Thép không gỉ là gì? Hướng dẫn Kỹ thuật Toàn diện về Tính chất, Hàn & Ăn mòn.

Thép không gỉ (Inox) là một trong những vật liệu quan trọng nhất trong kỹ thuật hiện đại, nhưng câu hỏi “thép không gỉ là gì” không chỉ là một định nghĩa đơn giản. Đó là một họ hợp kim phức tạp với vô số đặc tính đa dạng. Bài viết này là một hướng dẫn kỹ thuật toàn diện, đi sâu vào mọi khía cạnh cốt lõi bạn cần biết: từ các phương pháp hàn chuyên sâu, cơ chế khoa học của sự ăn mòn, đến các quy trình gia công, tạo hình và vai trò của từng nguyên tố hợp kim.

Tuyển tập: Những điều cơ bản về thép không gỉ

Tuyển tập bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan và chuyên sâu về thép không gỉ. Nhiều chủ đề được đề cập, từ khả năng chống ăn mòn đến kỹ thuật hàn. Ngoài ra, các tính chất cơ học cũng được đề cập đến, cũng như các loại thép không gỉ chuyên dụng chịu nhiệt độ cao.

1. Hàn thép không gỉ

Phương pháp hàn có thể được chia thành hai loại chính: phương pháp hàn nóng chảy (hàn hợp nhất) và phương pháp hàn áp suất.

Phương pháp hợp nhất (Hàn nóng chảy)

Phương pháp hàn nối, trong đó hai cạnh hoặc bề mặt được nối lại với nhau được nung nóng và nối lại có hoặc không có vật liệu độn. Các phương pháp này bao gồm:

• Hồ quang kim loại thủ công (MMA)
• Khí trơ kim loại (MIG)
• Khí hoạt tính kim loại (MAG)
• Hàn hồ quang lõi thuốc (FCAW)
• Khí trơ vonfram (TIG)
• Hàn hồ quang Plasma (PAW)
• Hàn hồ quang chìm (SAW)
• Hàn chùm tia laser (LBW)
• Hàn laser lai (LHW)

Phương pháp áp suất

Phương pháp áp suất, trong đó hai bề mặt sạch được đưa lại gần nhau để tạo thành liên kết kim loại giữa hai bề mặt. Các phương pháp này bao gồm:

• Hàn điểm điện trở
• Hàn đường may
• Hàn tần số cao

Cấu trúc vi mô trong mối hàn thép không gỉ phụ thuộc phần lớn vào thành phần hóa học. Các biểu đồ cấu tạo như Shaeffler-De Long có thể được sử dụng như một công cụ dự đoán sơ bộ về cấu trúc vi mô của mối hàn, nhưng lịch sử nhiệt, đặc biệt là tốc độ nguội sau khi hàn, cũng có ảnh hưởng đáng kể.

Điều quan trọng cần lưu ý là cấu trúc vi mô của mối hàn không nên được xem xét như một đặc tính vật liệu. Thay vào đó, các đặc tính công nghệ như độ bền cơ học, độ dẻo/khả năng tạo hình và khả năng chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau nên được xem xét khi chế tạo kết cấu hàn.

Những khía cạnh quan trọng khác đối với nhà chế tạo là năng suất và rủi ro phát sinh khuyết tật hoặc sai sót không mong muốn khi hàn thép hoặc hình dạng sản phẩm mới. Vì lý do này, việc thẩm định quy trình hàn luôn phải được thực hiện trước khi áp dụng vật liệu hoặc quy trình mới để xác định những sai lệch không mong muốn.

Tính chất hàn của từng loại thép

Thép không gỉ Ferritic Hạn chế chính của mối hàn ferritic so với mối hàn austenit là thiếu độ dẻo dai ở các tiết diện dày hơn. Vật liệu tấm thường được sử dụng để đảm bảo độ dẻo dai và độ dai cần thiết cho mối hàn. Tính chất hàn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các thông số hàn. Nên hàn thép không gỉ ferritic với nhiệt lượng đầu vào tối thiểu để ngăn ngừa sự phát triển hạt quá mức trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Nên tránh sử dụng điện cực ẩm và khí bảo vệ có chứa hydro hoặc nitơ. Do độ giãn nở nhiệt thấp hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn, thép không gỉ ferritic ít bị biến dạng và cong vênh trong quá trình hàn hơn so với thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ duplex.

