BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM CÔNG DŨNG

NGHIÊN CỨU THÉP KHÔNG GỈ CHẾT TẠO DỤNG CỤ Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội, 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM CÔNG DŨNG

NGHIÊN CỨU THÉP KHÔNG GỈ CHẾT TẠO DỤNG CỤ Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN SƠN LÂM

Hà Nội, 2018


Lời nói đầu
Hiện nay và trong tương lai thép vẫn là vật liệu chủ yếu được sử

dụng rộng rÃi ở hầu hết các ngành công nghiệp và nhiều ngành khác. Sản
xuất thép là lĩnh vực quan trọng có tác dụng quyết định đối với sự nghiệp
xây dựng và phát triển ®Êt n­íc.
Cïng víi sù ph¸t triĨn cđa ®Êt n­íc trong công cuộc đổi mới trong
những năm gần đây ngành thép Việt Nam đà có những bước phát triển
đáng kể về sản lượng thép. Tuy nhiên vấn đề sản xuất thép chất lượng cao
vẫn là mảng khuyết lớn. Hơn nữa thép chất lượng cao ngày càng được sử
dụng nhiều trong các ngành trong công nghiệp trong cuộc sống và các
ngành khác.
Do những đặc tính ưu việt của thép không gỉ nên chúng được sử
dụng rất rỗng rÃi trong ngành y tế, từ việc chế tạo các y cụ thông thường
cho đến các chi tiết trong cơ thể người, các máy đo các máy kiểm tracác
máy, các công cụ này hiện nay Việt Nam hầu như phải nhập khẩu từ nước
ngoài.
Thép không gỉ hệ Crôm Niken là một trong những hệ thép được sử
dụng khá phổ biến, ưu điểm của loại thép này là có tính chống ăn mòn rất
cao nhưng giá thành đắt và tính chống mài mòn và chịu tải chưa cao. Để
triển khai sản xuất hệ thép này cần phải có nguồn cung cấp Niken, một
kim loại rất đắt tiền và ngày càng khan hiếm, hơn nữa chúng ta hoàn toàn
phải nhập ngoại. Chính vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng sản xuất thép
không gỉ hệ Cr là rất cần thiết.
Trên thế giới, đặc biệt ở các nước có nền công nghiệp phát triển
như Đức, Nhật, Mỹ, vấn đề này đà được nghiên cứu từ rất lâu và đÃ
được ứng dụng rỗng rÃi.
1


ở Việt Nam thép không gỉ đà được nghiên cứu và được sản xuất ở
một số nơi như: Nhà máy Cơ Khí Hà Nội, ( sản xuất thép không gỉ
1X118H9T cho thủy điện, 2X13 làm trục cống nước biển..), Z127 ( sản

xuất thép không gỉ 1X13, 1X118H9T ), Viện Luyện Kim Đen ( sản xuất
thép không gỉ mác Cr20Ni8, 08Cr18Ni10.. đặc biệt đà sản xuất mác
03Cr18Ni10Mo dùng trong chấn thương chỉnh hình) ở nhà máy Y cụ 2
Sông Công Thái Nguyên hiện là nhà máy duy nhất ở miền bắc sản xuất
dụng cụ y tế nhưng cũng phải nhập phôi thép không gỉ từ nước ngoài về
rồi chế tạo ra s¶n phÈm.

2


Luận án gồm:
Phần mở đầu
Phần nội dung của luận án
ã

Chương 1: Tổng quan

ã Chương 2: Cơ sở lý luận
ã Chương 3: Nội dung thực nghiệm
ã Chương 4: Các thông số công nghệ sản xuất chế tạo dụng cụ y tế
Phần kết luận
Qua luận án này tôi xin chân thành cảm ơn:
ã Sự hướng dẫn chu đáo của TS. Nguyễn Sơn Lâm, PGS-TS Ngô Trí Phúc,
sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong bộ môn Luyện kim đen, Khoa
Khoa học và Công nghệ vật liệu, Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại
học, Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
ã Sự tạo điều kiện giúp đỡ tận tình của LÃnh đạo Tổng công ty Thép Việt
Nam.
ã Sự giúp đỡ của các Trung tâm đo lường, các cơ quan trong Bộ công
nghiệp, Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ giáo dục đào tạo, Bộ quốc phòng.

ã Sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp.

