Thép không gỉ có phải là vật liệu sắt không? Thành phần, chủng loại và công dụng

Thép không gỉ có phải là vật liệu sắt không?

Việc hiểu liệu thép không gỉ có phải là vật liệu chứa sắt hay không bắt đầu bằng định nghĩa về “kim loại”. Trong khoa học vật liệu, kim loại đen là những kim loại có chứa sắt là thành phần chính. Theo định nghĩa chặt chẽ này, hầu hết các loại thép không gỉ thực sự là kim loại màu vì thành phần cơ bản của chúng là sắt. Tuy nhiên, thép không gỉ hoạt động rất khác so với thép cacbon thông thường về khả năng chống ăn mòn và từ tính, điều này thường dẫn đến nhầm lẫn. Để đưa ra quyết định thực tế trong kỹ thuật, sản xuất hoặc lựa chọn sản phẩm, điều cần thiết là phải phân biệt giữa thành phần, cấu trúc vi mô và hiệu suất thay vì dựa vào nhãn kim loại màu và kim loại màu đơn giản.

Điều gì tạo nên một kim loại màu?

Trong ngôn ngữ kỹ thuật thực tế, kim loại màu là bất kỳ hợp kim nào có thành phần chính là sắt (Fe). Điều này bao gồm thép cacbon trơn, thép hợp kim thấp, gang và hầu hết các loại thép không gỉ. Hàm lượng sắt cao ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất cơ học như độ bền, độ cứng và khả năng phản ứng với xử lý nhiệt. Ngược lại, kim loại màu được làm từ các nguyên tố khác như nhôm, đồng, niken, titan hoặc magie và thường thiếu đặc tính rỉ sét đặc trưng của sắt không được bảo vệ.

Thuật ngữ “kim loại” là về thành phần chứ không phải về từ tính hay sự ăn mòn. Nhiều người lầm tưởng rằng “kim loại” có nghĩa là “từ tính” hoặc “dễ bị rỉ sét”, nhưng có những hợp kim sắt không từ tính và hợp kim sắt chống ăn mòn. Thép không gỉ nằm trong không gian đầy sắc thái này: nó có gốc sắt và do đó có chứa sắt, nhưng nó được thiết kế đặc biệt để chống ăn mòn và có thể có từ tính hoặc không từ tính tùy thuộc vào cấu trúc bên trong của nó.

Thép không gỉ được cấu tạo và phân loại như thế nào

Thép không gỉ không phải là một vật liệu đơn lẻ mà là một họ hợp kim gốc sắt chứa tối thiểu khoảng 10,5% crom, cùng với lượng nguyên tố khác nhau như niken, molypden, mangan, nitơ và cacbon. Crom rất quan trọng vì nó tạo thành một màng oxit mỏng, ổn định trên bề mặt, bảo vệ hợp kim khỏi bị rỉ sét nhanh chóng và mang lại cho thép không gỉ khả năng chống ăn mòn đặc trưng. Các nguyên tố hợp kim bổ sung được chọn để tăng cường các đặc tính cụ thể như độ bền, khả năng chống lại các hóa chất cụ thể, khả năng hàn hoặc độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.

Luyện kim thép không gỉ thường được thảo luận về mặt cấu trúc vi mô. Thành phần hợp kim và phương pháp xử lý nhiệt khác nhau tạo ra các cấu trúc tinh thể khác nhau trong kim loại rắn, từ đó kiểm soát các đặc tính như từ tính và độ cứng. Các họ chính của thép không gỉ là austenit, ferritic, martensitic, duplex và làm cứng kết tủa. Tất cả chúng đều làm từ sắt và do đó có chứa sắt, nhưng chúng có thể hoạt động rất khác nhau khi sử dụng.

Các dòng thép không gỉ chính và đặc điểm của chúng

Tất cả các họ này đều có gốc sắt và do đó có chứa sắt. Sự khác biệt nằm ở cách cân bằng crom, niken, cacbon và các nguyên tố khác để đạt được cấu trúc vi mô mong muốn, từ đó chi phối khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và từ tính.

Tại sao một số loại thép không gỉ có từ tính còn số khác thì không

Từ tính là một trong những lý do chính khiến nhiều người cho rằng thép không gỉ là kim loại màu. Trong thực tế, từ tính được liên kết với cấu trúc vi mô chứ không phải trực tiếp đến việc hợp kim có phải là sắt hay không. Sắt có thể tồn tại trong các cấu trúc tinh thể khác nhau, một số có từ tính và một số thì không. Khi các nguyên tố hợp kim và xử lý nhiệt ổn định cấu trúc không từ tính, thép không gỉ thu được có thể không bị nam châm hút ngay cả khi nó vẫn chứa nhiều sắt.

