Tiểu luận Vật liệu học và xử lí - Đề tài: Thép không gỉ

Nội dung text: Tiểu luận Vật liệu học và xử lí - Đề tài: Thép không gỉ

1. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ MỤC LỤC Phần I. Giới thiệu2 Phần II. Thép không gỉ3 1. Sự ăn mòn kim loại và phân loại5 2. Đánh giá ăn mòn kim loại6 3. Nguyên nhân gỉ của thép và nguyên lý chế tạo thép không gỉ6 Phần III. Tính chất và công dụng của một số nhóm thép không gỉ8 1. Thép không gỉ mactenxit 8 2. Thép không gỉ ferit 9 3. Thép không gỉ austenitic 11 4. Thép không gỉ austenit – ferit 14 5. Thép không gỉ austenit – mactenxit 15 6. Tóm tắt 16 Phần IV. Quy trình sản xuất thép không gỉ 17 Nguyên vật liệu 17 Nấu chảy 17 Cán nóng – Cán nguội thép không gỉ 18 Ủ – Tẩy gỉ thép không gỉ 19 Hoàn thiện thành phẩm thép không gỉ 19 Phần V. Chọn lựa thép không gỉ 21 1. Tính chống ăn mòn 22 2. Cơ tính và lý tính 24 3. Tính công nghệ 24 4. Tính kinh tế 24 Phần VI. Tài liệu Tham khảo 25 GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 1
2. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ II. THÉP KHÔNG GỈ ❖ Nhóm thép không gỉ Nhóm thép không gỉ, hình thành từ họ thép hợp kim, được khởi nguồn từ năm 1913 tại Sheffield, nước Anh; Harry Brearley đã thử một số hợp kim để làm thép nòng súng. Ông nhận thấy một số mẫu cắt không thấy bị gỉ và thực tế rất khó tẩm thực. Khi Ông tìm hiểu sâu về vật liệu kì thú này, thấy rằng thép có chứa 13% Cr. Kết quả này dẫn đến phát triển của dao kéo từ thép không gỉ và cũng từ đây, Sheffield trở nên nổi tiếng. Công trình phát triển ngẫu nhiên này cũng đã được thực hiện ở Pháp cùng khoảng thời gian đó đã làm cho sự phát triển tột đỉnh của họ thép không gỉ austenit đầu tiên này. Tiêu thụ thép không gỉ trên thế giới ngày càng gia tăng. Đó là sự tăng trưởng nhu cầu về xây dựng và công trình công nghiệp – nơi mà thép không gỉ được sử dụng để làm trang trí và chống gỉ, yêu cầu về bảo dưỡng thấp và có độ bền. Rất nhiều ngành công nghiệp khác đang chấp nhận thép không gỉ vì các lý do trên cũng như nó không có nhiều đòi hỏi về xử lý sản phẩm, sơn phủ khi được đem sử dụng, chỉ có điều là giá thành của nó cao hơn thép Carbon thường. Minh chứng cho sự ứng dụng rộng rãi là các nhà sản xuất đồ gia dụng, họ là những nhà cung cấp ngày càng tăng sản phẩm, về mặt truyền thống biết đến là “hàng trắng-whitegoods”, được sản xuất từ thép không gỉ. ❖ Họ thép không gỉ: Thép không gỉ là hợp kim cơ sở sắt có chứa tối thiểu 10.5%Cr; Cr sẽ tạo lớp Oxyt bảo vệ thụ động, đó là lý do vì sao nhóm thép này có tính chất đặc trưng “không gỉ” hay chống ăn mòn. Khả năng của lớp oxyt là tính tự “hàn gắn - self heal”, nghĩa là thép có khả năng chịu ăn mòn, cho dù phần bề mặt tiếp tục bị hao mòn. Đây là điều không đúng đối với thép Carbon thường và hợp kim thấp khi mà chúng được bảo vệ ăn mòn nhờ lớp phủ kim loại như kẽm Zn hoặc cadmi Cd hoặc lớp phủ vô cơ như sơn. Mặc dù tất cả các loại thép không gỉ phụ thuộc vào sự có mặt của Cr, các kim loại khác được bổ sung để tăng cường các tính chất của chúng. Sự phân loại thép không gỉ không theo tên kim loại chính mà dựa vào cấu trúc luyện kim (metallurgical GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 3
3. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ 1. Sự ăn mòn kim loại và phân loại: Ăn mòn kim loại là sự phá hủy chúng do tác dụng điện hóa (có dòng điện) hay (thuần) hóa học (không có dòng điện) của môi trường xung quanh. Ăn mòn hóa học còn gọi là ăn mòn khô, do phản ứng hóa học của kim loại với môi trường xung quanh chứa chất xâm thực như oxy, clo, lưu huỳnh mà trường hợp điển hình nhất là sự oxy hóa củ kim loại khi nung ở nhiệt độ cao. Ăn mòn điện hóa là loại ăn mòn phổ biến nhất, gây tác hại nhất và được nghiên cứu nhiều nhất, là sự ăn mòn kim loại trong môi trường chất điện giải (điện phân, điện ly) trong đó sự oxy hóa (hòa tan, phá hủy) của nguyên tử kim loại, sự khử của chất oxy hóa không phải xảy ra chỉ trong một phản ứng trực tiếp, là quá trình diễn biến phức tạp, song có thể coi rằng trong quá trình này kim loại hoạt động như một pin hay vi pin (ta gọi là pin ăn mòn cục bộ). Nói chung bản thân các kim loại và các tạp chất, tổ chức chứa trong chúng có điện thế điện cực khác nhau, cho nên khi nhúng vào dung dịch điện giải chúng tạo nên các vi pin, tùy thuộc hiệu số điện thế giữa các cực và số lượng vi pin mà tốc độ ăn mòn có thể nhanh hay chậm. Khi tiếp xúc với dụng dịch điện giải, các ion kim loại có xu hướng chuyển vào dung dịch và do đó để lại những điện tử thừa trong kim loại. Trên lớp bề mặt kim loại xuất hiện lớp điện tích kép và có điện thế nhất định gọi là điện thế điện cực. Điện thế điện cực (tiêu chuẩn) của một số kim loại như sau (theo V): Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu -2,37 -1,67 -0,76 -0,74 -0,44 -0,25 -0,14 -0,13 0 +0,34 Ag Pt O2 Au +0,80 +1,19 +1,23 +1,50 trong đó kim loại có điện thế âm hơn sẽ trở thành anot (bị hòa tan, phân hủy) trong các cặp vi pin. 2. Đánh giá ăn mòn kim loại: Tốc độ ăn mòn được tính bằng tổn thất khối lượng kim loại trên đơn vị bề mặt GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 5
4. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ nâng cao mạnh mẽ tính chống ăn mòn của thép và tạo ra thép không gỉ là: 1. Nâng cao điện thế điện cực của Ferit lên gần bằng điện thế điện cực của Cacbit, dòng điện ăn mòn nhỏ đi, tính chống ăn mòn tăng lên rõ rệt, hay 2. Làm cho thép có tổ chức một pha austenit hoặc ferit với thành phần đồng nhất, sẽ loại trừ sự tạo nên các cặp vi pin, tính chống ăn mòn sẽ là đồng nhất Tương ứng sẽ có hai loại thép không gỉ chủ yếu với các đặc điểm chung là: - Thành phần cacbon thấp, càng thấp lượng cacbit càng ít, tính chống ăn mòn càng tốt lên, - Thành phần crôm và hợp kim cao, mọi thép không gỉ đều có nhiều hơn 12,5%Cr, ngoài ra có thể có lượng khá lớn Ni, Mn. GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 7
5. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ 2. Thép không gỉ ferit Thép ferit có hàm lượng crom cao, thép không gỉ từ tính có hàm lượng carbon thấp. Được biết đến với độ dẻo tốt của chúng, khả năng chống ăn mòn và ăn mòn ứng suất nứt, thép Ferit thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô, đồ dùng nhà bếp và thiết bị công nghiệp. So với thép không gỉ Austenit, trong đó có một khối (FCC) cấu trúc hạt tâm mặt, thép Ferit được xác định bởi một khối (BCC) cấu trúc hạt thân làm trung tâm. Nói cách khác, cấu trúc tinh thể của thép như vậy là bao gồm một tế bào nguyên tử khối với một nguyên tử ở trung tâm. Thép Ferit không thể làm cứng hoặc tăng cường bằng cách xử lý nhiệt, nhưng có sức đề