Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt trước thấm đến khả năng thấm nittơ cho thép không gỉ SUS420

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ xử lý
nhiệt và bề mặt trước thấm đến khả năng
thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420

NGUYỄN THỊ NGỌC LINH
Ngành: Khoa học vật liệu

Giảng viên hướng dẫn: TS. Trịnh Văn Trung
Viện:

Khoa học và kỹ thuật vật liệu

HÀ NỘI, 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ xử lý
nhiệt và bề mặt trước thấm đến khả năng
thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420

NGUYỄN THỊ NGỌC LINH
Ngành: Khoa học vật liệu

Giảng viên hướng dẫn: TS. Trịnh Văn Trung
Viện:

Khoa học và kỹ thuật vật liệu

HÀ NỘI, 2020

Chữ ký GVHD


LỜI CẢM ƠN
Để có được những kết quả nghiên cứu cũng như hoàn thành bài luận văn
này em đã nhận được sự giúp đỡ và hỗ trợ rất nhiều từ phía trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Vật liệu học, xử lý
nhiệt và bề mặt trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Với tình cảm chân thành của mình em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới
toàn thể các cá nhân, đơn vị nhà trường, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Bộ
môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt và đặc biệt em rất cám ơn TS. TRỊNH
VĂN TRUNG là người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình
làm nghiên cứu và thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn trương trình
học bổng SAKURA của chính phủ Nhật Bản, Trường đại học Shimane và
PGS.TS. PHẠM HOÀNG ANH đã tạo điều kiện giúp đỡ em rất nhiều trong quá
trình học tập và nghiên cứu tại Nhật để em có được một số kết quả, số liệu đưa
vào luận văn. Xin chân thành cảm ơn LƯU VĂN ĐẠI - Giám đốc Công ty
TNHH Heat Treatment Việt Nam, đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong q trình
thấm nitơ thể khí tại cơng ty. Bên cạnh sự giúp đỡ trực tiếp của nhà trường, các
Thầy/Cô và bạn bè thì em cũng khơng thể nào qn công ơn sinh thành và sự
giáo dục của cha mẹ cùng với tình cảm của các thành viên trong gia đình đã
giành cho em. Đó cũng là nguồn động viên rất lớn để em có thể vượt qua những
lúc gặp khó khăn trong cuộc sống. Cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và cơ quan đã
luôn động viên, giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình làm
luận văn.
Vì điều kiện cơng việc và thời gian cũng hạn hẹp, cũng như kinh nghiệm

chưa có nhiều nên em cịn gặp nhiều khó khăn trong q trình thực hiện luận văn
này. Mặc dù bản thân em đã rất cố gắng, nỗ lực tuy nhiên em nghĩ cũng khó
tránh được thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp q báu từ
phía các Thầy/Cơ để bài luận văn của em được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2020
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Ngọc Linh


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Thép khơng gỉ SUS420 ở trạng thái cung cấp được ủ ở nhiệt độ 880 oC
trong 1 h và tôi ở nhiệt độ 1040 oC trong 30 phút, tiếp đến là ram ở 530 oC trong
1 h. Bề mặt mẫu sau khi ram được tạo các độ nhám khác nhau bằng phương pháp
mài cơ học. Toàn bộ mẫu ở các trạng thái ủ, tôi, ram và các mẫu có các độ nhám
khác nhau được tiến hành thấm nitơ thể khí với chất thấm là NH 3 ở nhiệt độ thấm
520 oC trong thời gian 5 h.
Các kết quả cho thấy bước đầu đã thành công trong việc sử dụng cơng
nghệ thấm nitơ thể khí, đưa nitơ ngun tử vào trong bề mặt thép không gỉ
SUS420. Mẫu trước thấm nếu không được xử lý lớp ôxit tự nhiên trên bề mặt thì
rất khó thấm hoặc thậm chí khơng thấm được. Mẫu ở trạng thái ủ cho chiều sâu
lớp thấm dày nhất nhưng độ cứng bề mặt thấp. Trạng thái mẫu sau tơi, ram đem
thấm sẽ có chiều sâu lớp thấm mỏng nhưng độ cứng cao hơn. Trạng thái độ nhám
bề mặt khác nhau không ảnh hưởng nhiều đến kết quả của quá trình thấm.


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................... 3
1.1. Giới thiệu chung về thép không gỉ ............................................................... 3
1.1.1. Khái niệm về thép không gỉ ...................................................................... 3
1.1.2. Phân loại thép khơng gỉ ............................................................................. 3
1.1.3. Tính chất của thép khơng gỉ ...................................................................... 6
1.2. Thép không gỉ mactenxit SUS420 ................................................................ 9
1.2.1. Thành phần hóa học và vai trị các ngun tố trong thép ........................... 9
1.2.2. Tính chất của thép khơng gỉ mactenxit 420 ............................................. 10
1.2.3. Nhiệt luyện thép không gỉ mactenxit 420 ................................................ 11
1.3. Cơng nghệ thấm nitơ thể khí cho thép không gỉ mactenxit ......................... 14
1.3.1. Công nghệ thấm nitơ thể khí ................................................................... 14
1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ đến sự hình thành lớp thấm ........... 17
1.3.3. Cơng nghệ thấm nitơ cho thép không gỉ mactenxit .................................. 23
1.3.4. Ảnh hưởng của trạng thái xử lý nhiệt và bề mặt đến q trình thấm nitơ thép
khơng gỉ ........................................................................................................... 24
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.... 28
2.1. Quy trình nghiên cứu ................................................................................. 28
2.2. Quy trình thực nghiệm .............................................................................. 28
2.2.1. Nhiệt luyện sơ bộ - ủ cho thép không gỉ mactenxit 420 ........................... 29
2.2.2. Tôi thép không gỉ mactenxit 420 ............................................................. 29
2.2.3. Ram thép không gỉ mactenxit 420 ......................................................... 40
2.2.4. Xử lý bề mặt và thấm thấm nitơ thể khí cho thép 420 ............................. 30
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 31
2.3.1. Phương pháp hiển vi quang học .............................................................. 31
2.3.2. Phương pháp phân tích SEM & EDS ...................................................... 32
2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) .................................................. 36
2.3.4. Phương pháp xác định chiều dày lớp thấm .............................................. 38
2.3.5. Phương pháp xác định độ cứng ............................................................... 38
2.4. Thiết bị thực nghiệm .................................................................................. 50

