Hợp kim thép không gỉ chi tiết: các nguyên tố chính, đặc điểm cốt lõi và phân loại thép không gỉ

Thép không gỉ thường được phân loại thành năm nhóm: Austenitic, Ferritic, Martensitic, Duplex và Precipitation hardening. Các nhóm này là có thật, nhưng không phải là lý do khiến một mác thép hoạt động theo cách nó làm. Một mác thép nằm ở vị trí nào là do hai con số có thể tính toán từ thành phần của nó, và khả năng chống ăn mòn của nó có thể được xếp hạng bằng con số thứ ba. Một khi ba con số đó đã có trên trang, năm nhóm sẽ trở thành các vùng trên bản đồ chứ không phải là các nhãn để ghi nhớ.

Con số đầu tiên là hàm lượng crom, và nó là một ngưỡng chứ không phải là một thang đo. Cặp số thứ hai là tương đương crom và niken, quyết định cấu trúc hình thành khi nguội là ferrite, austenite, hay hỗn hợp. Con số thứ ba là chỉ số tương đương khả năng chống ăn mòn rỗ, chuyển đổi crom, molypden và nitơ thành một giá trị duy nhất có thể so sánh giữa các mác thép.

Trang này trình bày ba con số đó, cho thấy các mác thép phổ biến nằm ở đâu trên mỗi con số, và giải thích cơ chế duy nhất loại bỏ sự bảo vệ mà con số đầu tiên cung cấp: crom tạo thành màng thụ động có thể bị cacbon lấy đi tại các ranh giới hạt.

Crom là thứ làm cho hợp kim không gỉ. Trên khoảng 10,5% trong dung dịch rắn, kim loại tạo thành một màng oxit crom mỏng và liên tục trên bề mặt của nó, và màng đó là thứ phân biệt thép không gỉ với thép hợp kim thấp chỉ chứa crom. Dưới mức đó, màng không liên tục, và hợp kim bị gỉ như thép thông thường.

Ngưỡng là một tuyên bố về crom trong dung dịch chứ không phải về crom trong phân tích. Nếu crom bị kẹt trong một pha kết tủa, nó sẽ không có sẵn để tạo màng, và hợp kim sẽ hoạt động như thể nó chứa ít hơn. Sự khác biệt đó là toàn bộ chủ đề của phần cuối cùng, và nó giải thích tại sao một mác thép đáp ứng chứng nhận của nó vẫn có thể bị ăn mòn tại mối hàn.

Niken làm một việc khác. Nó không tạo ra màng, và nó không cần thiết cho khả năng chống ăn mòn trong mọi họ. Vai trò của nó là ổn định austenite, đó là lý do tại sao các mác thép Austenitic chứa 6 đến 22% niken trong phạm vi thành phần thường được bán, và tại sao các mác thép Ferritic chứa ít hoặc không có.

Crom và molypden đều ưu tiên ferrite. Niken, cacbon và mangan ưu tiên austenite. Biểu đồ Schaeffler giảm thành phần đầy đủ xuống hai con số nắm bắt các xu hướng đó, và một mác thép được đặt trên biểu đồ bằng cách tính toán cả hai.

Biểu thức cacbon giải thích một kết quả làm ngạc nhiên người mua. Hai mác thép có cùng hàm lượng niken có thể nằm ở các vùng khác nhau nếu hàm lượng cacbon của chúng khác nhau, vì cacbon hiệu quả gấp ba mươi lần niken trong việc ổn định austenite trong biểu thức này. Đó là một lý do tại sao phiên bản cacbon thấp của một mác thép không chỉ đơn giản là phiên bản sạch hơn của cùng một mác thép, và tại sao hậu tố L xuất hiện trên bản vẽ khi có liên quan đến hàn.

