Yếu tố hợp kim ảnh hưởng đến thép không gỉ như thế nào?

Thành phần hóa học có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc vi mô, tính chất cơ lý, tính chất vật lý và khả năng chống ăn mòn của thép. Crom, molypden, niken và các nguyên tố hợp kim khác có thể thay thế góc đỉnh của mạng austenit và tâm của sáu cạnh của khối lập phương sắt, cacbon và nitơ nằm trong khoảng cách giữa các nguyên tử mạng (vị trí khe hở) do thể tích nhỏ , tạo ra sức căng rất lớn trong mạng tinh thể, do đó trở thành yếu tố làm cứng hiệu quả. Các nguyên tố hợp kim khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến tính chất của thép, đôi khi có lợi và đôi khi có hại. Các nguyên tố hợp kim chính của thép không gỉ Austenitic có tác dụng sau:

 

Cr

Crom là một nguyên tố hợp kim làm cho thép không gỉ “không bị rỉ sét”. Cần ít nhất 10,5% crom để tạo thành đặc tính màng thụ động bề mặt của thép không gỉ. Màng thụ động có thể làm cho thép không gỉ chống lại sự ăn mòn của nước, nhiều loại dung dịch axit và thậm chí là quá trình oxy hóa mạnh mẽ khi ăn mòn khí ở nhiệt độ cao. Khi hàm lượng crom vượt quá 10,5%, khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ được tăng cường. Hàm lượng crom trong 304 thép không gỉ là 18%, và một số thép không gỉ Austenitic cao cấp có hàm lượng crom cao từ 20% đến 28%.

 

Ni

Niken có thể hình thành và ổn định pha Austenitic. 8%Ni tạo ra thép không gỉ 304, mang lại cho nó các tính chất cơ học, độ bền và độ dẻo dai theo yêu cầu của austenite. Thép không gỉ austenit hiệu suất cao chứa nồng độ crom và molypden cao, và niken được thêm vào để duy trì cấu trúc austenit khi thêm nhiều crom hoặc các nguyên tố tạo thành ferit khác vào thép. Cấu trúc austenite có thể được đảm bảo bởi hàm lượng niken khoảng 20%, và khả năng chống gãy ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ có thể được cải thiện đáng kể.

Niken cũng có thể làm giảm tốc độ đông cứng của vật liệu trong quá trình biến dạng nguội, do đó, các hợp kim được sử dụng để kéo sâu, kéo sợi và gia công nguội thường có hàm lượng niken cao.

 

Mơ

Molypden cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ và kẽ hở của thép không gỉ trong môi trường clorua. Sự kết hợp giữa molypden và crom, đặc biệt là nitơ, làm cho thép không gỉ austenit hiệu suất cao có khả năng chống rỗ và ăn mòn kẽ hở mạnh mẽ. Mo cũng có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ trong môi trường khử như axit clohydric và axit sunfuric loãng. Hàm lượng molypden tối thiểu của thép không gỉ Austenitic là khoảng 2%, chẳng hạn như thép không gỉ 316. Thép không gỉ Austenitic hiệu suất cao với hàm lượng hợp kim cao nhất chứa tới 7,5% molypden. Molypden góp phần hình thành pha Ferrite và ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng pha. Nó tham gia vào việc hình thành một số pha thứ cấp có hại và sẽ tạo thành các oxit ở nhiệt độ cao không ổn định, có tác động tiêu cực đến khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, phải tính đến việc sử dụng thép không gỉ có chứa molypden.

 

C

Carbon ổn định và tăng cường pha Austenitic. Carbon là nguyên tố có lợi cho thép không gỉ sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao như ống nồi hơi, nhưng trong một số trường hợp có thể gây tác động bất lợi đến khả năng chống ăn mòn. Hàm lượng carbon của hầu hết thép không gỉ Austenitic thường được giới hạn ở mức thấp nhất có thể thực hiện được. Hàm lượng carbon của các cấp hàn (304L, 201L và 316L) được giới hạn ở 0,030%. Hàm lượng carbon của một số loại hợp kim hiệu suất cao thậm chí còn bị giới hạn ở mức 0,020%.