i


2.4.1. Thiết bị công nghệ ................................................................................... 50
2.4.2. Thiết bị phụ trợ........................................................................................ 41
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 44
3.1. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái chưa thấm nitơ ............. 44
3.1.1. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái cung cấp .................... 45
3.1.2. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái sau ủ ......................... 47
3.1.3. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái sau tôi và ram ............ 48
3.2. Tổ chức và tính chất của thép SUS420 ở các trạng thái sau khi thấm.......... 52
3.2.1. Ảnh hưởng của xử lý bề mặt bằng hóa chất trước thấm ........................... 52
3.2.2. Ảnh hưởng của trạng thái xử lý nhiệt (ủ, tôi, ram) ................................... 52
3.2.3. Ảnh hưởng của độ nhám.......................................................................... 60
3.3. Tổng hợp chiều dày lớp thấm và độ cứng ................................................... 67
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 69
KIẾN NGHỊ ...................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 78
PHỤ LỤC. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH EDS......................................................... 73

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Giản đồ Schaeffler các họ thép khơng gỉ
Hình 1.2. Giản đồ thử kéo của các dịng thép khơng gỉ
Hình 1.3. Độ dai của các loại thép khơng gỉ phụ thuộc vào nhiệt độ thử
Hình 1.4. Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào hàm lượng Cr và Ni đương
lượng
Hình 1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ austenit hóa tới kích thước hạt, hàm lượng

austenit dư và độ cứng của thép AISI 420
Hình 1.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới độ cứng của thép không gỉ mactenxit
AISI 420
Hình 1.7. Giản đồ Lehrer – mối quan hệ giữa nhiệt độ thấm và thế thấm đến tổ
chức lớp thấm
Hình 1.8. Quan hệ giữa thế thấm nitơ KN và độ phân hủy NH3
Hình 1.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mức phân hủy NH3
Hình 1.10. (a) Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim tới độ cứng lớp thấm, (b) Ảnh
hưởng của nguyên tố hợp kim tới chiều dày lớp thấm
Hình 1.11. So sánh chiều dày lớp thấm của một số loại thép khơng gỉ
Hình 1.12. Mơ tả vị trí không thấm được do tồn tại lớp thụ động trên bề mặt thép
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu
Hình 2.2. Quy trình ủ
Hình 2.3. Quy trình tơi
Hình 2.4. Quy trình ram
Hình 2.5. Quy trình thấm nitơ thể khí
Hình 2.6. Kính hiển vi quang học Axioplan 2
Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử qt Jeol 6490 JED 2300 (CHLB ĐỨC)
Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét TM4000Plus-Hitachi (Nhật Bản)
Hình 2.9. Buồng gá mẫu của kính hiển vi điện tử quét TM4000Plus-Hitachi (Nhật
Bản)
Hình 2.10. Thiết bị nhiễu xạ Rơnghen D8 Advance
Hình 2.11. Thiết bị nhiễu xạ Rơnghen SmartLab (Rigaku)
Hình 2.12. Thiết bị đo độ cứng tế vi 401MVD-WISON WOLPERT
Hình 2.13. Thiết bị đo độ cứng thô đại 751- WISON WOLPERT
iii


Hình 2.14. Lị nung HTC 08/1
Hình 2.15. Lị thấm nitơ thể khí

Hình 2.16. Thiết bị mài mẫu DS300/2
Hình 2.17. Thiết bị đúc mẫu nóng Labo Press – 1 (Đan Mạch)
Hình 2.18. Thiết bị đúc mẫu nóng Pressidon
Hình 2.19. Máy mài và đánh bóng tự động Plato
Hình 3.1. Giản đồ pha Fe-12.84%Cr-C xây dựng bằng phần mềm Thermo-Calc
Hình 3.2. Tổ chức thép không gỉ mactenxit 420 trạng thái cung cấp ở mặt cắt dọc
(a), mặt cắt ngang (b),×200 lần
Hình 3.3. Tổ chức thép không gỉ mactenxit 420 trạng thái ủ ở mặt cắt dọc (a), mặt
cắt ngang (b), của mẫu ×200 lần
Hình 3.4. Ảnh SEM của bề mặt mẫu sau ủ (ở độ phóng đại x 2000 & 3000 lần)
Hình 3.5. Tổ chức thép không gỉ mactenxit 420 sau tôi (a) và sau ram (b), x500
lần
Hình 3.6. Ảnh SEM của bề mặt mẫu sau tơi (với độ phóng đại x 2000 & 3000 lần)
Hình 3.7. Ảnh SEM của bề mặt mẫu sau ram (với độ phóng đại x 2000 & 3000
lần)
Hình 3.8. Hình 3.8. Biểu đồ độ cứng của mẫu ở các trạng thái nhiệt luyện
Hình 3.9. Kết quả phân tích XRD của mẫu ủ, tơi và ram trước thấm
Hình 3.10. Ảnh tổ chức mặt cắt ngang của mẫu (a) không được xử lý hóa chất và
(b) có được xử lý bằng hóa chất
Hình 3.11. Tổ chức thép 420 sau ủ + thấm N, tôi + thấm N, và ram +thấm N
Hình 3.12. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau ủ + thấm N (độ phóng đại, x200
& x300 lần)
Hình 3.13. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau tôi và thấm N (độ phóng đại,
x300 & x500 lần)
Hình 3.14. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau ram và thấm N (độ phóng đại,
x300 & x500 lần)
Hình 3.15. Chiều dày lớp thấm của mẫu ở các trạng thái ủ, tơi, ram sau thấm nitơ
Hình 3.16. Kết quả chụp XRD của mẫu mẫu ở các trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm
nitơ
Hình 3.17. Độ cứng bề mặt của mẫu ở các trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm N