Hàng Austenitic mang một lưu ý mà sách giáo khoa thường bỏ qua. Một mác thép Austenitic đã ủ thì không nhiễm từ, còn mác thép đã gia công nguội thì không hoàn toàn. Gia công nguội có thể tạo ra martensite trong mác thép Austenitic không ổn định, do đó một bộ phận được kéo sâu hoặc cán nặng có thể thể hiện phản ứng từ tính mà chứng nhận ủ không dự đoán được. Một quy cách yêu cầu hành vi không nhiễm từ nên nêu rõ điều đó ở điều kiện hoàn thiện chứ không phải ở điều kiện ủ.

Ăn mòn rỗ là chế độ hỏng hóc quyết định vật liệu trong môi trường clorua, và nó phụ thuộc vào ba nguyên tố chứ không phải một. Chỉ số tương đương khả năng chống ăn mòn rỗ kết hợp chúng thành một giá trị duy nhất, và dạng tiêu chuẩn là crom cộng 3,3 lần molypden cộng 16 lần nitơ.

Con số này đặt các mác thép phổ biến trên một thang đo từ khoảng 16 đến trên 70, và thang đo này là lý do tại sao 316 được chỉ định cho địa điểm ven biển và 304 thì không.

Hai ngưỡng đáng ghi nhớ vì chúng xuất hiện trong các quy cách mua hàng. PREN ít nhất là 32 là con số thường được sử dụng để chống ăn mòn rỗ trong nước biển, và PREN từ 40 trở lên là con số thường được sử dụng cho dịch vụ có khí hydro sunfua và cho dịch vụ nước biển có rủi ro cao hơn. Đó là các giá trị sàng lọc chứ không phải là đảm bảo, và đoạn tiếp theo sẽ giải thích tại sao.

Hạn chế được nêu bởi hiệp hội công bố phép tính. PREN hữu ích cho việc xếp hạng các mác thép trong cùng một họ, và nó không thể dự đoán liệu một mác thép cụ thể có phù hợp với một ứng dụng cụ thể hay không. Một 2205 và một 904L có PREN tương tự không hoạt động giống hệt nhau, vì một loại là duplex và loại kia là austenitic, và sự so sánh chỉ có ý nghĩa giữa các mác thép có cùng cấu trúc. Nhiệt độ, độ hoàn thiện bề mặt, dòng chảy và sự hiện diện của cặn bẩn đều ảnh hưởng đến kết quả, và không có yếu tố nào trong số đó xuất hiện trong công thức.

Crom chỉ tạo màng khi nó còn trong dung dịch. Cacbon loại bỏ nó, và nó làm điều đó tại các ranh giới hạt. Khi thép không gỉ Austenitic được giữ ở nhiệt độ khoảng 500 đến 850 °C, cacbon trong hợp kim kết hợp với crom tại các ranh giới để tạo thành cacbua crom, và kim loại ngay bên cạnh mỗi cacbua sẽ bị suy giảm crom.

Vùng suy giảm hẹp và liên tục dọc theo ranh giới, do đó hợp kim giờ đây có một đường xuyên qua nó không còn là không gỉ trong khi phần lớn hạt vẫn còn. Môi trường ăn mòn tấn công đường đó, và kết quả là ăn mòn kẽ hạt, trông giống như một mối nối bị mất các cạnh chứ không phải một bề mặt bị gỉ.

Hai câu trả lời tiêu chuẩn hoạt động theo các cơ chế khác nhau. Mác thép L giảm lượng cacbon có sẵn, do đó ít cacbua có thể hình thành. Mác thép ổn định thêm titan hoặc niobi, chúng kết hợp với cacbon dễ dàng hơn crom, do đó crom vẫn còn trong dung dịch. Cả hai đều đúng, và chúng không thể thay thế cho nhau: mác thép ổn định có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn mác thép L, và mác thép L thường rẻ hơn.

Một mác thép nên được chọn theo cơ chế dự kiến sẽ làm hỏng bộ phận. Bảng liên kết cơ chế với họ và với con số dự đoán nó.

DLX cung cấp các sản phẩm thép không gỉ và hợp kim niken từ Trường Châu, Giang Tô, dưới dạng dây từ 0,025 mm, thanh tròn đến 50 mm, dải từ 0,50 mm đến 2,5 mm độ dày, và ống, tấm với các kích thước nhà máy tiêu chuẩn. Phạm vi bao gồm các họ Austenitic, Ferritic, Duplex và Precipitation hardening, cùng với các hợp kim niken được sử dụng khi mác thép không gỉ đạt đến giới hạn của nó trong môi trường clorua hoặc axit khử.