3


Phần mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trải qua hơn 80 năm kể từ ngày bắt đầu sản xuất ở mức độ công nghiệp, sản
lượng thép không gỉ đà tăng lên nhanh chóng và đà thoả mÃn ngày càng nhiều
cho nhu cầu của nhiều ngành kỹ thuật nói chung và ngành y tế nói riêng. Sản
lượng thép không gỉ hàng năm trên thế giới được nêu cụ thể ở bảng sau:
Năm

Sản lượng (triệu tấn)

1913

Bắt đầu sản xuất

1950

1

1993

11,6

1994

13,0


1995

14,0

1996

14,7

1997

15,5

1998

16,3

1999

16,6

2000

17,8

2004

24

Bảng 1: Sản lượng thép không gỉ trên thế giới

Qua bảng trên ta thấy sản lượng thép không gỉ không ngừng tăng trưởng qua
từng năm. Tuy nhiên cho đến nay đối với Việt Nam hầu hết những loại thép này
đều được nhập từ n­íc ngoµi….
4


Sản lượng thép không gỉ trên thế giớii
Năm

2000
1980
1960
1940
1920
1900
1880
1860
1

11.6

13

14

14.7

15.5

16.3


16.6

17.8

Sản lượng
( triệu tấn)

Hình 1: Sản lượng thép không gỉ trên thế giới

2. ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiƠn
ë n­íc ta tõ những năm 1960 thép không gỉ đà được dùng trong lĩnh vực y
tế, các sản phẩm đó đều phải nhập từ nước ngoài bằng nhiều nguồn khác nhau
như hàng viện trợ của các nước, các tổ chức quốc tế, hàng xin hoặc mua do các
chuyên gia, các đoàn cán bộ y tế từ ngoài mang về. Vì vậy nó vừa thừa, không
đồng bộ, do đó việc triển khai đề tài này là một đòi hỏi khách quan của thực tế
cuộc sống.
3. Mục đích nghiên cứu
Nội dung của đề tài này không đặt vấn đề nghiên cứu cơ bản để tìm ra một
loại vật liệu mới của thế giới mà ở đây chỉ đi sâu vào tìm hiểu bản chất các loại
vật liệu nhiều nước đà và đang dùng. Hướng của đề tài là tận dụng tối đa những
kết quả áp dụng thành công của các nước có nền y học ph¸t triĨn. Cơ thĨ chän

5


mác thép tương đương với mác thép của Trung Quốc, Pháp, Mỹ, Nhật.... đà và
dang dùng. Nội dung chủ yếu của đề tài còn lại là làm sao xác lập được các quy
trình công nghệ thích hợp. Thước đo của sự thích hợp này là theo quy trình đó
tạo ra được vật liệu có thông số nằm trong giới hạn các thông số tương xứng thu

được từ các mẫu đang sử dụng ở Việt Nam.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Để tăng chất lượng của thép phải khống chế các khâu: Nấu luyện - Đúc rót
Gia công cơ - Nhiệt.
Luận án đi nghiên cứu và thiết lập quy trình công nghệ nấu luyện và gia
công chế tạo mác thép 30Cr13 (theo tiêu chuẩn Việt Nam) thành dụng cụ sử
dụng trong y tế.
Thành phần hóa học
Mác thép

30Cr13

Thành phần hóa học
C

Si

Mn

Cr

S

P

0,25 - 0,34

0,60

0,60


12,0-14,0

0,025

0,030

Bảng 1: Thành phần hóa học mác thép 30Cr13
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, qua thực tế tham quan sản xuất và nghiên
cứu Tôi đà chọn đề tài nghiên cứu là :

"Nghiên cứu nấu luyện thép không gỉ mác 30Cr13 để chế tạo dụng cụ y
tế"
Thép 30Cr13 không những có khả năng chống gỉ tốt mà còn đủ các điều
kiện để chế tạo một số dụng cụ dïng trong y tÕ cịng nh­ trong cc sèng.
VÊn ®Ị đặt ra là lựa chọn công nghệ sản xuất thép không gỉ làm sao cho
hợp lý phù hợp với điều kiện hiện có.
5. Phương pháp nghiên cứu

6


Nghiên cứu các tài liệu liên quan đà công bố trong và ngoài nước để lựa chọn
các thông số cần theo dõi trong thực nghiệm, tuân thủ nguyên tắc khống chế
điều kiện tương tự.
Tiến hành thực nghiệm trên mẻ nấu để có các số liệu trên cơ sở đó phân tích,
chọn hợp lý các thông số công nghệ, giải quyết được nhiệm vụ chính là thiết lập
quy trình nấu luyện và nghiên cứu chế tạo dụng cụ y tế.
Các mẫu được đo lường và phân tích trên thiết bị hiện đại và tính toán, xem
xét kết quả nghiên cứu tuân thủ nguyên tắc loại bỏ các sai số ngẫu nhiên và quy

luật không đồng nhất của vật chất.

Phần nội dung của luận án
Chương 1 Tổng quan
1.1.