iv


Hình 3.18. Biểu đồ phân bố độ cứng của mẫu ở các trạng thái ủ, tơi, ram sau thấm
N
Hình 3.19. Tổ chức tế vi của thép 420 sau ram mài với các độ nhám khác nhau và
đem đi thấm N (của vùng gần bề mặt và vùng trong lõi)
Hình 3.20. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau ram mài 100 và thấm N (độ
phóng đại, x300 & x500 lần)
Hình 3.21. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau ram, mài 600 và thấm N (độ
phóng đại, x500 x1000 lần)
Hình 3.22. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau ram mài 1200 và thấm N(độ
phóng đại, x500 & x1000 lần)
Hình 3.23. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau ram, mài 2000 và thấm N (độ
phóng đại, x300 & x500 lần)
Hình 3.24. Chiều dày lớp thấm của mẫu ở các trạng thái độ nhám khác nhau sau
thấm nitơ
Hình 3.25. Kết quả chụp XRD của mẫu ở các độ nhám sau thấm
Hình 3.26. Biểu đồ độ cứng bề mặt của mẫu ở các trạng thái sau ram với các độ
nhám khác nhau và thấm N
Hình 3.27. Biểu đồ phân bố độ cứng của mẫu ở các trạng sau ram, mài và thấm N
Hình 3.28. Biểu đồ tổng hợp chiều dày lớp thấm của mẫu ở các trạng thái
Hình 3.29. Biểu đồ tổng hợp độ cứng bề mặt của mẫu ở các trạng

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.

So sánh tính chất của các loại thép khơng gỉ

Bảng 1.2.

So sánh cơ tính của một số loại thép khơng gỉ

Bảng 1.3.

Thành phần hóa học ở trạng thái cung cấp của thép không gỉ 420

Bảng 1.4.

Bảng so sánh tính chất vật lí của một số thép khơng gỉ mactenxit và

thép AISI 1045
Bảng 1.5.

Tính chất cơ học cơ bản của số thép không gỉ ở nhiệt độ phịng

Bảng 1.6.

Các chế độ tơi đề xuất cho thép khơng gỉ 420

Bảng 1.7.

Hệ số khuếch tán của Nitơ qua các lớp thấm

Bảng 3.1. Thành phần hóa học (% khối lượng) của thép không gỉ mactenxit 420
Bảng 3.2. Độ cứng của thép ở trạng thái cung cấp
Bảng 3.3. Độ cứng của thép sau khi ủ

Bảng 3.4.

Thành phần hóa học (% khối lượng) của thép không gỉ mactenxit

420
Bảng 3.5.

Độ cứng của thép ở trạng thái cung cấp

Bảng 3.6.

Độ cứng của thép sau khi ủ

Bảng 3.4.

Độ cứng của thép mactenxit 420 sau khi tôi và ram

Bảng 3.5.

Chiều dày lớp thấm ở các trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm N

Bảng 3.6.

Độ cứng bề mặt của thép ở các trạng thái ủ, tôi, ram sau khi thấm

Bảng 3.7.

Độ cứng (HV) của thép từ bề mặt vào trong lõi sau khi thấm tại các

trạng thái ủ, tôi, ram

Bảng 3.8.

Chiều dày lớp thấm ở các trạng thái có độ nhám khác nhau

Bảng 3.9. Độ cứng của bề mặt thép sau khi thấm tại các trạng thái độ nhám
khác nhau
Bảng 3.10. Độ cứng (HV) của thép từ bề mặt vào trong lõi sau khi thấm tại các
trạng thái

