Thép không gỉ Martensitic: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ martensitic là một loại thép không gỉ độc đáo có đặc điểm là độ bền và độ cứng cao, đạt được thông qua một quy trình xử lý nhiệt cụ thể. Được phân loại chủ yếu là thép cacbon cao, thép không gỉ martensitic thường chứa 12-18% crom và lượng cacbon khác nhau, có thể dao động từ 0,1% đến hơn 1,0%. Các nguyên tố hợp kim chính, crom và cacbon, ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của thép, dẫn đến các đặc điểm riêng biệt của nó.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ martensitic chủ yếu được biết đến với các tính chất cơ học tuyệt vời, bao gồm độ bền kéo và độ cứng cao, giúp thép này phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và khả năng chống mài mòn. Cấu trúc martensitic, được hình thành thông qua quá trình làm nguội nhanh (làm nguội) từ pha austenitic, tạo ra một loại thép có thể được làm cứng đáng kể. Loại thép này thường được sử dụng trong các ứng dụng mà độ bền và khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng, chẳng hạn như trong sản xuất dụng cụ cắt, dụng cụ phẫu thuật và nhiều thành phần khác nhau trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô.

Thuận lợi:
- Độ bền và độ cứng cao: Thép không gỉ martensitic có thể đạt được độ cứng cao, lý tưởng cho các ứng dụng cắt và chống mài mòn.
- Khả năng chống ăn mòn tốt: Mặc dù không có khả năng chống ăn mòn như thép không gỉ austenit, nhưng thép không gỉ martensitic vẫn có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở mức hợp lý trong một số môi trường nhất định.
- Có thể xử lý nhiệt: Khả năng xử lý nhiệt cho phép điều chỉnh các tính chất cơ học phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

Hạn chế:
- Độ dẻo dai thấp hơn: So với thép không gỉ austenit, thép martensitic có thể giòn hơn, đặc biệt là ở trạng thái cứng.
- Vấn đề về khả năng hàn: Thép không gỉ martensitic có thể khó hàn do dễ bị nứt và biến dạng trong quá trình hàn.
- Khả năng chống ăn mòn: Mặc dù có khả năng chống ăn mòn nhất định, nhưng chúng không phù hợp với môi trường có tính ăn mòn cao, đặc biệt là môi trường có chứa clorua.

Trong lịch sử, thép không gỉ martensitic đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu hiệu suất cao, với các ứng dụng có từ đầu thế kỷ 20 trong sản xuất dao kéo và dụng cụ phẫu thuật.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	S41000	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 410
AISI/SAE	410	Hoa Kỳ	Thường được sử dụng cho dao kéo và dụng cụ phẫu thuật
Tiêu chuẩn ASTM	A240	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm, lá và dải thép không gỉ crom và crom-niken
VI	1.4006	Châu Âu	Tương đương với AISI 410, sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS410	Nhật Bản	Tính chất tương tự như AISI 410
Tiêu chuẩn ISO	410S	Quốc tế	Chỉ định cho thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon thấp hơn

Sự khác biệt nhỏ giữa các cấp độ tương đương, chẳng hạn như sự thay đổi về hàm lượng carbon hoặc các nguyên tố hợp kim bổ sung, có thể ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính hiệu suất của thép, đặc biệt là về độ cứng, khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,08 - 1,00
Cr (Crom)	12.0 - 18.0
Ni (Niken)	0,0 - 2,0
Mo (Molipden)	0,0 - 1,0
Mn (Mangan)	0,0 - 1,0
Si (Silic)	0,0 - 1,0
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,03

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép không gỉ martensitic bao gồm:
- Cacbon (C): Tăng độ cứng và độ bền thông qua sự hình thành martensit trong quá trình xử lý nhiệt.
- Crom (Cr): Tăng khả năng chống ăn mòn và góp phần hình thành lớp oxit thụ động.
- Niken (Ni): Cải thiện độ dẻo dai và độ dai, mặc dù có hàm lượng thấp hơn so với các loại thép austenit.
- Molypden (Mo): Tăng cường khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở, đặc biệt là trong môi trường clorua.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	600 - 900MPa	87 - 130 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	400 - 700MPa	58 - 102 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	10-20%	10-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	40 - 55HRC	40 - 55HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20°C (-4°F)	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ cứng cao làm cho thép không gỉ martensitic phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống chịu tải trọng cơ học và tính toàn vẹn của cấu trúc. Khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao cũng góp phần tạo nên tính linh hoạt trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	-	7,7g/cm³	0,278 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Độ dẫn nhiệt	20°C	25 W/m·K	17,3 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	20°C	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	20°C	0,7 µΩ·m	0,0000007 Ω·ft
Hệ số giãn nở nhiệt	20-100°C	16,5 µm/m·K	9,2 µin/in·°F

Các đặc tính vật lý chính như mật độ và điểm nóng chảy rất quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi trọng lượng riêng và quản lý nhiệt. Độ dẫn nhiệt cho biết vật liệu có thể tản nhiệt tốt như thế nào, điều này rất cần thiết trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20-60 (68-140)	Hội chợ	Dễ bị rỗ
Axit sunfuric	10-30	20-60 (68-140)	Nghèo	Không khuyến khích
Axit axetic	5-20	20-60 (68-140)	Tốt	Sức đề kháng vừa phải
Nước biển	-	20-60 (68-140)	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn khe hở

