Là thép không gỉ màu?

Một câu hỏi cơ bản trong khoa học vật liệu và ứng dụng công nghiệp là: Là thép không gỉ màu? Câu trả lời phụ thuộc vào định nghĩa của kim loại màu và hiểu biết chi tiết về thành phần hóa học của thép không gỉ, cấu trúc tinh thể, và tiêu chuẩn phân loại vật liệu.

Tại cốt lõi của nó, thép không gỉ là một hợp kim màu—nó chứa sắt (Fe) là thành phần chính của nó—nhưng crom độc đáo của nó (Cr) nội dung phân biệt nó với thép carbon và gang, mang lại cho nó khả năng chống ăn mòn đã cách mạng hóa các ngành công nghiệp từ xây dựng đến thiết bị y tế.

1. "Sắt" nghĩa là gì trong kỹ thuật vật liệu

Trong kỹ thuật và luyện kim thuật ngữ Ferrous đề cập đến kim loại và hợp kim mà thành phần chính là sắt.

Vật liệu kim loại màu điển hình bao gồm thép rèn, đúc bàn ủi, bàn là rèn và các hợp kim làm từ sắt như thép không gỉ.

Ngược lại, màu sắc kim loại là những kim loại có nguyên tố chính không phải là sắt (ví dụ: nhôm, đồng, titan, hợp kim gốc niken).

Điểm mấu chốt: sự phân loại là thành phần (gốc sắt) thay vì chức năng (ví dụ., “nó có rỉ sét không?”). Thép không gỉ là hợp kim gốc sắt và do đó thuộc họ sắt.

2. Tại sao thép không gỉ là sắt - thành phần và tiêu chuẩn

• Sắt là yếu tố cân bằng. Thép không gỉ được chế tạo với sắt là thành phần ma trận; các nguyên tố hợp kim khác được thêm vào để đạt được các đặc tính mong muốn.
  Các loại công nghiệp điển hình có chứa một phần lớn sắt với crom, niken, molypden và các nguyên tố khác có mặt dưới dạng bổ sung hợp kim có chủ ý.
• Yêu cầu về crom. Định nghĩa kỹ thuật tiêu chuẩn của thép không gỉ là hợp kim gốc sắt có chứa ít nhất ≈10,5% crom theo khối lượng, truyền đạt sự thụ động, màng bề mặt chống ăn mòn (Cr₂o₃).
  Ngưỡng crom này được quy định trong các tiêu chuẩn chính thống (ví dụ., Nhóm tài liệu ASTM/ISO).
• Phân loại tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn quốc tế phân loại thép không gỉ là thép (tức là, hợp kim gốc sắt).
  Đối với việc mua sắm và thử nghiệm, chúng được xử lý trong khuôn khổ tiêu chuẩn vật liệu sắt (phân tích hóa học, kiểm tra cơ học, thủ tục xử lý nhiệt và như vậy).

Tóm lại: không gỉ = hợp kim gốc sắt có đủ crôm để thụ động hóa; do đó không gỉ = sắt.

3. Hóa chất điển hình - lớp đại diện

Bảng dưới đây minh họa các hóa chất tiêu biểu cho thấy sắt là kim loại cơ bản (giá trị là phạm vi điển hình; kiểm tra bảng dữ liệu lớp để biết giới hạn thông số kỹ thuật chính xác).

“Cân bằng” có nghĩa là phần còn lại của hợp kim là sắt cộng với các nguyên tố vi lượng.

4. Cấu trúc tinh thể và các lớp vi cấu trúc - tại sao cấu trúc ≠ kim loại màu

Thép không gỉ được phân chia theo phương pháp luyện kim theo cấu trúc tinh thể chiếm ưu thế của chúng ở nhiệt độ phòng:

• Austenit (γ-FCC) - ví dụ., 304, 316. Không có từ tính trong điều kiện ủ, độ dẻo dai tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn, high Ni stabilizes the austenite.
• Ferit (α-BCC) - ví dụ., 430. từ tính, lower toughness at very low temperatures, good resistance to stress-corrosion cracking in some environments.
• Martensitic (distorted BCT / mactenxit) - ví dụ., 410, 420. Hardenable by heat treatment; used for cutlery, valves and shafts.
• song công (mixture α + γ) — balanced ferrite and austenite for improved strength and chloride resistance.

Quan trọng: these crystal-structure differences describe the arrangement of atoms, not the base element.

Regardless of being austenitic, ferritic or martensitic, stainless steels remain gốc sắt alloys — and therefore ferrous.