vi


HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

M

Tổ chức một pha mactenxit

A

Tổ chức một pha austenit

F

Tổ chức một pha ferit
Là pha Fe4N

α

Dung dịch rắn của nitơ trong Feα

t

Thời gian thấm

K

Thông số nhiệt độ

Kn

Thế thấm nitơ

T

Nhiệt độ

R100

Mẫu ram mài giấy nhám 100

R600

Mẫu ram mài giấy nhám 600

R1200

Mẫu ram mài giấy nhám 1200

R2000

Mẫu ram mài giấy nhám 2000

Ủ-N

Mẫu ở trạng thái sau ủ và thấm nitơ

Tôi-N

Mẫu ở trạng thái sau tôi và thấm nitơ

Ram-N

Mẫu ở trạng thái sau ram và thấm nitơ

R100-N

Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 100 và thấm nitơ

R600-N

Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 600 và thấm nitơ

R1200-N

Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 1200 và thấm nitơ

R2000-N

Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 2000 và thấm nitơ

vii



LỜI MỞ ĐẦU
Khuôn mẫu là dụng cụ được sử dụng phổ biến nhiều trong cơng nghiệp để
tạo hình các sản phẩm như các chi tiết máy hay đồ gia dụng… vì vậy, vấn đề các
nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của khuôn mẫu đã, đang và sẽ
được chú trọng quan tâm của nền công nghiệp Việt Nam. Các đặc trưng cơ tính
quan trọng quyết định tuổi thọ và khả năng làm việc của khuôn là độ bền, độ
cứng hay độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn, độ dai và chiều sâu lớp
thấm (nếu được xử lý hóa nhiệt luyện). Độ cứng của khn khơng được phép
quá cao dễ làm khuôn bị nứt vỡ, nhưng cũng khơng được q thấp vì như vậy
khả năng chống mài mịn của khn sẽ khơng đạt u cầu. Sau khi áp dụng cơng
nghệ hóa nhiệt luyện để nâng cao độ cứng bề mặt và do vậy là khả năng chống
mài mịn thì nếu tạo chiều sâu lớp thấm càng dày thì có thể kéo dài thời gian làm
việc hay tuổi thọ của khuôn. Các yếu tố này (độ cứng và chiều sâu lớp thấm) rất
phụ thuộc vào loại vật liệu và chế độ xử lý nhiệt và bề mặt cho khuôn. Do vậy,
việc lựa chọn vật liệu làm khuôn và chế độ nhiệt luyện hay hóa nhiệt luyện thích
hợp để tạo ra cơ tính phù hợp là hết sức quan trọng nhằm nâng cao chất lượng và
tuổi thọ của khuôn.
Thép không gỉ mactenxit SUS420 với hàm lượng cacbon cao, crôm tối
thiểu 12% được biết đến là một trong những loại thép khơng gỉ mactenxit có cơ
tính tốt, đồng thời có thể được nâng cao cơ tính bằng cơng nghệ xử lý nhiệt và
thường được ứng dụng làm khuôn nhựa, dao kéo, các dụng cụ sử dụng trong y
tế… Các dụng cụ khn mẫu làm từ thép này có thể cải thiện độ cứng bề mặt và
khả năng chống mài mòn và do vậy nâng cao được hiệu quả làm việc và tuổi thọ
bằng cách áp dụng công nghệ thấm nitơ.
Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã sử dụng một số phương

pháp thấm nitơ cho thép khơng gỉ nói chung và thép khơng gỉ mactenxit SUS420
nói riêng đó chính là: thấm nitơ thể khí, thể lỏng và thấm bằng phương pháp
plasma. Trong các phương pháp thấm kể trên thì phương pháp thấm nitơ thể khí
u cầu thiết bị và công nghệ không quá phức tạp nhưng đem lại hiệu quả kinh
tế cao rất phù hợp với điều kiện thực tế nước ta hiện nay. Tuy nhiên, vấn đề lớn
nhất khi thấm nitơ thể khí cho thép khơng gỉ đó là việc xử lý lớp ơxit tự nhiên
trên bề mặt của thép. Mặt khác, trong công nghệ thấm nitơ, các q trình chính
1


diễn ra bao gồm: phân hủy khí thấm để tạo ra các nitơ nguyên tử, hấp thụ trên bề
mặt thép và khuếch tán vào nền thép. Ngoài ra, trước khi thấm nitơ thì khn
mẫu thường được gia cơng cơ và đạt độ bóng (độ nhám) và nhiệt luyện khác
nhau tùy thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể. Chính vì vậy, trạng thái
bề mặt cũng như trạng thái tổ chức của mẫu trước thấm có thể ảnh hưởng rất lớn
đến khả năng hấp thụ và khuếch tán nitơ nguyên tử và do đó sẽ ảnh hưởng rất
nhiều đến q trình và kết quả thấm. Chính bởi vậy tơi đã lựa chọn đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt trước thấm
đến khả năng thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420”.
Mục tiêu đề tài là nghiên cứu là:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái bề mặt (khơng xử lý và có xử lý
lớp ôxit tự nhiên hay mài tạo độ nhám khác nhau) và trạng thái công nghệ (ủ, tôi,
ram) hay tổ chức trước thấm của mẫu có ảnh hưởng như thế nào tới khả năng
thấm nitơ cho thép không gỉ mactenxit SUS420.
- Nghiên cứu và xây dựng quy trình cơng nghệ xử lý nhiệt và về mặt phù
hợp đối với thép không gỉ SUS420 để nâng cao chiều sâu lớp thấm và độ cứng
bề mặt.