Thép không gỉ Martensitic Do có khả năng tôi cứng, thép không gỉ martensitic khó hàn hơn các loại thép không gỉ khác. Bất kể điều kiện ban đầu như thế nào, quá trình hàn tạo ra một vùng martensitic cứng liền kề với mối hàn, dễ bị nứt. Độ cứng tăng theo hàm lượng carbon của thép và làm cho việc hàn trở nên phức tạp hơn. Sự hiện diện của hydro làm tăng nguy cơ nứt nguội do hydro gây ra. Tuy nhiên, thép martensitic vẫn có thể hàn thành công nếu áp dụng đúng các biện pháp phòng ngừa để tránh nứt ở vùng HAZ. Thông thường, cần phải gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để có được mối hàn chắc chắn, và nên sử dụng vật liệu trám phù hợp để tối đa hóa độ bền của mối hàn. Nếu không thể thực hiện PWHT, có thể sử dụng vật liệu trám austenitic hoặc duplex để cải thiện độ dẻo.

Thép không gỉ Duplex (Song công) Khả năng hàn và đặc tính hàn của thép không gỉ duplex tốt hơn thép không gỉ ferritic, nhưng nhìn chung không bằng thép austenit. Thép duplex hiện đại với hàm lượng nitơ đáng kể có thể hàn dễ dàng. Tính chất hàn bị ảnh hưởng mạnh bởi các thông số hàn như phạm vi nhiệt đầu vào, vì vậy cần tuân thủ các quy trình phù hợp để có được cấu trúc hàn chính xác. Thép không gỉ duplex thường đông đặc với cấu trúc ferritic hoàn toàn, với sự hình thành và phát triển của austenit trong quá trình làm nguội. Kim loại đệm được thiết kế đặc biệt với hàm lượng niken cao hơn để tạo ra sự cân bằng pha tương tự như vật liệu nền. Hàn tự nhiên (không có chất độn) thường không được khuyến khích cho thép duplex. Cấu trúc vi mô duplex nhạy cảm hơn với tác động của các lớp hàn tiếp theo so với, ví dụ, các loại austenit tiêu chuẩn. Để giảm thiểu tác động lên cấu trúc vi mô từ các lớp hàn trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn nên tối đa là 150 °C đối với thép duplex tiêu chuẩn hoặc thép duplex gầy và 100 °C đối với thép siêu duplex.

Thép không gỉ Austenitic Nhìn chung, thép không gỉ austenit có khả năng hàn tuyệt vời. Cấu trúc kim loại mối hàn cuối cùng thường chứa một vài phần trăm delta ferit, đây là dấu hiệu của một mối hàn tốt. Mức nhiệt đầu vào đối với hầu hết các loại austenit phổ biến có thể lên tới khoảng 2,5 kJ/mm. Nếu hàn trên các loại austenit đã ổn định hoặc hoàn toàn austenit, có thể cần mức nhiệt thấp hơn một chút để tránh các vết nứt đông đặc (≤1,5 kJ/mm). Thép austenit có độ giãn nở nhiệt cao hơn khoảng 50% so với thép ferit và thép duplex. Điều này có nghĩa là biến dạng lớn hơn và ứng suất co ngót cao hơn có thể xảy ra khi hàn. Đối với các mác thép austenit hợp kim cao, khả năng chống ăn mòn rỗ có thể bị giảm do sự phân tách vi mô, chủ yếu là molypden, trong quá trình đông đặc. Do đó, trong hầu hết các trường hợp, kim loại độn được hợp kim hóa với crom, niken và molypden để tăng cường khả năng chống ăn mòn. Chất độn gốc niken được sử dụng cho các mác thép austenit hợp kim cao nhất. Các mác thép austenit hợp kim mangan có độ bền tương đối cao với chi phí vừa phải. Các loại thép này có khả năng hàn thấp hơn so với các mác thép Cr-Ni tiêu chuẩn, chủ yếu là do chúng dễ bị nứt nóng hơn – các vết nứt hình thành trên mối hàn trong quá trình đông đặc. Trong một số ứng dụng, thép austenit bán bền được sử dụng ở trạng thái cán nguội, trong đó chúng được cán ram đến mức cường độ rất cao. Quá trình hàn tự nhiên sẽ có tác dụng làm mềm vùng hàn, và điều này cần được cân nhắc ngay từ giai đoạn thiết kế.

