nghiên cứu công nghệ nấu luyện thép không gỉ mác 201

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
75
Mục lục

Mở đầu 1

Phần I - tổng quan 3

1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam 3

1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới 4

1.3. Các đặc tính của thép không gỉ. 7

1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ 7

1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ. 8

1.6. Sản xuất thép sạch 11

Phần II: Cơ sở lý thuyết 14

2.1. Các loại thép không gỉ 14

2.1.1. Thép không gỉ (austenit) 14

2.1.2. Thép không gỉ Mactenxit 17

2.1.3. Thép không gỉ Ferrit 18

2.1.4. Thép không gỉ hoá cứng tiết pha 19

2.1.4. Thép không gỉ song pha. 20

2.2. ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim 21

2.2.1 ảnh hởng của Mangan 21

2.2.2. ảnh hởng của Crôm 22

2.2.3. ảnh hởng của Niken 23

2.2.4. ảnh hởng của Môlipđen 26

2.2.5. ảnh hởng của hàm lợng Cácbon 26

2.3. ảnh hởng của tạp chất 27

2.3.1. ảnh hởng của P 27


Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
76
2.3.2. ảnh hởng của S 28

2.3.3. ảnh hởng của Oxy 28

2.3.4. ảnh hởng của Nitơ và Hiđrô 28

2.4. Tinh luyện thép ngoài lò 29

2.4.1. Mục đích tinh luyện. 29

2.4.2. Bản chất của tinh luyện 31

2.4.3. Nâng cao hiệu quả tinh luyện 32

2.4.4. Tách các sản phẩm khử Ôxy. 33

2.4.5. Độ sạch tạp chất. 35

2.5. Quá trình ăn mòn kim loại. 39

2.5.1. Ăn mòn hoá học. 39

2.5.2. ăn mòn điện hoá 40

2.5.3. Cơ chế của ăn mòn điện hoá. 41

2.5.4. Các dạng ăn mòn khác. 43

2.6. Khả năng chịu ăn mòn của thép không gỉ austenit. 43

2.6.1. ăn mòn điểm 43

2.6.2. ăn mòn tinh giới. 44

2.7. Cơ tính của thép không gỉ austenit 45

Phần III Quá trình thực nghiệm 47

3.1. Phơng án nghiên cứu 47

3.1.1 Mục đích thí nghiệm. 47

3.1.2. Phơng án thí nghiệm. 48

3.2. Quá trình nghiên cứu 49

3.2.1 Thiết bị thí nghiệm 49

3.2.2. Chuẩn bị nguyên vật liệu, tính toán phối liệu và nấu luyện 50


Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
77
3.3 Các kết quả đạt đợc. 52

3.3.1. Thành phần hoá học các mẻ luyện 52

3.3.2. Kiểm tra tính chất chịu ăn mòn của thép. 53

3.3.3. Nghiên cứu cấu trúc của thép 54

3.3.4. ảnh tổ chức tế vi của thép sau khi đúc. 63

3.3.5. ảnh tạp chất tế vi của thép sau khi đúc 65

3.3.6. Kiểm tra tính chất cơ lý của thép nghiên cứu 67

3.3.7 Sơ đồ lu trình công nghệ 68

Phần IV - Kết luận và kiến nghị 70

I. Kết luận 70

II. Kiến nghị 70

Tài liệu tham khảo 72

Phụ lục 74

Mục lục 75



Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
1
Mở đầu

Ngày nay sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật nh chế tạo Luyện kim,
Cơ khí, Xây dựng, công nghiệp Hóa học, kỹ thuật Điện và Điện tử, Giao thông
vận tải v.v đều gắn liền với vật liệu, đâu cũng cần đến vật liệu thép với tính
năng ngày càng đa dạng và chất lợng cao. Phát triển vật liệu thép đ trở thành
một trong những hớng mũi nhọn của công nghiệp cả nớc.
Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép không gỉ, điều này

không chỉ tiêu tốn một lợng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh hởng đến sự chủ
động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp. Việc tái chế lại các mác thép
không gỉ nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn h hỏng, không đạt chất lợng và
phoi thép ) nhằm tiết kiệm lớn một lợng ngoại tệ cho đất nớc và tạo công ăn
việc làm cho ngời lao động. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài Nghiên cứu công
nghệ tái chế thép không gỉ 201
Trong khuôn khổ đề tài này chúng tôi chỉ đi sâu vào nghiên cứu giải quyết
suất thu hồi những nguyên tố hợp kim quý hiếm nh Cr, Ni; Sử dụng đợc những
nguyên liệu rẻ tiền có chứa nguyên tố quý hiếm. Giá thành liệu hợp kim chiếm
tới 70% tỷ giá thành sản xuất thép không gỉ do vậy việc đầu tiên là phải nghiên
cứu đến thu hồi nguyên tố hợp kim nhất là đối với thép 201 thép austenit chứa C
cực thấp. ảnh hởng của hàm lợng Ni đến cấu trúc pha, khả năng chịu ăn mòn
trong môi trờng khí quyển, axít và cơ tính. Sử dụng phơng pháp tinh luyện
ngoài lò để nâng cao độ sạch của thép từ đó xây dựng sơ đồ lu trình công nghệ
tái chế thép không gỉ 201 ứng dụng trong sản xuất.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
3

Phần I - tổng quan
1.1. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ tại Việt Nam.
ở Việt Nam hiện nay cha có cơ sở sản xuất nào chuyên sản xuất các mác
thép không gỉ chất lợng cao, mà chủ yếu chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng dùng
trong sửa chữa và thay thế. Một vài đơn vị đ nghiên cứu và sản xuất đợc một số
mác thép không gỉ nh: Viện Luyện kim đen, Viện công nghệ, Cơ khí Hà nội, Cơ
khí Đông Anh, , tuy nhiên chỉ là sản xuất rời rạc, hạn chế về số lợng và không
ổn định về chất lợng. Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép
không gỉ, điều này không chỉ tiêu tốn một lợng ngoại tệ khá lớn mà còn ảnh
hởng đến sự chủ động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp.