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về thép không gỉ
Thép chống gỉ (không gỉ) đã ra đời từ khoảng hơn một thế kỷ trở lại đây.
Việc sử dụng thép không gỉ trong công nghiệp bắt đầu vào năm 1912 khi đơn
xin cấp bằng sáng chế cho một loại thép có khả năng chống ăn mịn cao được đề
xuất. Đặc biệt từ những năm 1950, một nhóm vật liệu bao gồm hơn 120 loại
thép không gỉ đã được phát triển, chế tạo và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới
nhờ khả năng chống ăn mịn tốt đồng thời có tính thẩm mỹ cao và cho đến nay
thì nhu cầu sử dụng thép không gỉ ngày càng tăng trong hầu hết các lĩnh vực
như: y tế, xây dựng, trong các ngành kỹ thuật, dân dụng, giao thông, và hàng
không…
1.1.1. Khái niệm về thép khơng gỉ
Thép khơng gỉ nói chung hay cịn gọi là inox (inert oxidized steel - khơng
bị oxy hóa) là loại thép có chứa tối thiểu khoảng 10,5% Crôm và các nguyên tố
hợp kim khác như: Ni, Mo, Mn,… Thép khơng gỉ có tính chống ăn mịn cao
trong các mơi trường axit đặc, nước biển, khó bị oxy hóa ở nhiệt độ cao và có
tính thẩm mỹ cao nhờ bề mặt sáng bóng. Vậy nên thép khơng gỉ có ý nghĩa rất
lớn trong các ngành cơng nghiệp và dân dụng. Các lĩnh vực ứng dụng chủ yếu
của loại thép này là trong:
• Thiết bị và dụng cụ y tế
• Kiến trúc và xây dựng
• Cơng nghệ ơ tơ và vận tải
• Hàng gia dụng và hàng tiêu dùng
• Dụng cụ chế biến thức ăn
• Cơng nghệ biển và đóng tàu
• Ứng dụng xây dựng nhà máy hóa chất, dụng cụ đựng hóa chất
1.1.2. Phân loại thép khơng gỉ
Thép khơng gỉ thường được chia thành năm nhóm căn cứ vào tổ chức của
thép: thép không gỉ mactenxit, thép không gỉ ferit, thép không gỉ austenit, thép

duplex và thép không gỉ hóa bền tiết pha.

3


Tổ chức của thép sau thường hóa phụ thuộc vào hàm lượng Cr và Ni

Niken đương lượng (Ni +30C+0,5Mn)

đương lượng và được xác định thơng qua giản đồ Schaeffler (hình 1.1).

Austenit (A)

Mactenxit (M)
Ferit (F)
Crơm đương lượng (Cr+Mo +1,5 Si +0,5Cb)
Hình 1.1. Giản đồ Schaeffler các họ thép không gỉ [9]
Thép không gỉ một pha austenit: là loại thép chỉ tồn tại một pha austenit

trong tổ chức. Tổ chức này đạt được bằng cách sử dụng các nguyên tố hợp kim
mở rộng vùng austenit như Ni, Mn hay N. Thép không gỉ austenit chứa Cr cao
(>16 ÷18%) và Ni từ (

6 ÷ 8%). Ngồi ra, thép có thể hợp kim hóa Mn với hàm

lượng có thể lên tới 15%.
Thép có kiểu mạng lập phương tâm mặt nên thép có tính dẻo cao, có khả
năng hóa bền biến dạng mạnh. Thép này có tổ chức một pha nên khơng thể hóa
bền bằng nhiệt luyện.
Để nâng cao tính chống ăn mịn phải làm cho thép có một pha austenit

đồng nhất. Khi nung lên đến một nhiệt độ nhất định thép này có thể tiết cacbit
crôm ở biên giới hạt làm tăng nguy cơ ăn mòn biên giới hạt. Để khắc phục hiện
tượng này có thể cho thêm một số nguyên tố tạo cacbit mạnh như Ti hay N. Ví
dụ một số mác thơng dụng thép không gỉ một pha austenit như: SUS304,
SUS310, SUS316…

4


Thép không gỉ một pha ferit: đây là loại thép chứa hàm lượng Cr trong
khoảng 10,5% đến 30%. Để đảm bảo tổ chức thuần ferit và tránh tạo cacbit, hàm
lượng C trong thép được giữ ở mức rất thấp sao cho tỷ lệ Cr/C khoảng 150, ví dụ
như các mác 08Cr13 hay 12Cr17. Ngoài ra, để nâng cao một số tính chất riêng
biệt, thép có thể được hợp kim hóa với một số nguyên tố khác như Mo, Si, Al, Ti
hay Nb. Để tăng khả năng gia cơng ta có thể đưa thêm một số nguyên tố như S
hay Se vào thép.
Thép khơng gỉ ferit có tính chất sắt từ, có độ dẻo cao và khả năng gia
cơng biến dạng tốt. Do chỉ có một pha ferit trong tổ chức nên độ bền, độ cứng
của thép thấp cả ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao. Đây là loại thép không thể tăng
bền bằng nhiệt luyện cũng như khả năng hóa bền biến dạng thấp. Khả năng
chống ăn mịn của thép khơng gỉ ferit nhìn chung là khá tốt. Ví dụ một số mác
thép không gỉ một pha ferrit thông thường như: SUS405, SUS429, SUS430…
Thép khơng gỉ mactenxit là nhóm thép có thể tăng bền và có độ cứng cao
bằng tôi và ram. Các thép trong họ thép không gỉ mactenxit thường đặc trưng
bởi độ bền cao nhưng khả năng chống ăn mịn thấp so với họ thép khơng gỉ
austenit hoặc ferit. Thép không gỉ mactenxit với hàm lượng cacbon cao làm độ
bền tăng nhưng độ dẻo dai giảm đi đáng kể cùng với đó tính hàn cũng kém đi vì
thế một số thép khơng gỉ mactenxit 13% Cr với hàm lượng cacbon cao không
được sử dụng trong các kết cấu hàn. Ngoài ra, để tăng độ bền nhiệt và khả năng
chống mài mịn có thể bổ sung các ngun tố tạo cacbit mạnh như Mo, V, W

