Hướng dẫn đầy đủ về thép không gỉ – inox

Các loại thép không gỉ – inox, thành phần, cấu trúc phân tử, sản xuất và tính chất

Trong bài viết này bao gồm các nội dung chính:

• Thép không gỉ – inox được sản xuất như thế nào?
• Thép không gỉ – inox được làm bằng gì?
• Các loại thép không gỉ – inox
• Các loại thép không gỉ – inox
• Thép không gỉ – inox có từ tính không?
• Tính chất cơ học của thép không gỉ – inox
• Cái nhìn kỹ thuật – vi cấu trúc phân tử của thép không gỉ – inox
• Chăm sóc và bảo dưỡng

Thép không gỉ – inox là tên gọi chung của một nhóm lớn các hợp kim màu có khả năng chống gỉ. Không giống như các hợp kim sắt khác, thép không gỉ – inox có lớp thụ động ổn định giúp bảo vệ nó khỏi không khí và độ ẩm. Khả năng chống gỉ này làm cho nó trở thành sự lựa chọn tốt cho nhiều ứng dụng, bao gồm sử dụng ngoài trời, nước, dịch vụ thực phẩm và sử dụng ở nhiệt độ cao.

Thép không gỉ – inox được sản xuất như thế nào?

Thép không gỉ – inox có thể được đúc hoặc rèn. Sự khác biệt chính là ở cách nó được hình thành thành sản phẩm cuối cùng. Thép không gỉ – inox đúc được chế tạo bằng cách đổ kim loại lỏng vào thùng đúc có hình dạng cụ thể. Thép không gỉ – inox rèn bắt đầu tại một nhà máy thép, nơi các máy đúc liên tục chế tạo thép không gỉ – inox thành thỏi, phôi, phôi hoặc tấm. Những nguyên liệu sản xuất thô này sau đó phải được định hình bằng công việc tiếp theo. Chúng được hâm nóng và làm lại bằng kỹ thuật lăn hoặc đóng búa.

Các sản phẩm thép không gỉ – inox rèn phổ biến hơn các sản phẩm thép không gỉ – inox đúc.

Các vật thể bằng thép không gỉ – inox đúc thường được chế tạo và hoàn thiện trong xưởng đúc hoặc dưới sự giám sát của xưởng đúc. Nếu chúng là một bộ phận nhỏ của một sản phẩm lớn hơn thì vật đúc có thể được chuyển đến các nhà máy khác để lắp ráp. Thép không gỉ – inox rèn bắt đầu tại một nhà máy thép nhưng được chuyển thành sản phẩm cuối cùng tại một nhà máy khác.

Thép không gỉ – inox được làm bằng gì?

Giống như tất cả các loại thép, thép không gỉ – inox bắt đầu bằng hỗn hợp sắt và carbon. Điều làm nên sự khác biệt của dòng hợp kim này là thép không gỉ – inox cũng có tối thiểu 10,5% crôm. Nguyên tố này mang lại cho thép không gỉ – inox khả năng chống oxy hóa đặc trưng. Khi thép không gỉ – inox tiếp xúc với khí quyển, crom kết hợp với oxy tạo thành một lớp thụ động hóa mỏng, ổn định của crom (III) oxit (Cr). Lớp thụ động bảo vệ thép bên trong khỏi bị oxy hóa và nhanh chóng phục hồi nếu bề mặt bị trầy xước.

Lớp thụ động này khác với lớp mạ. Một số kim loại được mạ kẽm, crom hoặc niken để bảo vệ bề mặt. Trong những trường hợp đó, lợi ích của lớp phủ sẽ bị mất đi khi vết xước xuyên qua lớp mạ. Chất crom bên trong thép không gỉ – inox mang lại nhiều lợi ích hơn cho việc bảo vệ bề mặt này. Nó tạo ra lớp màng thụ động bất cứ khi nào nó tiếp xúc với không khí. Vì vậy, ngay cả khi inox bị trầy xước sâu thì lớp thụ động cũng sẽ tự lành lại.

Các loại thép không gỉ – inox

Có một số “họ” thép không gỉ – inox. Mỗi họ này có tỷ lệ sắt, crom và carbon khác nhau. Một số có các nguyên tố khác, như niken, molypden, mangan hoặc đồng. Đặc tính của các loại thép này thay đổi theo hàm lượng, khiến đây trở thành nhóm hợp kim linh hoạt.