5. Phân biệt chức năng: “không gỉ” không có nghĩa là “không chứa sắt” hay “không có từ tính”

• “Stainless” refers to corrosion resistance resulting from chromium-induced passivity (Phim cr₂o₃). It does không change the fact that the metal is iron-based.
• Magnetic behaviour is không a reliable indicator of ferrous composition: some austenitic stainless steels are essentially non-magnetic in the annealed state, nhưng chúng vẫn là hợp kim sắt. Các biến thể Ni làm việc nguội hoặc thấp hơn có thể trở thành từ tính.
• Hành vi ăn mòn (khả năng chống “rỉ sét”) phụ thuộc vào hàm lượng crom, cấu trúc vi mô, môi trường và điều kiện bề mặt - không chỉ phân loại kim loại màu/kim loại màu.

6. Thực tiễn công nghiệp và ý nghĩa lựa chọn vật liệu

• Đặc điểm kỹ thuật và mua sắm. Thép không gỉ được chỉ định bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn và cấp độ thép (ASTM, TRONG, ANH TA, GB, vân vân.).
  Thử nghiệm cơ học, chấp nhận quy trình hàn, và xử lý nhiệt theo phương pháp luyện kim màu.
• Hàn và chế tạo. Thép không gỉ yêu cầu các biện pháp phòng ngừa cơ bản giống như các kim loại màu khác (làm nóng trước/làm nóng sau tùy theo loại, kiểm soát carbon để tránh sự nhạy cảm trong dòng 300, lựa chọn kim loại phụ tương thích).
• Từ tính và NDT. NDT dựa trên từ tính (hạt magie) hoạt động với các loại ferritic/martensitic nhưng không hoạt động với các loại austenit hoàn toàn trừ khi chúng được tôi cứng; kiểm tra siêu âm và thẩm thấu thuốc nhuộm là phổ biến ở các gia đình.
• Thiết kế: các kỹ sư khai thác các dòng thép không gỉ khác nhau cho các nhu cầu cụ thể (austenit cho khả năng định hình và chống ăn mòn; ferritics nơi niken phải được giảm thiểu; song công cho độ bền cao và khả năng kháng clorua).

7. Ưu điểm của thép không gỉ Ferritic

Thép không gỉ Ferritic là một họ quan trọng trong họ thép không gỉ.

Chúng là các hợp kim gốc sắt được đặc trưng bởi khối lập phương tập trung vào cơ thể. (α-Fe) cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ phòng và hàm lượng crom tương đối cao với ít hoặc không có niken.

Chống ăn mòn trong môi trường oxy hóa và xâm thực nhẹ

• Ferritic thường chứa ~12–30% crom, tạo ra crom-oxit liên tục (Cr₂o₃) phim thụ động. Điều đó mang lại khả năng chống ăn mòn và oxy hóa nói chung tốt trong không khí, nhiều môi trường khí quyển và một số phương tiện xử lý có tính xâm thực nhẹ.
• Họ thực hiện đặc biệt tốt ở những nơi vết nứt do ăn mòn ứng suất clorua (SCC) là một mối quan tâm: lớp ferritic là ít nhạy cảm hơn với SCC do clorua gây ra hơn nhiều lớp austenit,
  làm cho chúng phù hợp với một số ứng dụng hóa dầu và hàng hải nơi phải giảm thiểu rủi ro SCC.

Hiệu quả chi phí và nền kinh tế hợp kim

• Bởi vì lớp ferritic chứa ít hoặc không có niken, Họ là ít nhạy cảm hơn với biến động giá niken và nói chung chi phí thấp hơn hơn austenit (mang ni) thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tương đương trong nhiều môi trường.
  Lợi thế về chi phí này rất đáng kể đối với các ứng dụng có khối lượng lớn hoặc nhạy cảm về giá.

Độ ổn định nhiệt và khả năng chống cacbon hóa/làm giòn ở nhiệt độ cao

• Thép không gỉ Ferritic duy trì cấu trúc vi mô ferritic ổn định trong một phạm vi nhiệt độ rộng và ít bị mẫn cảm hơn (kết tủa cacbua crom giữa các hạt) hơn austenit.
• Nhiều ferrit có khả năng chống oxy hóa nhiệt độ cao tốt và được sử dụng trong hệ thống ống xả, bề mặt trao đổi nhiệt và các ứng dụng nhiệt độ cao khác.
  Một số loại ferrit (ví dụ., 446, 430) được chỉ định để sử dụng liên tục ở nhiệt độ cao vì chúng tạo thành lớp oxit bền.

Hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn (CTE)

• Giá trị CTE điển hình cho thép không gỉ ferit là ≈10–12 × 10⁻⁶ /°C, thấp hơn đáng kể so với các loại austenit thông thường (≈16–18 × 10⁻⁶ /°C).
• Độ giãn nở nhiệt thấp hơn làm giảm biến dạng nhiệt và ứng suất không khớp khi ferritic được kết hợp với vật liệu có độ giãn nở thấp hoặc được sử dụng trong dịch vụ tuần hoàn ở nhiệt độ cao (hệ thống ống xả, linh kiện lò).