Tình hình phát triển thép không gỉ

1.1.1. Lịch sử phát triển thép không gỉ
Lịch sử phát triển thép không gỉ bắt đầu từ việc phát minh ra tác dụng của
crôm khi cho thêm vào thép đà tạo ra các đặc tính ưu việt sau đó đến việc áp
dụng và đưa vào sản xuất công nghiệp các loại thép này.
Từ năm 1821 Berthier là người đầu tiên đà nhận thấy rằng khi cho crôm
vào thép thì tính chống gỉ của thép trong axit tăng lên và khi hàm lượng crôm
càng tăng lên thì tính chống gỉ càng tăng.
Hàm lượng crôm chỉ hạn chế ở một giới hạn thấp nhưng cũng đủ để chế
tạo lưỡi dao có độ cứng cao và tính chống gỉ cao hơn nhiều so với thép cacbon.
Đó chính là nguyên nhân tại sao Berthier đà khuyến nghị loại hợp kim này để
chế tạo các loại dao kéo.
Phát minh của Berthier có tầm quan trọng rất lớn, song việc phát triển
chúng cho những áp dụng khác và việc nâng cao hàm lượng crôm trong thép đến
như hiện nay đà được tiến hành rất chậm do một số nhân tố hạn chế.

7


Trước hết là các hợp kim được chế tạo bằng các quá trình hoàn nguyên có
hàm lượng cacbon cao nên các hợp kim này rất dòn. Hàm lượng crôm thì rất khó
điều chỉnh và kiểm tra, hàm lượng crôm nhiều khi lại quá thấp làm cho tính
chống gỉ không đạt được hiệu quả cao. Thứ hai, tính chống gỉ đà được đánh giá

từ các thực nghiệm được tiến hành trong axit sunfuric hay trong nước, mà trong
khi đó tính chống gỉ của thép có thể thay đổi rất nhiều môi trường từ môi trường
này đến môi trường khác.
Vì vậy các nhà khoa học đà không chú ý lắm đến loại thép này trong
khoảng 50 năm. Năm 1870 Brustlein lại bắt đầu nghiên cứu các hợp kim sắt
crôm và đà đóng góp nhiều công sức cho sự phát triển của chúng. Ông đà đề
nghị sử dụng các loại thép này để chế tạo vũ khí. Song sự phát triển lại bị hạn
chế do công nghệ nấu luyện lúc bấy giờ. Việc phát triển các loại thép crôm được
triển khai chỉ khi có phát minh của Goldschmit (người Đức) cho phép sản xuất
ferrocrôm cacbon thấp bằng phương pháp nhiệt nhôm.
Như vậy chóng ta thÊy r»ng viƯc ph¸t triĨn c¸c vËt liƯu mới có liên quan
rất chặt chẽ đến các công nghệ chế tạo vật liệu. Bắt đầu từ ferrocrôm cacbon
thấp được chế tạo theo phương pháp của Goldschmit, một số nhà luyện kim
người Pháp và Đức đà nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt luyện lên cấu trúc và cơ
tính của thép không gỉ.
Trong các nhà khoa học này có thể kể ra là Guillet, Portevin,
Giesen..nhiều công trình đà nghiên cứu cơ chế gỉ của thép không gỉ. Momartz đÃ
nghiên cứu vai trò của tính thụ động và của hàm lượng cacbon lên tính chống gỉ
của thép. Trong thời gian này đà tạo ra một số lớn các loại thép không gỉ dẫn
đến nhiều bằng sáng chế.
Phần lớn các nghiên cứu được tiến hành trong các phòng thí nghiệm
nhưng những ý đồ xem xét khả năng của các ứng dụng thực tế và những thành
tựu công nghiệp đầu tiên cũng đà được tiến hành. Có rất nhiều nhà khoa học đÃ
đóng góp nhiều trong lĩnh vực này, tiêu biểu là Brearly, Dansitzen, Becket,
Manrer, Strauss…
8


1.1.2. Tình hình phát triển thép không gỉ trên thế giới
Sản lượng thép không gỉ trên thế giới hàng năm vẫn có sự tăng trưởng rất

lớn đặc biết những quốc gia đà và đang phát triển. Hiện nay người ta đà nhìn vào
sức tiêu thụ thép không gỉ tính trên đầu người để làm tiêu chí đo mức độ phát
triển, cuộc sống của một đất nước. Mức tiêu thụ này ở một số nước tiêu biểu như
sau:

Tên nước

Bình quân

Nhật, Đức, Nam Tiều Tiên

14kg/nguời/năm

Thụy Điển

11 kg/nguời/năm

Mỹ

7 kg/nguời/năm

ấn Độ, Trung Quốc

0,5kg/nguời/năm

Bảng 3: Mức tiêu thụ bình quân theo đầu người
Nói chung ngày nay trên thế giới thép không gỉ đóng vai trò hết sức quan
trọng, trong hầu hết các ngành công nghiệp cũng như dân dụng, y tế
1.1.3. Tình hình phát triển thép không gỉ ở Việt Nam
Cho đến nay việc sản xuất thép không gỉ, đặc biệt là các sản phẩm ứng

dụng cho gia đình tại Việt Nam đà và đang không ngừng tăng trưởng và phát
triển. Hàng loạt các Nhà máy, các Công ty kinh doanh các mặt hàng thiết yếu về
thép không gỉ phục vụ cho cuộc sống đà được thành lập, điều đó minh chứng cho
việc nhu cầu về thép không gỉ đang tăng nhanh.
Từ năm 1990 đến nay Viện Luyện kim đen, theo số liệu thống kê [14] đÃ
sản xuất được các mác thép không gỉ như:
- ThÐp mactenxit 410, 420J1, 420J2

