Thép không gỉ Ferritic: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ Ferritic là một loại thép không gỉ được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể khối lập phương tâm khối (BCC). Loại thép này chủ yếu chứa crom là nguyên tố hợp kim chính, thường ở nồng độ từ 10,5% đến 30%. Thép không gỉ Ferritic được phân loại theo loại thép không gỉ 400 và được biết đến với tính chất từ ​​tính, khả năng chống ăn mòn vừa phải và khả năng tạo hình tốt.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ Ferritic chủ yếu được phân loại là thép không gỉ ít cacbon, với crom là nguyên tố hợp kim chiếm ưu thế. Việc bổ sung crom làm tăng khả năng chống oxy hóa và ăn mòn của thép, trong khi hàm lượng cacbon thấp làm giảm thiểu nguy cơ kết tủa cacbua, có thể dẫn đến ăn mòn giữa các hạt.

Đặc điểm chính:
- Tính chất từ ​​tính: Không giống như thép không gỉ austenit, thép ferritic vẫn giữ được tính chất từ ​​tính, khiến chúng phù hợp cho các ứng dụng có yếu tố từ tính.
- Khả năng chống ăn mòn: Mặc dù có khả năng chống ăn mòn tốt, đặc biệt là trong môi trường ăn mòn nhẹ, nhưng khả năng chống ăn mòn của chúng kém hơn so với thép austenit.
- Khả năng định hình và hàn: Thép không gỉ ferit có thể dễ dàng định hình và hàn, mặc dù phải cẩn thận để tránh bị giòn trong quá trình hàn.

Thuận lợi:
- Tiết kiệm chi phí hơn so với thép không gỉ austenit do hàm lượng niken thấp hơn.
- Khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất tốt.
- Khả năng chống oxy hóa tuyệt vời ở nhiệt độ cao.

Hạn chế:
- Độ dẻo dai thấp hơn ở nhiệt độ dưới 0.
- Khả năng hàn hạn chế so với thép austenit.
- Dễ bị ăn mòn rỗ trong môi trường clorua.

Theo truyền thống, thép không gỉ ferritic được sử dụng trong các ứng dụng ô tô, đồ dùng nhà bếp và các thành phần kiến ​​trúc do tính cân bằng của chúng và hiệu quả về mặt chi phí.

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	S43000	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 430
AISI/SAE	430	Hoa Kỳ	Cấp ferritic thường dùng
Tiêu chuẩn ASTM	A240	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép không gỉ
VI	1.4016	Châu Âu	Tương đương với AISI 430
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS430	Nhật Bản	Tính chất tương tự như AISI 430
Anh	0Cr17	Trung Quốc	Tương đương với AISI 430

Thép không gỉ Ferritic thường có các tiêu chuẩn tương đương khác nhau, nhưng sự khác biệt nhỏ về thành phần có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng. Ví dụ, trong khi AISI 430 và EN 1.4016 được coi là tương đương, các quy trình sản xuất và xử lý nhiệt cụ thể có thể dẫn đến sự thay đổi về tính chất cơ học.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cr (Crom)	10,5 - 30
Ni (Niken)	0 - 0,5
Mo (Molipden)	0 - 1.0
C (Cacbon)	0,08 tối đa
Si (Silic)	0,5 tối đa
Mn (Mangan)	1.0 tối đa
P (Phốt pho)	0,04 tối đa
S (Lưu huỳnh)	0,03 tối đa

Crom là nguyên tố hợp kim chính, cung cấp khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa. Molypden, khi có mặt, tăng khả năng chống ăn mòn rỗ, trong khi silicon cải thiện khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	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	Ủ	450 - 550MPa	65 - 80 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	200 - 300MPa	29 - 44 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	20-30%	20-30%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	80 - 90 HRB	80 - 90 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	-	40 J (ở -20°C)	30 ft-lbf (ở -4°F)	Tiêu chuẩn ASTM E23

Tính chất cơ học của thép không gỉ ferritic làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo vừa phải. Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ giãn dài cho thấy khả năng định hình tốt, trong khi các giá trị độ cứng cho thấy nó có thể chịu được sự mài mòn trong một số ứng dụng nhất định.