Các cấp độ đưa ra gợi ý về họ của một loại thép không gỉ – inox cụ thể. Các nhóm phổ biến nhất là:

• Nhóm Ferritic: 430, 444, 409
• Nhóm Austenitic: 304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• Nhóm Martensitic: 420, 431, 440, 416
• Nhóm Duplex: 2304, 2205

Đôi khi, các kỹ sư lựa chọn giữa các hợp kim cùng loại, như trong hai loại thương mại phổ biến là thép không gỉ – inox austenit, inox 304 so với inox 316 . Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng. Hệ thống ống xả ô tô thường lựa chọn giữa inox 304 và inox 409. Lò nướng thịt nướng có thể được làm bằng inox 304 hoặc inox 430.

Thép không gỉ – inox có từ tính không?

Việc xác định xem kim loại có phải là thép không gỉ – inox hay không thông qua thử nghiệm nam châm đơn giản là không chắc chắn. Tính chất từ của thép không gỉ – inox thay đổi tùy theo loại và thành phần cụ thể. Trong khi các loại thép thuộc nhóm austenit (chẳng hạn như các loại trong dòng 3xx) không có từ tính do cấu trúc vi mô độc đáo của chúng, các loại thép thuộc nhóm martensitic, ferritic như 430 và nhóm duplex, kết hợp các đặc tính của nhóm austenit và ferritic, có xu hướng biểu hiện các đặc tính từ tính ở các mức độ khác nhau.

Tính chất cơ học của thép không gỉ – inox

Thép không gỉ – inox thường được chọn vì nó có khả năng chống ăn mòn nhưng nó cũng được chọn vì nó là thép. Các đặc tính như độ bền, năng suất, độ dẻo dai, độ cứng, khả năng đáp ứng với độ cứng gia công, khả năng hàn và khả năng chịu nhiệt làm cho thép trở thành kim loại cực kỳ hữu ích trong kỹ thuật, xây dựng và sản xuất, đặc biệt là xét đến giá thành của nó. Một kỹ sư xem xét tải trọng làm việc và điều kiện sử dụng trong khí không khí của thép không gỉ – inox trước khi quyết định sử dụng loại nào cho hợp lý.

Tính chất bền kéo

Tính chất kéo của kim loại được đo bằng cách kéo. Một thanh kéo đại diện phải chịu lực kéo hay còn gọi là tải trọng kéo. Khi bị hỏng, độ bền kéo, cường độ chảy, độ giãn dài và độ giảm diện tích sẽ được đo.

Độ cứng

Độ cứng là khả năng của thép chống lại sự lõm và mài mòn. Hai bài kiểm tra độ cứng phổ biến nhất là Brinell và Rockwell. Trong thử nghiệm Brinell, một quả bóng thép cứng nhỏ được ép vào thép bằng một tải trọng tiêu chuẩn và đường kính của vết ấn được đo. Thử nghiệm Rockwell đo độ sâu của vết lõm. Độ cứng có thể tăng lên ở một số kim loại bằng cách gia công nguội, còn được gọi là gia công cứng. Ở một số kim loại, độ cứng có thể tăng lên thông qua xử lý nhiệt.

Độ dẻo dai

Độ dẻo dai là khả năng của thép có tính dẻo dưới ứng suất rất cục bộ. Thép cứng có khả năng chống nứt, làm cho độ dẻo dai trở thành chất lượng được mong muốn cao được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật. Mức độ dẻo dai được xác định bằng cách sử dụng thử nghiệm động. Một thanh mẫu được khía hình chữ V để định vị ứng suất, sau đó được tác động bởi một con lắc đang dao động. Năng lượng hấp thụ khi bẻ gãy thanh mẫu được đo bằng lượng năng lượng mà con lắc mất đi. Kim loại cứng hấp thụ nhiều năng lượng hơn, trong khi kim loại giòn hấp thụ ít năng lượng hơn.

Nhóm Ferit

Nhóm ferrit chứa sắt, cacbon và 10,5–18% crom. Chúng có thể chứa các nguyên tố hợp kim khác như molypden hoặc nhôm, nhưng thường với lượng rất nhỏ. Chúng có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối (BCC)—giống như sắt nguyên chất ở nhiệt độ môi trường.

Do cấu trúc tinh thể của chúng, nhóm ferit có từ tính. Hàm lượng carbon tương đối thấp của chúng tạo ra độ bền thấp tương ứng. Những điểm yếu khác của loại ferritic bao gồm khả năng hàn kém và khả năng chống ăn mòn giảm. Tuy nhiên, chúng được ưa chuộng cho các ứng dụng kỹ thuật vì độ dẻo dai vượt trội. Nhóm Ferritic thường được sử dụng làm ống xả xe, đường dẫn nhiên liệu và trang trí kiến trúc.