Lỗi hàn

Các ví dụ điển hình về khuyết tật mối hàn bao gồm:

• Sự thâm nhập không hoàn toàn
• Cắt ngắn
• Thiếu sự hợp nhất
• Lỗ chân lông
• Các tạp chất xỉ
• Bắn tóe hàn
• Hồ quang đánh

Những khuyết tật này ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn cục bộ, đồng thời gây khó khăn cho việc duy trì bề mặt sạch sẽ. Do đó, cần loại bỏ chúng, thường bằng cách mài, mặc dù đôi khi có thể cần hàn sửa chữa.

Thuật ngữ:

• Nhiệt độ giữa các lớp hàn: Nhiệt độ vật liệu được khuyến nghị giữa các lớp hàn. Có thể được chỉ định là nhiệt độ tối thiểu hoặc tối đa.
• Ferrite Delta: Một dạng ferit không từ tính, ổn định ở nhiệt độ từ 1403 °C đến 1535 °C, đây là nhiệt độ nóng chảy.

2. Xử lý sau chế tạo thép không gỉ

Việc xử lý sau khi chế tạo thép không gỉ thường cần thiết vì nhiều lý do, từ nhu cầu về độ hoàn thiện bề mặt cụ thể, các đặc tính cơ học cụ thể và giảm thiểu ứng suất dư cho đến việc đảm bảo tính chống ăn mòn.

Hầu hết các vấn đề ăn mòn thường gặp trong môi trường mà thép không gỉ thường hoạt động tốt, có thể bắt nguồn từ việc vệ sinh bề mặt sau khi chế tạo không đầy đủ. Để đạt hiệu suất tốt nhất, điều cần thiết là ngăn ngừa hoặc loại bỏ tất cả các khuyết tật liên quan đến chế tạo.

Các khuyết tật và khiếm khuyết bề mặt phát sinh trong quá trình sản xuất có thể làm gián đoạn đáng kể quá trình tự phục hồi của lớp màng thụ động của thép không gỉ và làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ. Điều này có nghĩa là thường cần phải thực hiện quy trình làm sạch cuối cùng để khôi phục chất lượng bề mặt đạt yêu cầu về vệ sinh và chống ăn mòn.

Mức độ và phương pháp xử lý sẽ được xác định bởi mức độ ăn mòn của môi trường, khả năng chống ăn mòn vốn có của loại thép, yêu cầu vệ sinh và/hoặc các cân nhắc về mặt thẩm mỹ.

Các phương pháp xử lý sau chế tạo có thể được chia thành quy trình làm sạch và quy trình xử lý nhiệt.

Quy trình vệ sinh

Có thể sử dụng các phương pháp hóa học và cơ học khác nhau, và đôi khi kết hợp cả hai, để loại bỏ các loại vết bẩn khác nhau.