Qua đợt khảo sát của các nhà máy cơ khí thì nhu cầu của các nhà máy về
thép không gỉ lên đến hàng chục ngàn tấn/năm.
Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng thép 201 của một số nhà máy
công ty/nhà máy nhu cầu tấn /tháng phế tấn / tháng
công ty tnhh tân á
1000-3000 10-30
công ty tnhh tân mỹ
1000-2000 10-20
công ty tnhh toàn mỹ
1000-3000 10-30
công ty kim khí thăng long
2000-4500 20-45
công ty khí cụ xuất khẩu hà

nội

2000-4000 20-45


Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
4
Do nhu cầu sản xuất các chế phẩm bằng thép không gỉ là rất lớn và sẽ ngày
một tăng ở nớc ta nên đ thải ra một lợng lớn phế thải và các đề xê. Do vậy
nghiên cứu tái chế lại các mác thép nhập khẩu sau sản xuất (sản phẩn h hỏng,
không đạt chất lợng và phoi thép ) là một mục tiêu của đề tài. Vì nếu chúng
ta tái chế lại những mác thép này thì cũng mang lại lợi ích kinh tế không nhỏ
tránh lng phí một nguồn phế thải quí giá.
1.2. Tình hình nghiên cứu thép không gỉ trên thế giới.
Sự phát triển không ngừng của các công nghệ hiện đại, đòi hỏi vật liệu kim

loại phải có những tính năng đặc biệt nh tính bền nhiệt, khả năng chịu ăn mòn
chống lại sự oxy hoá trong các môi trờng làm việc, dễ biến dạng không từ
tính
Sản lợng thép không gỉ trên thế giới không ngừng tăng cao.
Qua sử dụng, ngời ta nhận thấy thép không gỉ austenit hệ Fe-Cr-Ni có tính
chống mài mòn, chịu tải trọng cha cao do đó trong những năm gần đây, ngời
ta đặc biệt quan tâm đến thép không gỉ hệ Fe-Cr-Mn. Do thay thế đợc Niken là
nguyên tố khan hiếm đắt tiền bằng Mangan nên loại thép này có giá thành thấp
hơn. Loại thép này có nhiều u điểm chẳng thua kém thép không gỉ hệ Fe-Cr-Ni,
mặt khác việc đa Nitơ vào loại thép này rất thuận lợi đ góp phần nâng cao đáng
kể chất lợng của nó.
Tiêu chuẩn AISI của Mỹ có tới 200 chủng loại thép Mangan và có nhiều
thép không gỉ austenit hệ Mangan đợc sản xuất thay cho thép không gỉ austenit
hệ Cr-Ni, trong đó hàm lợng Niken đợc thay thế dần bằng Mangan, tiết kiệm
đợc Niken là nguyên tố đắt tiền. Mặt khác mới đây ngời ta đ công bố về tính
u việt của việc thay thế Niken bằng Mangan trong vật liệu nền sắt là giảm đợc
thời gian phóng xạ dài của thép và nhiều công trình nghiên cứu đ tiến hành

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
5
nhằm đánh giá đặc tính của thép không gỉ austenit hệ Cr-Mn (không có Ni hoặc
Ni1%) nh là vật liệu có cấu trúc hoạt tính thấp cho lò phản ứng hạt nhân.
Trong những công trình này, ngời ta khẳng định rằng hợp kim sắt có 12% Cr,
15%Mn,2%W có độ bền ro tơng đơng thép không gỉ austenit AISI316 ở nhiệt
độ 873
o
K, cũng nh việc bổ sung đồng thời Nitơ và Cácbon rất có lợi cho việc
tăng độ bền chống ro và loại trừ tạo thành pha .
Việc cho vào thép lợng nhỏ Vanadi, Titan cũng rất có lợi trong việc cải

