THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA THÉP KHÔNG GỈ
VAI TRÒ CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC CỦA THÉP KHÔNG GỈ
Thép không gỉ (inox) có khả năng chống ăn mòn và độ bền vượt trội nhờ sự kết hợp của sắt với các nguyên tố hóa học chuyên biệt. Mỗi nguyên tố đóng một vai trò cấu trúc và cơ lý riêng biệt:
THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA THÉP KHÔNG GỈ
CARBON (C)
Hàm lượng Cacbon là chủ yếu và luôn hiện diện trong thép không gỉ. Mức cacbon thường ở mức khá thấp với tất cả các họ thép không gỉ ngoại trừ họ Martensitic.
Họ Martensitic có mức tăng vừa để có độ cứng và độ bền cao. Nhiệt luyện ở mức cao, tôi và rồi giảm lạnh để phát triển pha Martensit.
Cacbon có thể hiệu quả chịu mòn cao. Nếu cacbon kết hợp với Chrom trong cabit, có thể gây tổn thương “lớp trơ” hình thành. Với những khu vực cục bộ; nếu hàm lượng Chrom giảm tới dưới 10.5% “lớp trơ” sẽ không hình thành.
CROM (Cr)
Bản chất “trơ” của thép không gỉ giải thích được là nhờ Crom là nguyên tố phản ứng cao. Nhờ có crom nên thép không gỉ chịu được tác dụng mòn hoá và gỉ oxit hoá thông thường xảy ra với thép cacbon không được bảo vệ. Một khi hàm lượng crom tối thiểu ở mức 10.5% thì có một lớp mặt không tan bám chặt hình thành ngay ngăn chặn sự khuyếch tán oxid hoá trên mặt và ngăn oxid hoá sắt. Mức Crom càng cao thì mức chống gỉ càng cao.
NIKEN (Ni)
Niken là nguyên tố hợp kim chính của mác thép không gỉ sêri 300. Sự có mặt của Niken hình thành cấu trúc “austenite” làm cho mác thép này có độ bền, tính dẻo và dai, ngay cả ở nhiệt độ hổn hợp làm nguội. Niken cũng là chất không từ tính. Trong khi vai trò của Niken không có ảnh hưởng trực tiếp lên sự phát triển của lớp “trơ” trên mặt, niken cải thiện đáng kể việc chịu được acid tấn công, đặc biệt là với acid sulfuric.
MOLYBDEN (Mo)
Chất phụ gia Molybden thêm vào mác thép “Cr-Fe-Ni” sẽ tăng tính chống mòn lỗ chỗ cục bộ và chống mòn kẻ nứt tốt hơn (đặc biệt là với mác thép Ferritic Cr-Fe ). Molybden giúp chống tác động thiệt clorua (mác thép 316 có 2% molybden tốt hơn mác thép 304 dùng tại miền ven biển). Lượng Molybden càng cao (đôi khi có mác thép có 6% molybden), thì mức chịu clorua càng cao.
MANGAN (Mn)
Thông thường Mangan thêm vào thép không gỉ giúp khử oxy hoá, trong khi nấu chảy để ngăn việc hình thành chất bẩn sunfua sắt có thể tạo ra vỡ nứt. Mangan cũng là chất làm ổn định mác thép Austenite và khi hàm lượng Mangan cao (từ 4% -> 15%) thì sẽ thay niken trong các mác thép sêri 200.
SILIC & ĐỒNG (Si & Cu)
Lượng nhỏ Silic và Đồng thường thêm vào mác thép không gỉ Austenitic có Molybden để cải thiện tính chống mòn với Acid Sulfuric. Silic cũng cải thiện tính chống oxy hoá và là chất ổn định hoá mác thép Ferrite. Với mác thép không gỉ Austenitic, hàm lượng silic cao cải thiện tính chống oxy hoá và ngăn việc thấm cacbon ở nhiệt độ cao (thí dụ như mác thép 309 và 310)
NITƠ (N)
Các mác thép không gỉ Ferritic, Austenitic và song pha Duplex, Nitơ giúp tăng sự tấn công của mòn lỗ chỗ cục bộ và sự ăn mòn giữa các hạt. Hàn đề nghị dùng với mác thép “austenitic” cacbon thấp (cacbon nhỏ hơn 0.03%) vì khi hàm lượng cacbon thấp sẽ giảm tối thiểu sự rủi ro nhạy cảm hoá. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon thấp có xu hướng giảm sức bền. Chất phụ gia Nitơ giúp tăng sức bền như mức mác thép chuẩn.