• Mài và đánh bóng: Mài hạt thô giúp loại bỏ các khuyết tật sâu. Bánh mài hoặc đai mài phải mới hoặc chỉ dùng cho thép không gỉ. Sau khi mài hạt thô, nên mài với hạt mịn hơn.
• Phun cát: Có thể sử dụng để loại bỏ oxit nhiệt độ cao. Cần lưu ý đảm bảo cát (tốt nhất là loại olivin) hoặc hạt mài phải hoàn toàn sạch và chưa từng được sử dụng cho thép cacbon để tránh nhiễm sắt.
• Bắn bi: Chủ yếu được sử dụng để tạo ứng suất nén bề mặt.
• Đánh răng: Chải bằng bàn chải thép không gỉ hoặc nylon thường mang lại kết quả khả quan để loại bỏ lớp phủ nhiệt bề mặt và bụi bẩn. Tuy nhiên, chúng không loại bỏ bất kỳ lớp crom nào bị mất bên dưới lớp oxit.
• Tẩy dầu mỡ: Các chất gây ô nhiễm hữu cơ (dầu, mỡ) phải được loại bỏ bằng dung môi không chứa clo trước khi làm sạch hóa học bằng axit.
• Ngâm axit (Tẩy gỉ): Tẩy rửa tạo ra bề mặt chống ăn mòn tốt nhất. Phương pháp này sử dụng axit mạnh (thường là hỗn hợp axit nitric và axit flohydric) để loại bỏ cặn oxit và lớp crom bị cạn kiệt bên dưới. Quá trình này tạo ra bề mặt sạch sẽ với lớp hoàn thiện màu xám xỉn, mờ, tự động thụ động hóa.
• Thụ động hóa: Thụ động hóa hóa học hiếm khi cần thiết nếu thép đã được ngâm đúng cách. Tuy nhiên, đây là một cách hiệu quả để làm sạch thép không gỉ chưa được ngâm. Lựa chọn áp đảo vẫn là dung dịch gốc axit nitric.
• Đánh bóng điện hóa: Một quá trình điện hóa giúp loại bỏ sắt và tạp chất, làm mịn bề mặt và tạo ra vẻ ngoài sáng bóng. Thường được sử dụng trong các ngành đòi hỏi độ sạch cực cao (dược phẩm, bán dẫn).

Xử lý nhiệt

Xử lý nhiệt có thể rủi ro nếu thực hiện không đúng cách, vì nó có thể làm suy giảm các đặc tính. Lý do chính của việc xử lý nhiệt là để phục hồi cấu trúc vi mô, giảm ứng suất dư (giảm nguy cơ nứt do mỏi) và cải thiện độ ổn định kích thước.

• Ủ dung dịch: Làm mềm thép không gỉ sau khi gia công nguội. Được thực hiện ở nhiệt độ cao (750 – 1.200 °C) và tạo ra lớp oxit bề mặt cần được tẩy gỉ sau đó.
• Giảm căng thẳng (Ủ giảm ứng suất): Giảm ứng suất dư từ quá trình tạo hình và hàn. Được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn ủ dung dịch. Cần cân nhắc đến khả năng kết tủa các pha có hại của mác thép khi chọn quy trình.

Thuật ngữ:

• Thụ động hóa: (1) Giảm tốc độ phản ứng anot của điện cực liên quan đến ăn mòn, ví dụ do sự hiện diện của lớp màng thụ động. (2) Xử lý hóa học để cải thiện lớp thụ động trên thép không gỉ.

3. Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ

Ăn mòn là sự phân hủy dần dần của kim loại do phản ứng hóa học với môi trường xung quanh. Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ trong một môi trường cụ thể phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó và mức độ ăn mòn của môi trường.

Sự ăn mòn xảy ra như thế nào

Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ là nhờ lớp màng mỏng thụ động tự hình thành trên bề mặt thép khi có oxy, với điều kiện thép có hàm lượng crom tối thiểu khoảng 10,5%. Lớp màng này bám chặt vào bề mặt, bảo vệ nó khỏi môi trường. Nếu bị trầy xước, lớp màng có thể “tự phục hồi” (tự thụ động hóa trở lại).

Tất cả các loại ăn mòn ảnh hưởng đến thép không gỉ đều liên quan đến hư hỏng vĩnh viễn lớp màng thụ động này.

Ăn mòn ướt

Ăn mòn ướt là ăn mòn trong môi trường chất lỏng hoặc ẩm ướt. Đây là một quá trình điện hóa liên quan đến anot và catot. Thông thường, thép không gỉ không bị gỉ đồng đều như thép cacbon. Thay vào đó, lớp màng thụ động bị tấn công tại một số điểm nhất định, gây ra các loại ăn mòn cục bộ.

