Trong vài chục năm gần đây, thép không gỉ ferrite cho thấy sự tăng trưởng sản xuất ổn định, do chúng được sử dụng hầu hết cho hệ thống khí xả của Ôtô. Nhóm thép 409, và thép không gỉ ferrite nói chung, cho thấy có nhiều phẩm chất hấp dẫn khi so sánh với thép không gỉ Austenite. Về giá thành, thép không gỉ ferrite có giá thấp hơn nhờ sử dụng hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp hơn.
Thép không gỉ Austenite cần có hàm lượng cao hơn về các nguyên tố hợp kim để hóa bền pha Austenite như Ni, Mn & Mo, đây là những nguyên tố đẩy giá thành lên cao. Thép không gỉ ferrite có tính chống chịu ăn mòn tốt trong hầu hết các điều kiện, chỉ có điều rằng lượng Cr phải nằm trong dung dịch (solution) nền. Trong khi thép không gỉ Austenite thường chứa 17-18%Cr hoặc cao hơn, thép không gỉ Ferrite 409 chỉ yêu cầu hàm lượng Cr tối thiểu cho tính chống ăn mòn là 11%. Hàm lượng Cr thấp hơn có nghĩa là toàn bộ hàm lượng Cr sẽ phải được giữ trong dung dịch hoặc là sẽ xuất hiện ăn mòn. Khi ở trạng thái không ổn định, thép không gỉ 409 rất nhạy với ăn mòn tinh giới (intergrnular corrosion) ở các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt trước đây tại các điểm hàn kết nối. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, bằng việc bổ sung 1 lượng Ti và/hoặc Nb có thể ngăn chặn sự tạo thành Cacbit Cr và giữ Cr ổn định trong dung dịch. Tuy nhiên, các nguyên tố bổ sung này cũng có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của cả tính tan và cả sự tiết pha.
Hình 1: Ảnh hưởng của thành phần textua {111} đến hệ số r. Khi cường dộ tuơng đối của thành tố {111} tăng thì tỉ số biến dạng trung bình cũng tăng
Hình 2: Ảnh hưởng của C đến tỷ số biến dạng trung bình
Khử bớt hàm lượng C cho thấy làm tăng tính hàn của thép F-P, được biểu thị ở giản đồ Graville (hình 3). Làm giảm hàm lượng C cũng làm giảm nhiệt độ chuyển pha dẻo – dòn (hình 4). Có thể giảm nhiệt độ DBTT bằng cách giảm kích thước hạt tinh thể trong thép, và cũng làm tăng độ bền, dẻo và biến dạng.
Hình 3:Giản đồ hàn Graville
Hình 4: Ảnh hưởng của C đến DBTT
Hình 5: Tốc độ ăn mòn của thép C phủ Al, thép không gỉ 409 và thép không gỉ Cr cao họ 416
Hình 6: Thép được sử dụng trong hệ thống xả Ôtô điển hình
Ổn định hóa
Để chống lại vấn đề nhạy cảm hóa (sensitization), C trong thép không gỉ F phải được khử qua cách tổ hợp thực tế luyện thép và và bổ sung nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với C và N. Trước tiên, các thép này được xử lý trước bằng phương pháp AOD hay VOD để giảm hàm lượng C xuống rất thấp (<0.02%). C và N trong dung dịch sau đó sẽ được khử tiếp bằng bổ sung các nguyên tố Ti và/hoặc Nb.
Ti và Nb tạo dạng Cacbonitride mà sẽ tiết pha tại nhiệt độ cao hơn và với thời gian ngắn hơn so với việc tạo thành Cacbit Cr, do đó sẽ khử hết C trong dung dịch trước khi Cacbit Cr có cơ hội tạo thành. Quá trình này được hiển thị qua đồ thị qua phần trên cùng cung động học CCP đối với sự tiết Cacbit Cr và tiết pha Cacbit vi hợp kim (Hình 12). Việc bổ sung Ti hay Nb sẽ được đề cập ở các phần sau đây, và hai phương pháp sẽ được so sánh.
a. Ổn định hóa chỉ bằng Ti
Ổn định hóa bằng Ti cho họ 409 lần đầu tiên ứng dụng trong hệ thống xả Ôtô năm 1961 đối với Ford Thunderbird. Các yêu cầu ổn định hóa ban đầu đối với hàm lựong Ti là bằng 6 lần hàm lượng C và tối thiểu là 0.75%. Những thép này dường như không hóa bền đầy đủ với mức độ O, N và S bởi công nghệ luyện thép thời bấy giờ. Chỉ khi các công nghệ AOD và VOD được giới thiệu những năm 1980, các mục độ nguyên tử xen kẽ được giảm thiểu và việc bổ sung Ti cũng đem lại hiệu quả khử. Tuy nhiên, thậm chí thép không gỉ F có mức độ nguyên tử xen kẽ thấp vẫn chịu tác động khuyết tật bề mặt phải yêu cầu đánh bóng bề mặt và làm tăng chi phí sản xuất. Năm 1990, J.B. hill nghiên cứu các khuyết tật bề mặt trong thép hóa bền chỉ bằng Ti. Cho thấy rằng bổ sung hàm lượng Ti nhiều hơn độ tan tại nhiệt độ lỏng có sự tiết TiN trong quá trình đông đặc và chúng là nguyên nhân gây ra khuyết tật. Để tránh những khuyết tật này, mức độ Ti phải thấp hơn điểm giới hạn độ tan tại nhiệt độ lỏng. Tại nồng độ này, thép sẽ không được ổn định hóa hoàn toàn. Về mặt bản chất, rõ ràng là thép phải được ổn định hóa hoàn toàn bằng cả Ti và Nb hoặc là khuyết tật bề mặt sẽ xuất hiện. Yêu cầu ổn định hóa gần đây nhất đối với thép ổn định hóa đơn là %Ti = 0.08 + 8(%C+%Ni). Đã có công bố nêu rằng tổng hàm lượng Ti nên là 0.10-0.15 trên tỷ lệ hợp thức Ti:C=4 đối với ổn định hóa đơn đối với thép không gỉ F. Giới hạn thành phần hóa học chuẩn ASTM đối với các kiểu ổn định hóa khác nhau đối với thép không gỉ 409 được cho ở bảng 1.