Vật liệu được cung cấp theo tiêu chuẩn ghi trên đơn đặt hàng, với chứng nhận EN 10204 3.1 theo yêu cầu và số lô có thể truy xuất nguồn gốc đến kết quả thử nghiệm. Câu hỏi hữu ích không phải là mác thép thuộc họ nào, mà là cơ chế nào dự kiến sẽ làm hỏng bộ phận và con số nào dự đoán cơ chế đó.

Bởi vì đó là mức mà màng oxit crom đủ liên tục để bảo vệ bề mặt. Dưới mức đó, màng không hoàn chỉnh và hợp kim bị gỉ như thép hợp kim thấp. Ngưỡng áp dụng cho crom trong dung dịch, do đó một hợp kim có crom đã bị cacbua tiêu thụ có thể hoạt động như thể nó ở dưới ngưỡng ngay cả khi chứng nhận nói khác.

Molypden. Mác thép 316 có thêm molypden, và molypden có trọng số 3,3 trong chỉ số chống ăn mòn rỗ, làm tăng giá trị từ khoảng 19 đối với 304 lên khoảng 27 đối với 316. Điều đó đủ để tạo ra sự khác biệt trong môi trường clorua và không đủ để đạt ngưỡng nước biển là 32, đó là lý do tại sao ứng dụng ven biển thường chuyển sang 904L, mác thép Duplex, hoặc hợp kim niken.

Ở trạng thái ủ thì có, còn ở trạng thái gia công nguội thì có thể không. Gia công nguội có thể tạo ra martensite trong mác thép Austenitic không ổn định, do đó một bộ phận được kéo sâu hoặc cán nặng có thể thể hiện phản ứng từ tính mà chứng nhận ủ không dự đoán được. Một quy cách yêu cầu hành vi không nhiễm từ nên nêu rõ điều kiện mà nó được đo lường.

Đó là sự mất crom khỏi các ranh giới hạt khi các cacbua crom hình thành trong khoảng 500 đến 850 °C. Mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt của nó đi qua phạm vi đó khi chúng nguội, do đó ranh giới trở thành một đường không còn là không gỉ trong khi phần bên trong hạt vẫn còn. Kết quả là ăn mòn kẽ hạt, và các giải pháp tiêu chuẩn là mác thép cacbon thấp hoặc mác thép ổn định.

Nó là một công cụ sàng lọc chứ không phải là phương pháp lựa chọn. Nó xếp hạng các mác thép trong cùng một họ, và nó không thể dự đoán liệu một mác thép cụ thể có phù hợp với một ứng dụng cụ thể hay không. Một mác thép Duplex và một mác thép Austenitic có giá trị tương tự không hoạt động giống hệt nhau, và nhiệt độ, độ hoàn thiện bề mặt, dòng chảy và cặn bẩn đều ảnh hưởng đến kết quả mà không xuất hiện trong công thức.

Cacbon thấp. Giới hạn cacbon giảm xuống khoảng 0,03%, làm giảm lượng cacbua crom có thể hình thành tại các ranh giới hạt trong quá trình hàn. Đó là giải pháp tiêu chuẩn cho một bộ phận chế tạo không thể ủ lại sau khi hàn, và nó có chi phí thấp hơn mác thép ổn định.

Thép không gỉ là năm họ được đặt bởi hai giá trị tương đương tính toán, được bảo vệ bởi một ngưỡng, và được xếp hạng trong môi trường clorua bởi một con số. Crom trên khoảng 10,5% trong dung dịch tạo thành màng. Các giá trị tương đương crom và niken quyết định cấu trúc là ferrite, austenite, hay hỗn hợp. Chỉ số chống ăn mòn rỗ, crom cộng 3,3 lần molypden cộng 16 lần nitơ, xếp hạng các mác thép trong một họ và đặt các ngưỡng sàng lọc là 32 và 40.