kháng tốt với ăn mòn ứng suất nứt. Chúng có thể được làm lạnh và làm mềm bằng cách ủ. Mặc dù không mạnh mẽ hoặc kháng ăn mòn như austenitic, các lớp Ferit thường có đặc tính kỹ thuật tốt hơn. Nói chung là rất để hàn, một số mác thép Ferit có thể dễ bị nhạy cảm vùng nhiệt bị ảnh hưởng bởi mối hàn và kim loại hàn nứt nóng. Hạn chế khả năng hàn. Do crôm và niken hàm lượng thấp hơn, lớp thép Ferit tiêu chuẩn thường là ít tốn kém hơn so với họ austenit. Nội dung Chromium có thể dao động 10,5-27 phần trăm, và giống như lớp Mactenxit, nói chung là ít hoặc không có nickel. Lớp đặc biệt thường bao gồm molypden, và ở một mức độ ít hơn sử dụng nhôm và titan. Hợp kim thép không rỉ Ferit nói chung có thể được phân loại trong năm nhóm, ba lớp tiêu chuẩn (nhóm 1-3 dưới đây) và hai lớp chuyên (nhóm 4 và 5 dưới đây). GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 9
6. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ chống ăn mòn. Ứng dụng cho nhóm 5 thép được tìm thấy trong môi trường ven biển và ngoài khơi ăn mòn cao. 3. Thép không gỉ austenitic Thép Austenitic là loại thép không gỉ không từ tính có chứa hàm lượng crôm và niken, và carbon mức thấp. Được biết đến với khả năng định hình và chống lại sự ăn mòn, austenitics là lớp được sử dụng rộng rãi nhất của thép không gỉ. Trong khi thép ferit có một khối (BCC) cấu trúc hạt làm trung tâm, phạm vi thép không gỉ austenitic được xác định bởi khối (FCC) cấu trúc tinh thể tâm mặt của họ, trong đó có một nguyên tử ở mỗi góc của khối lập phương và một ở giữa của mỗi mặt. Hạt này hình thành cấu trúc khi đủ số lượng của niken được thêm vào hợp kim (tám đến mười phần trăm trong 18 phần trăm hợp kim crom tiêu chuẩn). Cũng như là không từ tính, thép không gỉ austenitic không thể điều trị nhiệt. Tuy nhiên, chúng có thể được làm lạnh để cải thiện độ cứng, độ bền và khả năng chống ăn mòn ứng suất. Một giải pháp ủ (sưởi ấm đến 1.045 ° c sau đó làm nguội hoặc làm lạnh nhanh) sẽ khôi phục lại tình trạng ban đầu của hợp kim, bao gồm loại bỏ phân tách hợp kim và tái thiết lập độ dẻo sau khi làm việc lạnh. GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 11
7. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ Lớp thẳng của thép không gỉ austenitic có hàm lượng carbon tối đa 0,08 phần trăm. Lớp carbon thấp, hoặc "l" lớp, trong khi đó, chứa một hàm lượng carbon tối đa 0,03 phần trăm để tránh kết tủa carbide. - Đặc điểm: Thép austenitic là không từ tính trong điều kiện ủ, mặc dù có thể có chút từ tính khi làm lạnh. Chúng có định hình tốt và khả năng hàn, cũng như độ dẻo dai tuyệt vời, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp, hoặc đông lạnh,. Lớp austeniticcũng có một ứng suất thấp và độ bền kéo tương đối cao. Trong khi loại thép austenit đắt hơn thép không gỉ ferit, họ nói chung là bền và khả năng chống ăn mòn hơn. - Ứng dụng: Thép không gỉ austenitic được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm: Trang trí ô tô Đồ nấu nướng Thực phẩm và nước giải khát Thiết bị công nghiệp GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 13
8. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ 5. Thép không gỉ austenit – mactenxit (thép không gỉ hóa bền tiết pha) Họ thép này có những đặc điểm sau - Về thành phần và tổ chức nó rất gần với họ austenit song với lượng crôm, niken thấp hơn đôi chút (13 ÷ 17%Cr và 4 ÷ 7%Ni), có thêm Al, Cu, Mo và tổ chức austenit không thật ổn định. - Vừa có tính công nghệ vừa có cơ tính cao: rất dễ biến dạng và gia công cắt thép ở trạng thái mềm, sau đó hóa bền nó bằng hóa già ở nhiệt độ thấp nhờ đó tránh được biến dạng và ôxy hóa. Chế độ nhiệt luyện: - Nung đến 1050 °C rồi làm nguội ngoài không khí. Tổ chức nhận được là austenite, có thể gia công tạo hình bằng biến dạng dẻo và cắt gọt ở trạng thái nguội. - Nung tới nhiệt độ 750 ~ 950 °C rồi làm nguội ngoài không khí. Tổ chức nhận được gồm nền austenite và các hạt cacbit có số lượng phụ thuộc nhiệt độ nung. - Làm nguội tiếp xuống -75 ~ 0 °C (gia công lạnh) để chuyển một phần hoặc toàn bộ austenite thành martensite. - Hóa già nhân tạo ở ~ 525 °C trong 1h, cơ tính (độ bền, độ cứng) sẽ đạt giá trị cực đại nhờ tiết ra các phần tử nhỏ mịn NiAl và Ni3Al (sự hóa bền cấu trúc). Nhờ cơ tính cao họ thép này được dùng làm kết cấu máy bay. Mác thép được dùng nhiều của họ này là AISI 361 (hay còn ký hiệu là 17 – 7 PH với ý nghĩa 17%Cr, 7%Ni, còn có thêm ~1,2%Al, ~1%Mn, precipitation hardened). GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 15
9. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ IV. QUY TRÌNH SẢN XUẤT THÉP KHÔNG GỈ Nguyên vật liệu Thép không gỉ ngoài việc không chỉ là vật liệu được sử dụng rộng rãi mà còn được tái chế nhiều nhất trên toàn cầu. Ước tính, khoảng 82% thép không gỉ đang sử dụng sẽ được tái chế thành thép không gỉ mới với cùng tính chất như thép ban đầu, không bị giảm chất lượng. Trước khi đưa nguyên liệu vào quy trình xử lý tiếp theo, kiểm tra chất lượng phôi là yếu tố vô cùng quan trọng. Việc kiểm tra này đảm bảo không có bất kỳ thành phần phóng xạ có hại nào còn tồn tại trên nguyên liệu/ phế liệu. Đây cũng là giai đoạn người sản xuất có thể xác định hàm lượng các nguyên tố hợp kim nhằm phân loại, sắp xếp theo đúng loại/ mác inox phù hợp. Nấu chảy Đây là công đoạn đầu tiên trong quá trình sản xuất thép không gỉ, gồm 04 bước: 1. Nấu chảy nguyên liệu trong lò hồ quang điện (EAF – Electric Arc Furnace) Nguyên liệu/ Phế liệu (bao gồm hợp kim và không hợp kim) được nấu chảy trong lò hồ quang điện bằng cách cho điện cực carbon tiếp xúc với mảnh vụn thép không rỉ và hợp kim. Dòng điện đi qua làm nhiệt độ của hồ quang lên đến 3500 o C và nhiệt độ thép nóng chảy lên đến 1800oC. Người sản xuất có thể bổ sung thêm carbon, ferrosilicon, oxy, hoặc hỗn hợp khí đốt nhiên liệu để đẩy nhanh quá trình nguyên liệu nóng chảy. GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 17
10. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ cứng. Một số nguyên liệu này được tiếp tục gia công làm giảm độ dày thành tấm hoặc kéo thành ống hoặc dây inox gọi là cán nguội. Với sự trợ giúp của máy móc với trục làm việc có đường kính nhỏ hoặc rất nhỏ, phù hợp cho việc cán nguội các tấm thép không gỉ thành các sản phẩm đa dạng kích thước. Ủ – Tẩy gỉ thép không gỉ Giai đoạn này giúp khôi phục lại các đặc tính vật liệu sau khi cán nguội. Bằng cách xử lý nhiệt để ổn định các cấu trúc tinh thể thép vốn đã bị biến dạng hoặc xô lệch trong suốt quá trình cán. Sau đó, sản phẩm được đi qua hỗn hợp axit tẩy rửa và làm sạch với nước rửa áp suất cao nhằm lấy đi những vết gỉ. Công đoạn này giúp loại bỏ đi