Các dạng cấu trúc vi mô quan trọng liên quan đến từ tính trong thép không gỉ là austenite, ferrite và martensite. Austenit có dạng lập phương tâm mặt và nhìn chung không có từ tính, trong khi ferit và martensite là các cấu trúc lấy vật ở giữa và có tính sắt từ. Điều này giải thích tại sao các loại austenit phổ biến như 304 và 316 thường không có từ tính trong điều kiện ủ trong dung dịch, trong khi thép không gỉ ferit và martensitic hoạt động giống như thép cacbon trong từ trường.

Hành vi từ tính điển hình của các loại không gỉ thông thường

• Austenitic 304 và 316 phần lớn không có từ tính khi được ủ hoàn toàn, nhưng gia công nguội có thể tạo ra một số martensite, tạo ra phản ứng từ tính một phần, đặc biệt là ở gần các đường uốn cong và các khu vực được tạo hình nhiều.
• Các loại ferit như 409 và 430 rõ ràng có từ tính vì cấu trúc của chúng là ferit ở nhiệt độ phòng, tương tự như thép cacbon thấp.
• Các loại Martensitic như 410, 420 và 440C có từ tính mạnh và có thể được làm cứng, đó là lý do tại sao chúng được sử dụng trong các dụng cụ cắt, lưỡi tuabin và các bộ phận chịu mài mòn.
• Các lớp song công có cấu trúc vi mô kép: khoảng một nửa austenite và một nửa ferit, vì vậy chúng thể hiện lực hút từ tính đáng chú ý nhưng không quá mạnh.

Điểm thực tế quan trọng là thử nghiệm nam châm không thể phân biệt một cách đáng tin cậy “không gỉ” với “không gỉ” hoặc “kim loại” với “kim loại màu”. Thép không gỉ không từ tính vẫn có thể là sắt và hoàn toàn có khả năng bị gỉ nếu bị lạm dụng và thép không gỉ từ tính vẫn có thể chống ăn mòn cao hơn đáng kể so với thép cacbon thông thường.

Khả năng chống ăn mòn: Vật liệu không gỉ và kim loại khác

Một giả định phổ biến khác là kim loại đen bị rỉ sét trong khi thép không gỉ thì không. Thực tế có nhiều sắc thái hơn. Thép cacbon trơn bị rỉ sét nhanh chóng trong không khí ẩm vì oxit sắt hình thành xốp và không có khả năng bảo vệ, khiến cho quá trình ăn mòn tiếp tục diễn ra. Tuy nhiên, thép không gỉ chứa đủ crom để tạo thành một lớp oxit rất mỏng, bám dính và tự phục hồi, thường được gọi là màng thụ động, giúp làm chậm đáng kể sự tấn công tiếp theo. Điều này làm cho thép không gỉ bền hơn nhiều trong nhiều môi trường trong khi vẫn giữ được chất sắt về mặt kỹ thuật.

Không phải tất cả các loại thép không gỉ đều có mức độ chống ăn mòn như nhau. Các loại Austenitic và duplex thường mang lại khả năng chống chịu vượt trội trong môi trường xâm thực, chẳng hạn như khí quyển biển hoặc xử lý hóa học, đặc biệt khi được hợp kim với các nguyên tố bổ sung như molypden và nitơ. Các loại ferrit và martensitic bị hạn chế hơn nhưng vẫn vượt trội hơn các loại thép cacbon tiêu chuẩn trong nhiều trường hợp. Môi trường cụ thể, bao gồm nhiệt độ, nồng độ clorua và sự hiện diện của axit, sẽ quyết định liệu loại không gỉ nhất định có phù hợp hay không.

So sánh hành vi ăn mòn của vật liệu sắt

Sự so sánh này cho thấy rằng làm bằng kim loại không tự động có nghĩa là khả năng chống ăn mòn kém. Thép không gỉ là một ví dụ về vật liệu sắt được thiết kế đặc biệt để khắc phục các hạn chế ăn mòn điển hình của hợp kim gốc sắt.

Ý nghĩa thực tiễn: Lựa chọn thép không gỉ làm vật liệu sắt

Việc thừa nhận thép không gỉ là vật liệu kim loại có những hậu quả thực tế trực tiếp trong thiết kế, chế tạo và bảo trì. Vì được làm từ sắt nên thép không gỉ hoạt động tương tự như các loại thép khác về mật độ, mô đun đàn hồi và độ giãn nở nhiệt, giúp đơn giản hóa việc tính toán kết cấu và thiết kế cơ khí. Đồng thời, khả năng chống ăn mòn và từ tính thay đổi của nó đòi hỏi phải được xem xét cẩn thận khi sử dụng trong các ứng dụng quan trọng như chế biến thực phẩm, thiết bị y tế hoặc phần cứng hàng hải.