Các dạng ăn mòn ướt:

• Ăn mòn rỗ (Pitting Corrosion)
• Ăn mòn khe hở (Crevice Corrosion)
• Ăn mòn đồng đều (Uniform Corrosion)
• Nứt hỗ trợ môi trường (Environmentally-Assisted Cracking), bao gồm:
  • Nứt do ăn mòn ứng suất (SCC)
  • Nứt ứng suất sunfua (SSC)
  • Nứt ứng suất do hydro gây ra (HISC)
  • Mỏi do ăn mòn (Corrosion Fatigue)
• Ăn mòn khí quyển
• Ăn mòn giữa các hạt (Intergranular Corrosion)
• Ăn mòn điện hóa (Galvanic Corrosion)

Nguyên nhân phổ biến gây ra rỗ và ăn mòn khe hở Thép không gỉ đặc biệt dễ bị hai loại này trong môi trường chứa các ion halide như clorua (Cl-). Môi trường có nguy cơ cao bao gồm nước biển và các dung dịch xử lý có nồng độ clorua cao. Nhiệt độ tăng, độ pH thấp và các hóa chất oxy hóa (như clo) cũng làm tăng nguy cơ.

• Ăn mòn rỗ: Xảy ra cục bộ cao. Nếu lớp thụ động bị hỏng, vùng nhỏ đó trở thành anot, trong khi phần còn lại của bề mặt là catot. Do diện tích anot nhỏ so với catot lớn, tốc độ ăn mòn rất cao và rỗ sâu hình thành.
• Ăn mòn khe hở: Xảy ra ở các khe hở và không gian hạn chế (mối nối mặt bích, ren, hoặc dưới cặn bẩn). Do thiếu oxy bên trong khe hở, lớp thụ động bị yếu đi, độ pH giảm và ion clorua di chuyển vào, phá vỡ lớp thụ động.

Khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở (PREN) Việc tăng hàm lượng Crom (Cr), Molypden (Mo) và Nitơ (N) sẽ làm tăng khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở. Hệ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) có thể được sử dụng để xếp hạng các loại thép: PREN = % Cr + 3,3 × % Mo + 16 × % N Chỉ số PREN càng cao, khả năng chống ăn mòn rỗ càng tốt.

Ăn mòn đồng đều Xảy ra khi lớp thụ động bị phá hủy trên toàn bộ bề mặt, thường trong môi trường axit mạnh hoặc dung dịch kiềm nóng. Tốc độ ăn mòn (mm/năm) có thể đo lường được. Thép không gỉ thường được coi là chống chịu được nếu tốc độ ăn mòn không vượt quá 0,1 mm/năm.

Nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) Thường xảy ra nhất trong môi trường chứa clorua và cần nhiệt độ cao (> 60 °C). Đây là kết quả của tác động kết hợp giữa ứng suất kéo (từ bên ngoài hoặc ứng suất dư từ hàn/tạo hình) và môi trường ăn mòn. Các mác thép austenit tiêu chuẩn (304, 316) nhạy cảm với SCC. Các mác hợp kim cao (904L, 254 SMO®) và các mác Duplex, Ferritic có khả năng chống SCC tốt hơn.

Ăn mòn giữa các hạt Trước đây là một nguy cơ do hàm lượng cacbon cao. Các phương pháp luyện thép hiện đại (như AOD) đã giảm hàm lượng cacbon, khiến vấn đề này hiếm gặp. Tuy nhiên, nó có thể xảy ra nếu thép không gỉ tiếp xúc với nhiệt độ trong khoảng 550–850 °C (quá trình “nhạy cảm hóa”). Ở nhiệt độ này, Crom cacbua kết tủa dọc theo ranh giới hạt, làm cạn kiệt crom ở vùng lân cận và khiến vùng đó mất khả năng chống ăn mòn.

Ăn mòn điện hóa Xảy ra nếu hai kim loại khác nhau được kết nối điện trong môi trường ăn mòn. Thép không gỉ (kim loại quý) thường không bị ăn mòn, nhưng nó sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn của kim loại kém quý hơn (như thép cacbon, kẽm, đồng) nếu chúng tiếp xúc.

Ăn mòn ở nhiệt độ cao

Xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường nóng chứa oxy, lưu huỳnh, hoặc các hợp chất khác.