9


- ThÐp ferrit 430
- ThÐp austenit 304, 316, 316L
Trong ®ã Viện đà nghiên cứu thành công việc sản xuất thép không gỉ mác
316L được dùng trong phẫu thuật chấn thương chỉnh hình với các thiết bị hiện có
như: Lò cảm ứng trung tần, thiết bị tinh luyện điện xỉ..đà đạt được chất lượng
cao và được thử nghiệm trên chính cơ thể con người tại Bệnh viện 108 và đạt kết
quả tốt.
Hiện nay Viện đang tiến hành nghiên cứu chế tạo thép không gỉ Duplex
(mắc Cr12Ni5Ti), mác thép không gỉ hoá bền do tiết pha (mác AISI 630) và thép
không gỉ có chứa nitơ.
Tuy nhiên do điều kiện về thiết bị còn hạn chế nên Viện chỉ sản xuất được
sản phẩm nhỏ lẻNgoài ra, Viện còn sản xuất nhiều sản phẩm thép không gỉ ở
dạng đúc để phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp có liên quan như công nghiệp
giấy, tầu thuỷ
Ngoài ra còn một số công ty sản xuất đồ dùng thép không gỉ nhưng phôi
thép lại nhập từ nước ngoài và phần lớn được nhập từ Trung Quốc.
Như vậy nước ta hiện nay gần như chưa tự sản xuất được thép không gỉ,
mà hầu hết phôi đều được nhập từ nước ngoài.
1.2.


Công nghệ sản xuất thép không gỉ
Trước đây sản xuất thép không gỉ được tiến hành trong lò điện hồ quang

nên yêu cầu nguyên liệu đưa vào phải rất sạch, phế thép không gỉ cùng loại với
thép định sản xuất, ferro hợp kim cacbon thấp hoặc các hợp chất hợp kim hóa ở
dạng kim loại.. Vì vậy giá thành của thép không gỉ rất cao.
Năm 1954 Union Carbid Corporation (USA) đà nghiên cứu công nghệ khử
cac bon bằng Argon Oxygen Decarburization (AOD) ở trong phòng thí
nghiệm và đến năm 1968 thì xây dựng pilot ở mức độ công nghiệp. Đến năm

10


1978 thì các thiết bị AOD trên toàn thế giới đà có sản lượng khoảng 5 triệu
tấn/năm.
Bản chất của công nghệ EAF + AOD là nấu chảy trong lò điện hồ quang
với nguyên liệu rẻ tiền nhất như phế thép không gỉ và ferro hợp kim cac bon cao.
Nguyên liệu được tính sao cho crôm cao hơn hàm lượng cực tiểu của mác thép
định nấu là 0,5 %, C= 0,25 ÷ 2,0 %, Si = 0,2 ÷ 1,5 %. Sau khi nấu chảy liệu
trong lò hồ quang thì thép lỏng được chuyển sang thiết bị AOD để xử lý bằng
hỗn hợp Ar + O 2 . Sự thay đổi thành phần hoá học của thép lỏng theo từng giai
đoạn xử lý .

STT Hạng

Cr

Si


S

T0C

Ni

C

10,0

0,025 0,5

0,015 1550

-

-

9,8

1,5

0,3

0,015 1550

-

2


Ar/O 2 t (m)

mục
1

Thép định 18
nấu

2

Đầu

vào 18,5

AOD
3

Thổi lần 1 17,5

10,0

0,4

0,1

0,03

1700

1:3


25

4

Thổi lần 2 17,0

10,1

0,15

-

0,03

1720

1:2

15

5

Thổi lần 3 16,5

10,1

0,18

-


0,03

1740

2:1

15

6

G/đ hoàn 18,2

9,9

0,02

0,5

0,02

1650

Ar

5

10

nguyên

7

Khử S

18,2

9,9

0,02

0,5

0,01

1625

Ar

8

Kết quả

18,2

10,1

0,02

0,5


0,01

1550

Ar

Bảng 4: Sự thay đổi thành phần hoá học theo giai đoạn
11


Phương pháp công nghệ này có nhiều ý nghĩa về kinh tÕ:
- Cã thĨ sư dơng nguyªn liƯu chøa cacbon cao nên giá thành rẻ
- Giảm tiêu hao vật liệu chÞu lưa so víi EAF
- HƯ sè sư dơng cđa 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.
Hơn nữa, phương pháp công nghệ này cho phép nâng cao chất lượng thép
không gỉ rất nhiều.
Có thể sản xuất được các loại thép không gỉ với hàm lượng cac bon 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 được C< 0,02%,
thậm chí đạt tới C = 0,01 % , một hàm lượng mà ngay cả EAF + VOD cũng khó
mà đạt được.
- Điều khiển thành phần hoá học chính xác hơn
- Giảm hàm lượng lưu huỳnh do khuấy trộn mạnh xỉ bazơ và môi
trường khử nên dễ ®¹t S < 0,01 % thËm chÝ S = 0,001%
- Nâng cao độ sạch của thép.
Ngày nay trên thế giới người ta coi công nghệ EAF + AOD là công nghệ
số 1 để sản xuất thép không gỉ với các tính năng vượt trội của nó so với công

nghệ khác.
Gần đây nhiều tác giả đà 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 bước:
1. Tạo ra hợp kim Fe-16%Cr-6%C trong lò điện từ nguyên liệu là quặng
crôm, thép phế và than kốc.

