Nguyên tắc chung chọn và dùng Thép không gỉ

Thép không gỉ được định nghĩa là hợp kim sắt với tối thiểu 10,5% crôm.

Các yếu tố hợp kim khác được thêm vào để tăng cường cấu trúc và tính chất của chúng, nhưng về cơ bản, thép không gỉ được xem là lựa chọn là thép có đặc tính chống ăn mòn.

Về mặt kinh tế, họ có thể cạnh tranh với các kim loại và hợp kim kỹ thuật có chi phí cao hơn dựa trên niken hoặc titan, đồng thời cung cấp một loạt các đặc tính chống ăn mòn phù hợp cho nhiều ứng dụng. Chúng có sức mạnh tốt hơn hầu hết các sản phẩm polymer (GRP), có thể dễ dàng sửa chữa và ‘tái chế’ khi hết thời gian sử dụng.

Khi xem xét không gỉ các tính năng quan trọng nhất là:

Chống ăn mòn (hoặc oxy hóa)
Tính chất cơ học
Kỹ thuật tạo hình, chế tạo và tham gia có sẵn
Chi phí vật chất & môi trường (bao gồm tổng chi phí vòng đời)

Cách tiếp cận cơ bản là chọn một lớp với chi phí càng thấp càng tốt, nhưng khả năng chống ăn mòn cần thiết. Những cân nhắc khác như sức mạnh và độ cứng là thứ yếu.

Chống ăn mòn

Thành phần Chromium (Cr) làm cho thép không gỉ khác biệt với các loại thép khác.

Lớp bề mặt ‘thụ động’ độc nhất trên thép là do crôm tạo ra.

Các loại có sẵn trên thị trường có tối thiểu khoảng 11% crôm. Đây có thể là ferritic hoặc martensitic, tùy thuộc vào kiểm soát phạm vi carbon.

Tăng crom giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn và oxy hóa, do đó, ferritic 17% Cr trong Inox 430 (1.4016) sẽ được cải thiện so với các loại ‘Inox 410S’ (1.4000).

Tương tự martensitic Inox 431 (1.4057) ở mức 15% Cr có thể được dự kiến sẽ có khả năng chống ăn mòn tốt hơn các loại 12% Cr của Inox 420 (1.4021 / 1.4028).

Mức độ crom trên 20% cung cấp khả năng chống ăn mòn ‘nước’ được cải thiện cho dòng Duplex và austenitic hợp kim cao hơn và cũng là cơ sở của khả năng chống oxy hóa nhiệt độ cao tốt của các loại chống nhiệt ferritic và austenitic, chẳng hạn như ferritic khá hiếm (25% Cr ) hoặc loại 25% Cr, 20% niken (Ni) austenitic SUS310 (1.4845) được sử dụng rộng rãi hơn.

Ngoài ‘quy tắc’ cơ bản này, niken (Ni) mở rộng phạm vi môi trường mà thép không gỉ có thể ‘xử lý’.

Việc bổ sung 2% Ni vào loại martensitic SUS431 (1.4057) giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn nhưng mục đích chính của nó là cải thiện độ bền va đập của thép. Việc bổ sung từ khoảng 4,5% đến 6,5% Ni được thực hiện trong việc hình thành các loại Duplex. Các austenitic có phạm vi từ khoảng 7% đến hơn 20%.

Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn không chỉ đơn giản liên quan đến mức độ niken. Sẽ là sai lầm khi cho rằng Inox 304 (1.4301) với 8% Ni của nó do đó có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với Duplex 1.4462 chỉ với 5% Ni.

Việc bổ sung hợp kim cụ thể hơn cũng được thực hiện với mục đích cụ thể là tăng cường khả năng chống ăn mòn.

Chúng bao gồm molypden (Mo) và nitơ (N) cho khả năng chống ăn mòn rỗ và kẽ hở. Các loại SUS316 là Mo chính mang austenitic. Nhiều loại Duplex hiện có chứa các bổ sung của cả Mo và N.