 

N

Nitơ ổn định và tăng cường pha Austenite, đồng thời làm chậm quá trình nhạy cảm với cacbua và hình thành pha thứ cấp. Cả thép không gỉ austenit tiêu chuẩn và thép không gỉ austenit hiệu suất cao đều chứa nitơ. Ở cấp độ carbon thấp (L), một lượng nhỏ nitơ (lên tới 0,1%) có thể bù đắp cho sự mất đi độ bền do hàm lượng carbon thấp. Nitơ cũng giúp cải thiện khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn kẽ hở, do đó, một số loại thép không gỉ austenit hiệu suất cao chống ăn mòn tốt nhất có hàm lượng nitơ cao tới 0,5%.

 

Mn

Các nhà máy thép sử dụng mangan để khử oxy thép nóng chảy, do đó một lượng nhỏ mangan vẫn còn trong tất cả thép không gỉ. Mangan cũng có thể ổn định pha Austenitic và cải thiện khả năng hòa tan nitơ trong thép không gỉ. Vì vậy, trong thép không gỉ dòng 200, mangan có thể được sử dụng để thay thế một phần niken nhằm tăng hàm lượng nitơ, nâng cao độ bền và khả năng chống ăn mòn. Mangan được thêm vào một số loại thép không gỉ Austenitic hiệu suất cao để đạt được hiệu quả tương tự.

 

Củ

Đồng có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ trong việc khử axit, chẳng hạn như một số dung dịch hỗn hợp axit sunfuric và photphoric.

 

Sĩ

Nhìn chung, silicon là nguyên tố có lợi trong thép không gỉ Austenitic vì nó có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép trong môi trường axit đậm đặc và môi trường oxy hóa cao. Được biết, UNS S30600 và các loại thép không gỉ đặc biệt có hàm lượng silicon cao khác có khả năng chống ăn mòn rỗ cao. Silicon, giống như mangan, cũng có thể được sử dụng để khử oxy hóa thép nóng chảy, do đó, các tạp chất oxit nhỏ chứa silicon, mangan và các nguyên tố khử oxy khác luôn tồn tại trong thép. Nhưng quá nhiều tạp chất sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của sản phẩm.

 

Nb và Ti

Hai nguyên tố này là những nguyên tố tạo thành cacbit mạnh và có thể được sử dụng thay cho các loại có hàm lượng cacbon thấp để giảm thiểu độ nhạy cảm. Cacbua niobi và cacbua titan có thể cải thiện độ bền nhiệt độ cao. 347 và thép không gỉ 321 chứa Nb và Ti thường được sử dụng trong nồi hơi và thiết bị tinh chế để đáp ứng các yêu cầu về độ bền nhiệt độ cao và khả năng hàn. Chúng cũng được sử dụng trong một số quá trình khử oxy như các nguyên tố còn sót lại trong thép không gỉ Austenitic hiệu suất cao.

 

S và P

Lưu huỳnh vừa tốt vừa có hại cho thép không gỉ. Nó có thể cải thiện hiệu suất gia công, nhưng tác hại là làm giảm khả năng gia công nhiệt, tăng số lượng tạp chất mangan sunfua, dẫn đến khả năng chống ăn mòn rỗ của thép không gỉ giảm. Thép không gỉ Austenitic cao cấp không dễ gia nhiệt nên hàm lượng lưu huỳnh cần được kiểm soát ở mức thấp nhất có thể, khoảng 0,001%. Lưu huỳnh thường không được thêm vào như một nguyên tố hợp kim cho thép không gỉ austenit hiệu suất cao. Tuy nhiên, hàm lượng lưu huỳnh của thép không gỉ loại tiêu chuẩn thường cao (0,005% ~ 0,017%), nhằm cải thiện độ sâu thâm nhập mối hàn của hàn tự nung chảy, cải thiện hiệu suất cắt.

Phốt pho là một nguyên tố có hại và có thể ảnh hưởng xấu đến đặc tính gia công nóng của rèn và cán nóng. Trong quá trình làm nguội sau hàn cũng sẽ thúc đẩy xuất hiện hiện tượng nứt nhiệt. Vì vậy, hàm lượng phốt pho cần được kiểm soát ở mức tối thiểu.