NIOBI (Nb)
Chất phụ gia Niobi ngăn mòn giữa các hạt, đặc biệt tại vùng chịu ảnh hưởng nhiệt sau khi hàn. Niobi giúp ngăn việc tạo thành crom cacbua có thể giành cấu trúc tế vi của lượng crom cần cho hoá trơ. Với mác thép không gỉ “Ferritic”, chất phụ gia Niobi là cách hiệu quả để cải thiện chống độ mỏi nhiệt.
LƯU HUỲNH (S)
Lưu huỳnh thường được giử ở mức thấp do có thể tạo ra sunfua bẩn. Lưu huỳnh dùng để cải thiện khả năng gia công (trong đó chất bẩn giữ nhiệm vụ “bẻ phôi”). Tuy nhiên, lượng lưu huỳnh dư làm giảm khả năng chống mòn lỗ chỗ.
Thành phần hóa học của thép không gỉ ngăn oxy trong không khí và môi trường tiếp xúc với sắt trong thép, qua đó chặn phản ứng oxy hóa có hại. Thép thường han gỉ khi sắt phản ứng với oxy, hình thành oxit sắt. Dù gỉ sắt không gây hại cho con người, nó có thể ăn mòn sắt khiến vật liệu kém an toàn và xấu hơn.
Thép thường là hợp kim chứa 99% sắt và khoảng 0,2 - 1% carbon, trong khi thép không gỉ thường chứa khoảng 62 - 75% sắt, 1% carbon, và hơn 10,5% crom. Thép không gỉ cũng chứa vài phần trăm nickel, giúp vật liệu bền và dễ xử lý hơn.
Crom đóng vai trò chủ chốt giúp chống han gỉ ở thép không gỉ, theo nhà khoa học vật liệu Tim Collins, tổng thư ký của Worldstainless, tổ chức phi lợi nhuận ở Bỉ cộng tác với Hiệp hội thép thế giới. Crom phản ứng với oxy trong môi trường, cả trong không khí và dưới nước, tạo ra lớp oxit crom (Cr2O3) thụ động trên bề mặt kim loại. Lớp này ngăn oxy tiếp xúc với sắt trong thép và tạo ra gỉ sắt, Collins giải thích.
Lớp thụ động trên thép không gỉ chỉ dày vài nanomet và không thể nhìn thấy. Lớp oxit crom cũng tự lành nếu bị phá hủy. Nó trơ, không phản ứng hóa học với hợp chất khác và không rò rỉ ra bên ngoài, do đó thép không gỉ rất phù hợp với sản xuất thực phẩm, pphẫu thuật và nhiều ứng dụng khác.
Các nhóm thép không gỉ hiện nay
Hiện nay, các chuyên gia đã phân chia thép không gỉ thành 4 nhóm chính. Mỗi nhóm có thành phần hóa học cũng như tính chất khác nhau, phù hợp với các ứng dụng riêng biệt.
Nhóm Austenitic
Austenitic là loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi nhất. Nó có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tuyệt vời với các đặc tính cơ học tốt. Nhóm Austenitic được sử dụng để sản xuất đồ gia dụng, đường ống công nghiệp, đóng tàu thuyền, xây dựng và trang trí nội thất, kiến trúc. Dưới đây là một số loại thép không gỉ nổi bật trong nhóm Austenitic và thành phần hóa học của chúng.