12


2. Khử cac bon của hợp kim trên trong lò chuyển bằng cách thổi oxy vào sau
đó xử lý chân không. Sau giai đoạn AOD, trước khi đúc liên tục người ta
tiếp tục xử lý trong lò thùng để hợp kim hoá các nguyên tố bổ xung như
Ti, Nb và khử ôxy bằng Al, Ca hay đất hiếm.
1.3.

Thép không gỉ dùng trong y tế
Thép không gỉ thông thường chiếm khoảng 2 3% tổng sản lượng thép

của một quốc gia. Đối với nước ta con số đó là khoảng 6000 tấn/năm và một
khối lượng tương đối trong đó được sử dụng trong ngành y tế.
Thép không gỉ dùng trong y tế được phân loại theo phạm vi ứng dụng của chúng
và được chia làm 2 lĩnh vực sử dụng:
- Thép không gỉ dùng trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình (dùng
trong c¬ thĨ con ng­êi) nh­ èc, vÝt, nÐp x­¬ng…
- ThÐp không gỉ dùng để chế tạo các dụng cụ y tế như dao, kéo, panh,
kìm
1.4.

Lý do chọn mác thép

Qua khảo sát nhu cầu thị trường, tham khảo tài liệu tra cứu mác thép thế

giới,
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, qua thực tế tham quan sản xuất và nghiên
cứu Tôi đà chọn đề tài nghiên cứu là :

Nghiên cứu nấu luyện thép không gỉ mác 30Cr13 để chế tạo dụng cụ y tế
Thép 30Cr13 không những có khả năng chống gỉ tốt mà còn đủ các điều
kiện để chế tạo mét sè dơng cơ dïng trong y tÕ cịng nh­ trong cuộc sống.
Vấn đề đặt ra là lựa chọn công nghệ sản xuất thép không gỉ làm sao cho
hợp lý phù hợp với điều kiện hiện có.
Luận án đi nghiên cứu và thiết lập quy trình công nghệ nấu luyện và gia
công chế tạo mác thép 30Cr13 thành dụng cụ sư dơng trong y tÕ.

13


Chương 2: Cơ sở lý luận
2.1.

Lý thuyết về thép không gỉ

2.1.1. Khái niệm về thép không gỉ
Thép không gỉ bao gồm một họ hợp kim trên cơ sở Fe mà tính chất chủ yếu
của nó là bền chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau. Crôm là nguyên tố
hợp kim có vai trò quyết định đối với tính không gỉ của thép. Với lượng crôm
không ít hơn 12,5 % thép sẽ trở nên không gỉ trong môi trường oxy hoá do tạo ra
lớp màng thụ động trên bề mặt của nó. Còn một cách giải thích khác là khi pha
ferrit chứa không ít hơn 12,5 % Cr, điện thế điện cực của nó tăng lên tương
đương pha mactenxit (hay pha cacbit nói chung), nâng cao khả năng chống ăn

mòn điện hoá một cách rõ rệt, làm cho thép trở nên không gỉ.
Tuy gọi là thép không gỉ nhưng trong thực tế mỗi loại thép không gỉ chỉ có
tính chịu ăn mòn cao trong một số môi trường nhất định và ngay cả trong môi
trường đó nó vẫn bị ăn mòn nhưng với tốc độ không đáng kể.
Sở dĩ thép không gỉ có tính chịu ăn mòn là do trong thép có chứa nguyên tố
hợp kim crôm. Thông thường hàm lượng crôm yêu cầu tối thiểu là lớn hơn 12,5
% như đà nói ở trên. Ngoài ra người ta còn cho thêm các nguyên tố hợp kim
khác như đồng, Silic, Nhôm, Niken, molipden, vanadi, titan làm tăng tính chịu
ăn mòn của thép nhưng ảnh hưởng của chúng sẽ giảm đi nhiều nếu vắng mặt
nguyên tố crôm.
Thép không gỉ có thể luyện được trong lò điện hồ quang, lò thổi, lò điện tần
số sản phẩm có thể ở dạng thanh, tấm, băng cuộn, ống
2.1.2. Phân tích quá trình ăn mòn kim loại
Ăn mòn là quá trình phá huỷ kim loại do hậu quả các phản ứng hoá học hoặc
các quá trình điện hoá giữa kim loại và môi trường xung quanh. Phân loại ăn
mòn theo cơ chế quá trình hoặc theo dạng bên ngoài của bề mặt ăn mòn. Theo