Nhóm Austenit

Nhóm Austenitic có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) và được cấu tạo từ sắt, cacbon, crom và ít nhất 8% niken. Do hàm lượng crom và niken cao nên chúng có khả năng chống ăn mòn cao và không có từ tính. Giống như nhóm ferit, nhóm austenit không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt. Tuy nhiên, chúng có thể được làm cứng bằng cách gia công nguội. Hàm lượng niken cao trong nhóm austenit khiến chúng có khả năng hoạt động tốt trong các ứng dụng ở nhiệt độ thấp.

Hai loại thép không gỉ – inox phổ biến nhất là inox 304 và inox 316 đều là thuộc nhóm austenit. Động lực chính đằng sau sự phổ biến của nhóm austenit là chúng dễ dàng được tạo hình và hàn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho hoạt động sản xuất hiệu quả cao. Có nhiều phân nhóm austenit với hàm lượng cacbon khác nhau. Các đặc tính được điều chỉnh thêm bằng cách bổ sung các nguyên tố hợp kim như molypden, titan và đồng. Nhóm Austenitic thường được sử dụng để sản xuất bồn rửa nhà bếp, khung cửa sổ, thiết bị chế biến thực phẩm và bể chứa hóa chất. Chúng cũng thường được sử dụng cho đồ nội thất ngoài trời như ghế dài, cột cột bằng thép không gỉ – inox và giá để xe đạp .

Nhóm Martensitic

Nhóm Martensitic có cấu trúc tứ giác tập trung vào cơ thể (BCT). Chúng chứa 12–18% crom và có hàm lượng cacbon cao hơn (0,1–1,2%) so với nhóm austenit hoặc ferritic. Giống như cấu trúc BCC ferritic, BCT có từ tính. Nhóm Martensitic rất hữu ích trong các tình huống mà độ bền của thép quan trọng hơn khả năng hàn hoặc khả năng chống ăn mòn của nó. Điểm khác biệt chính là nhóm martensitic có thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt vì hàm lượng carbon cao. Điều này làm cho chúng hữu ích cho một số ứng dụng bao gồm các bộ phận hàng không vũ trụ, dao kéo và lưỡi dao.

Nhóm duplex

Nhóm duplex là loại thép không gỉ – inox mới nhất. Chúng chứa nhiều crôm (19–32%) và molypden (tới 5%) so với nhóm austenit, nhưng ít niken hơn đáng kể. Nhóm duplex đôi khi được gọi là austenit-ferit vì chúng có cấu trúc tinh thể lai giữa ferritic và austenit. Sự pha trộn khoảng nửa rưỡi giữa các pha austenit và ferritic trong thép không gỉ – inox duplex mang lại cho nó những lợi thế độc đáo. Chúng có khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất cao hơn các loại austenit, cứng hơn các loại ferit và mạnh hơn khoảng hai lần so với dạng nguyên chất của cả hai loại. Ưu điểm chính của thép không gỉ – inox duplex là khả năng chống ăn mòn bằng hoặc vượt quá cấp austenit trong trường hợp tiếp xúc với clorua.

Thép không gỉ – inox duplex cũng rất hiệu quả về mặt chi phí. Độ bền và khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ – inox duplex đạt được với hàm lượng hợp kim thấp hơn so với các loại austenit tương đương. Thép không gỉ – inox duplex thường được sử dụng để sản xuất các bộ phận cho các ứng dụng tiếp xúc với clorua trong ngành khử muối và hóa dầu. Chúng cũng được sử dụng trong ngành xây dựng và xây dựng cầu, bình áp lực và thanh giằng.

Góc nhìn kỹ thuật: vi cấu trúc phân tử của thép không gỉ – inox

Khi kim loại đông cứng ở trạng thái nóng chảy, chúng kết tinh và tạo thành hạt. Cấu trúc tinh thể này quyết định nhiều tính chất cơ học của kim loại. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô này.

Các loại nguyên tử trong hợp kim thay đổi cấu trúc do các phân tử được hình thành bởi các loại nguyên tử đó. Tỷ lệ phần trăm của mỗi vật liệu cũng xác định sự sắp xếp của các nguyên tử.

Nhiệt độ có ảnh hưởng sâu sắc đến hình dạng mạng tinh thể của kim loại. Các cấu trúc khác nhau bắt đầu hình thành ở nhiệt độ cụ thể. Hợp kim có các bảng pha thể hiện loại hạt nào phổ biến ở các nhiệt độ khác nhau và với tỷ lệ phần trăm khác nhau của các nguyên tố quan trọng.