• Sự oxy hóa: Crom tạo thành một lớp Crom oxit (Cr2O3) bảo vệ trên bề mặt. Khi hàm lượng Crom tăng, nhiệt độ làm việc tối đa tăng (từ 500 °C lên đến 1.150 °C).
• Sulfide hóa: Các hợp chất lưu huỳnh phản ứng với thép. Lớp sunfua thường kém bảo vệ hơn lớp oxit. Niken đặc biệt có hại trong môi trường lưu huỳnh vì nó tạo ra hợp chất niken-lưu huỳnh có điểm nóng chảy thấp.
• Thấm cacbon và nitơ hóa: Xảy ra trong các loại khí hydrocarbon ở nhiệt độ cao. Việc hấp thụ quá nhiều carbon hoặc nitơ làm cho vật liệu bị giòn do kết tủa cacbua và nitrua.

Thực hành bảo quản và xử lý tốt

• Bảo vệ bề mặt thép không gỉ là rất quan trọng.
• Tránh nhiễm sắt: Cách dễ nhất là giữ các sản phẩm thép không gỉ tách biệt với thép cacbon. Không sử dụng chung dụng cụ (búa, bàn chải, giá đỡ) đã dùng cho thép cacbon. Các hạt thép cacbon sẽ gây ra các vết gỉ trên bề mặt inox.
• Các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp (đồng, kẽm, chì) có thể gây ra vết nứt ở các khu vực hàn (Sự giòn của kim loại lỏng – LME).
• Nếu có thể, hãy bảo quản thép không gỉ trong nhà.
• Sử dụng nút bịt đầu ống để bảo vệ bên trong ống khỏi nhiễm bẩn.

Bảo vệ khả năng chống ăn mòn bằng cách vệ sinh

Sản phẩm thép không gỉ cần được vệ sinh định kỳ để duy trì vẻ ngoài và khả năng chống ăn mòn. Việc không vệ sinh có thể dẫn đến tích tụ các chất ăn mòn (như muối clorua) vượt quá khả năng chống chịu của vật liệu, gây ố vàng (ố trà) và cuối cùng là ăn mòn.

Thuật ngữ:

• Thụ động (Passive): Trạng thái kim loại mà sản phẩm phản ứng bề mặt (lớp màng thụ động) làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn.
• Anode: Điện cực nơi xảy ra quá trình oxy hóa (ăn mòn).
• Chất điện phân: Một chất hóa học chứa các ion tự do, cho phép nó dẫn điện (ví dụ: nước muối).

4. Tạo hình thép không gỉ

Các sản phẩm được định hình bằng nhiều quy trình khác nhau, tùy thuộc vào mác thép.

• Uốn và uốn lăn: Vấn đề chính là độ đàn hồi (springback), đặc biệt đối với thép cường độ cao (như Duplex).
• Quay (Kéo sợi): Dùng cho các chi tiết hình trụ và đối xứng (ví dụ: bồn, phễu). Phù hợp với tất cả các loại thép không gỉ, nhưng cần lực cao hơn cho các loại Duplex.
• Cán định hình: Tấm thép đi qua một loạt các giá cán, dần dần định hình (ví dụ: tạo xà gồ, ống). Phù hợp với thép có độ bền cao.
• Ép hình thành (Dập): Bao gồm các quy trình như kéo sâu (deep drawing), tạo hình kéo giãn.
  • Các mác Austenitic (304, 316) có khả năng định hình tuyệt vời, rất phù hợp cho các hoạt động kéo giãn.
  • Các mác Ferritic có đặc tính kéo tốt hơn Austenitic (ít bị mỏng khi kéo). Tuy nhiên, có thể xảy ra hiện tượng “gờ” hoặc “roping” (vết sọc nổi) trên bề mặt, chủ yếu ảnh hưởng đến thẩm mỹ.
  • Các mác Duplex có độ bền cao nên đòi hỏi lực ép lớn hơn và có độ đàn hồi cao hơn.
• Mặt bích lỗ (Tạo mép lỗ): Thường được thực hiện để hỗ trợ kết nối ống. Các cạnh cắt của lỗ phải có chất lượng tốt để tránh bị nứt.

5. Gia công, cắt và mài thép không gỉ

Gia công thép không gỉ

Bao gồm phay, tiện, khoan và cắt ren. Thép không gỉ thường khó gia công hơn thép cacbon. Nguyên tắc chung: hàm lượng hợp kim càng cao thì càng khó gia công.