Đồng cũng được sử dụng để tăng cường khả năng chống ăn mòn trong một số môi trường ‘phổ biến’, nhưng nguy hiểm, như phạm vi nồng độ ‘trung gian’ của axit sunfuric. Các loại có chứa đồng bao gồm loại austenitic Inox 904L (1.4539) và một số loại thép “superduplex 2507” 25% Cr như 1.4501 và 1.4507.

Tính chất cơ lý

Độ bền cơ học tăng khi bổ sung hợp kim, nhưng sự khác biệt về cấu trúc nguyên tử của các nhóm thép không gỉ khác nhau có tác dụng quan trọng hơn.

Chỉ có thép không gỉ martensitic là cứng bằng cách xử lý nhiệt, giống như thép hợp kim khác. Kết tủa thép không gỉ làm cứng được tăng cường bằng cách xử lý nhiệt, nhưng sử dụng một cơ chế khác với các loại martensitic. Các hạt rất nhỏ được hình thành bằng cách xử lý nhiệt thích hợp và đóng vai trò là tác nhân tăng cường trong ma trận thép.

Các loại ferritic, austenitic và duplex không thể được tăng cường hoặc làm cứng bằng xử lý nhiệt, nhưng đáp ứng ở các mức độ khác nhau để làm việc lạnh như một cơ chế tăng cường.

Các loại Ferritic có các tính chất cơ học hữu ích ở nhiệt độ môi trường, nhưng có độ dẻo hạn chế, so với các nước austenitic. Chúng không thích hợp cho các ứng dụng đông lạnh do mất độ bền va đập và mất độ bền ở nhiệt độ cao trên khoảng 600 ° C, mặc dù đã được sử dụng cho các ứng dụng như hệ thống xả ô tô rất thành công.

Các loại Austenitic, với sự sắp xếp nguyên tử ‘fcc’ được đặt ở giữa, có đặc tính khá khác biệt. Về mặt cơ học, chúng dễ uốn hơn và tác động mạnh ở nhiệt độ đông lạnh.

Sự khác biệt về tính chất vật lý chính so với các loại thép không gỉ khác là chúng ‘không từ tính’, tức là có độ thấm từ tương đối thấp, miễn là chúng được làm mềm hoàn toàn. Chúng cũng có độ dẫn nhiệt thấp hơn và tốc độ giãn nở nhiệt cao hơn các loại thép không gỉ khác.

Các loại Duplex, có cấu trúc ‘hỗn hợp’ của austenite và ferrite, chia sẻ một số tính chất của các loại đó, nhưng về cơ bản là mạnh hơn về mặt cơ học so với các loại ferritic hoặc austenitic.

Khả năng tạo hình, chế tạo và hàn nối

Tùy thuộc vào loại và điều kiện xử lý nhiệt của chúng, thép không gỉ rèn có thể định hình và gia công. Thép không gỉ cũng có thể được đúc hoặc rèn thành hình.

Hầu hết các loại và cấp có sẵn có thể được tham gia bằng cách sử dụng các phương pháp ‘nhiệt’ thích hợp bao gồm hàn, hàn và hàn.

Austenitic phù hợp cho một loạt các ứng dụng liên quan đến hình thành sản phẩm phẳng (nhấn, vẽ, tạo hình kéo dài, kéo sợi, v.v.).

Mặc dù các loại ferritic và duplex cũng hữu ích cho các phương pháp tạo hình này, tính linh hoạt tuyệt vời và đặc tính làm việc cứng của austenitic làm cho chúng trở thành một lựa chọn tốt hơn.

Khả năng định dạng của các loại austenitic được kiểm soát thông qua cấp độ niken.

Inox 301 (1.4310) có hàm lượng niken ‘thấp’, khoảng 7% và do đó làm việc cứng khi làm việc lạnh, cho phép nó được sử dụng cho các tấm ‘cứng’.

Ngược lại, mức niken khoảng 8,0% làm cho thép phù hợp lý tưởng với các hoạt động tạo hình kéo dài, ví dụ như trong sản xuất bồn inox. Mức niken cao hơn khoảng 9.0% là cần thiết để vẽ sâu.