Khi chỉ định thép không gỉ, sẽ hữu ích hơn khi nghĩ đến khía cạnh hiệu suất cần thiết hơn là về nhãn kim loại màu. Xem xét môi trường, tải trọng cơ học, phương pháp chế tạo, yêu cầu kiểm tra và tái chế khi hết vòng đời. Trong bối cảnh đó, bản chất gốc sắt của thép không gỉ trở thành một trong nhiều thông số, ảnh hưởng đến các lựa chọn như quy trình hàn, ốc vít tương thích và kiểm soát ăn mòn điện.

Các yếu tố chính cần xem xét khi chọn loại thép không gỉ

• Môi trường sử dụng: Đánh giá khả năng tiếp xúc với clorua, axit, kiềm, nhiệt độ cao và điều kiện khô ướt theo chu kỳ vì những điều kiện này ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất ăn mòn.
• Các đặc tính cơ học cần thiết: Xác định độ bền, độ cứng, độ dẻo dai và khả năng chống mỏi cần thiết, rất khác nhau giữa các dòng thép không gỉ.
• Các yêu cầu về từ tính và chức năng: Xác định xem lực hút từ có thể chấp nhận được, không mong muốn hay cần thiết, ví dụ như trong vỏ cảm biến hoặc môi trường cộng hưởng từ.
• Quy trình chế tạo: Đánh giá cách vật liệu sẽ được cắt, tạo hình, gia công và hàn vì các loại vật liệu khác nhau có đặc tính làm cứng và khả năng hàn khác nhau.
• Chi phí và tính sẵn có: Cân bằng chi phí nguyên vật liệu, chi phí xử lý và độ tin cậy của chuỗi cung ứng với nhu cầu hiệu suất và các yếu tố an toàn.
• Khả năng tương thích với các vật liệu khác: Xem xét các cặp điện trong môi trường ẩm ướt, đặc biệt khi thép không gỉ được nối với thép cacbon, nhôm hoặc hợp kim đồng.

Tái chế và tính bền vững của thép không gỉ màu

Là vật liệu kim loại màu, thép không gỉ rất phù hợp với các dòng tái chế thép đã được thiết lập, đây là một lợi thế bền vững quan trọng. Thép không gỉ phế liệu vẫn giữ lại các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là crom và niken, khiến nó trở thành nguyên liệu có giá trị để sản xuất các sản phẩm không gỉ mới. Khả năng tái chế cao của thép không gỉ giúp giảm nhu cầu khai thác quặng thô và giảm tác động môi trường chung của nhiều dự án và sản phẩm.

Trong thực tế, thép không gỉ thường được tái chế cùng với các phế liệu kim loại màu khác, sau đó được tách ra và tinh chế bằng các công nghệ phân loại tiên tiến và quy trình nấu chảy được kiểm soát cẩn thận. Các lựa chọn thiết kế tiêu chuẩn hóa các loại đã được biết đến và tránh nhiễm bẩn bởi lớp phủ hoặc lớp lót không tương thích có thể cải thiện hơn nữa khả năng tái chế. Hiểu thép không gỉ như một phần của dòng vật liệu kim loại màu rộng hơn sẽ giúp các kỹ sư và nhà phát triển sản phẩm lập kế hoạch cho dòng nguyên liệu tuần hoàn thay vì tiêu thụ một chiều.

Câu trả lời rõ ràng: Thép không gỉ có phải là vật liệu sắt không?

Từ quan điểm luyện kim và kỹ thuật, thép không gỉ là vật liệu chứa sắt vì về cơ bản nó là hợp kim gốc sắt. Sự có mặt của lượng lớn crom và các nguyên tố hợp kim khác không làm thay đổi cách phân loại này, mặc dù nó làm thay đổi đáng kể các đặc tính như khả năng chống ăn mòn và trong nhiều trường hợp là cả từ tính. Những quan niệm sai lầm nảy sinh vì mọi người thường liên kết thuật ngữ “kim loại” với hiện tượng rỉ sét hoặc từ tính, nhưng những đặc tính này được kiểm soát bởi các yếu tố cụ thể hơn như độ ổn định của màng thụ động và cấu trúc vi mô.

Để đưa ra quyết định thực tế, việc tập trung vào loại thép không gỉ cụ thể và hiệu suất của nó trong môi trường dự kiến ​​sẽ hữu ích hơn là dựa vào nhãn rộng rãi về kim loại màu hoặc kim loại màu. Việc công nhận thép không gỉ là một hợp kim sắt chuyên dụng giúp làm rõ hành vi của nó trong các cấu trúc, sự tương tác của nó với các kim loại khác và vai trò của nó trong chu trình vật liệu bền vững, cho phép các thiết kế hiệu quả và đáng tin cậy hơn.