các khiếm khuyết của sản phẩm, và tạo ra một sản phẩm với tính chất cơ lý hoàn hảo. Ngoài ra, bước này còn giúp tạo ra lớp bảo vệ mỏng (Ô-xit Crôm) cho sản phẩm. Hoàn thiện thành phẩm thép không gỉ Sau các giai đoạn trên, thép không gỉ được cắt thành các hình dạng cụ thể và đa dạng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong đời sống. Bước này được thực hiện nhờ kĩ thuật gia công cơ khí cắt và một số dụng cụ chuyên dụng. Có thể cắt thành tấm với khổ rộng khác nhau theo tiêu chuẩn. Một số nhà sản xuất còn cắt theo kích thước hình vuông hay hình chữ nhật được đặt hàng sẵn. Thông thường, những tấm inox sẽ được bảo vệ bằng cách dán một màng nhựa lên mặt trên của thép để tránh trầy xước trong suốt quá trình vận chuyển đến khách hàng. Giai đoạn hoàn thiện GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 19
11. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ V. CHỌN LỰA THÉP KHÔNG GỈ Thép không gỉ là loại vật liệu kỹ thuật có độ bền chống ăn mòn tốt, độ bền cơ học cao, tính công nghệ trong việc gia công và chế tạo tốt. Do đó nó có thể dễ dàng đáp ứng các tiêu chí lựa chọn vật liệu như : chịu lực tốt, tuổi thọ cao, không cần bảo dưỡng nhiều Để lựa chọn đúng loại thép không gỉ, ta cần quan tâm đến bốn yếu tố sau: -Độ bền kháng ăn mòn : Đây là tiêu chí chính để đánh giá tính “ không gỉ” của vật liệu. Đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liệu ta cần xem xét đến môi trường làm việc, mật độ ăn mòn và độ bền nhiệt yêu cầu của vật liệu - Cơ tính: độ bền của vật liệu ở nhiệt độ phòng, nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. Ta sẽ kết hợp tính chống ăn mòn và độ bền của vật liệu làm cơ sở để lựa chọn. - Tính công nghệ: sau khi xem xét hai tiêu chí trên, ta xét đến tính công nghệ của thép, tức là khả năng gia công cắt, gọt, hàn,tạo hình,rèn của thép để tạo thành sản phẩm. - Tính kinh tế: ngoài các tiêu chí trên, thì tính kinh tế cũng là một tiêu chí quan trọng cần xét đến khi lựa chọn thép không gỉ. Khi xét đến tính kinh tế của các loại thép không gỉ, ta không chỉ quan tâm đến giá nguyên liệu và giá thành chế tạo mà còn phải lưu ý đến chi phí mà ta tiết kiệm được từ việc kéo dài tuổi thọ sản phẩm hay giảm chi phí bảo trì cho sản phẩm. GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 21
12. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ - Loại 410: có hàm lượng Cr thấp nhất trong 3 loại thép không rỉ thông dụng nhất; được dùng cho các kết cấu yêu cầu tính chịu lực cao, bền và tính kháng ăn mòn như ốc vít. Loại này hoạt động tốt trong môi trường khí quyển, hơi nước và trong một số môi trường hóa chất khác. - Loại 2205: có ưu điểm hơn loại 304 và 316 là khả năng chống ăn mòn mạnh gấp hai lần, đặc biệt là trong môi trường ăn mòn chloride. Ta có bảng gợi ý lựa chọn loại thép không gỉ cho một số loại môi trường: GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 23
13. TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÍ ĐỀ TÀI THÉP KHÔNG GỈ VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) Vật Liệu Học Cơ Sở - Tác giả: Nghiêm Hùng - Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội - 2002 2) 3) ép_không_gỉ 4) nhat-2018/ 5) khong-gi-va-ung-dung-15.html 6) khong-gi-inox GVHD: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC | SVTH: HUỲNH GIA HUY 25