Martensitic không dễ hình thành, nhưng được sử dụng rộng rãi để làm trống trong sản xuất lưỡi cắt.

Hầu hết các loại thép không gỉ có thể được gia công bằng các phương pháp thông thường, cung cấp phụ cấp được thực hiện cho các đặc tính cường độ và làm việc cứng của chúng.

Các kỹ thuật liên quan đến kiểm soát thức ăn và tốc độ để cắt xén các lớp làm cứng với hệ thống bôi trơn và làm mát tốt thường là đủ.

Khi hệ thống khối lượng sản xuất cao được sử dụng, có thể cần gia công các lớp nâng cao.

Về mặt này, thép không gỉ được xử lý theo cách tương tự như các loại thép hợp kim khác, bổ sung lưu huỳnh là phương pháp truyền thống trong các loại như Inox 303 (1.4305). Các loại độ sạch được kiểm soát hiện cũng có sẵn để tăng cường khả năng gia công.

Hầu hết các thép không gỉ có thể được hàn hoặc hàn, được cung cấp cẩn thận trong quá trình chuẩn bị bề mặt và thông lượng được chọn để tránh các đặc tính oxy hóa bề mặt tự nhiên là một vấn đề trong các quá trình nhiệt này.

Tuy nhiên, độ bền và khả năng chống ăn mòn của các khớp như vậy không phù hợp với toàn bộ tiềm năng của thép không gỉ được nối.

Để tối ưu hóa sức mạnh chung và khả năng chống ăn mòn, hầu hết thép không gỉ có thể được hàn bằng cách sử dụng một loạt các kỹ thuật.

Độ hàn của các loại ferritic và duplex là tốt, trong khi các loại austenitic được phân loại là tuyệt vời để hàn. Các martensitic carbon thấp hơn có thể được hàn cẩn thận nhưng các loại như 17% Cr, 1% carbon, Inox 440 loại (1.4125) không phù hợp để hàn.

Tóm tắt những ưu điểm chính của các loại thép không gỉ

Loại thép	Ví dụ	Ưu điểm	Khuyết điểm
Ferritic	410S, 430, 446	Low cost, moderate corrosion resistance & good formability Chi phí thấp, chống ăn mòn vừa phải và định dạng tốt	Limited corrosion resistance, formabilty & elevated temperature strength compared to austenitics Khả năng chống ăn mòn hạn chế, khả năng định dạng và độ bền nhiệt độ cao so với austenitic
Austenitic	304,316	Widely available, good general corrosion resistance, good cryogenic toughness. Excellent formability & weldability Có sẵn rộng rãi, chống ăn mòn nói chung tốt, độ dẻo dai tốt. Khả năng định dạng và khả năng hàn tuyệt vời	Work hardening can limit formability & machinability. Limited resistance to stress corrosion cracking Làm cứng có thể hạn chế khả năng định dạng và gia công. Hạn chế khả năng chống ăn mòn ứng suất
Duplex	1.4462	Good stress corrosion cracking resistance, good mechanical strength in annealed condition Chống ăn mòn ứng suất tốt, độ bền cơ học tốt trong điều kiện ủ	Application temperature range more restricted than austenitics Phạm vi nhiệt độ ứng dụng hạn chế hơn austenitic
Martensitics	420, 431	Hardenable by heat treatment Cứng hơn bằng cách xử lý nhiệt	Corrosion resistance compared to austenitics & formability compared to ferritics limited. Weldability limited. Khả năng chống ăn mòn so với austenencies & formable so với giới hạn ferritic. Độ bền hạn chế.
Precipitation hardening	17/4PH	Hardenable by heat treatment, but with better corrosion resistance than martensitics Được làm cứng bằng xử lý nhiệt, nhưng có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với martensitic	Limited availability, corrosion resistance, formability & weldability restricted compared to austenitics Hạn chế có sẵn, khả năng chống ăn mòn, khả năng định dạng và khả năng hàn bị hạn chế so với austenitic