Độ dẫn nhiệt tốt hơn

• Các lớp Ferritic thường có độ dẫn nhiệt cao hơn (đại khái 20–30 W/m·K) hơn các lớp austenit (~15–20 W/m·K).
  Cải thiện truyền nhiệt có lợi trong ống trao đổi nhiệt, các thành phần lò và ứng dụng cần loại bỏ nhiệt nhanh.

Tính chất từ ​​và tiện ích chức năng

• Thép không gỉ Ferit là từ tính Ở trạng thái ủ. Đây là một lợi thế khi cần có phản ứng từ tính (động cơ, che chắn từ tính, cảm biến) hoặc khi tách từ, kiểm tra và xử lý là một phần của quá trình sản xuất/lắp ráp.

Chống mài mòn tốt và ổn định bề mặt

• Một số lớp ferritic trưng bày chống mài mòn và oxy hóa tốt và duy trì độ bóng bề mặt trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao.
  Điều này làm cho chúng phù hợp cho ống xả, thành phần ống khói, và các yếu tố kiến ​​trúc trang trí trải nghiệm chu kỳ nhiệt.

Chế tạo và định hình (khía cạnh thực tế)

• Nhiều hợp kim ferritic cung cấp độ dẻo và khả năng định hình phù hợp dành cho gia công tấm và dải và có thể được tạo hình nguội mà không có cùng mức độ đàn hồi như các hợp kim có độ bền cao hơn.
  Trường hợp cần vẽ sâu hoặc tạo hình phức tạp, lựa chọn lớp phù hợp (crom thấp hơn, tính khí tối ưu) mang lại kết quả tốt.
• Do cấu trúc vi mô ferit đơn giản của chúng, sắt thép không yêu cầu ủ dung dịch sau hàn để lấy lại khả năng chống ăn mòn giống như cách mà austenit nhạy cảm đôi khi xảy ra - mặc dù việc kiểm soát quy trình hàn vẫn quan trọng.

Hạn chế và lưu ý lựa chọn

Quan điểm kỹ thuật cân bằng phải thừa nhận những hạn chế để vật liệu không bị áp dụng sai:

• Độ dẻo dai thấp hơn ở nhiệt độ rất thấp: ferritic thường có độ bền va đập kém hơn ở nhiệt độ đông lạnh so với austenit.
  Tránh sử dụng ferritic cho các ứng dụng kết cấu quan trọng ở nhiệt độ thấp trừ khi có đủ tiêu chuẩn cụ thể.
• Hạn chế về khả năng hàn: trong khi hàn là thói quen, sự phát triển của hạt và sự giòn có thể xảy ra trong các vật liệu ferritic có Cr cao nếu nhiệt đầu vào và làm mát sau hàn không được kiểm soát;
  một số chất sắt có đặc tính giòn trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt trừ khi sử dụng các quy trình thích hợp.
• Khả năng tạo hình thấp hơn đối với một số loại có hàm lượng Cr cao: hàm lượng crom cực cao có thể làm giảm độ dẻo và khả năng định hình; lựa chọn lớp phải phù hợp với hoạt động hình thành.
• Không hoàn toàn vượt trội trong việc rỗ clorua: mặc dù ferritic chống lại SCC, khả năng chống rỗ/rỗ trong môi trường chứa clorua tích cực thường được giải quyết tốt hơn với các loại austenit hoặc song công có Mo cao hơn;
  đánh giá khả năng chống rỗ bằng con số tương đương (Gỗ) nơi tiếp xúc với clorua là đáng kể.

8. So sánh với các lựa chọn thay thế không chứa sắt

Khi các kỹ sư xem xét vật liệu cho các ứng dụng chống ăn mòn, thép không gỉ là sự lựa chọn kim loại màu hàng đầu.

Tuy nhiên, kim loại màu và hợp kim (Al, hợp kim đồng, Của, Hợp kim gốc Ni, Mg, Zn) thường cạnh tranh về cân nặng, độ dẫn điện, khả năng chống ăn mòn cụ thể, hoặc khả năng xử lý.

9. Tính bền vững và tái chế

• Khả năng tái chế: thép không gỉ là một trong những vật liệu kỹ thuật được tái chế nhiều nhất; phế liệu dễ dàng được kết hợp vào các chất tan chảy mới có hàm lượng tái chế cao.
• Vòng đời: tuổi thọ dài và bảo trì thấp thường làm cho thép không gỉ trở thành một sản phẩm kinh tế, lựa chọn có tác động thấp trong suốt vòng đời của một bộ phận mặc dù chi phí trả trước cao hơn so với thép cacbon trơn.
• Mã môi trường và phục hồi: Sản xuất không gỉ ngày càng sử dụng lò hồ quang điện và nguyên liệu tái chế để giảm cường độ năng lượng và khí thải.