14


cơ chế phân biệt ăn mòn hoá học và điện hoá. Theo dạng bề mặt, phân biệt ăn
mòn đều, ăn mòn cục bộ (vết, hố) và ăn mòn tinh giới.
ở các nước phát triển, người ta ước tính thiệt hại do ăn mòn chiếm khoảng
4,2% tổng sản phẩm quốc dân. Thiệt hại sẽ lớn hơn nếu tính cả chi phí bảo
dưỡng, thay thế vật liệu và hậu quả của ăn mòn là làm ô nhiễm môi trường và
mất cân bằng sinh th¸i.
ë ViƯt Nam, do khÝ hËu nãng Èm tû lệ vật liệu kim loại sử dụng còn cao, vì
vậy thiệt hại do ăn mòn chắc chắn sẽ lớn hơn nhiều.
a. Ăn mòn hoá học
Tiêu biểu cho ăn mòn hoá học là ăn mòn khí, khi kim loại tiếp xúc với không

khí ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao trên bề mặt của nó tạo ra màng oxyt. Màng
oxyt này sẽ không phát triển nếu oxy không có khả năng xâm nhập vào bên
trong, khi đó màng oxyt lại có tính chất bảo vệ. Các điều kiện để tạo nên màng
oxyt có tính chất bảo vệ là:
- Cơ cấu trục sít và phủ kín toàn bộ bề mặt kim loại
- Không bị phá huỷ trong môi trường
- Có liên kết chặt chẽ với kim loại nền
- Có hệ số gi·n në nhiÖt xÊp xØ hÖ sè gi·n në nhiÖt của kim loại nền
Khả năng bảo vệ thường được đánh giá tổng hợp thông qua số thể tích riêng
=

Voxyt
Vkimloai

Nếu > 1 màng có tính chất bảo vệ
Nếu < 1 màng không có tính chất bảo vệ
Các oxyt có khả năng bảo vệ tốt là:
- Al 2 O3 = 1,28

15


- Cr2 O3 ε = 2,00
- SiO2 ε = 1,88
Nh­ng nếu tỷ số thể tích riêng quá lớn ( >>1) liên kết giữa màng oxyt và
kim loại dễ bị phá huỷ, do đó không có tính bảo vệ.
Biện pháp chủ động để bảo vệ khỏi ăn mòn do khí (ăn mòn hoá học) là
hợp kim hoá bằng các nguyên tố tạo ra các màng oxyt bảo vệ. Thông thường các
oxyt nhiỊu cÊu tư vÝ dơ: FeCr 2 O 4 , NiCr 2 O 4 có tính bảo vệ tốt hơn các oxyt đơn.
b. ăn mòn điện hoá

Là sự phá huỷ do tác dụng của quá trình điện hoá khi kim loại nằm trong
môi trường điện ly, là kết quả của hoạt động của các vipin. Môi trường thường
gặp là nước có hoà tan muối, axit hoặc các chất khác.
Tốc độ ăn mòn điện hoá phụ thuộc vào điện thế điện cực, kim loại có điện
thế âm hơn sẽ bị hoà tan vào chất điện ly. Các vi pin tạo ra là do:
- Sự không đồng đều về tổ chức, tức kim loại chứa nhiều pha với điện
thế điện cực khác nhau
- Do trạng thái ứng suất không đồng nhất
- Do lớp phủ (màng ôxyt bảo vệ..) bị phá huỷ
- Do tiếp xúc với các kim loại khác
Các biện pháp chống ăn mòn điện hoá là:
- Tạo trạng thái thụ động gồm thụ động do màng bảo vệ và thụ động
môi trường.
- Các biện pháp hạn chế sự tạo thành các vi pin bằng cách khắc phục
các nguyên nhân như đà nêu, trong đó quan trọng hơn cả là tạo ra
một pha đồng nhất không chịu ứng suất dư

16


+ Cơ chế của ăn mòn điện hoá
Khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện ly, các ion của môi trường sẽ
tác dụng với ion của kim loại, dưới tác dụng này các ion kim loại sẽ bị chuyển
vào dung dịch điện ly và để lại trong kim loại những điện tử thừa. Điều này thể
hiện theo các phương trình phản ứng:
Me Me n + + ne (quá trình anốt)

Còn các chất oxy hoá nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra theo
phương trình phản ứng:
Ox + ne Red (Quá trình catot)

Ox: là chất oxy hoá
Red: là chất khử
Cụ thể chất oxy hoá là H + thì xẩy ra phản ứng sau:
H + + e → H hp

H hp + H hp → H 2

Còn nếu chất oxy hoá là oxy thì:
- Với môi trường là axit, quá trình xảy ra theo phản øng sau:
O2 + 4 H + 4e → 2 H 2 O