thiện độ bền của thép ở nhiệt độ cao.
Thép không gỉ là loại vật liệu sử dụng ở nhiệt độ cao, khả năng chống Ôxy
hoá là vấn đề cực kỳ quan trọng. Trong những nghiên cứu gần đây, ngời ta cho
thấy ở thép không gỉ hệ Mangan(Fe-12%Cr-15%Mn), tác dụng của Nitơ và
Cácbon rất lớn đối với tính ôxy hoá của hợp kim. sự gia tăng của khả năng chống
gỉ tuỳ thuộc vào tỷ lệ N/C. Ngời ta cho rằng Nitơ có lợi hơn so với Cácbon trong
việc làm tăng độ bền chống gỉ của hợp kim. Trong trờng hợp thép không gỉ
17%Cr, độ bền chống giảm khi tăng hàm lợng (N+C).Điều này đợc lý giải nh
sau: cả hai nguyên tố Nitơ và Cácbon đều là những chất tạo austenit mạnh, nhng
vì pha austenit có thể biến đổi từng phần thành pha ferít trong quá trình ôxy hoá
ở nhiệt độ cao. điều này dẫn đến việc tạo thành tổ chức tế vi không đồng nhất và
lớp bảo vệ đồng nhất Cr
2
O
3
khó đợc tạo thành. mặt khác trong trờng hợp hợp
kim Fe-12%Cr-15%Mn, độ hoà tan của Cácbon và Nitơ tăng dần lên khi hợp kim
hoá bằng lợng lớn Mangan và bởi tổ chức austenit. khả năng tạo thành pha ferít
là rất ít và hợp kim giữ đợc pha austenit đồng đều. Lớp ôxýt bảo vệ(Mn,Cr)
2
O
3

hầu nh đợc tạo thành dễ dàng hơn. bởi Nitơ tạo điều kiện thuận lợi để hình
thành lớp Fe-Cr ngay trên bề mặt của kim loại khi tỷ lệ N/C là thích hợp, lớp này
rất có hiệu lực trong việc ngăn chặn sự tiếp xúc giữa Ôxy và các nguyên tố hợp

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
6

kim hoá trên bề mặt tiếp xúc kim loại-không khí và ngăn chặn sự ôxy hoá các
nguyên tố hợp kim đó.
Việc cho thêm một lợng wolfram vào là rất hiệu quả để tăng độ bền chống
gỉ của thép Fe12%Cr15%Mn.
Việc cho thêm lợng nhỏ Vanadi(0,5%) và Titan(0,2%) là hoàn toàn có lợi
để cải thiện độ bền chống ăn mòn của các loại thép này. Trong trờng hợp đó,
lớp nitrid không tạo thành ngay sát bề mặt kim loại, nó tạo thành hợp chất VN và
TiN trong mạng của hợp kim.
Qua việc phân tích các ôxýt trên bề mặt, ngời ta có thể biết tính chống gỉ
của thép Mangan là rất cao. đó là do sự tạo thành lớp ôxýt bề mặt dạng
(MnCr)
2
O
3
.

Bảng1.2: Sản lợng thép không gỉ trên thế giới những năm qua

Năm
Sản lợng(1 triệu tấn)
1950 1 triệu tấn
1993 11,6
1994 13
1995 14
1996 14,7
1997 15,5
1998 16,3
1999 16,6
2000 17,8
2004 24

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
7
Nhu cầu thép không gỉ trong nớc ta cũng khá lớn, nhng chủ yếu vẫn phải
nhập từ nớc ngoài (khoảng 10.000 tấn/năm).Trong đó những ngành có nhu cầu
đáng kể nh: ngành y tế, dầu khí, năng lợng, quốc phòng, đồ gia dụng,

1.3. Các đặc tính của thép không gỉ.
Thép không gỉ có rất nhiều đặc tính u việt
1> Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ. Ngày
nay ngời ta đ chế tạo đợc các loại thép không gỉ có khả năng làm
việc trong điều kiện xâm thực mạnh nh trong axits, kiềm, phóng
xạ. điều này bên cạnh ý nghĩa kỹ thuật còn mang ý nghĩa kinh tế
rất lớn.
2> Có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao.
3> Có các tính chất cơ học (có độ bền, tính dẻo) và công nghệ (tính hàn,
tính dẻo, khả năng dập sâu, tính gia công tốt).
4> Có tính vệ sinh cao (dễ làm sạch).
5> Ngoại hình thẩm mỹ cao.
6> Có nhu cầu dùng lại lớn.
1.4. Các lĩnh vực áp dụng thép không gỉ
Nhờ có nhiều đặc tính u việt nh đ nêu ở phần trên mà thép không gỉ
ngày nay đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống hàng ngày theo
Peter thì tỷ lệ sử dụng thép không gỉ trong các lĩnh vực khác nhau đợc nêu theo
bảng sau:

B
ảng 1.3: Lĩnh vực sử dụng thép không gỉ

I. Sản xuất hàng tiêu dùng 30%
Dụng cụ nhà bếp 10%
Đồ hộp 10%

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
8
Thùng chậu 5%
Khác 5%
II. Sử dụng trong công nghiệp 70%
Hoá chất, hoá dầu 17%
Công nghiệp thực phẩm 17%
Giao thông 12%
Năng lợng 7%
Công nghiệp giấy + Dệt 7%
Xây dựng, Kiến trúc 7%
Khác 3%

Hiện nay ngời ta đ nhìn vào sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu ngời
để làm tiêu chí đo mức cuộc sống của một nớc, mức tiêu thụ này ở một số
nớc tiêu biểu nh sau:
Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc: 15 Kg/ngời.năm
Thụy Điển : 11 Kg/ngời.năm
Mỹ : 8 Kg/ngời.năm
ấn Độ : 1 Kg/ngời.năm
Trung Quốc: 1 Kg/ngời.năm
1.5. Công nghệ luyện thép không gỉ.
Trớc đây sản xuất thép không gỉ đợc tiến hành trong lò điện hồ quang nên
yêu cầu nguyên liệu đa vào phải rất sạch, phế thép không gỉ cùng loại với thép

định sản xuất, ferro hợp kim Cácbon thấp hoặc các hợp chất hợp kim hóa ở dạng
kim loại Vì vậy giá thành của thép không gỉ rất cao.
Năm 1954, Công ty Union Carbid Corporation (Mỹ) đ nghiên cứu công
nghệ khử Cácbon bằng Argon Oxygen Decarburization (AOD) ở trong phòng

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
9
thí nghiệm và đến năm 1968 đ xây dựng pilot ở mức độ công nghiệp. Ngày nay,
AOD là phơng pháp tinh luyện thép không gỉ chủ yếu trên thế giới. Ví dụ nh ở
Mỹ là 100%, Phần Lan khoảng 70%.