Bảng 1: Chuẩn ASTM đối với ổn định hóa của thép không gỉ F
b. Ổn định hóa kép bằng Ti và Nb
Chất lượng bề mặt khi có ánh sáng trong thép không gỉ ổn định hóa chỉ bằng Ti,ổn định hóa kép bằng Ti và Nb đã được phát triển. Mặc dù Nb đắt hơn rất nhiều so với tổng lượng tuơng đối của Ti, tổng chi phí sản xuất vẫn rẻ hơn do giảm chi phí mài bề mặt (hình 13). Bổ sung Ti cộng với Nb cũng cho thấy làm tăng khả năng chống chịu ăn mòn và làm tăng biến dạng dẻo. Các yêu cầu hiện tại đối với ổn định hóa kép là bổ sung Ti và Nb như thế sao cho hàm lượng thỏa mãn phương trình (Ti+Nb) = 0.08 + 8 (C + N).
Hình 13: Chi phí sản xuất bổ sung Nb tăng thêm có thể dịch bằng giảm chi phí mài bề mặt
c. Ảnh hưởng của Nb trong thép
Ngoài ảnh hưởng ổn định hóa, lượng nhỏ Nb trong thép được biết đến là nó có ảnh hưởng cả đến vi cấu trúc và cơ tính.Nb sẽ làm tăng độ bền, làm phát triển textua tốt, cải thiện chất lượng bề mặt, và làm tăng khả năng biến dạng dẻo. Lợi ích lớn nhất của Nb là triệt khả năng hồi phục, tái kết tinh và lớn hạt trong thép. Ảnh hưởng này của Nb xuất hiện cả trong dung dịch rắn và pha tiết ra. Bàn luận về Nb trong thép được nghiên cứu sâu trong bài review của A. J. DeArdo .
Hóa bền tiết pha
Trong thép không gỉ 409, hóa bề tiết pha không đóng vai trò đáng kể đến tính chất của sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên, khi tiết pha đầu tiên xảy ra trong quá trình làm nguội liên tục, các pha tiết pha tạm thời này có kích thước hạt đủ nhỏ và tỷ số thể tích lớn dẫn đên sự gia tăng nhận thấy trong độ bền thép. Điều này được sử dụng để kiểm tra biến dạng dẻo khi làm nguội liên tục để phát hiện nhiệt độ bắt đầu tiết pha. Vì lý do này, cơ bản về tiết pha sẽ được thảo luận ở đây.
Hóa bền tiết pha khởi nguồn từ nguyên gốc của nó nghĩa là từ khả năng tiết pha để ngăn chặn chuyển động của lệch. Có hai cách để lệch di chuyển qua hạt, có chế cắt Fridel hay cơ chế vòng Orowan-Ashby. Khi hạt Cacbit tạo thành trong thép, chúng thường là các hạt không biến dạng được do chúng cứng hơn pha nền F. Do đó, lệch phải tuân theo có chế vòng như ở hình 19 để vượt qua các hạt. Cố gắng để tuyên đoán ứng suất trượt cần thiết để vượt qua hạt, đã có nhiều biến thể so với phương trình gốc đề xuất bởi Orowan năm 1954 như phương trình 2.7 sau đây.
Phương trình 2.7
trong đó r là bankiinnhhs hạt và fv là tỷ phần thể tích hạt. Dẫn xuất của phương trình 2.7 được tóm tắt trong nhiều sách giáo khoa. Ứng suất trượt yêu cầu để di chuyển lệch qua các hạt được tính toán bằng giả thiết trường phân bố ngẫu nhiên, cứng, hạt không biến dạng được. Rõ ràng từ phuơng trình này hóa bền lớn nhất sẽ xảy ra khi có sự phân bố đều các hạt nhỏ.
Trong quá trình tiết pha, cả r và fv, sẽ tăng cho đến khi tất cả hàm lượng C đã tiết hết. Do vậy, quá trình hóa bền sẽ tăng lên cho đến khi kết thúc tiết pha. Sau khi tất cả C được khử khỏi dung dịch, các pha tiết lớn hơn sẽ có xu hướng phát triển tại các điểm sử dụng nhiều các hạt tiết pha nhỏ hơn. Các pha tiết pha lớn hơn sẽ trở nên thô đại và các pha tiết nhỏ hơn sẽ bị phân hủy, tổng lượng hóa bền sẽ giảm cho đến khi hiệu ứng của hạt không đáng kể.
Biên soạn và giới thiệu bởi Nguyễn Hoàng Việt.
luyệnkim.net
Các bài viết liên quan :