Sự bảo vệ có thể bị loại bỏ mà không làm thay đổi chứng nhận. Cacbon lấy crom từ các ranh giới hạt trong khoảng 500 đến 850 °C, và mối hàn là nơi thường xảy ra điều đó. Mác thép cacbon thấp hoặc mác thép ổn định ngăn chặn điều đó, và sự lựa chọn giữa chúng phụ thuộc vào nhiệt độ sử dụng và chi phí.

Biểu đồ Schaeffler và các biểu thức tương đương, như được công bố trong các tài liệu tham khảo về luyện kim hàn: tương đương crom = Cr + Mo + 1.5 Si + 0.5 Nb, và tương đương niken = Ni + 30 C + 0.5 Mn.

Hiệp hội Thép không gỉ Anh, tính toán chỉ số tương đương khả năng chống ăn mòn rỗ. Nguồn cho biểu thức PREN = Cr + 3.3 Mo + 16 N, phạm vi công bố cho 304, 316, 316L, 904L, 2205 và 2507, và tuyên bố rằng PREN hữu ích cho việc xếp hạng và so sánh nhưng không thể dự đoán liệu một mác thép có phù hợp với một ứng dụng nhất định hay không.

Dữ liệu so sánh PREN công bố cho thép không gỉ và hợp kim niken, cung cấp các giá trị duy nhất là 19 cho 304, 27 cho 316, 35 cho 904L, 36 cho 2205, 43 cho 2507 và 254 SMO, 46 cho AL-6XN, 51 cho hợp kim 625 và 68 cho Hastelloy C-276.

Hướng dẫn kỹ thuật công bố về ngưỡng PREN, nêu rõ rằng giá trị ít nhất là 32 được sử dụng để bảo vệ chống ăn mòn rỗ nước biển và 40 trở lên được sử dụng cho khí hydro sunfua và cho dịch vụ nước biển khắc nghiệt hơn.

Nghiên cứu công bố về sự nhạy cảm hóa của thép không gỉ Austenitic, mô tả sự kết tủa cacbua crom tại các ranh giới hạt và vùng suy giảm crom kết quả trong phạm vi nhiệt độ khoảng 500 đến 850 °C.

Tài liệu tham khảo luyện kim hàn công bố mô tả sự nhạy cảm hóa trong vùng ảnh hưởng nhiệt và việc sử dụng các mác thép cacbon thấp và ổn định để ngăn chặn nó.

EN 10088 và ASTM A240, là các tiêu chuẩn sản phẩm xác định các mác thép không gỉ được đặt tên và phạm vi thành phần được trích dẫn.

EN 10204, tài liệu kiểm tra, để định nghĩa chứng nhận 3.1 là một tài liệu mang kết quả thử nghiệm thực tế và được xác nhận bởi đại diện kiểm tra độc lập của nhà sản xuất.

Phạm vi thành phần và các giá trị tính toán trên là các số tiêu chuẩn cho các mác thép được đặt tên, và chúng không phải là giới hạn chấp nhận cho một lô hàng được giao. PREN là một chỉ số xếp hạng chứ không phải là tốc độ ăn mòn, và hai mác thép có cùng giá trị trong các họ khác nhau không hoạt động giống hệt nhau. Sự nhạy cảm hóa phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, thời gian trong phạm vi và tốc độ làm nguội, do đó một mác thép có khả năng chống ăn mòn trong một lần chế tạo có thể bị tấn công trong một lần chế tạo khác với cùng một phân tích. Giá trị thuộc tính cho một bộ phận được giao phụ thuộc vào điều kiện của nó và hướng của phép thử, và chứng nhận mô tả một mẻ nấu chứ không phải một thành phần. Các quy cách sản phẩm được sửa đổi, và phiên bản được đặt tên trên đơn đặt hàng sẽ chi phối. Không có gì trong trang này thay thế cho việc phát hành kỹ thuật hoặc cho các thử nghiệm đủ điều kiện đã thỏa thuận giữa người mua và nhà cung cấp.