Sơ đồ pha sắt-cacbon của chúng tôi minh họa cách nhiệt độ và cacbon ảnh hưởng đến sự hình thành các hạt trong thép. Nó cho thấy ba giai đoạn hình thành sắt:

>> Tham khảo các loại bu lông inox

• Ferrite, hay sắt alpha, (α) là loại hạt tiêu chuẩn được hình thành ở nhiệt độ dưới 912°C.
• Austenite, hay sắt gamma, (γ), có tinh thể hạt dày đặc hơn và xuất hiện ở nhiệt độ 912–1394°C.
• Sắt delta (δ) hình thành ở nhiệt độ trên 1395°C, trước khi sắt chuyển sang dạng lỏng ở 1538°C. Pha sắt delta gần giống với sắt α hoặc ferit hơn.

Việc bổ sung carbon ảnh hưởng đến cách các hạt thép cơ bản kết tinh, ổn định và tương tác với nhau. Nhiệt độ ảnh hưởng đến cách hấp thụ carbon. Pha austenit ở nhiệt độ cao được bão hòa cacbon với các phân tử kim loại dày đặc. Ở nhiệt độ khác, tất cả carbon không được hấp thụ. Nó tạo ra các cấu trúc phân tử khác. Ví dụ, thông thường hợp kim sắt-cacbon có chứa các phân tử xi măng Fe3C. Ở dạng nguyên chất, xi măng được phân loại là gốm: nó cứng và giòn, và nó mang lại những đặc tính này cho kim loại cuối cùng. Than chì cũng có thể hình thành ở cấp độ phân tử. Hình dạng của than chì này có thể ảnh hưởng đến cách kim loại hoạt động khi bị va đập. Các nốt than chì tròn có thể trượt qua nhau khi bị va chạm, biến dạng nhưng không gãy. Để so sánh, một kim loại có nhiều than chì dễ bong tróc có thể bị cắt dọc theo các ranh giới vảy khi bị va đập. Tốc độ làm nguội kim loại và việc kim loại được xử lý nhiệt hay gia công cũng ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng hạt.

Thép Austenitic là thép có mạng lưới austenite với γ-sắt. Trên sơ đồ pha sắt-cacbon, mạng này thường được tìm thấy ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, việc thêm niken và/hoặc mangan cho phép austenite tồn tại trong khi thép nguội. Cấu trúc vi mô austenite được gọi là “khối lập phương tâm mặt”. Các phân tử lập phương tập trung vào mặt mang lại những đặc tính đặc biệt cho kim loại.

Cấu trúc vi mô lập phương

Kim loại là một tinh thể được tạo thành từ mạng phân tử. Mỗi ô của mạng được tạo thành từ các nguyên tử. Số lượng nguyên tử trong mỗi ô mạng và cách chúng kết nối với nhau sẽ thay đổi cách mạng này hoạt động dưới sức căng. Các mạng cơ bản là nguyên thủy, lấy cơ thể làm trung tâm và lấy mặt làm trung tâm.

Thép, không có niken hoặc mangan, đạt được cấu trúc hình khối tâm mặt (FCC) ổn định trong khoảng 1.674—2.541°F. Ở nhiệt độ này, carbon trong thép thấm vào từng tế bào.

Tuy nhiên, loại thép này, khi được làm nguội theo kiểu thông thường (không được làm nguội), sẽ trở thành ferit và khối lập phương tâm khối (BCC). Nó sẽ không duy trì cấu trúc của FCC.

Mạng BCC dễ bị tổn thương trước một số loại biến dạng cơ học hơn so với các cấu trúc FCC dày đặc hơn. Chúng không có cùng số nguyên tử trong mỗi ô giữ mạng lại với nhau. Việc giữ cấu trúc FCC ngay cả ở nhiệt độ phòng giúp duy trì độ bền cao hơn của nó. Điều này thường được thực hiện với các yếu tố bổ sung được thêm vào hợp kim.

Cấu trúc vi mô của thép ferritic, austenit, martensitic và duplex

Thép Ferit là loại thép BCC thông dụng. Nó trở nên giòn ở nhiệt độ đông lạnh, mất độ bền nhanh chóng ở nhiệt độ cao và có từ tính. Các tính chất này là do dạng lập phương tâm khối (BCC).

Trong mỗi ô BCC được đóng gói “lỏng lẻo”, không phải tất cả các electron đều có thể tìm thấy và ghép đôi với các electron có spin đối diện. Chính những electron không liên kết này đã tạo ra từ tính của thép ferit. Chỉ với hai nguyên tử tăng thêm sức mạnh cho mỗi tế bào, thép ferit cũng dễ bị gãy hơn, đặc biệt là trong môi trường nóng hoặc lạnh.

