Thép không gỉ

Trong ngành công nghiệp kim loại, thép không gỉ còn được gọi là thép inox hoặc inox (phát âm tiếng Việt là i-nốc), xuất phát từ tiếng Pháp inoxydable (không bị oxy hóa) là một loại hợp kim thép, có hàm lượng crôm tối thiểu 10,5% theo khối lượng và tối đa 1,2% carbon theo khối lượng.

Thép không gỉ nổi bật nhất với khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là khi tăng hàm lượng crôm. Việc bổ sung molypden giúp nâng cao khả năng chống ăn mòn trong môi trường axit và chống lại sự tấn công bởi clo trong dung dịch. Vì vậy, có nhiều loại thép không gỉ với hàm lượng crôm và molypden khác nhau để phù hợp với môi trường cụ thể. Khả năng chống ăn mòn và tính nhuộm màu của thép không gỉ, dễ bảo trì và bề mặt sáng làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng yêu cầu độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn.

Thép không gỉ có thể được cuộn thành tấm, lá, thanh, dây và ống, được sử dụng trong: dụng cụ nấu ăn, dao, dụng cụ phẫu thuật, dụng cụ chính; vật liệu xây dựng cho các công trình lớn như Tòa nhà Chrysler; thiết bị công nghiệp (ví dụ: trong nhà máy giấy, nhà máy hóa chất, xử lý nước); và các bể chứa cũng như tàu chở dầu dành cho hóa chất và thực phẩm (ví dụ: tàu chở hóa chất và tàu chở dầu). Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ, dễ dàng vệ sinh và khử trùng bằng hơi nước mà không cần lớp phủ bề mặt, đã làm tăng tính phổ biến của nó trong các ứng dụng nhà bếp thương mại và công nghiệp thực phẩm.

Lịch sử

Thép không gỉ đã trở thành biểu tượng của sự chuyên nghiệp trong ngành công nghiệp thép, nhờ công lao của chuyên gia ngành thép người Anh Harry Brearley. Vào năm 1913, ông đã phát minh ra một loại thép đặc biệt có khả năng chịu mài mòn cao bằng cách giảm hàm lượng carbon và thêm chromi vào thành phần thép (0.24% C và 12.8% Cr).

Sau đó, hãng thép ThyssenKrupp của Đức tiếp tục nghiên cứu và phát triển loại thép này bằng cách gia tăng nickel vào hợp kim để tăng khả năng chống ăn mòn axit và làm cho thép dễ dàng hơn trong quá trình gia công. Trên nền tảng của hai phát minh này, hai loại thép 400 và 300 đã ra đời trước Thế chiến thứ nhất. Sau chiến tranh, vào những năm 20 của thế kỷ 20, chuyên gia ngành thép người Anh W. H Hatfield tiếp tục nghiên cứu và phát triển các ý tưởng về thép không gỉ. Bằng cách kết hợp tỷ lệ khác nhau giữa nickel và chromi trong thành phần thép, ông đã cho ra đời một loại thép không gỉ mới 18/8 với tỷ lệ 8% Ni và 18% Cr, đó chính là loại thép 304 phổ biến ngày nay. Ông cũng là người phát minh ra loại thép 321 bằng cách thêm titan vào thành phần thép có tỷ lệ 18/8 đã nói ở trên.

Trải qua hơn một thế kỷ phát triển, ngày nay thép không gỉ đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng với hơn 100 loại thép khác nhau.

Trong ngành luyện kim, thuật ngữ thép không gỉ (inox) được dùng để chỉ một loại hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% chromi. Dù được gọi là 'thép không gỉ', thực tế nó chỉ là hợp kim sắt không bị thay đổi màu sắc hoặc bị ăn mòn dễ dàng như các loại thép thông thường khác. Vật liệu này còn được gọi là thép chống ăn mòn. Thông thường, có nhiều cách để áp dụng inox cho các bề mặt khác nhau nhằm gia tăng tuổi thọ của sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, chúng ta có thể thấy inox xuất hiện khắp nơi, từ những chiếc dao nhọn cho đến dây đồng hồ...

Thép không gỉ có khả năng chống sự oxy hóa và ăn mòn rất cao. Tuy nhiên, việc lựa chọn đúng loại và các thông số kỹ thuật phù hợp với từng trường hợp cụ thể là vô cùng quan trọng.

Khả năng chống oxi hóa của thép không gỉ đến từ tỷ lệ chromi có trong hợp kim (ít nhất là 13% và có thể lên đến 26% trong môi trường làm việc khắc nghiệt). Chromi tạo thành lớp oxide chromi(III) rất mỏng khi tiếp xúc với không khí, giúp bảo vệ bề mặt kim loại dưới đó.

Khi các vật thể inox được kết nối bằng bu lông và đinh tán, lớp oxide có thể bị mất ở các điểm tiếp xúc này, dẫn đến hiện tượng ăn mòn khi tháo ra.

Nickel, molybden và vanadi cũng có tính chất chống oxi hóa chống gỉ tương tự nhưng không phổ biến như chromi.

Ngoài chromi, nickel, molybden và nitơ cũng có tính chất chống oxi hóa chống gỉ tương tự.