|
Mác inox |
Carbon |
Silic |
Mangan |
Phốt pho |
Lưu huỳnh |
Crom |
Molypden |
Niken |
Nitơ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Inox 301 |
0,05 – 0,15 |
2,00 |
2,00 |
0,045 |
0,015 |
16,0 – 19,0 |
0,80 |
6,0 – 9,5 |
0,10 |
|
Inox 304 |
0,07 |
1,00 |
2,00 |
0,045 |
0,015 |
17,5 – 19,5 |
– |
8,0 – 10,5 |
0,1 |
|
Inox 304L |
0,03 |
1,00 |
2,00 |
0,045 |
0,015 |
17,5 – 19,5 |
– |
8,0 – 10,5 |
0,1 |
|
Inox 201 |
0,15 |
1,00 |
5,5 – 7,5 |
0,045 |
0,015 |
16,0 – 18,0 |
– |
3,5 – 5,5 |
0,05 – 0,25 |
|
Inox 316 |
0,07 |
1,00 |
2,00 |
0,045 |
0,015 |
16,5 – 18,5 |
2,0 – 2,5 |
10,0 – 13,0 |
0,1 |
|
Inox 316L |
0,03 |
1,00 |
2,00 |
0,045 |
0,015 |
16,5 – 18,5 |
2,0 – 2,5 |
10,0 – 13,0 |
0,1 |
Thành phần hóa học của một số mác inox thuộc nhóm Austenitic
Nhóm Ferritic
Thép không gỉ Ferritic có các tính chất tương tự như thép nhẹ (thép Carbon), tuy nhiên khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt tốt hơn. Thép không gỉ Ferritic thường được sử dụng để sản xuất máy giặt, nồi hơi và trang trí trong nhà. Dưới đây là một số loại inox nổi bật trong nhóm Ferritic và thành phần hóa học của chúng.
| Mác inox | Carbon | Silic | Mangan | Phốt pho | Lưu huỳnh | Crom | Molypden | Niken |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Inox 409 | 0,030 | 1,00 | 1,00 | 0,040 | 0,015 | 10,5 – 12,5 | – | – |
| Inox 430 | 0,080 | 1,00 | 1,00 | 0,040 | 0,015 | 16,0 – 18,0 | – | – |
| Inox 434 | 0,080 | 1,00 | 1,00 | 0,040 | 0,015 | 16,0 – 18,0 | – | – |
| Inox 439 | 0,050 | 1,00 | 1,00 | 0,040 | 0,015 | 16,0 – 18,0 | – | – |
| Inox 4509 | 0,030 | 1,00 | 1,00 | 0,040 | 0,015 | 17,5 – 18,5 | – | – |
| Inox 436 | 0,025 | 1,00 | 1,00 | 0,040 | 0,015 | 16,0 – 18,0 | 0,80 – 1,40 | 0,020 |
Thành phần hóa học của một số mác inox thuộc nhóm Ferritic
Nhóm Martensitic
Thép không gỉ Martensitic rất cứng và bền bỉ, tuy nhiên, nó không có khả năng chống ăn mòn tốt như nhóm Austenitic hoặc Ferritic. Nhóm inox này chứa khoảng 13% Crom và được sử dụng để làm dao và cánh tuabin.
|
Mác inox |
Carbon |
Silic |
Mangan |
Phốt pho |
Lưu huỳnh |
Crom |
Niken |
Nitơ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Inox 410 |
0,08 – 0,15 |
1,00 |
1,50 |
0,040 |
0,015 |
11,5 – 13,5 |
0,75 |
– |
|
Inox 420 |
0,16 – 0,25 |
1,00 |
1,50 |
0,040 |
0,015 |
12,0 – 14,0 |
– |
– |
|
Inox 420 |
0,07 |
1,00 |
2,00 |
0,045 |
0,015 |
17,5 – 19,5 |
8,0 – 10,5 |
0,1 |
Thành phần hóa học của một số mác inox thuộc nhóm Martensitic
Nhóm Duplex
Thép không gỉ Duplex là sự pha trộn của nhóm Austenitic và nhóm Ferritic, làm cho các loại inox thuộc nhóm này vừa chắc chắn vừa linh hoạt. Nhóm inox này được sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất giấy, bột giấy, đóng tàu và hóa dầu.
Tính chất nổi bật của thép không gỉ
Thép không gỉ được đánh giá rất cao hiện nay và được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, công nghiệp chế biến thực phẩm, xây dựng, trang trí nội ngoại thất, ngành giao thông vận tải,… Điều này là do đây là vật liệu có nhiều ưu điểm nổi bật, vượt trội.