Thép Austenitic là FCC ở nhiệt độ phòng do có thêm niken vào hợp kim. Thép Austenitic dẻo hơn FCC, ngay cả ở nhiệt độ đông lạnh. Nó có độ bền nhiệt cao hơn. Nó cũng không có từ tính. Những đặc tính này là do dạng tập trung vào mặt (FCC) của nó.

Tất cả các mạng đều có “hệ thống trượt” hoặc các đường cắt, trong đó mạng có thể trượt khi bị va đập mà các tế bào không bị xé toạc. Mạng hình khối có nhiều tính đối xứng và do đó có nhiều mặt phẳng trượt hơn. Có lẽ trái ngược với trực giác, tinh thể FCC được đóng gói dày đặc hơn có nhiều đường cắt hơn so với các tinh thể BCC được liên kết lỏng lẻo. Các tinh thể dày đặc trượt qua nhau dễ dàng hơn. Mỗi tế bào có trọng lượng nguyên tử và độ bền cao hơn và liên kết với nhau dễ dàng hơn.

Biến dạng dẻo ở cấp độ vi mô hỗ trợ độ dẻo của vật liệu ở cấp độ vĩ mô. Đây là lý do tại sao có phạm vi đàn hồi rộng hơn trong các cấu trúc hình khối đặt tâm vào mặt. Cấu trúc ferrit có nhiều khả năng bị vỡ khi va chạm hoặc gãy khi bị kéo căng, đặc biệt là trong môi trường đầy thách thức.

Thép không gỉ – inox Austenitic là loại thép không gỉ – inox duy nhất không bị giòn và dễ gãy trong các ứng dụng đông lạnh. Thép Austenitic giữ được phần lớn độ dẻo dai và độ giãn dài ngay cả khi ở dưới -292°F. Tính giòn ở nhiệt độ thấp là đặc trưng của thép ferit và thép duplex. Sau nhiệt độ chuyển tiếp, chúng có khả năng bị vỡ khi bị nén.

Thép Martensitic là một loại thép khác có loại hạt rất khác trên bề mặt. Những loại thép này không có cấu trúc vi mô hình khối đơn giản. Martensite được hình thành bằng cách làm nguội: làm nguội nhanh bề mặt. Cú sốc môi trường làm cho mạng tinh thể nặng lên khi nó đóng băng. Các cấu trúc vi mô Martensitic bị biến dạng, có hình tứ giác tập trung vào trung tâm và không xếp hàng đồng đều. Điều này làm cho bề mặt martensitic cứng hơn nhưng cũng giòn hơn, ngay cả ở nhiệt độ phòng.

Nhóm duplex là sự bổ sung tương đối mới cho các loại thép không gỉ – inox. Những loại thép này có sự pha trộn của các cấu trúc vi mô. Các lớp ferrite và austenite xen kẽ mang lại đặc tính vật liệu cuối cùng của cả hai. Tỷ lệ phần trăm niken và/hoặc mangan cần thiết cho thép không gỉ – inox duplex thấp hơn giúp giảm chi phí so với thép không gỉ – inox austenit.

Chăm sóc và bảo trì thép không gỉ – inox

Mặc dù thép không gỉ – inox có khả năng chống gỉ nhưng nó không thấm nước. Khả năng chống ăn mòn của nó dựa trên lớp thụ động, có thể bị xáo trộn về mặt hóa học. Muối, axit, vết xước giữ ẩm và cặn sắt có thể khiến thép không gỉ – inox dễ bị rỉ sét.

Phải cẩn thận khi lắp đặt thép không gỉ – inox: các dụng cụ bằng thép có thể thay đổi tính chất hóa học bề mặt của thép bằng cách để lại cặn sắt khiến bề mặt dễ bị tổn thương. Bất cứ nơi nào tiếp xúc với thép phải được làm sạch. Nên tránh những vết xước sâu có thể giữ ẩm.

Việc bảo trì bề mặt không gỉ không khó nhưng nên thực hiện thường xuyên nếu thép tiếp xúc với va đập, trầy xước, muối, sắt hoặc các hóa chất khác. Nội thất ngoài trời nên được chăm sóc hai lần mỗi năm.

Với việc bảo trì và chăm sóc thích hợp, các đặc tính khiến thép không gỉ – inox trở nên hấp dẫn—độ dẻo dai của thép kết hợp với khả năng chống ăn mòn và độ bóng của crom—có thể tiếp tục là tài sản không bị hỏng trong nhiều năm.

Để biết thêm thông tin về thép không gỉ – inox hoặc yêu cầu báo giá cho một dự án, vui lòng liên hệ với chúng tôi.