Phân loại và đặc điểm vật liệu thép không gỉ

Giới thiệu: Yếu tố quyết định của thép không gỉ

Thép không gỉ được định nghĩa là thép hợp kim cao chứa tối thiểu 10,5% crôm và hàm lượng carbon tối đa là 1,2%. Việc bổ sung crom này là yếu tố quan trọng mang lại khả năng chống ăn mòn đặc biệt của nó. Khi crom vượt quá khoảng 10%, một màng thụ động ổn định, tự sửa chữa — một lớp mỏng crom hydroxit ngậm nước, không kết tinh — hình thành trên bề mặt thép. Lớp màng thụ động này thường chỉ dày khoảng 3 nanomet, hoạt động như một rào cản không thể xuyên thủng chống lại các yếu tố ăn mòn. Nếu màng này bị hỏng, nó sẽ tự động tái tạo khi có oxy, cho phép thép không gỉ duy trì khả năng chống ăn mòn và vẻ ngoài thẩm mỹ ngay cả sau khi xử lý hoặc mài mòn. Dựa trên cấu trúc luyện kim của chúng, thép không gỉ được phân thành năm họ chính: thép không gỉ austenit, ferritic, martensitic, duplex và thép không gỉ làm cứng kết tủa.

Thép không gỉ Austenitic: Con ngựa đa năng

Thép không gỉ Austenitic là loại được sử dụng rộng rãi nhất, chiếm hơn 70% sản lượng toàn cầu. Chúng được xác định bằng cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC), được ổn định bằng cách bổ sung niken—thường là 8-20%—vào nền crom. Cấu trúc này mang lại những đặc tính đặc biệt, bao gồm khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, độ dẻo cao, khả năng hàn vượt trội và dễ chế tạo. Một đặc điểm xác định là bản chất không từ tính của chúng trong điều kiện ủ. Những loại thép này không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt; thay vào đó, chúng được tăng cường thông qua gia công nguội. Loại mang tính biểu tượng nhất là 304 (18% Cr, 8% Ni), nổi tiếng với khả năng chống ăn mòn nói chung tuyệt vời, khả năng định dạng tốt và khả năng hàn. Đối với các ứng dụng yêu cầu tăng cường khả năng chống rỗ và ăn mòn kẽ hở, đặc biệt là trong môi trường clorua, 316, chứa 2-3% molypden, được ưu tiên. Các biến thể carbon thấp như 304L và 316L được thiết kế cho các ứng dụng hàn để giảm thiểu nguy cơ ăn mòn giữa các hạt. Do hiệu suất toàn diện của chúng, các loại austenit rất cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm chế biến thực phẩm và đồ uống, thiết bị hóa học, ứng dụng kiến ​​trúc và công nghệ y tế.

Thép không gỉ Ferritic: Giải pháp thay thế từ tính và tiết kiệm chi phí

Thép không gỉ Ferritic được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể lập phương tập trung vào vật thể (BCC) và giống như sắt nguyên chất ở nhiệt độ phòng, có từ tính. Chúng chứa hàm lượng crom dao động từ 10,5% đến 18% và có hàm lượng carbon rất thấp. Loại được sử dụng rộng rãi nhất là Loại 430. Thép Ferit có khả năng chống ăn mòn từ trung bình đến tốt, khả năng chống ăn mòn này tăng theo hàm lượng crom. Ưu điểm chính của chúng là khả năng chống nứt do ăn mòn do ứng suất clorua gây ra, một vấn đề có thể ảnh hưởng đến các loại austenit trong một số môi trường nhất định. Chúng không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt và luôn được sử dụng ở trạng thái ủ. Mặc dù thường có giá thành thấp hơn thép austenit nhưng chúng có những hạn chế, bao gồm giảm độ dẻo, khả năng tạo hình và khả năng hàn. Bất chấp những thách thức này, các loại ferritic vẫn được sử dụng rộng rãi trong trang trí ô tô, ứng dụng kiến ​​trúc và các thiết bị gia dụng như máy rửa chén và máy sấy quần áo.

Thép không gỉ Martensitic: Độ bền thông qua xử lý nhiệt

Thép không gỉ Martensitic là loại thép duy nhất có khả năng được làm cứng và tăng cường thông qua xử lý nhiệt, giống như thép cacbon và thép hợp kim thấp. Trong điều kiện ủ, chúng có cấu trúc BCC tương tự như ferritic. Tuy nhiên, khi được làm lạnh nhanh (dập tắt) từ nhiệt độ cao, cấu trúc sẽ biến đổi thành martensite tứ giác tập trung vào vật thể (BCT). Nguyên tố hợp kim chính là crom, thường là 12-15%, có hàm lượng cacbon cao hơn các loại ferit. Sự kết hợp này cho phép chúng đạt được độ bền và độ cứng rất cao—với một số loại đạt tới 60 HRC—với cái giá là độ dẻo và độ dẻo dai thấp hơn. Chúng có khả năng chống ăn mòn vừa phải, thường thấp hơn so với các loại austenit hoặc ferritic. Các loại phổ biến bao gồm 410, 420 và 440, được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chống mài mòn và chống ăn mòn vừa phải, chẳng hạn như dao kéo, dụng cụ phẫu thuật, cánh tuabin và vòng bi.

Thép không gỉ song công: Sự kết hợp tốt nhất của hai thế giới

Thép không gỉ song được xác định bởi cấu trúc vi mô hai pha chứa tỷ lệ austenite và ferrite xấp xỉ bằng nhau, không có pha nào chiếm dưới 30% tổng số. Cấu trúc độc đáo này cho phép chúng kết hợp sức mạnh của cả hai dòng: chúng mang lại độ bền chảy gần gấp đôi so với các loại austenit tiêu chuẩn trong khi vẫn duy trì độ dẻo và độ dẻo dai tốt. Chúng cũng mang lại khả năng chống rỗ, ăn mòn kẽ hở và quan trọng là chống nứt do ăn mòn ứng suất clorua. Loại được sử dụng phổ biến nhất là 2205 (22% Cr, 5% Ni), có khả năng chống ăn mòn tốt hơn 316L trên nhiều phương tiện. Mặc dù thép song công đắt hơn các loại ferritic tiêu chuẩn và có những hạn chế về nhiệt độ sử dụng (thường dưới 300°C), chúng là vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe trong ngành công nghiệp dầu khí, xử lý hóa chất, hàng hải và bột giấy và giấy.

Thép không gỉ làm cứng kết tủa: Độ bền cao nhất

Thép không gỉ làm cứng kết tủa (PH) đạt được sự kết hợp đặc biệt giữa độ bền cao và khả năng chống ăn mòn thông qua quy trình xử lý nhiệt chuyên dụng. Không giống như các loại martensitic, được làm cứng chỉ bằng chu trình tôi và tôi, các loại PH được tăng cường nhờ sự kết tủa của các hạt mịn từ dung dịch rắn siêu bão hòa. Loại PH phổ biến nhất và được công nhận rộng rãi là 17-4 PH (UNS S17400), là loại thép làm cứng kết tủa martensitic. Lớp này cung cấp sự kết hợp độc đáo giữa độ bền cao, độ dẻo dai tốt và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, làm cho nó phù hợp với nhiều thành phần hàng không vũ trụ, hóa học và kỹ thuật chung trong đó hiệu suất của các lớp martensitic tiêu chuẩn là không đủ. Các loại PH khác bao gồm các loại bán austenit và austenit, chẳng hạn như 17-7 PH và A-286.