• Các mác Ferritic thường dễ gia công hơn Austenitic.
• Các loại thép “gia công tự do” (có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn) giúp bẻ phoi dễ dàng.
• Các loại Prodec (như 304L Prodec) được xử lý luyện kim đặc biệt để cải thiện khả năng gia công (tốt hơn tới 40% so với loại tiêu chuẩn).
• Khi gia công, điều quan trọng là phải sử dụng các dụng cụ và miếng chèn (insert) được thiết kế riêng cho thép không gỉ.

Cắt thép không gỉ

Bao gồm cắt, đục, cưa và cắt nhiệt (plasma, laser). Cần lực cắt cao hơn thép cacbon.

• Khi đột và cắt, khe hở (khoảng cách giữa đầu đột và khuôn) nên được giữ dưới 10% đối với thép Austenit.
• Vấn đề chính là sự mài mòn dụng cụ. Lượng bavia (cạnh sắc) nên được giữ càng nhỏ càng tốt.

Mài thép không gỉ

• Nên bắt đầu bằng hạt mài P60 hoặc P80. Mài bằng hạt quá thô (P36) có thể gây ra các khuyết tật bề mặt sâu.
• Các bước mài tiếp theo nên được thực hiện theo từng bước với giá trị hạt mài gấp đôi ở mỗi bước (ví dụ: P80 -> P160 -> P320).
• Quan trọng: Không bao giờ sử dụng chung dụng cụ mài đã dùng cho thép cacbon để mài thép không gỉ (để tránh nhiễm sắt và gỉ sét).

6. Các loại thép không gỉ Austenitic hiệu suất cao

Dùng cho các môi trường khắc nghiệt như giàn khoan dầu, nhà máy khử muối. Các loại thép này (ví dụ: 904L, 254 SMO®, 654 SMO®) có hàm lượng Crom, Niken, Molypden và Nitơ cao hơn.

Ứng dụng điển hình:

• Bình chịu áp suất
• Bộ trao đổi nhiệt
• Xử lý nước biển
• Tẩy trắng bột giấy
• Ứng dụng đông lạnh (cryogenic)

Chúng có khả năng hàn tốt, khả năng định hình tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn thuộc hàng cao nhất hiện nay, đặc biệt là chống ăn mòn đồng đều, cục bộ và SCC.

7. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim

Chính hiệu ứng tổng hợp của tất cả các nguyên tố quyết định đặc tính của thép:

• Crom (Cr): Nguyên tố quan trọng NHẤT. Cần tối thiểu 10,5%. Cung cấp khả năng chống ăn mòn (tạo màng thụ động) và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao.
• Niken (Ni): Ổn định cấu trúc Austenitic. Tăng độ dẻo, độ dai và cải thiện khả năng chống ăn mòn trong môi trường axit.
• Molypden (Mo): Tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ và khe hở), đặc biệt là trong môi trường clorua.
• Nitơ (N): Ổn định cấu trúc Austenitic. Tăng cường độ bền cơ học RẤT MẠNH. Tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ (đặc biệt khi kết hợp với Mo).
• Cacbon (C): Tăng độ bền cơ học. Tuy nhiên, ở các cấp Ferritic và Martensitic, nó làm giảm độ dẻo dai. Trong thép Austenitic, nó là nguyên nhân gây ra “nhạy cảm hóa” (ăn mòn giữa các hạt) nếu hàn không đúng cách.
• Mangan (Mn): Ổn định Austenit (có thể thay thế một phần Niken). Tăng độ hòa tan của Nitơ (quan trọng cho thép Duplex).
• Silic (Si): Tăng khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và trong môi trường axit oxy hóa mạnh.
• Đồng (Cu): Cải thiện khả năng chống ăn mòn trong một số loại axit (như axit sulfuric). Cải thiện khả năng định hình.
• Titan (Ti) & Niobi (Nb): Chất ổn định. Chúng kết hợp với Cacbon (tạo thành TiC, NbC) để ngăn chặn sự hình thành Crom cacbua. Điều này ngăn ngừa ăn mòn giữa các hạt ở các mác thép “ổn định” (ví dụ: 321, 347).