hoặc bổ sung Ni để tăng độ dai cho thép. Lưu huỳnh được thêm vào để cải thiện
khả năng gia công cắt gọt. Thép khơng gỉ mactenxit có khả năng chống ăn mịn
trong mơi trường ẩm, trong mơi trường khí quyển, mơi trường kiềm, dung dịch
lỗng của axit vơ cơ, hữu cơ. Nói chung, với hàm lượng crơm thấp và cacbon
cao thì họ thép khơng gỉ mactenxit khả năng chống ăn mịn thấp hơn các loại
thép khơng gỉ khác. Ví dụ một số mác thép không mactenxit thông thường như:
SUS420J1, SUS420J2, SUS410S, SUS403, SUS440A…
Thép khơng gỉ hóa bền tiết pha: có thành phần và tổ chức gần với họ
austenit, song có hàm lượng Cr, Ni thấp hơn một chút (13÷17% Cr và 4÷7%
Ni), có thêm Al, Cu, Mo, và tổ chức austenit chưa ổn định. Dịng thép này vừa
có tính cơng nghệ vừa có cơ tính cao: rất dễ biến dạng và gia công cắt thép ở
5


trạng thái mềm, sau đó hóa bền bằng hóa già ở nhiệt độ thấp nhờ đó tránh được
biến dạng và oxy hóa.
Nhiệt luyện loại thép này thường là ủ ở 1050 oC, nguội ngồi khơng khí
thu được tổ chức austenit mềm, dễ biến dạng dẻo và khả năng gia công cắt gọt
tốt. Gia cơng lạnh ở 0 ÷ (-75)oC để austenit chuyển biến mactenxit, cuối cùng
hóa già ở 525oC trong khoảng 1 giờ để các pha hóa bền NiAl, Ni3Al tiết ra làm
tăng mạnh độ bền.
Thép không gỉ song pha (duplex): có tổ chức gồm hỗn hợp hai pha là
ferit và austenit. Hàm lượng ferit trong thép có thể dao động trong khoảng (3070)% tuy nhiên tốt nhất khi tỷ lệ giữa hai pha austenit và ferit khoảng 50-50.
Các nguyên tố hợp kim chính là crơm và niken. Ngồi ra, các nguyên tố như
nitơ, molypden, đồng, silic và vonfram có thể được thêm vào để điều khiển
thành phần pha và nâng cao tính chống ăn mịn cho thép. Khả năng chống ăn
mịn của thép khơng gỉ duplex giống như thép khơng gỉ austenit có thành phần
hợp kim tương tự. Tuy nhiên, thép khơng gỉ song pha có giới hạn bền kéo, giới
hạn chảy và nâng cao khả năng chống ứng suất tốt hơn các dòng thép austenit.
Độ bền của thép không gỉ song pha là ở khoảng giữa thép không gỉ austenit và

ferrit. Nhược điểm chính của dịng thép khơng gỉ duplex là sự tiết ra các pha liên
kim khi là việc ở nhiệt độ cao làm tăng tính giịn của thép.
1.1.3. Tính chất của thép khơng gỉ

Hình 1.2. Giản đồ thử kéo của các dịng thép khơng gỉ
Giản đồ thử kéo của một số loại thép không gỉ được thể hiện ở hình 1.2.
Có thể thấy rằng, thép khơng gỉ mactenxit sau tơi và ram có giới hạn bền rất cao
6


(trên 1150 MPa). Các dịng thép austenit và ferit có độ bền thấp hơn nhiều
nhưng bù lại có độ dẻo cao hơn. Tuy vậy, khả năng tạo hình bằng biến dạng của
thép mactenxit vẫn có thể thực hiện được do ở trạng thái ủ thép này có tổ chức
ferit và cacbit với hàm lượng pha ferit khoảng 90%.
Do có hàm lượng Ni cao kết hợp với tổ chức austenit ổn định nên họ thép
khơng gỉ austenit có độ dai cao. Đặc biệt là họ thép này vẫn đảm bảo được độ
dai khi làm việc ở vùng nhiệt độ âm tới gần -200 oC. Thép mactenxit có độ dai
thấp. Đặc biệt là khi nhiệt độ sử dụng thấp hơn 0 oC, thép trở nên rất giịn do
vậy khơng nên sử dụng thép này ở vùng nhiệt độ thấp. Các dòng thép ferit cũng
không nên sử dụng ở nhiệt độ âm do độ dai khơng đảm bảo u cầu.

Hình 1.3. Độ dai của các loại thép không gỉ phụ thuộc vào nhiệt độ thử
Khả năng chống ăn mịn của thép khơng gỉ nói chung phụ thuộc vào tổ
chức và hàm lượng Cr trong thép. Do phải sử dụng hàm lượng Cr cao và có tổ
chức một pha nên khả năng chống ăn mịn của thép khơng gỉ autenit là tốt nhất
sau đó đến thép không gỉ song pha. Thép không gỉ ferit và khơng gỉ mactenxit có
khả năng chống ăn mịn khơng cao do sử dụng hàm lượng Cr thấp. Tuy vậy, do
có tổ chức mactenxit q bão hịa C với thế điện cực thấp nên thép khơng gỉ
mactenxit có tính chống ăn mịn kém nhất (hình 1.4).