Hình 1.1. Lu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD
Bản chất của công nghệ EAF + AOD là nấu chảy trong lò điện hồ quang với
nguyên liệu rẻ tiền nhất nh phế thép không gỉ và ferro hợp kim Cácbon cao.
Nguyên liệu đợc tính sao cho Crôm cao hơn hàm lợng của mác thép định nấu
Lò điện (EAF)

Lò thổi (AOD)

Khử lu huỳnh

G/đ Hoà
n nguyên

Thổi lần 1

Thổi lần 2

Thổi lần 3

Sản phẩm


Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
10
là 0,5%, C= 0,25 ữ 2,0 %, Si = 0,2 ữ 1,5 %. Sau khi nấu chảy liệu trong lò hồ
quang thì thép lỏng đợc chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng hỗn hợp Ar +
O
2
. Lu trình công nghệ luyện thép không gỉ bằng EAF + AOD đợc miêu tả

trong hình 1.1
Phơng pháp công nghệ này có nhiều ý nghĩa về kinh tế:
- Có thể sử dụng nguyên liệu chứa Cácbon cao nên giá thành rẻ;
- Giảm tiêu hao vật liệu chịu lửa so với EAF;
- Hệ số sử dụng của Crôm và Niken cao (98 100%).
Nếu chỉ dùng EAF thì thời gian luyện kéo dài 4h30 còn khi kết hợp với
AOD thì thời gian nấu chảy ở EAF chỉ còn 2h30 và thời gian xử lý ở AOD là ít
hơn 1h30.
Phơng pháp công nghệ này cho phép nâng cao chất lợng thép không gỉ rất
nhiều. Ta có thể sản xuất đợc các loại thép không gỉ với hàm lợng Cácbon cực
thấp. Nếu chỉ dùng EAF thì việc tạo ra thép không gỉ với C = 0,025% là khó
khăn. Còn công nghệ EAF + AOD thì hoàn toàn dễ dàng đạt đợc C< 0,02%,
thậm chí đạt tới C = 0,01 %, một hàm lợng mà ngay cả EAF + VOD cũng khó
mà đạt đợc.
- Điều khiển thành phần hoá học chính xác hơn.
- Giảm hàm lợng lu huỳnh do khuấy trộn mạnh xỉ bazơ và môi trờng
khử nên dễ đạt S < 0,01%, thậm chí S = 0,001%.
- Nâng cao độ sạch của thép.
Ngày nay trên thế giới ngời ta coi công nghệ EAF + AOD là công nghệ số
một để sản xuất thép không gỉ với các tính năng vợt trội của nó so với công
nghệ khác.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
11
Gần đây nhiều tác giả đ nghiên cứu cải tiến công nghệ EAF + AOD để sản
xuất thép không gỉ với nguyên liệu đầu vào là quặng Crôm chứ không phải là
ferro Crôm. Công nghệ này gồm hai bớc:
- Tạo ra hợp kim Fe-16%Cr-6%C trong lò điện từ nguyên liệu là quặng
Crôm, thép phế và than cốc.

- Khử Cácbon của hợp kim trên trong lò chuyển bằng cách thổi Ôxy vào sau
đó xử lý chân không. Sau giai đoạn AOD, trớc khi đúc liên tục ngời ta tiếp tục
xử lý trong lò thùng để hợp kim hoá các nguyên tố bổ sung nh Ti, Nb và khử
Ôxy bằng Al, Ca hay đất hiếm.
1.6. Sản xuất thép sạch
-Do tính chất tồn tại trong tự nhiên và công nghệ sản xuất còn có một số
nguyên tố khác cũng hoà tan và ở lại trong thép. Do đó thép không có tính chất
nh sắt nguyên chất, tuỳ thuộc vào các nguyên tố hoá học hoà tan vào trong thép
mà cơ tính, lý tính, hoá tính thay đổi khác nhau. Ngoài ra các nguyên tố hoá học
có thể điều chỉnh hàm lợng để có tính chất đáp ứng yêu cầu sử dụng đợc quy
định trong tiêu chuẩn, trong thép còn có chứa một số chất không mong muốn với
một hàm lợng nhỏ mà với công nghệ sản xuất thông thờng không loại đợc, đó
là các chất khí H
2
, N
2
, O
2
các tạp chất phi kim đi vào thép từ vật liệu chịu lửa
(tờng lò, khuôn đúc )
-Trong công nghiệp và phục vụ đời sống một số trờng hợp cho phép sử
dụng thép có hàm lợng nhỏ các tạp chất trên. Nhng sự phát triển của công
nghiệp và đời sống hiện đại, ngời ta yêu cầu thép có độ sạch, đặc biệt trong lĩnh
vực thép không gỉ.
-Những năm gần đây do sự phát triển trong công nghiệp chế tạo máy, có
một số yêu cầu mới về tính chất cơ lý của thép nguyên liệu, thép phôi đòi hỏi
chất lợng thép ngày càng cao, thép ngày càng ít tạp chất có hại.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ

12
Ví dụ: Do lợi ích của thép S thấp trong tạo hình biến dạng dẻo nên nó đợc sử
dụng nhiều trong quá trình sản xuất. Một số ít đòi hỏi S rất thấp dùng trong sản
xuất chi tiết bằng phơng pháp dập nguội hoặc tính hàn tốt trong chế tạo dây
xích. Trong công nghiệp hàng không, công nghiệp hầm mỏ và những công trình
kiến trúc khác cũng đòi hỏi thép không gỉ, thép hợp kim chất lợng cao và sạch.
- Hiện tại trên thế giới đang ứng dụng các phơng pháp công nghệ sản xuất
thép sạch bằng phơng pháp tinh luyện ngoài lò. Có những phơng pháp tinh
luyện chính sau:
+ Tinh luyện thép bằng xỉ tổng hợp
+ Khử chất khí hoà tan trong thép bằng cách thổi khí trơ trong thùng rót
+ Khử khí hoà tan trong thép bằng chân không
- Nhờ tinh luyện ngoài lò cho phép giảm hàm lợng o
2
, h
2
, n
2
và tạp chất
phi kim trong thép, nhờ đó đ nâng cao chất lợng thép. ứng dụng phơng pháp
tinh luyện ngoài lò cũng cho phép hoàn thiện công nghệ sản xuất thỏi đúc. Lựa
chọn phơng pháp nào là phụ thuộc vào yêu cầu đối với chất lợng thép và sản
xuất cụ thể.
- Ngời ta ứng dụng phơng pháp thổi Ar trong thùng khi sản xuất thép vòng
bi, thép kết cấu và vài loại thép khác. Phơng pháp tinh luyện này cho phép giảm
đáng kể bọt xốp cho thỏi đúc, nâng cao đáng kể lợng sản phẩm hợp cách trong
khi cán vì thép chế tạo vòng bi và một số thép kết cấu có yêu cầu cao về hàm
lợng tạp chất oxyt và sulfit. Trong trờng hợp này ngời ta cũng hay áp dụng
phơng pháp tinh luyện thép lỏng bằng xỉ tổng hợp có phối hợp với thổi khí Ar.
Phơng pháp xử lý đồng thời 2 biện pháp trong thùng rót làm giảm đáng kể hàm

lợng tạp chất oxyt và sunlfit trong thép. Nhờ đó không cần khử Ôxy khuyếch
tán và khử lu huỳnh sâu cho thép ở trong lò, và kết quả là thời kỳ hoàn nguyên
trong luyện thép giảm đáng kể. Nó càng có ý nghĩa khi luyện những mẻ thép lớn.
Khi nấu thép mẻ lớn vào cuối chu kì oxy hoá, sau khi nâng thép đến nhiệt độ cần

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
13
thiết, tháo xỉ oxy hoá là có thể ra thép lỏng cho chảy vào thùng có xỉ tổng hợp.
Với cách tinh luyện này, sự khử Ôxy cuối cùng bằng Si và Al sẽ tiến hành ngay
trong thùng khi kết thúc xử lý bằng xỉ tổng hợp và khí trơ.
- Để chế tạo những trục thép lớn hay roto turbin lớn ngời ta đúc thỏi lớn
thép hợp kim. Loại thép này thờng bị thiên tích khuyết tật gây nứt trong khi rèn.
Để hạn chế và giảm khuyết tật, thời gian nung phôi phải kéo dài. Tổng thời gian
rèn các thỏi cực lớn kéo dài vài ngày. Khi rót chân không những thỏi lớn, hàm
lợng H
2
trong thép giảm đến 1-1,5ml/100g nhờ đó giảm khuyết tật của thỏi và
rút ngắn thời gian rèn.
- Trong x hội hiện đại và công nghiệp phát triển nhu cầu thép sạch, thép
không gỉ, thép hợp kim chất lợng cao ngày càng lớn. ứng dụng các phơng
pháp tinh luyện ngoài lò là nhu cầu tất yếu trong quá trình luyện thép chất lợng
cao. Các u điểm hoàn toàn bù đắp đợc các chi phí cho công việc xử lý ngoài lò
nói trên.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
14
Phần II: Cơ sở lý thuyết

2.1. Các loại thép không gỉ
Nhà khoa học Schaeffler đ xây dựng giản đồ các vùng cấu trúc của thép
không gỉ tuỳ thuộc vào thành phần hóa học. Trong điều kiện nguội nhanh sau khi
đúc, rèn với giá trị Cr
tđ
và Ni
td
đợc tính theo công thức:
Cr
tđ
= (Cr) +2(Si) + 1,5(Mo) + 5(V) + 5,5(Al) + 1,75(Nb) + 1,5(Ti) + 0,75(W)
Ni
tđ
= (Ni) + (Co) + 0,5(Mn) + 0,3(Cu) + 25(N) + 30(C).