8. Tính chất cơ học của thép không gỉ

Thép không gỉ cũng là vật liệu xây dựng, do đó độ bền, độ dẻo và độ dai là rất quan trọng.

• Các cấp độ Austenit: Có độ bền tương đối thấp nhưng độ dẻo (độ giãn dài) RẤT CAO và độ dai tuyệt vời, ngay cả ở nhiệt độ cực thấp (cryogenic). Chúng bị “hóa cứng” (work hardening) rất nhanh khi bị gia công nguội.
• Cấp độ Ferritic: Có độ bền thấp và khả năng làm cứng hạn chế. Giòn ở nhiệt độ thấp.
• Các lớp Duplex: Có độ bền kéo RẤT CAO (thường gấp đôi Austenit). Độ dẻo dai ở mức trung bình.
• Các loại Martensitic: Có độ bền và độ cứng RẤT CAO (sau khi tôi và ram), nhưng độ dẻo và độ dai thấp (giòn).

Độ dẻo dai (Toughness)

Khả năng hấp thụ năng lượng trước khi gãy.

• Austenitic: Độ dẻo dai tuyệt vời ở mọi nhiệt độ (không có “nhiệt độ chuyển tiếp”). Đây là lựa chọn duy nhất cho các ứng dụng cực lạnh.
• Ferritic, Martensitic, Duplex: Có “nhiệt độ chuyển tiếp”, tức là chúng trở nên giòn khi nhiệt độ giảm xuống dưới một mức nhất định.

Tính chất cơ học ở nhiệt độ cao (Độ rão – Creep)

Độ rão là biến dạng dẻo chậm theo thời gian dưới tác dụng của ứng suất không đổi ở nhiệt độ cao.

• Austenitic: Vượt trội hơn các loại khác về độ bền rão (chống biến dạng ở nhiệt độ trên 500 °C).
• Ferritic & Duplex: Không phù hợp cho các ứng dụng chịu tải ở nhiệt độ cao (trên 250-300 °C) do nguy cơ giòn (ví dụ: giòn 475°C).

Thuật ngữ:

• Giới hạn chảy (Rp0.2): Mức ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh viễn 0,2%).
• Biến dạng dẻo/đàn hồi: Biến dạng đàn hồi được phục hồi khi bỏ tải. Biến dạng dẻo là vĩnh viễn.

9. Các loại thép không gỉ chịu nhiệt độ cao

Được thiết kế đặc biệt cho nhiệt độ lên đến 1150°C.

Các loại Austenit chịu nhiệt độ cao (Ví dụ: 253 MA®)

• Được tối ưu hóa cho độ bền rão và khả năng chống oxy hóa.
• Ứng dụng: thiết bị lò nung, nhà máy chuyển đổi năng lượng, ngành xi măng.
• Khi hàn các loại này (như 309, 310), chúng dễ bị nứt nóng, do đó nhiệt đầu vào nên được giới hạn ở mức thấp (tối đa 1,0 kJ/mm).

Cấp Ferritic nhiệt độ cao (Ví dụ: 4742, 4762)

• Hàm lượng Crom cao, tăng cường bởi Silic và Nhôm.
• Có khả năng chống ăn mòn lưu huỳnh (sulfidation) tuyệt vời (vì chúng không chứa Niken).
• Độ bền rão thấp (chỉ dùng cho ứng dụng tải trọng kéo thấp).
• Khả năng chống sốc nhiệt tốt hơn Austenit (do độ giãn nở nhiệt thấp hơn).
• Khả năng hàn hạn chế, thường cần gia nhiệt trước đến 200–300°C.

Bạn đã có cái nhìn chuyên sâu về khoa học vật liệu và kỹ thuật đằng sau thép không gỉ. Để đảm bảo dự án của bạn đạt được hiệu suất, độ bền và khả năng chống ăn mòn tối ưu, việc lựa chọn đúng mác thép và quy trình chế tạo là vô cùng quan trọng.

Hãy liên hệ với đội ngũ chuyên gia của chúng tôi ngay hôm nay để nhận tư vấn kỹ thuật chuyên sâu và tìm giải pháp thép không gỉ phù hợp nhất cho các yêu cầu ứng dụng khắt khe của bạn.