7


Hình 1.4. Khả năng chống ăn mịn phụ thuộc vào hàm lượng crơm và
niken đương lượng
Các tính chất của các nhóm thép khơng gỉ được tổng hợp trong các bảng
1.1. và 1.2.
Bảng 1.7. So sánh tính chất của các loại thép khơng gỉ [3]
Tốc độ hóa

Chịu ăn

Khả năng

bền rèn

mịn

hóa bền

Khơng

Rất cao

Cao

Rèn nguội

Ferit

Có

Trung bình

Trung bình

Khơng

Mactenxit

Có

Trung bình

Trung bình

Tơi và ram

Duplex

Có

Trung bình

Rất cao

Khơng

Nhóm thép
khơng gỉ

Austenit

Từ tính

Bảng 1.8. So sánh cơ tính của một số loại thép khơng gỉ [3]
Nhóm thép
khơng gỉ
Austenit
Ferit
Mactenxit
Hóa bền tiết

Tính dẻo

Làm việc ở
nhiệt độ cao

Làm việc ở
nhiệt độ

Tính hàn

thấp

Rất cao

Rất cao

Rất tốt

Rất cao

Trung bình

Cao

Thấp

Thấp

Thấp

Thấp

Thấp

Thấp

Trung bình

Thấp

Thấp

Cao

Trung bình

Thấp

Trung bình

Cao

pha
Duplex

8


1.2. Thép khơng gỉ mactenxit SUS420
1.2.1. Thành phần hóa học và vai trò các nguyên tố trong thép
a. Thành phần hóa học
Bảng 1.9. Thành phần hóa học ở trạng thái cung cấp của thép khơng gỉ
420

Thành phần hóa học thép 420 theo tiêu chuẩn AISI được đưa ra ở bảng
1.3. Các ngun tố hợp kim chính gồm cacbon và crơm. Với thép mác AISI420,
hàm lượng C cho phép dao động trong khoảng khá rộng (0,15-0,4)% trong khi
tiêu chuẩn các nước khác quy định hàm lượng cacbon khá chặt chẽ. Nhìn chung,
mác AISI420 tương đương với 3Cr13 theo tiêu chuẩn Trung Quốc và SUS420
theo tiêu chuẩn của Nhật.
b. Vai trò của cacbon và Crôm trong thép mactenxit [4]
Cacbon (C): Hàm lượng cacbon cũng làm tăng đáng kể độ cứng, độ bền
cơ học cho thép. Tuy nhiên, khi hàm lượng cacbon trong thép không gỉ lớn sẽ
làm tăng nguy cơ tạo cacbit dẫn đến khả năng chống ăn mòn của thép giảm.
Trong thép mactenxit và mactenxit-austenit cacbon làm tăng độ cứng và độ bền
sau nhiệt luyện nên các thép này cần sử dụng ở trạng thái tơi và ram. Tuy có độ
bền cao nhưng thép mactenxit với hàm lượng cacbon cao sẽ làm giảm độ dẻo và
độ dai của các loại thép này làm tăng tính giịn của thép.

9


Crôm (Cr): Đây là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất đối với thép
khơng gỉ. Nó là yếu tố quyết định tính chống ăn mịn của thép. Khả năng chống
ăn mịn tăng lên khi hàm lượng crơm tăng lên, do nâng cao thế điện cực của ferit
và mactenxit và tạo lớp chống ăn mịn điện hóa thụ động trên bề mặt thép.
Ngồi ra nó cũng tăng khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao hay cịn gọi là
tính bền nhiệt cao.
1.2.2. Tính chất của thép khơng gỉ mactenxit 420
Tính chất vật lý của thép không gỉ mactenxit 420 được đưa ra ở bảng 1.4.
Nếu so sánh với thép C (C45 hay AISI 1045), thép khơng gỉ 420 có nhiệt dung
riêng và độ dẫn nhiệt thấp hơn. Do chứa nhiều nguyên tố hợp kim, nên độ dẫn
nhiệt kém hơn làm ứng suất nhiệt khi nung nóng và làm nguội sẽ cao hơn so với
thép C. Do vậy cần chú ý đến tốc độ nung và môi trường nguội khi tôi thép để
tránh biến dạng, đặc biệt đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp.
Bảng 1.4. Bảng so sánh tính chất vật lí của một số thép khơng gỉ
mactenxit và thép AISI 1045 [1]
Khối lượng
Tính chất

riêng
(g/cm3)

Độ giãn nở

Độ dẫn

nhiệt

nhiệt

(x10-6/oC)

(W/moC)

200-600 oC

20 oC

Nhiệ
t dung riêng
(J/KgoC)
20
o

Từ
tính

C

AISI 420

7,70

10,3 – 10,8

24,9

460

có

AISI 410

7,60– 7,70

12 -13

22 - 24

460

có

AISI 431

7,70

10,2 – 12,1

20,2

460

có

AISI 440C

7,65

10,1 – 20,3

24,2

460

có

AISI 410

7,60– 7,70

12 -13

22 - 24

460

có

AISI 1045

7,85

11,5

49,8

486

có

10


Cơ tính thép khơng gỉ mactenxit 420 so với một số thép không gỉ khác ở
trạng thái cung cấp được trình bày ở bảng 1.5. Có thể thấy rằng so với hai loại
thép không gỉ phổ biến là 304 (austenit) và 430 (ferit), thép khơng gỉ mactenxit
420 có giới hạn bền và giới hạn chảy vượt trội hẳn. Tuy nhiên, độ dẻo của thép
không gỉ mactenxit 420 thấp hơn rất nhiều so với 2 loại thép austenit và ferit.
Bảng 1.5. Tính chất cơ học cơ bản của số thép khơng gỉ ở nhiệt độ phòng [1]
Độ giãn dài tương

Mác thép

Giới hạn bền

Giới hạn chảy

(AISI)

(MPa)

(MPa)

420L

980

780

16

304 (austentit)

620

310

57

430 (ferit)

510

345

25

431

900

690

16

410S

690

540

20

đối
(%)

