫn đến năng suất gia công thấp, tăng mòn dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt kém. Vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép không gỉ Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất cơ, lý của thép không gỉ, cụ thể như sau [35], [114]: Cacbon (C) Cacbon trong thép không gỉ ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của chi tiết và thường có hàm lượng tương đối thấp, ngoại trừ thép không gỉ Mactensit.
Trong các mác thép Mactensit, hàm lượng cacbon có thể gia tăng để tăng độ cứng của thép thông qua xử lý nhiệt bằng cách gia nhiệt đến nhiệt độ cao, làm nguội và sau đó ủ tạo ra cấu trúc Mactensit. Khi cacbon kết hợp với Crôm có hàm lượng từ 10,5% trở lên sẽ tạo thành cacbua có thể ảnh hưởng đến sự tạo thành lớp màng bảo vệ. Khi Crôm nhỏ hơn 10.5% sẽ không hình thành lớp màng bảo vệ. Crôm (Cr) Bản chất “trơ” của thép không gỉ giải thích được là nhờ Crôm là nguyên tố phản ứng cao.
Crôm giúp cho thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn. Như đã đề cập, thép không gỉ có chứa ít nhất 10.5% Cr, một lớp màng thụ động Cr2O3 được hình thành giúp ngăn ngừa sự khuếch tán oxy vào bề 7 mặt. Khi hàm lượng Crôm càng cao, sự bảo vệ càng lớn hơn (khả năng chống ăn mòn cao) như thể hiện trong hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn [58] Niken (Ni) Niken là nguyên tố hợp kim chính của mác thép không gỉ loại 300.
Khi có Niken sẽ dẫn đến hình thành cấu trúc Austenit có độ bền, độ dẻo và độ cứng ngay cả ở nhiệt độ lạnh. Sự có mặt của Niken giúp cho thép không gỉ có khả năng chống axit đặc biệt là axit sunfuric. Molypden (Mo) Việc bổ sung Molypden vào ma trận Cr-Fe-Ni giúp tăng khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ, đặc biệt ở các lớp Ferit. Hàm lượng Molypden cao hơn (một số thép không gỉ chứa tới 6% Mo), tốt hơn cho khả năng chống lại nồng độ clorit cao hơn.
Mangan (Mn) Mangan được thêm vào thép không gỉ hỗ trợ quá trình khử oxy trong quá trình nóng chảy. 8 Silic (Si) và đồng (Cu) Hàm lượng nhỏ Silic và đồng được thêm vào thép không gỉ Austenit để tăng khả năng chống ăn mòn của axit sunfuric. Silic cũng tăng khả năng chống oxy hóa và là chất ổn định của Ferit. Nitơ (N) Trong thành phần của các mác thép không gỉ Ferit, Austenit và song pha Duplex thường có chứa một hàm lượng nhỏ Nitơ.
Khi có Nitơ sẽ tăng sự tấn công của mòn lỗ chỗ cục bộ và sự ăn mòn giữa các hạt nhưng Nitơ có trong thành phần của thép không gỉ Austenit và Duplex với hàm lượng nhỏ sẽ giúp tăng độ bền của chi tiết. Niobi (Nb) Niobi được bổ sung giúp ngăn ngừa sự ăn mòn giữa các hạt, đặc biệt trong vùng ảnh hưởng nhiệt sau khi hàn. Trong thép không gỉ Ferit, việc bổ sung Niobi giúp tăng khả năng bền mỏi nhiệt. Titan (Ti) Titan là thành phần chính được sử dụng để ổn định thép không gỉ trước khi chuyển đến giai đoạn thổi oxy-argon - đây là giai đoạn làm giảm hàm lượng cacbon xuống một mức nhất định bằng cách cho hỗn hợp oxy-argon vào và bổ sung một số nguyên tố hợp kim.
Mác phổ biến nhất (SUS302) trước khi thổi oxy-argon để tối đa mức cacbon 0. Ở mức cao này, Titan phản ứng với cacbon tạo thành cacbua titan và ngăn ngừa sự hình thành các cacbua crôm để không ảnh hưởng đến lớp màng thụ động của Cr2O3. Sunfua (S) Sunfua thường ở mức thấp do có thể hình thành các sunfuaric, Sunfua giúp tăng khả năng gia công tuy nhiên lại giảm khả năng chống ăn mòn. Phân loại thép không gỉ Khi thay đổi hàm lượng Crôm và bổ sung một số các nguyên tố khác như Niken, Molipden, Titan và Niobi dẫn đến sự thay đổi các đặc tính về cơ, lý và ăn mòn của thép không gỉ.
Thép không gỉ Các họ cơ bản Các họ biến thể Song pha Ferit Mactensit Austenit PH (Duplex) Ferit/Austenit Mactensit Semi- Austenit Austenit Hình 1. Phân loại thép không gỉ [114] Với việc thay đổi hàm lượng như vậy, thép không gỉ được chia thành 05 loại thể hiện như hình 1. Các họ này được đặt tên dựa trên tổ chức luyện kim của vật liệu bao gồm các pha bền Austenit hoặc Ferit, Song pha (Duplex), Biến cứng kết tủa (PH). Thép không gỉ Austenit là loại phổ biến nhất trong số các loại thép không gỉ (chiếm khoảng 72%) được đặc trưng bởi khả năng chống ăn mòn tốt, độ dẻo, dai cao [99].
Thép Austenit được ứng dụng nhiều trong sản xuất đồ gia dụng, công nghiệp chế biến thực phẩm và hóa chất. Thép không gỉ Ferit có cấu trúc tương tự như sắt nguyên chất ở nhiệt độ phòng (Ferit). Khả năng chống ăn mòn và độ dẻo, dai của loại thép này ở mức độ vừa phải thường được ứng dụng làm ống xả trong ngành công nghiệp ô tô. 10 Thép không gỉ Mactensit có hàm lượng cacbon tương đối cao và có thể làm cứng qua xử lý nhiệt (tạo thành Mactensit).