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	14,5 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	20 °C	500 J/kg·K	0,119 BTU/lb·°F
Điện trở suất	20 °C	0,73 µΩ·m	0,00000073 Ω·m
Hệ số giãn nở nhiệt	20 - 100 °C	10,5 x 10⁻⁶/K	5,8 x 10⁻⁶/°F

Mật độ và điểm nóng chảy cho thấy thép không gỉ ferritic có thể chịu được nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường mà tính ổn định nhiệt là rất quan trọng. Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến trao đổi nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	0-3	20 - 60 / 68 - 140	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit axetic	0 - 10	20 - 60 / 68 - 140	Tốt	Sức đề kháng vừa phải
Axit sunfuric	0 - 5	20 - 60 / 68 - 140	Nghèo	Không khuyến khích
Khí quyển	-	-	Xuất sắc	Sức đề kháng tốt

Thép không gỉ ferritic có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và một số axit hữu cơ tốt nhưng dễ bị rỗ trong môi trường clorua. So với các loại austenit như 304 và 316, thép không gỉ ferritic thường có khả năng chống ăn mòn thấp hơn, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	800 °C	1472 °F	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	900 °C	1652 °F	Có thể chịu được tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này

Thép không gỉ ferit duy trì được độ bền và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, khiến chúng phù hợp để ứng dụng trong hệ thống xả và bộ trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 600 °C có thể dẫn đến đóng cặn và suy giảm tính chất 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	ER430	Khí Argon	Tốt cho các phần mỏng
MIG	ER430	Argon + CO2	Thích hợp cho các phần dày hơn
Dán	E430	-	Cần phải làm nóng trước để tránh nứt

Thép không gỉ Ferritic có thể được hàn bằng nhiều quy trình khác nhau, nhưng thường được khuyến nghị là nên gia nhiệt trước để giảm thiểu nguy cơ nứt. Có thể cần xử lý nhiệt sau khi hàn để giảm ứng suất và cải thiện độ dẻo dai.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép không gỉ Ferritic	AISI 1212 (Tiêu chuẩn)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	50	100	Khả năng gia công vừa phải
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 - 50 m/phút	80 - 100 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Thép không gỉ Ferritic có khả năng gia công ở mức trung bình, đòi hỏi dụng cụ và tốc độ cắt cụ thể để đạt được kết quả tối ưu. Nên sử dụng dụng cụ cacbua để nâng cao hiệu suất.

Khả năng định hình

Thép không gỉ Ferritic có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, chúng có thể bị tôi cứng khi gia công, có thể hạn chế mức độ biến dạng. Nên tuân thủ bán kính uốn cong được khuyến nghị để tránh nứt.

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 - 900 / 1472 - 1652	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm ứng suất, cải thiện độ dẻo dai
Giảm căng thẳng	600 - 700 / 1112 - 1292	1 giờ	Không khí	Giảm ứng suất dư

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ có thể ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của thép không gỉ ferritic, tăng cường độ dẻo và giảm ứng suất bên trong. Các biến đổi luyện kim trong quá trình xử lý này có thể dẫn đến cải thiện các tính chất cơ học.

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 (Tóm tắt)
Ô tô	Hệ thống xả	Chống ăn mòn, chịu nhiệt	Tiết kiệm chi phí và bền bỉ
Ngành kiến ​​​​trúc	Mặt tiền và mái nhà	Tính thẩm mỹ, khả năng chống chịu thời tiết	Hoàn thiện hấp dẫn và độ bền cao
Đồ dùng nhà bếp	Bồn rửa và đồ nấu nướng	Vệ sinh, chống ăn mòn	Dễ dàng vệ sinh và bảo trì

• Ô tô: Được sử dụng trong hệ thống xả vì có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn.
• Kiến trúc: Thường được sử dụng ở mặt tiền và mái nhà vì tính thẩm mỹ và khả năng chống chịu thời tiết.
• Đồ dùng nhà bếp: Thích hợp cho bồn rửa và đồ nấu nướng vì tính vệ sinh và dễ bảo trì.

Thép không gỉ Ferritic được lựa chọn cho các ứng dụng này vì chúng cân bằng giữa chi phí, hiệu suất và tính thẩm mỹ.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép không gỉ Ferritic	AISI 304 (Cấp thay thế 1)	AISI 316 (Cấp độ thay thế 2)	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Sức mạnh vừa phải	Độ bền cao	Độ bền cao	Ferritic rẻ hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Công bằng trong Clorua	Xuất sắc	Xuất sắc	Ferritic có sức đề kháng kém hơn
Khả năng hàn	Vừa phải	Xuất sắc	Tốt	Ferritic cần được chăm sóc nhiều hơn
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	Ferritic dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Tốt	Ferritic có những hạn chế
Chi phí tương đối xấp xỉ	Thấp hơn	Cao hơn	Cao hơn	Tiết kiệm chi phí cho nhiều mục đích sử dụng
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Rất phổ biến	Chung	Ferritic có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép không gỉ ferritic, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu hiệu suất cụ thể. Mặc dù có đặc tính cơ học và khả năng chống ăn mòn tốt, nhưng nó có thể không phù hợp với mọi môi trường, đặc biệt là những môi trường có mức độ tiếp xúc với clorua cao.

Tóm lại, thép không gỉ ferritic đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau do sự kết hợp độc đáo của các đặc tính. Hiểu được các đặc điểm, ưu điểm và hạn chế của nó là điều cần thiết để đưa ra quyết định lựa chọn vật liệu sáng suốt trong các ứng dụng kỹ thuật.