Thép không gỉ martensitic có khả năng chống ăn mòn vừa phải, đặc biệt là trong môi trường có clorua, nơi nó dễ bị rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất (SCC). So với các loại austenitic, chẳng hạn như thép không gỉ 304 hoặc 316, các loại martensitic có khả năng chống chịu môi trường ăn mòn kém hơn, khiến chúng ít phù hợp hơn cho các ứng dụng hàng hải hoặc môi trường xử lý hóa chất.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	300	572	Trên nhiệt độ này, quá trình oxy hóa tăng lên
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400	752	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600	1112	Nguy cơ tăng nhiệt độ trên mức nhiệt độ này
Bắt đầu xem xét về sức bền kéo dài	500	932	Sự biến dạng có thể trở thành một vấn đề

Ở nhiệt độ cao, thép không gỉ martensitic có thể bị oxy hóa và mất các đặc tính cơ học. Nhiệt độ làm việc liên tục tối đa rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến nhiệt, vì tiếp xúc kéo dài có thể dẫn đến suy giảm tính toàn vẹn của vật liệu.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
TIG	ER410	Khí Argon	Nên làm nóng trước
MIG	ER410	Hỗn hợp Argon + CO2	Khuyến cáo xử lý nhiệt sau khi hàn
Gậy (SMAW)	E410	-	Cần kiểm soát cẩn thận

Thép không gỉ martensitic có thể khó hàn do dễ bị nứt. Việc nung nóng trước khi hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn thường là cần thiết để giảm ứng suất và ngăn ngừa khuyết tật. Việc lựa chọn kim loại phụ là rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và duy trì các đặc tính mong muốn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ Martensitic	Thép chuẩn (AISI 1212)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Yêu cầu các công cụ sắc bén
Tốc độ cắt điển hình	20-30 m/phút	40-50 m/phút	Sử dụng chất làm mát là điều cần thiết

Khả năng gia công của thép không gỉ martensitic ở mức trung bình; cần lựa chọn cẩn thận các công cụ cắt và thông số để tránh mài mòn quá mức. Nên sử dụng thép tốc độ cao hoặc các công cụ cacbua để có hiệu suất tối ưu.

Khả năng định hình

Thép không gỉ martensitic không dễ tạo hình như thép austenitic do độ bền và độ cứng cao. Có thể tạo hình nguội, nhưng phải cẩn thận để tránh nứt. Có thể tạo hình nóng nhưng cần kiểm soát nhiệt độ chính xác để duy trì các đặc tính mong muốn.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	800-1000 / 1472-1832	1-2 giờ	Không khí hoặc nước	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Làm nguội	1000-1100 / 1832-2012	-	Nước hoặc dầu	Làm cứng
Làm nguội	300-700 / 572-1292	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép không gỉ martensitic, tăng cường độ cứng và độ bền của nó trong khi cho phép điều chỉnh độ dai. Sự chuyển đổi từ austenite sang martensit trong quá trình tôi là rất quan trọng để đạt được các tính chất cơ học mong muốn.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn
Hàng không vũ trụ	Linh kiện máy bay	Độ bền cao, chống mỏi	Quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất
Thuộc về y học	Dụng cụ phẫu thuật	Khả năng chống ăn mòn, độ cứng	Cần phải khử trùng và độ bền
Ô tô	Linh kiện động cơ	Khả năng chống mài mòn, hiệu suất nhiệt độ cao	Độ tin cậy dưới áp lực
Dầu khí	Các thành phần van	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Môi trường khắc nghiệt đòi hỏi vật liệu bền

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Dao kéo: Độ cứng cao giúp giữ nguyên độ sắc bén.
- Chốt: Độ bền và khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khác nhau.
- Máy bơm và van: Độ bền trong chất lỏng ăn mòn.

Thép không gỉ martensitic được lựa chọn cho các ứng dụng này do sự kết hợp độc đáo giữa độ bền, độ cứng và khả năng chống ăn mòn vừa phải, khiến nó phù hợp với những môi trường khắc nghiệt.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ Martensitic	Thép không gỉ AISI 304	Thép không gỉ AISI 316	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Độ dẻo tốt	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời	Martensitic mạnh hơn nhưng ít dẻo hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng vừa phải	Sức đề kháng tuyệt vời	Sức đề kháng vượt trội	Martensitic ít phù hợp với môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Thách thức	Tốt	Tốt	Martensitic đòi hỏi phải cẩn thận hơn khi hàn
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	Martensitic đòi hỏi công cụ sắc bén hơn
Khả năng định hình	Giới hạn	Xuất sắc	Tốt	Martensitic ít có khả năng định hình hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Cao hơn	Chi phí thay đổi tùy theo thành phần hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Rất phổ biến	Chung	Tính khả dụng có thể ảnh hưởng đến thời gian của dự án

Khi lựa chọn thép không gỉ martensitic, cần cân nhắc các yêu cầu cụ thể về cơ học và chống ăn mòn của ứng dụng, nhu cầu hàn hoặc gia công và hiệu quả về chi phí. Các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng chuyên biệt, nhưng phải chú ý cẩn thận đến các hạn chế của nó, đặc biệt là trong môi trường ăn mòn và trong quá trình chế tạo.