1.2.3. Nhiệt luyện thép không gỉ mactenxit 420
a. Lựa chọn nhiệt độ ủ thép 420
Là công nghệ nhiệt luyện sơ bộ thường áp dụng trước gia cơng cơ khí.
Đối với thép khơng gỉ mactenxit 420 thường áp dụng hai phương pháp ủ là:
- Ủ mềm: là nguyên công thường áp dụng cho phôi trước khi gia cơng cơ
khí. Do thép 420 có thể tơi được trong khơng khí nén nên sau đúc phơi thép
thường có độ cứng khá cao, độ dẻo thấp nên gia công tạo hình sẽ khó khăn.
Chính vì thế cần được ủ mềm ở nhiệt độ 880 oC trong thời gian 1 giờ và nguội
cùng lò với tốc độ nguội rất chậm. Nhiệt độ và thời gian ủ này ta lựa chọn dựa
trên một số tài liệu tham khảo hoặc ta cũng có thể dựa vào giản đồ pha. Có tài
liệu sử dụng nhiệt độ ủ cho thép 420 là (840~900) oC trong thời gian 1 h [13].
- Ủ khử ứng suất: áp dụng cho chi tiết sau gia cơng cơ khí. Nhiệt độ ủ
khử ứng suất khoảng 650oC trong 2 giờ sau đó nguội cùng lị.

11


- Theo một số tài liệu tham khảo số [15-16] nhiệt độ ủ đối với thép
SUS420 thông thường được chọn ở (816~899) oC hoặc (840~900) oC
b. Lựa chọn nhiệt độ tơi thép 420

Hình 1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ austenit hóa tới kích thước hạt, hàm
lượng austenit dư và độ cứng của thép 420 [5]
Thép không gỉ mactenxit là loại thép có hai pha ferit và cacbit ở trạng thái
cân bằng đồng thời hàm lượng cacbon nằm trong dải của thép cacbon trung bình
thấp, có thể áp dụng cơng nghệ tôi để nâng cao độ cứng cũng như khả năng
chống mài mịn . Ở trạng thái ủ thép có tổ chức hai pha là ferit và cacbit nhưng
khi nung nóng ở nhiệt độ trên 900 oC sẽ đạt được tổ chức austenit và khi làm
nguội trong khơng khí có thể tạo pha mactenxit. Do có độ dẫn nhiệt thấp hơn
thép C nhưng cần có nhiệt độ tơi cao để hịa tan cacbit nên đối với các chi tiết có
hình dạng phức tạp cần được nung phân cấp. Đối với chi tiết lớn có hình dáng
phức tạp, thép khơng gỉ mactenxit được nung phân cấp đến khoảng 540 °C sau
đó tiếp tục nung đến nhiệt độ austenit hóa ở khoảng (925÷1065) °C. Sau thời
gian giữ nhiệt nhất định tại nhiệt độ austenit hóa, thép khơng gỉ mactenxit được
làm nguội bằng dầu hoặc khơng khí. Thép có độ thấm tơi cao vì hàm lượng Cr
trong austenit rất lớn.

12


Dựa vào giản đồ trên hình 1.5, có thể thấy ban đầu khi nhiệt độ tơi tăng
thì độ cứng tăng do hòa tan được nhiều cacbit vào austenit nên hàm lượng C
trong austenit cao và sẽ tạo ra mactenxit có độ quá bão hòa cacbon cao. Tuy
nhiên, khi nhiệt độ nung lớn (trên 1050 oC) độ cứng có xu hướng giảm do lượng
austenit dư trong thép tăng mạnh. Mặt khác, khi nhiệt độ nung thấp hơn 1050
C, kích thước hạt austenit chưa hoặc ít thay đổi do q trình sáp nhập hạt xảy ra

o

chậm. Nếu nung quá nhiệt độ này, tốc độ lớn hạt tăng lên nhanh chóng, nên kích
thước hạt tăng lên. Chính vì lý do này, nhiệt độ nung cho thép 420 thường được

chọn thấp hơn 1050 oC. Chính vì vậy, đề tài sẽ tiến hành chọn nhiệt độ tôi cho
thép 420 là 1040 oC.
Theo một nghiên cứu cho thấy độ cứng mà thép 420 có thể đạt được với
các chế độ nhiệt độ tôi tương ứng như trong bảng 1.6:
Bảng 1.6. Các chế độ tôi và độ cứng tương ứng của thép không gỉ 420 [5]
Nhiệt độ tôi

Thời gian giữ nhiệt

Độ cứng

(oC)

(phút)

(HRC)

1020

30

56 ± 2

1050

30

57 ± 2

Trên cơ sở lý thuyết và các tài liệu tham khảo đề tài sẽ thực hiện việc

chọn nhiệt độ tôi là 1040 oC với mong muốn để đạt được giá trị về độ cứng cao
nhất để làm tăng khả năng chịu mài mòn cho chi tiết cũng như sản phẩm.
c. Lựa chọn nhiệt độ ram thép 420
Thép không gỉ mactenxit sau tôi thường có độ cứng cao nhưng khá giịn.
Vì vậy, sau tôi thép thường được ram để khử bỏ ứng suất sau tơi nhằm phục hồi
độ dai cho thép. Cơ tính của thép phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ ram.
- Khi ram ở nhiệt độ khoảng (200÷450) oC: Ram ở nhiệt độ này nhằm
mục đích khử bỏ ứng suất dư. Độ cứng của thép giảm không nhiều.
- Khi ram ở nhiệt độ > 450 oC: lượng austenit giảm mạnh cùng quá trình
tiết cacbit làm tăng độ cứng cho thép (độ cứng thứ 2). Độ cứng lớn nhất đạt
được khi ram ở khoảng nhiệt độ 470oC.
- Khi ram ở nhiệt độ trên 500 oC: cacbit tiết nhiều làm giảm hàm lượng
C và Cr trong nền, độ cứng và giới hạn bền giảm khá nhanh.
13