10. Những quan niệm sai lầm và giải thích

• “Không gỉ” ≠ “không gỉ mãi mãi.” Dưới điều kiện khắc nghiệt (vết nứt do ăn mòn ứng suất clorua, quá trình oxy hóa nhiệt độ cao, tấn công axit, ăn mòn kẽ hở, vân vân.), thép không gỉ có thể ăn mòn; chúng không trở thành kim loại màu nhờ tính không gỉ.
• Từ tính ≠ sắt: tính không từ tính ở một số loại không gỉ không làm cho chúng trở thành kim loại màu. Thuộc tính xác định là hóa học dựa trên sắt, không phải là phản ứng từ tính.
• Hợp kim niken cao so với thép không gỉ: một số hợp kim gốc niken (Inconel, Hastelloy) là kim loại màu và được sử dụng ở nơi không gỉ; chúng không phải là “thép không gỉ” ngay cả khi chúng có khả năng chống ăn mòn tương tự.

11. Phần kết luận

Thép không gỉ là Ferrous vật liệu theo thành phần và phân loại. Họ kết hợp sắt làm nguyên tố cơ bản với crom và các nguyên tố hợp kim khác để tạo ra hợp kim chống ăn mòn trong nhiều điều kiện.

Cấu trúc tinh thể (austenit, ferit, martensitic, hai mặt) xác định các đặc tính cơ và từ, nhưng thực tế cơ bản không phải là thép không gỉ có gốc sắt.

Do đó, việc lựa chọn vật liệu nên coi thép không gỉ là một thành viên của họ sắt và chọn loại và loại không gỉ thích hợp để phù hợp với môi trường sử dụng, yêu cầu chế tạo và mục tiêu vòng đời.

 

Câu hỏi thường gặp

Phải chăng đặc tính “không gỉ” của thép không gỉ có nghĩa là nó không phải là kim loại đen?

Đặc tính “không gỉ” của thép không gỉ bắt nguồn từ lớp màng oxit crom thụ động dày đặc (Cr₂o₃) hình thành trên bề mặt khi hàm lượng crom ≥10,5%; điều này không liên quan đến hàm lượng sắt.

Bất kể hành vi không gỉ của nó, miễn là sắt là thành phần chính, vật liệu được phân loại là Ferrous kim loại.

Thép không gỉ có mất tính chất sắt ở nhiệt độ cao không?

Việc phân loại kim loại màu được xác định bởi thành phần hóa học, không phải nhiệt độ.

Ngay cả khi sự biến đổi pha xảy ra ở nhiệt độ cao (Ví dụ, lớp austenit chuyển hóa thành ferit ở nhiệt độ cao), phần tử cơ bản vẫn là sắt, vì vậy nó vẫn là một kim loại màu.

Từ tính của thép không gỉ có ảnh hưởng đến việc nó là kim loại màu không?

Từ tính có liên quan đến cấu trúc tinh thể: thép không gỉ ferritic và martensitic thường có từ tính, trong khi thép không gỉ austenit ủ thường không có từ tính.

Tuy nhiên, từ tính là không tiêu chí để đánh giá là sắt - hàm lượng sắt là. Lớp không gỉ có từ tính hay không, nếu sắt là nguyên tố chính thì đó là kim loại màu.

Khả năng tái chế của thép không gỉ có liên quan đến tính chất sắt của nó không?

Đúng. Vì thép không gỉ có gốc sắt, dòng tái chế của nó tương tự như các kim loại màu khác.

Phế liệu không gỉ dễ dàng được nấu chảy lại; thép không gỉ có tỷ lệ tái chế rất cao và năng lượng tái chế thường là một phần nhỏ (theo thứ tự 20–30%) năng lượng sản xuất sơ cấp.

Điều này làm cho thép không gỉ trở thành vật liệu có giá trị cho các ứng dụng bền vững và kinh tế tuần hoàn.

Nếu thép không gỉ ferit bị ăn mòn trong một số môi trường, điều đó có nghĩa là chúng không phải là sắt?

KHÔNG. Hiệu suất ăn mòn phụ thuộc vào môi trường và thành phần; một số loại không gỉ có thể bị ăn mòn trong môi trường cụ thể, nhưng điều đó không làm thay đổi trạng thái của chúng là kim loại màu.

Ví dụ, thép không gỉ ferit có thể cho thấy sức đề kháng yếu hơn trong môi trường khử mạnh nhưng hoạt động xuất sắc trong môi trường oxy hóa.

Việc chọn loại thích hợp và xử lý bề mặt sẽ tối ưu hóa khả năng chống ăn mòn cho mục đích sử dụng.