Thép không gỉ: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ là vật liệu đa năng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc trưng bởi khả năng chống ăn mòn, độ bền và tính thẩm mỹ. Thép không gỉ chủ yếu được phân loại thành một số loại, bao gồm thép không gỉ austenit, ferritic, martensitic, duplex và kết tủa. Loại phổ biến nhất, thép không gỉ austenit, thường chứa một lượng đáng kể crom (ít nhất 10,5%) và niken, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học của nó.

Tổng quan toàn diện

Các nguyên tố hợp kim chính của thép không gỉ bao gồm crom, niken, molypden và đôi khi là mangan và nitơ. Crom rất quan trọng để tạo thành lớp oxit thụ động bảo vệ thép khỏi bị ăn mòn, trong khi niken cải thiện độ dẻo và độ bền. Molypden tăng cường khả năng chống ăn mòn rỗ và khe hở, đặc biệt là trong môi trường clorua.

Các đặc tính quan trọng của thép không gỉ bao gồm:

• Khả năng chống ăn mòn : Có khả năng chống lại quá trình oxy hóa và ăn mòn trong nhiều môi trường khác nhau.
• Độ bền cơ học : Độ bền kéo và độ bền chảy cao, phù hợp cho các ứng dụng kết cấu.
• Tính thẩm mỹ : Bề mặt sáng bóng, hấp dẫn và dễ bảo trì.
• Tính chất vệ sinh : Bề mặt không xốp, dễ vệ sinh, lý tưởng cho các ứng dụng thực phẩm và y tế.

Thuận lợi :
- Khả năng chống ăn mòn và chống ố màu tuyệt vời.
- Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao.
- Khả năng tạo hình và hàn tốt.
- Yêu cầu bảo trì thấp.

Hạn chế :
- Chi phí cao hơn so với thép cacbon.
- Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất trong một số môi trường nhất định.
- Độ dẫn nhiệt thấp hơn các kim loại khác.

Trong lịch sử, thép không gỉ đã đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật và sản xuất kể từ khi ra đời vào đầu thế kỷ 20, trở thành vật liệu tiêu chuẩn trong các ngành công nghiệp như xây dựng, ô tô và chế biến thực phẩm.

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	S30400	Hoa Kỳ	Thường được gọi là thép không gỉ 304.
AISI/SAE	304	Hoa Kỳ	Thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi.
Tiêu chuẩn ASTM	A240	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép không gỉ.
VI	1.4301	Châu Âu	Tương đương với AISI 304.
ĐẠI HỌC	X5CrNi18-10	Đức	Tương đương gần nhất với AISI 304.
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS304	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật Bản cho thép không gỉ 304.
Anh	06Cr19Ni10	Trung Quốc	Tương đương với AISI 304.
Tiêu chuẩn ISO	304	Quốc tế	Tên gọi tiêu chuẩn cho thép không gỉ austenit.

Sự khác biệt tinh tế giữa các loại này thường nằm ở thành phần hóa học và tính chất cơ học cụ thể của chúng, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, trong khi S30400 và 1.4301 tương đương nhau về nhiều mặt, thì sự thay đổi nhỏ về hàm lượng niken có thể ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn và khả năng tạo hình.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cr (Crom)	18.0 - 20.0
Ni (Niken)	8.0 - 10.5
C (Cacbon)	≤ 0,08
Mn (Mangan)	≤ 2.0
Si (Silic)	≤ 1.0
Mo (Molipden)	≤ 0,75
N (Nitơ)	≤ 0,10

Crom rất cần thiết cho khả năng chống ăn mòn, trong khi niken tăng cường độ bền và độ dẻo. Molypden, khi có mặt, cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ, đặc biệt là trong môi trường clorua. Mangan và nitơ cũng có thể góp phần vào độ bền và độ ổn định.

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	Ủ	Nhiệt độ phòng	520 - 750MPa	75 - 110 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	210 - 290MPa	30 - 42 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	40 - 50%	40 - 50%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	Nhiệt độ phòng	70 - 90 HB	70 - 90 HB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Ủ	-20°C	40 tháng	30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với các đặc tính giãn dài tốt, làm cho thép không gỉ phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn về mặt cấu trúc dưới tải trọng cơ học. Độ bền của nó ở nhiệt độ thấp cũng cho phép sử dụng trong các ứng dụng đông lạnh.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,93 g/cm³	0,286 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1400 - 1450 °C	2550 - 2640 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	16 W/m·K	9,3 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,72 µΩ·m	0,0000127 Ω·trong
Hệ số giãn nở nhiệt	20 - 100 °C	16,0 x 10⁻⁶/K	8,9 x 10⁻⁶/°F

Mật độ của thép không gỉ góp phần tạo nên độ bền của nó, trong khi điểm nóng chảy tương đối cao của nó cho phép sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng cho thấy tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng nhiệt, mặc dù thấp hơn thép cacbon.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3,5	20°C/68°F	Tốt	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10	25°C/77°F	Hội chợ	Dễ bị SCC
Axit axetic	5	60°C/140°F	Tốt	Sức đề kháng vừa phải
Nước biển	-	25°C/77°F	Xuất sắc	Có sức đề kháng cao

Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn khí quyển tuyệt vời và phù hợp với môi trường biển. Tuy nhiên, nó dễ bị ăn mòn cục bộ như rỗ và nứt ăn mòn ứng suất (SCC) trong môi trường giàu clorua. So với thép cacbon, thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn vượt trội, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng 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	870	1600	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	925	1700	Có thể chịu được tiếp xúc trong thời gian ngắn với nhiệt độ cao hơn
Nhiệt độ thang đo	600	1112	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền kéo dài bắt đầu từ khoảng	600	1112	Khả năng chống biến dạng giảm đáng kể ở nhiệt độ cao hơn

Thép không gỉ duy trì các đặc tính cơ học của nó ở nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng như hệ thống xả và bộ trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và đóng cặn, có thể làm giảm tính toàn vẹn của nó.