2.1.1. Thép không gỉ



(austenit)
Pha không tồn tại hoặc chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao. Nếu cho Ni - nguyên tố
mở rộng vùng với lợng thích hợp sẽ làm cho thép có tổ chức ngay cả ở nhiệt
độ thờng.
Ưu điểm nổi bật của loại thép này là:
Hình 2.1: Giản đồ tổ chức của thép phụ thuộc vào đơng lợng Cr, Ni


Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
15
- Tính chống ăn mòn cao, chúng hoàn toàn ổn định trong nớc sông, nớc
biển, trong hơi nớc bo hoà và quá nhiệt trong các dung dịch nớc muối. Trong
axit chúng có tác dụng chống ăn mòn tốt: HNO
3
đặc nóng, H
2
SO
4

nguội, HCl
long, nguội. Chúng đợc dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit, công
nghiệp hoá dầu và thực phẩm, chi tiết chịu nhiệt tới 900ữ1000
0
C.
- Loại thép này có tính dẻo cao ( = 45 ữ 60%) nên dễ dàng cán, dập, gò
nguội để tạo hình sản phẩm.
Thép không gỉ austenit có thể đợc chia thành các loại nh:
- Loại cơ bản là Cr18Ni10 trong đó hàm lợng Cácbon từ 0,02 ữ 0,15%,
khả năng chịu ăn mòn tinh giới của thép này phụ thuộc vào hàm lợng Cácbon có
trong thép;
- Hợp kim có thêm Titan và Niobi làm ổn định và tăng khả năng chống ăn
mòn tinh giới;
- Thép hợp kim Niken thấp tăng khả năng biến cứng;
- Thép hợp kim với hàm lợng Niken cao sử dụng ở nhiệt độ thấp và tính gia
công kéo tốt;
- Thép không gỉ độ bền cao có chứa Nitơ;
- Thép không gỉ Mangan thay thế Niken;
- Thép không gỉ chứa môlipđen và đồng tăng tính chống ăn mòn;
- Thép không gỉ chứa Silic nâng cao khả năng chịu ôxy hoá ở nhiệt độ cao;
- Thép không gỉ chịu do với một số các thành phần cải thiện nh N, Mo,
W, V, Ti, Nb, B ;
Thành phần hóa học một số mác thép không rỉ Austenit của một số nớc
đợc giới thiệu trong bảng 2.1

Giới thiệu bởi
Tác giả: Trần Anh Tú
16

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
17
2.1.2. Thép không gỉ Mactenxit
Lợng Crôm thông thờng trong thép này từ 12ữ17%, nếu lợng
Cr<12,5ữ13,5% thì %C 0,4% để tránh tạo nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến
nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ.
Đối với loại thép này hàm lợng Crôm trong loại thép này từ 12 ữ 18% và
hàm lợng C có thể lên đến 1%. Ngời ta có thể thêm nhiều nguyên tố khác nh

Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb, để mở rộng khả năng ứng dụng của loại vật liệu này.
Nếu lợng Crôm ở mức giới hạn dới (12,5-13%) thì lợng Cácbon phải không
đợc vợt quá 0,4 % để tránh tạo thành nhiều pha Cacbit Crôm dẫn đến làm
nghèo Crôm ở phần kim loại nền và làm giảm khả năng chống gỉ của thép đó
chính là trờng hợp các loại thép không gỉ mà ta vẫn thờng gọi theo cách của
Liên xô cũ (12X13, 20X13, 3X13, 40X13). Tơng đơng với các mác thép của
Việt nam là 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 Nếu tăng lợng Crôm lên đến 17% thì
lợng Cácbon có thể cao đến 0,9% nh mác 440 hay 440B của Mỹ để tăng cơ
tính (mà chủ yếu để tăng độ cứng) mà vẫn đảm bảo tính chống gỉ.
Nói chung thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn mòn cao trong không
khí, nớc sông, nớc máy; do hiệu ứng thụ động hoá của Crôm nên không bị ăn
mòn trong môi trờng HNO
3
, còn trong các axit khác thì chúng bị ăn mòn. Thực
tế thờng gặp thép với hàm lợng Cr tối thiểu 12,5 ữ 13 % vừa đủ để đảm bảo
tính thụ động hoá của lớp bề mặt nhng do một phần Cr tạo thành Cacbit với C
nên nó không thể tham gia tạo thành màng thụ động làm cho thép có tính chống
ăn mòn kém đi. Tuy nhiên, khi hàm lợng C thấp (0,08) thì lợng Cacbit tạo ra
không đáng kể và tính chịu ăn mòn của thép vẫn cao trong các môi trờng.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
18
Nhờ chuyển biến mactenxit mà thép không gỉ loại này có khả năng tăng
bền, đồng thời nhờ có hiệu ứng nhỏ mịn hạt tinh thể mà nhiệt độ chuyển biến
giòn giảm đi.
Theo lý thuyết cho ta thấy rằng để đạt đợc tổ chức là mactenxit, khi tăng
hàm lợng C phải nhất thiết phải tăng hàm lợng Cr. Việc này làm tăng độ cứng
của thép đồng thời giảm tính dẻo của thép. Khuynh hớng mới đối với thép
không gỉ loại mactenxit là giảm hàm lợng Cácbon để tạo ra các mactenxit mềm.