Khả năng chống ăn mòn của chúng ở mức trung bình, nhưng độ cứng và độ bền cao. Vật liệu này thường được sử dụng trong y tế như: dao, kéo, dụng cụ y tế, … Thép không gỉ song pha (Duplex) chứa Crôm tương đối cao (từ 18 đến 28%) và lượng Niken vừa phải (từ 4,5 đến 8%) và có thể chứa Molypden với hàm lượng từ 2,5 - 4%. Thép song pha có khả năng chống nứt ăn mòn do mỏi, tăng khả năng chống sự xâm nhập ion clorua, độ bền kéo và chảy cao hơn so với thép Austenit hoặc Ferit. Các ứng dụng điển hình của hợp kim Song pha trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, y tế và làm giấy và các quy trình bao gồm axit hoặc clo và các thiết bị liên quan đến công nghiệp dầu khí.
Thép không gỉ Biến cứng kết tủa (PH) được đặc trưng bởi độ bền cao và khả năng chống ăn mòn trung bình, được chia thành ba loại dựa trên cấu trúc (Austenit, nửa Austenit và Mactensit). Do độ bền cao, vật liệu này được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và các ngành công nghệ cao khác.2 Thép không gỉ Austenit 1. Thành phần hóa học Thép không gỉ Austenit có hàm lượng Niken và Crôm tối thiểu lần lượt là 7% và 16%, hàm lượng Cacbon tối đa là 0,08% và một vài nguyên tố khác như Molypden, Titan, Niobi và Tantali. Sự cân bằng giữa Crôm và Niken + Mangan thường được điều chỉnh để đạt được cấu trúc tế vi 90-100% Austenit.
Các loại thép không gỉ Austenit Thép không gỉ Austenit được chia thành 2 nhóm: - Nhóm tiêu chuẩn (Loại 300) trong đó Niken là chất ổn định Austenit với một lượng vừa đủ Crôm và Niken. Nitơ cũng có thể được sử dụng để tăng 11 độ bền trong nhóm chuẩn Crôm-Niken. - Nhóm Mangan (Loại 200), trong đó thêm một lượng đáng kể Mangan thường với mức cao hơn Nitơ. Do các hợp kim Austenit có giá thành đắt nên không được sử dụng trong trường hợp thép Ferit hoặc Mactensit đáp ứng được yêu cầu.
Loại hợp kim tiêu chuẩn Austenit loại 300 có giá đắt hơn 2 lần so với thép Ferit do có các nguyên tố hợp kim đắt tiền (Niken và Crôm). Mangan và Nitơ (loại 200) được dùng thay thế Niken để giảm chi phí tuy nhiên chất lượng sẽ kém hơn. Mác thép 304 là loại thép không gỉ phổ biến nhất. Các đặc tính tạo hình và tính hàn rất tốt làm cho nó trở thành thép tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp, kiến trúc và vận tải.
Mác thép 316 là loại thép không gỉ Austenit phổ biến thứ hai, giống như thép 304, nó có khả năng tạo hình rất tốt, khi thêm Mo vào thép 316 làm tăng khả năng chống ăn mòn. Tính chất vật lý Thép Austenit không có từ tính, có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều và khả năng dẫn nhiệt thấp hơn so với với các loại thép khác, đây là loại thép không chuyển hóa do vậy không có khả năng tôi cứng, có xu hướng tăng cường biến cứng nguội. Tính chất cơ học Thép Austenit có đặc tính kéo cao hơn thép cacbon thấp, nhôm, đồng thau.3 so sánh giới hạn bền kéo và giới hạn chảy của thép không gỉ Austenit với các loại vật liệu khác. Đặc tính cơ học khác của thép không gỉ Austenit đó là độ dẻo, thường được đo bằng phần trăm độ giãn dài trong quá trình thử kéo.
Điều này cho 12 thấy mức độ biến dạng của kim loại sẽ chịu được trước khi bị đứt, gẫy. Thép không gỉ Austenit có độ giãn dài rất cao, thường khoảng 60-70% đối với các Hình 1. So sánh giới hạn bền kéo và chảy của các loại vật liệu [19] sản phẩm ủ như trong hình 1. So sánh độ giãn dài tương đối của các loại vật liệu [19] Thép không gỉ Austenit có giới hạn chảy tương đối thấp như trong hình 1.5, độ bền của thép Austenit có thể được cải thiện bằng việc thêm các 13 nguyên tố như Cacbon, Nitơ, Molypden nhưng khi bổ sung hàm lượng Cacbon sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của thép Austenit.
1250 1000 Mactenst 420 tôi Mactenst-Austenit tôi 750 Ứng suất Ferit-Austenit (MPa) 2205 500 Ferit 444Ti Austenit 316 250 10 20 30 40 50 60 70 Biến dạng (%) Hình 1. Đường cong ứng suất-biến dạng của thép không gỉ [65] 1. Tính chất mỏi Khi giảm biên độ của tải trọng tác động, số chu kỳ để bị phá hủy mỏi sẽ tăng lên (tức là độ bền mỏi tăng lên). Dưới một ứng suất nhất định sự phá hủy không xảy ra trong thời gian thử nghiệm (thường là 10 chu kỳ).
Ứng suất này được gọi là giới hạn mỏi. Tác động của môi trường lên quá trình mỏi có thể dưới dạng mỏi do ăn mòn, tức là hình thành các lỗ ăn mòn (hay còn gọi là dạng ăn mòn lỗ) là nơi tập trung ứng suất và các tác nhân hỗ trợ ăn mòn khởi tạo quá trình phá hủy.