– Tính thẩm mỹ cao: Thép không gỉ có nhiều bề mặt hoàn thiện khác nhau, từ mờ đến sáng bóng như gương. Nó có thể được in nổi hoặc mạ màu, mang đến vẻ đẹp độc đáo, tinh tế. Do đó, inox thường được các kiến trúc sư sử dụng để trang trí nội thất, trang trí đường phố, sân bay, nhà ga,…
– Tính chất cơ học: Thép không gỉ có độ dẻo dai, khả năng đàn hồi tốt và độ cứng cao. Do đó, vật liệu này được sử dụng trong nhiều phương pháp gia công như dập sâu, cắt, hàn,… Ngoài ra, nó có tính chất cơ học tuyệt vời cả khi hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp cũng như nhiệt độ cao.
– Khả năng chống cháy: Thép không gỉ có khả năng chống cháy tốt nhất trong tất cả các vật liệu kim loại khi được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu, có nhiệt độ tới hạn trên 800°C. Thép không gỉ được xếp hạng A2s1d0 về khả năng chống cháy mà không phát ra khói độc hại.
– Chống ăn mòn vượt trội: Với hàm lượng Crom tối thiểu là 10.5%, thép không gỉ liên tục được bảo vệ bởi một lớp Oxit Crom thụ động hình thành tự nhiên trên bề mặt thông qua phản ứng của Crom với Oxy từ không khí hoặc nước. Nếu bề mặt thép không gỉ bị trầy xước, nó sẽ tự phục hồi. Tính chất đặc biệt này giúp thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn rất tốt.
– Dễ dàng làm sạch: Các vật dụng bằng thép không gỉ rất dễ lau chùi, làm sạch. Chỉ cần sử dụng các sản phẩm tẩy rửa thông thường (chất tẩy rửa, bột xà phòng) là bề mặt inox đã sạch sẽ mà không làm hỏng bề mặt.
– Tái chế 100%: Thép không gỉ là “vật liệu xanh” xuất sắc và có thể được tái chế vô hạn. Trong lĩnh vực xây dựng, tỷ lệ tái chế thực tế của nó là gần 100%. Vật liệu này trung tính với môi trường và khi tiếp xúc với nước, nó không rửa trôi các hợp chất có thể làm thay đổi thành phần của chúng. Những đặc điểm này giúp cho thép không gỉ phù hợp với các ứng dụng xây dựng phải chịu thời tiết bất lợi, như mái nhà, ngoại thất, đường ống nước sinh hoạt,…
Ứng dụng thép không gỉ trong cuộc sống
Thép không gỉ được ứng dụng trong rất nhiều hoạt động trong cuộc sống hàng ngày của con người, trong đó có:
Lĩnh vực y tế: Inox dễ dàng khử trùng, không han gỉ, không chứa chất độc hại nên thường dùng để sản xuất ra các dụng cụ y tế, dụng cụ phẫu thuật để đảm bảo an toàn, tránh nhiễm trùng cho các bệnh nhân.
Nội thất và trang trí: Từ lan can, tay vịn cầu thang, cho đến vách cửa, nội ngoại thất,cửa cổng, bàn ghế, inox mang lại vẻ hiện đại, tinh tế trang nhã cho không gian sống hiện đại.
Lĩnh vực công nghiệp: Trong công nghiệp sản xuất giấy, nhà máy gạch,lò nung, lò hơi , đường ống công nghiệp, thép không gỉ cũng được ứng dụng rất nhiều.
Ngành xây dựng: Inox được dùng để sản xuất khung kết cấu, lan can, mái che, ốp tường, thậm chí là các chi tiết trong công trình cao tầng hoặc công trình ven biển nhờ khả năng chống ăn mòn cao.
Ngành chế biến thực phẩm: Các nhà máy sản xuất thực phẩm, nước giải khát, sữa… sử dụng hệ thống bồn chứa, đường ống và máy móc bằng inox để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
Ngành hóa chất: Thép không gỉ chịu được hóa chất mạnh, axit, kiềm, nên thường được dùng trong bồn chứa và đường ống dẫn hóa chất.
Ngành năng lượng và dầu khí: Ống dẫn, van, thiết bị xử lý trong môi trường áp suất và nhiệt độ cao đều được làm từ inox để đảm bảo độ bền và an toàn vận hành.
Ngành cơ khí – ô tô: Từ ống xả, khung xe đến các chi tiết máy, inox giúp tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì cho thiết bị.
Nhờ vào độ bền, tính chịu nhiệt, chống gỉ và dễ bảo dưỡng, inox đã trở thành vật liệu không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực sản xuất hiện đại.