Nhiệt luyện loại thép này bao gồm austenit hoá, tôi, ram. Nhiệt độ austenit
hoá khá cao khoảng 950 ữ 1100
0
C, nguyên nhân là do Crôm nâng cao điểm
chuyển pha và cần phải hoà tan Cacbit Crôm vào . Tôi trong dầu hoặc
trong không khí.
Chức năng của thép Mactenxit: sản xuất bulông, ốc vít, chi tiết chịu nhiệt
(<450
0
C), lò xo, dụng cụ đo
2.1.3. Thép không gỉ Ferrit
Nhóm chứa 13%Cr: %C < 0,08, cho thêm 0,2%Al sẽ mở rộng vùng và sẽ
ngăn chặn tạo thành khi nung và tạo tính hàn tốt, loại thép này đợc dùng nhiều
trong ngành dầu mỏ.
Nhóm thép chứa tới 17%Cr nh mác 12Cr17 (tơng đơng mác 430 của
Mỹ) đó là mác thép không gỉ đợc dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế thép
không gỉ austenit khi điều kiện sử dụng cho phép, lại không chứa Ni nên rẻ hơn
nhiều. Đợc dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất HNO
3
, hoá thực phẩm, kiến
trúc Nhợc điểm của loại này là tính hàn kém khi nhiệt độ vợt quá 850
0
C,
vùng gần mối hàn trở nên giòn và là nơi xảy ra ăn mòn theo biên giới hạt. Có thể

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
19
khắc phục hiện tợng này bằng cách hạ thấp lợng Cácbon và cho thêm 0,8% Ti

vào thép nh mác 08Cr17Ti.
Nhóm chứa từ 20 ữ 30% Cr nh mác 15Cr25Ti (tơng đơng mác 446 của
Mỹ) hàm lợng Cr cao nên chúng có tính chống Ôxy hoá cao (không bị tróc vẩy
ở nhiệt độ cao 800 ữ 900
0
C)
Nói chung, thép không gỉ có giới hạn đàn hồi cao hơn nhng mức độ
hoá bền do bo hoà dẻo lại thấp hơn. Độ bền chống ăn mòn phụ thuộc hàm lợng
Cr. Để hạn chế ăn mòn điểm phải tăng Cr >20% và cho thêm 2% Mo.
2.1.4. Thép không gỉ hoá cứng tiết pha
Loại thép này có thể tiến hành gia công bằng biến dạng nguội, để tiến hành
gia công biến dạng nguội và cắt gọt thì nó tơng đối mềm nhng sau khi hoá bền
thì độ bền tăng lên đáng kể.
Ví dụ: Điển hình về loại thép này là mác thép: 329J1 với C 0,08%, Si1,5,
Cr = 23 ữ 28, Ni = 3 ữ 6, P 0,04, S 0,03.
Thép Maraging (mactenxit hoá già) là loại tiêu biểu trong hớng này.
Mactenxit ngay sau tôi tơng đối mềm để có thể gia công cơ khí đợc. Việc hoá
già tiếp theo làm tăng độ bền cơ học mà không phải thực hiện biến dạng nguội.
Thép không gỉ hoá bền bằng tiết pha có u điểm là có thể tiến hành gia
công bằng biến dạng nguội và có thể cắt gọt ở trạng thái tơng đối mềm nhng
sau khi hoá bền pha độ bền tăng lên một cách đáng kể.
Chế độ nhiệt luyện:
- Nung lên 1050
0
C rồi làm nguội ngoài không khí nhận đợc tổ chức
austenit để có thể gia công cơ đợc.

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
20

- Nung đến 750
0
C ữ 950
0
C rồi làm nguội ngoài không khí, tổ chức nhận
đợc là nền austenit và hạt Cacbit.
- Làm nguội xuống 0 ữ 75
0
C để chuyển thành mactenxit.
- Hoá già nhân tạo ở 525
0
C/ h sẽ đạt cơ tính (độ bền và độ cứng) cực đại do
có tiết ra các phần tử nhỏ mịn NiAl và Ni
3
Al.
Loại thép này có tính chống ăn mòn tốt tơng đơng loại thép Cr18Ni10
nhng bền và cứng hơn nhiều, đợc dùng để chế tạo lò xo, chi tiết tàu vũ trụ, dao,
kéo mổ, dụng cụ kỹ thuật, thiết bị chịu áp lực. Ngày nay thép không gỉ hai pha
đang đợc chú ý nghiên cứu và sử dụng trong nhiều ngành nh dầu khí, giấy, y
tế, hoá chất, môi trờng, kiến trúc
2.1.4. Thép không gỉ song pha.
Thép không gỉ hai pha thuộc một trong 5 loại thép không gỉ nh đ nói ở
trên. Ngày nay loại thép không gỉ đợc nghiên cứu khá kỹ đặc biệt là loại thép
không gỉ song pha (Duplex Stainless Steels) bao gồm pha austenit + ferrit vì nó
kết hợp đợc những u việt của hai loại thép này và giảm đợc nhợc điểm riêng
của từng loại.
Thời gian đầu, giữa những năm 1930 1940 ngời ta luyện thép không gỉ
song pha trong lò cảm ứng cao tần để điều chỉnh thành phần các nguyên tố hợp
kim mà cha cần tinh luyện. Sau đó đ dùng kỹ thuật chân không để khử Cácbon
và Ôxy. Hiện nay ngời ta thờng nấu luyện thép không gỉ song pha trong lò

điện hồ quang rồi tinh luyện ngoài lò nh VOD (Vacuum Oxygen
Decarburization) hay AOD (Argon Oxygen Decarburization). Với những tiến bộ
trong việc điều chỉnh thành phần cũng nh khử tạp chất đ làm cho việc sản xuất