- Với môi trường trung tính hoặc bazơ, quá trình catot sẽ là:
O2 + 2 H 2 O + 4e 4OH

Kim loại trở nên tích điện âm, còn dung dịch điện ly tích điện dương, trên
miền ranh giới giữa chúng tạo ra lớp điện tích kép và có điện thế nhất định gọi là
thế điện cực. Bảng 5 sau đây cho biết điện thế tiêu chuẩn ở 250C so với điện thế
điện cực của hyđro
Nguyên tố

Fe

Cr

17

V

Ti



điện thế tiêu

-0,44

-0,77

-1,18

-1,63

chuẩn (v)
Bảng 5: Điện thế tiêu chuẩn cân bằng ở 250C của 1 số nguyên tố
Các vật liệu được dùng trong các ngành công nghiệp nhìn chung là có độ
sạch thấp, thêm vào đó gồm nhiều pha, những pha này có điện thế điện cực khác
nhau ở trong cùng một môi trường điện ly, do vậy rất dễ bị ăn mòn điện hoá. Ví
dụ loại vật liệu thông dụng nhất là thép cacbon. Thép cacbon luôn gồm 2 pha
ferrit và mactenxit do có điện thế điện cực khác nhau nên sẽ tạo thành cặp pin, ở
đây ferrit là anốt bị hoà tan. Nguyên nhân thép cacbon bị gỉ trong không khí
cũng như vậy. Không khí luôn chứa hơi nước nên trên bề mặt có màng nước rất
mỏng, khí CO 2 và các khi khác như SO 2 , H 2 S hoà tan vào nước tạo nên dung
dịch axit nh­ H 2 CO 3 , H 2 SO 3 làm màng nước trở thành môi trường điện ly.
Từ đó có thể thấy rằng sở dĩ thép bị ăn mòn điện hoá là do nó có tổ chức
nhiều pha và các pha này có điện thế điện cực khác nhau .
c. Các dạng ăn mòn khác
Hai dạng ăn mòn rất nguy hiểm là ăn mòn hố sâu, ăn mòn tinh giới. ăn
mòn hố sâu là dạng ăn mòn cục bộ, tốc độ ăn mòn tăng nhanh tại một số điểm
nhất định trên bề mặt, tạo thành các hố sâu, lúc đầu có kích thước tế vi (không
nhìn thấy được bằng mắt thường). Sau đó phát triển nhanh theo chiều sâu và
chiều rộng. Hậu quả đó dẫn đến chi tiết bị phá hỏng. Ăn mòn hố sâu và ăn mòn

tinh giới là hai dạng ăn mòn rất nguy hiểm, vì sự phá huỷ của chúng xảy ra đôi
khi không kéo theo những thay đổi đáng kể trạng thái bề mặt, nhất là đối với chi
tiết thanh mỏng.
d. Những quy ước ®Ĩ ®¸nh gi¸ møc chèng gØ cđa vËt liƯu kim loại
Thường gọi chung là thép không gỉ, nhưng thực ra mỗi loại thép không gỉ
có tính chống ăn mòn cao trong một số môi trường nhất định, ngay cả trong m«i

18


trường đó nó cũng bị ăn mòn nhưng với tốc độ nhỏ (không đáng kể) và được coi
là không gỉ.
Để đánh giá mức chống gỉ của kim loại người ta công nhận một quy ước
nào đó, ở đây được chọn so sánh với số liệu từ công trình. Có hai phương pháp
đánh giá:
* Theo chiều dày của lớp kim loại bị ăn mòn trong đơn vị thời gian (mm/năm)
- Trong môi trường ăn mòn yếu (không khí, nước)
Tốc độ ăn mòn < 0,01 mm/năm được coi là hoàn toàn không gỉ
Tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm được coi là không gỉ
Tốc độ ăn mòn > 0,1 mm/năm coi là bị gỉ
- Trong môi trường ăn mòn mạnh (axit, muối, bazơ)
Tốc độ ăn mòn < 0,1 mm/năm đựơc coi là chịu axit
Tốc độ ăn mòn < 1 mm/năm được coi là không gỉ
Tốc độ ăn mòn > 1 mm/năm coi là bị gỉ
* Theo độ giảm trọng lượng trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian
(g/m2h)

Phân loại
Độ


giảm

0 (Loại tốt)