Nickel là thành phần phổ biến để tăng tính dẻo dai, dễ uốn và khả năng hình thành của thép không gỉ. Molybden (Mo) cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ trong môi trường axit. Nitơ (N) giúp duy trì tính ổn định của thép không gỉ ở nhiệt độ thấp (môi trường lạnh).

Sự kết hợp khác nhau của chromi, nickel, molybden và nitơ dẫn đến cấu trúc tinh thể khác nhau và tạo ra các đặc tính cơ lý khác nhau của thép không gỉ.

Phân loại

Có bốn loại chính của thép không gỉ: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic (Duplex) và Martensitic.

• Austenitic là loại phổ biến nhất trong các loại thép không gỉ. Các mác thép như SUS 301, 304, 304L, 316, 316L, 321, 310s… thuộc loại này, có chứa ít nhất 7% nickel, 16% chromi và tối đa 0.08% carbon. Thành phần này tạo ra khả năng chống ăn mòn cao trong nhiều phạm vi nhiệt độ, không bị ảnh hưởng bởi từ hay bị mài mòn, dễ uốn cong, dễ hàn. Thép này được sử dụng rộng rãi trong đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu biển công nghiệp, vỏ ngoài kiến trúc, và các công trình xây dựng khác…
• Ferritic là loại thép không gỉ có tính chất cơ lý tương tự như thép mềm, nhưng có khả năng chống ăn mòn cao hơn thép mềm (thép carbon thấp). Các mác thép như SUS 430, 410, 409… thuộc loại này, có chứa khoảng 12% - 17% chromi. Loại này, với 12%Cr thường được sử dụng nhiều trong kiến trúc. Loại có chứa khoảng 17%Cr được sử dụng để làm đồ gia dụng, nồi hơi, máy giặt, và các cấu trúc bên trong nhà…
• Austenitic-Ferritic (Duplex) Đây là loại thép có tính chất 'ở giữa' giữa Ferritic và Austenitic, được gọi là DUPLEX. Các mác thép như LDX 2101, SAF 2304, 2205, 253MA thuộc loại này. Thép duplex có chứa lượng nickel ít hơn so với Austenitic. Duplex có đặc tính vượt trội như độ bền cao và tính linh hoạt, thường được sử dụng trong công nghiệp dầu khí, sản xuất giấy, chế tạo tàu biển… Trong bối cảnh giá cả thép không gỉ tăng do sự khan hiếm nickel, loại thép duplex đang được ứng dụng ngày càng phổ biến để thay thế một số mác thép thuộc dòng Austenitic như SUS 304, 304L, 316, 316L, 310s…
• Martensitic Loại này có chứa khoảng 11% đến 13% Cr, có khả năng chịu lực và độ cứng tốt, chống ăn mòn ở mức độ trung bình. Thường được sử dụng để sản xuất cánh quạt, lưỡi dao…

Đặc tính của thép không gỉ

Các đặc tính của nhóm thép không gỉ có thể được nhìn từ góc độ so sánh với nhóm thép carbon thấp. Nói chung, thép không gỉ có những đặc điểm sau:

• Tốc độ hóa bền rèn cao
• Độ dẻo cao hơn
• Độ cứng và độ bền cao hơn
• Độ bền nóng cao hơn
• Chống chịu ăn mòn cao hơn
• Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn
• Phản ứng từ kém hơn (chỉ với thép austenit)
• Các tính chất này đúng với nhóm thép austenit và có thể khác nhau đối với các mác thép và nhóm thép khác.

Các tính chất này liên quan đến các lĩnh vực ứng dụng của thép không gỉ, nhưng cũng phụ thuộc vào thiết bị và phương pháp sản xuất.

Bảng 1 (Phần A). Tính chất so sánh của nhóm thép không gỉ.

(1)- Sức hút của nam châm đối với thép. Lưu ý, một số loại thép bị nam châm hút sau khi được rèn nguội.

(2)- Sự khác biệt đáng kể giữa các loại thép trong từng nhóm, ví dụ, các loại không gỉ có tính chống ăn mòn thấp hơn, và khi có hàm lượng Mo cao sẽ có khả năng chống ăn mòn cao hơn.

Bảng 1 (Phần B). Các tính chất so sánh của nhóm thép không gỉ.

(3)- Được đo bằng độ dẻo dai hoặc độ dẻo ở gần 0 °C. Thép không gỉ Austenit giữ được tính dẻo ở nhiệt độ thấp.

Phân loại theo tiêu chuẩn

Có nhiều biến thể về thép không gỉ và Học viện Gang thép Mỹ (AISI) trước đây đã đưa ra các chuẩn thành phần, vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Hiện nay, SAE và ASTM dựa trên các chuẩn của AISI để quy định các mác thép của họ, được đánh chỉ số UNS với 1 ký tự + 5 chữ số cho các mác thép mới. Phạm vi đánh chỉ số UNS mô tả rõ nhất các họ thép không gỉ được sử dụng trong Hiệp hội Gang thép (ISS) và sổ tay SEA/ASTM về hệ thống chỉ số hợp nhất. Các mác thép khác không có chỉ số chuẩn, đang được sử dụng ở các quốc gia khác hoặc theo các quy định quốc tế, hoặc quy định cho sản xuất chuyên biệt như các tiêu chuẩn về thép dây hàn.

Tính chất vật lý