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	ER308L	Khí Argon	Tuyệt vời cho các phần mỏng
MIG	ER308L	Argon/CO2	Tốt cho các phần dày hơn
Dán	E308L	-	Thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời

Thép không gỉ thường dễ hàn, nhưng có thể cần xử lý nhiệt trước và sau khi hàn để tránh các vấn đề như nhạy cảm và nứt. Nên chọn kim loại hàn phù hợp để phù hợp với thành phần vật liệu cơ bản.

Khả năng gia công

Thông số gia công	[Thép không gỉ 304]	[AISI 1212]	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	Yêu cầu tốc độ cắt chậm hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	60 m/phút	Sử dụng các công cụ sắc nhọn để giảm thiểu sự cứng lại khi làm việc

Thép không gỉ có thể khó gia công do độ bền và đặc tính làm cứng của nó. Các điều kiện tối ưu bao gồm sử dụng các công cụ sắc bén và tốc độ cắt phù hợp để tăng khả năng gia công.

Khả năng định hình

Thép không gỉ có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, điều cần thiết là phải xem xét các hiệu ứng làm cứng khi gia công, có thể hạn chế bán kính uốn cong và đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận trong quá trình định hình.

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	1010 - 1120 / 1850 - 2050	1 - 2 giờ	Không khí hoặc nước	Giảm ứng suất, cải thiện độ dẻo dai
Giải pháp điều trị	1000 - 1100 / 1830 - 2010	30 phút	Nước	Hòa tan cacbua, tăng cường khả năng chống ăn mòn
Lão hóa	400 - 600 / 750 - 1110	1 - 2 giờ	Không khí	Tăng cường sức mạnh thông qua lượng mưa

Các quy trình xử lý nhiệt có thể thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép không gỉ, tăng cường các tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của nó. Ví dụ, ủ làm giảm ứng suất bên trong và cải thiện độ dẻo, trong khi xử lý bằng dung dịch tối ưu hóa khả năng chống ăn mòn.

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)
Chế biến thực phẩm	Thiết bị và đồ dùng	Chống ăn mòn, vệ sinh	Không phản ứng và dễ vệ sinh
Sự thi công	Thành phần cấu trúc	Sức mạnh, độ bền	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao
Ô tô	Hệ thống xả	Khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn	Chịu được nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn
Thuộc về y học	Dụng cụ phẫu thuật	Khả năng tương thích sinh học, chống ăn mòn	An toàn khi tiếp xúc với con người

Các ứng dụng khác bao gồm:

• Thiết bị xử lý hóa chất
• Ứng dụng hàng hải
• Cấu trúc kiến ​​trúc
• Đường ống dẫn dầu và khí đốt

Thép không gỉ được lựa chọn cho các ứng dụng này vì sự kết hợp độc đáo giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính thẩm mỹ, khiến nó phù hợp cho cả mục đích sử dụng chức năng và trang trí.

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

Tính năng/Thuộc tính	[Thép không gỉ 304]	[Lớp thay thế 1]	[Lớp thay thế 2]	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền kéo cao	Sức mạnh vừa phải	Độ bền cao	304 có tính linh hoạt nhưng có thể không chịu được điều kiện khắc nghiệt
Góc nhìn ăn mòn chính	Tốt trong hầu hết các môi trường	Tuyệt vời trong môi trường axit	Công bằng trong clorua	304 có khả năng chống clorua kém hơn so với 316
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Hội chợ	304 dễ hàn hơn một số loại thép có độ bền cao
Khả năng gia công	Vừa phải	Cao	Thấp	304 đòi hỏi phải gia công cẩn thận để tránh làm cứng khi làm việc
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Hội chợ	304 có thể được hình thành dễ dàng nhưng có thể làm việc cứng
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Thấp hơn	304 có hiệu quả về mặt chi phí cho nhiều ứng dụng
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Vừa phải	Thấp	304 có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau

Khi lựa chọn thép không gỉ cho một ứng dụng cụ thể, những cân nhắc như chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học và chống ăn mòn cụ thể là rất quan trọng. Trong khi thép không gỉ 304 đa năng và được sử dụng rộng rãi, các lựa chọn thay thế như 316 có thể phù hợp hơn với môi trường có mức độ tiếp xúc với clorua cao. Hiểu được sự đánh đổi giữa các cấp độ khác nhau có thể giúp các kỹ sư và nhà thiết kế đưa ra quyết định sáng suốt cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và tính khả dụng.