1 (Loại đạt yêu cầu) 2 (không đạt)

trọng < 0,1 g/m2h

0,1-1,0 g/m2h

> 1,0 g/m2h

lượng
Đánh giá khả năng Hoàn
chống ăn mòn

không

toàn Coi như không bị ăn Bị ăn mòn
bị

ăn mßn

mßn

19


Bảng 6. Phân loại ăn mòn theo độ giảm trọng lượng
2.2. Phân loại thép không gỉ

Năm 1910 việc phân loại thép không gỉ theo cấu trúc đà được đưa ra, đó là
thép không gỉ mactensite, ferrit và austenit. Việc phân loại này vẫn còn được sử
dụng cho đến ngày nay. Việc phân loại này đà cho thấy thép không gỉ có các cấu
trúc rất khác nhau, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của chúng và chế độ gia
công nhiệt hay cơ nhiệt. Điều này nói lên tính linh hoạt của thép không gỉ, nghĩa
là tuỳ theo yêu cầu của các điều kiện làm việc mà ta có thể xác định loại cấu
trúc và từ đó liên quan đến thành phần hoá học và chế độ gia công của loại thép
không gỉ đó. Thép thương phẩm đầu tiên đà được phát minh bởi Harry Brearley
ở Sheffield vào năm 1913. Như vậy những nghiên cứu đầu tiên đến việc sản xuất
thép không gỉ ở mức độ công nghiệp phải mất gần 90 năm.
Nếu như lúc đầu thép không gỉ tạo thành trên cơ sở hợp kim hai nguyên
Fe Cr thì sau này, nhiều nguyên tố hoá học khác đà được đưa thêm vào hệ FeCr. Đó là các nguyên tố niken, molypđen, magan, đồng, nhôm, titan, niobi
- Các nguyên tố này tạo ra cấu trúc (Lập phương thể tâm) Cr, Mo,
Nb, V & Ti
- Các nguyên tố tạo ra cấu trúc (Lập phương diện tâm) C, N, Ni,
Mn, Co
Vì vậy, để xác định cấu trúc của thép không gỉ người ta thường dùng các
đại lượng hàm lượng Cr đương lượng và hàm lượng Ni đương lượng.
Nhà khoa học schaefler đà xây dựng lên giản đồ các vùng cấu trúc của
thép không gỉ tuỳ thuộc vào thành phần hoá häc trong ®iỊu kiƯn ngi rÊt nhanh
sau khi ®óc, rÌn hoặc hàn với giá trị Crdl & Ni dl theo c«ng thøc sau:
Crdl = %Cr + % Mo + 10%Ti + 1,5% Si + % Nb
Nidl = % Ni + 0,5%( Mn) + 30%( N ) + 30%(C )

20


Schaeffler đà xây dựng được giản đồ chỉ ra 4 vùng cấu trúc của thép
không gỉ tuỳ thuộc vào thành phần hoá học như hình 2.


Niđl

40

30
Thép austenit

20

Thép duplex

M+A

10

Mactensit
M+F

0

Ferrit

10

20

30

40


Crdl

Hình 2: Giản đồ Schaeffler
- Thép không gỉ ferit: có nhiều các chất tạo
- Thép không gỉ austenit: có nhiều các chất tạo
- Thép không gỉ hai pha: nằm giữa hai loại trên.
- Thép không gỉ mactenxit: có các chất tạo α vµ γ
21


tương đương nhau.
Có nhiều cách phân loại thép không gỉ
+ Theo øng dơng
- ThÐp kh«ng gØ
- ThÐp bỊn nhiƯt
+ Theo thành phần hoá học
- Thép không gỉ Cr
- Thép không gØ Cr-Ni
+ Theo cÊu tróc
- ThÐp kh«ng gØ austenit
- ThÐp kh«ng gØ ferit
- ThÐp kh«ng gØ mactenxit
- ThÐp kh«ng gØ song pha
Trên thế giới có rất nhiều hệ thống phân loại thép không gỉ
+ Tiêu chuẩn Liên bang Nga
- Ví dụ 08X22H6T là thép không gỉ
%C

%Cr


%Ni

%Ti

0,08

22

6%

<1

+ Tiêu chuẩn trung Quốc (GB)
- Ví dụ 00Cr18Ni10 là thép không gỉ
%C

%Cr

%Ni

< 0,08

18

10

22


+ Tiêu chuẩn quốc tế ISO

- Mác thép dạng ferit: 1Ti, 1, 2, 8, 8a, 8b, 8c, 9c…
- M¸c thÐp dạng mactenxit: 3, 4, 5, 7, 9a, 9b
- Mác thép dạng austenit: 1024 & A2A4..
+ Tiêu chuẩn mác thép của Nhật Bản (JIS): SUS xxx giống tiêu chuẩn AISI của
Viện gang thÐp Mü
+ Tiªu chn Mü: cã nhiỊu tiªu chn nh­ ASTM, ASME, AISI, UNS
- VÝ dơ: theo tiªu chn AISI
- 2xx: thÐp kh«ng gØ austenit Cr-Mn- Ni-N
- 3xx: ThÐp kh«ng gØ austenit Ni-Cr
- 4xx: thÐp kh«ng gØ mactenxit cr«m cao và thép ferit, crôm cao,
cacbon thấp.
- 5xx: Thép không gỉ mactenxit
+ Tiêu chuẩn Đức (DIN 17006)
- Ví dụ: X10CrNi18 8 là thép không gỉ
%C

%Cr

%Ni

0,10

< 18

8

+ Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN)
- Ví dụ TCVN 2735-78 là thép chống ăn mòn và bền nóng.

23