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
21
các loại thép không gỉ song pha ở mức độ công nghiệp phát triển rất mạnh, nhất
là trong khoảng vài chục năm gần đây.
Xu hớng hiện nay là ngời ta giảm hàm lợng C và Ni và tăng hàm lợng
N
2
(0,12 0,25%). Thép không gỉ song pha thế hệ mới đợc hợp kim hoá Nitơ
để đảm bảo ổn định cấu trúc cũng nh tính chống gỉ cao. Ban đầu thép không gỉ
song pha chỉ đợc dùng ở trạng thái đúc, nhng sau đó chúng đ đợc cán thành
thanh, ống và tấm lá.
Sự kết hợp giữa tính chất cơ học và tính chống gỉ cao cộng với việc chứa ít
nguyên tố Ni đ làm cho nhóm thép không gỉ song pha có tính kinh tế cao và là
đối tợng nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các nớc tiên tiến. Việc sử dụng thép không
gỉ song pha trong các môi trờng xâm thực nh công nghiệp hoá chất, dầu khí,
giấy và bột giấy, nớc biển rất phổ biến và đem lại hiệu quả kinh tế cao.

2.2. ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim
2.2.1 ảnh hởng của Mangan
Là nguyên tố mở rộng và ổn định austennit, nó có ảnh hởng tạo austenit
mạnh hơn so với Ni. ở 1000
0
C trong vùng có chứa Mangan chỉ hoà tan nhiều
nhất là 14% Cr, lợng Mangan tăng thì lợng hoà tan của Crôm trong austennit
bị hạn chế. Khi có tải trọng hợp kim hệ Fe-Cr-Mn chuyển biến

xảy ra
mạnh hơn so với hợp kim hệ Fe-Cr-Ni và làm hoá bền mactenxit của thép.
Mn có tác dụng tăng độ thấm tôi, không tạo Cacbit riêng mà thay thế Fe
trong Xêmentít (Fe
3
C) tạo thành Cacbit trung bình Mn
3
C, Mn
3
C
2
hoặc phức
Cacbit (Fe.Mn)C
6
. Mn là nguyên tố khá rẻ, nhng nó ít đóng vai trò là nguyên tố
hợp kim độc lập bởi vì nếu đi một mình thờng có các nhợc điểm sau: thúc đẩy

Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
22
hạt tinh thể lớn nhanh khi nung; tăng tính ròn ram; giảm độ dẻo và độ dai theo
hớng vuông góc với phơng cán.
2.2.2. ảnh hởng của Crôm
Cr là nguyên tố hợp kim cơ bản nhất trong thép hợp kim chịu nhiệt, nó
không những làm tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim mà còn hình thành
màng ôxít sít chặt, làm cho hợp kim có khả năng chống ôxy hóa rất cao, đồng
thời làm tăng độ hoà tan của C vào Austenit.

Cr là nguyên tố chủ yếu để nâng cao tính chống ôxy hoá của thép. Hàm
lợng Cr trong thép và nhiệt độ chống ôxy hoá cao nhất nh sau:
Bảng 2.2: Mối quan hệ của hàm lợng Cr đến nhiệt độ chống ôxy hoá
% Cr Nhiệt độ,
O
C
<1% 600

Hình 2.
2: Giản đồ trạng thái Fe
-
Cr


Gii thiu bi
Tỏc gi: Trn Anh Tỳ
23
5%
600-630

12%
800
22%
1000
30%
1100
>30% >1100 Không có lực kéo
biến dạng
Nếu trong thép đồng thời cho vào Si và Al, tạo thành hợp kim Fe-Cr-Al và
Cr-Si thì sẽ phát huy đợc tốt hơn tác dụng chống ôxy hoá của những nguyên tố
này. Thực nghiệm cho thấy rằng hàm lợng Silic có hiệu quả nhất khoảng 1,5-
2% nhỏ hơn hoặc lớn hơn thành phần này sẽ không có tác dụng. Còn tác dụng
của nhôm nổi bật, trong 6% Cr chỉ cần cho vào 2% Al hầu nh có thể hoàn toàn
ngăn chặn đợc ôxy hoá. Thép hợp kim 25-30% Cr với Si và Al là vật liệu chịu
nóng quan trọng trong công nghiệp.
2.2.3. ảnh hởng của Niken
Là một trong những nguyên tố hợp kim chủ yếu trong thép và hợp kim chịu
nóng, nó có khả năng chống ôxy hóa rất cao. Nếu có 4ữ8%Ni sẽ làm giảm đột
ngột điểm mactenxit và tăng số lợng Austenit d, qua sự thay đổi thành phần
pha, cũng nh tăng độ linh động sai lệch và giảm năng lợng tơng tác của
chúng sẽ làm tăng độ dẻo và độ dai của thép. Hàm lợng Ni tăng thì trong
austennit có thể hoà tan đợc càng nhiều nguyên tố tạo thành ferit nh Crôm-
đây là một đặc điểm quan trọng có tác dụng tốt nâng cao đợc hàm lợng Crôm
để nâng cao tính chống gỉ. Đồng thời Ni làm giảm độ hoà tan của Ti, Al, Mo và
V trong mactenxit, tạo điều kiện thuận lợi để phân bố các phần tử pha giữa các
kim loại đợc tách ra.