Thép austenit mangan cao: quá khứ, hiện tại và tương lai (phần 7 – hết)


Thép Cacbon cao đem nấu chảy trong lò hồ quang Mangan được cho vào dưới dạng ferro mangan và Nitơ được đưa vào dưới dạng Nitơrit ferro mangan.Thép không gỉ Cr-Mn và Cr-Mn-Ni sở dĩ gọi là thép không gỉ vì có chứa hàm lượng cácbon thấp,hàm lượng Crom cao được nấu và khử C trong lò chân không và thổi oxi có khí Argon bảo vệ trước khi cho vào lò điện để tinh luyện. Nitơ được đưa vào thép dưới dạng khí thông qua lỗ thổi Argon. Mangan sử dụng cho vào thuộc loại ferro Mangan cácbon thấp hay dưới dạng sản phẩm mangan điện phân sau khi đã qua giai đoạn tinh luyện.Sử dụng ferro Mangan cácbon cao thì kinh tế hơn nhưng lại không thể sử dụng để nấu thép Mangan không gỉ được.Nó được sử dụng trong một vài trường hợp nào đó vì những lợi ích về giá thành thép so với loại thép Cr-Ni.Có hai phương pháp tinh luyện hay được áp dụng đó là phương pháp điện xỉ và phương pháp điện cực tự thiêu trong chân không trong đó phương pháp điện xỉ hay dùng nhất.Có hai nguyên tố Mn và Nitơ đều được đưa vào nhưng khá khó khống chế và điều khiển trong điều kiện chân không.Nhìn nhận được về tính công nghệ và tính hàn ngoại trừ một vài trường hợp cá biệt còn hầu hết thép Cr-Mn hàn được.Phù hợp với một vài nhà sản xuất sử dụng Mn thay Ni vì tính hàn của thép Ostenit Mangan khá tốt vì giảm được xu hướng phát sinh vết nứt.Sau khi hàn của một số loại thép do tổ chức có tổ chức khi hàn đồng nhất 1 pha Ostenit đông thời chống được lắng đọng thiên tích và tạo ra sắt denta trắng.

Khả năng hợp kim hoá cơ tính và ứng dụng

Đối với họ thép Ostenit Mangan cao thì cơ tính và những ứng dụng cụ thể của chúng phụ thuộc vào thành phần các nguyên tố trong thép.

Thép Hadfield. Mác ban đầu là 12C-12Mn và sau đó nó được thay đổi đi,nó là mác A128 theo kí hiệu ASTM hay được nhắc đến nhiều trong các văn phòng KHKT được biết đến, nói đến, bàn luận đến, vì những vai trò to lớn của mác này trong lịch sử.Mác này được sử dụng ở 2 dạng đúc và rèn, ưu điểm nổi bật là độ dai va đập và độ dẻo thích hợp làm việc ở điều kiện tải nặng, độ cứng cao chịu mài mòn tốt và ít nhiễm từ, khả năng chịu ăn mòn của mác này hơi kém độ bền kéo thấp chỉ bền va đập và khó gia công cắt gọt.Thép Hadfield và các mác tương tự đã và đang được sử dụng làm gầu xúc đất đá, mũi khoan đá,,mũi khoan dầu và đường ray xe lửa.

Thép Mangan phục vụ cho vật liệu siêu dẫn.

Đây là một trong những hướng nghiên cứu mạnh mẽ xuất phát đầu tiên ở Mỹ và Nhật.Hiện tại đã được báo cáo khoa học ở một vài hội nghị quốc tế về vât liệu nhiệt độ thấp.Sự phát triên của các lò nấu chảy và trong các thiết bị phản ứng MHD yêu cầu cần những vật liệu có từ tính cao như trong các thiết bị thu và khuếch đại plasma.Các vật liệu này rất cần cho nền kinh tế, nhất là nhóm các vật liệu không từ tính, độ bền cao, dai và hàn đựoc dùng cho các chi tiết siêu dẫn làm việc ở nhiệt độ 4K.

Mục đích cuối cùng của việc này là giải quyết một cách tối ưu các yêu cầu về vật liệu hiện nay đó là phát triển những hợp kim mới nghiên cứu mở rộng cơ tính và lý tính của vật liệu,mà trọng tâm là cải thiện tính hàn của vật liệu.

Ví như mục đích về vật liệu phải có cơ tính như sau khi làm việc ở nhiệt độ 4K là độ bền tối thiểu 1200 Mpa.

Độ dai phá huỷ tối thiểu 200Mpa.

Cả hai hệ Fe-Mn và Fe-Cr-Ni đều được đầu tư nghiên cứu thăm dò.Trong đó hệ Fe-Mn đã thành công trong việc nâng cao độ bền và khẳ năng chống dòn ở nhiệt độ thấp bằng con đường hợp kim hoá.Thông qua việc cơ nhiệt luyện làm tăng mạnh tính chất của thép trên cả mong đợi.

Mác vật liệu tối ưu mà theo JAERI ( viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản ) yêu cầu đó là:

(0,02C -22)%Mn –(13Cr -7,5)%Ni – 0,22%N và (0,01C-1,5)%Mn-(18Cr-12)%Ni-0,22%N

Trong hai hệ hợp kim này thép Fe-Mn vẫn có độ bền nổi trội hơn hệ Cr-Ni rất nhiều như chúng ta thấy trên hình 19.

Image

Hình 19: Độ bền của thép Fe-Cr-Mn và Fe-Cr-Ni tại 4K

Hiện tại Vật Liệu siêu dẫn hiện nay chủ yếu vẫn dùng là vật liệu gốm vì chúng dễ tạo hình theo yêu cầu hình dạng cho trước còn việc sử dụng thép Mn làm vật liệu siêu dẫn có triển vọng mở trong tương lai.

Thép làm các vòng (đai từ trễ ) trong các máy phát điện.Các vòng có độ sít chặt cao là một trong những chi tiết hết sức quan trọng trong các máy phát điện chức năng của chúng là làm lõi để cuốn dây quấn xung quanh nằm ở hai đầu của rôto máy phát.Chúng đòi hỏi độ bền cao để chống lại lực li tâm và không được nhiễm từ. Hiện tại độ bền đạt được của các vòng này còn hạn chế phụ thuộc vào kích thước của máy phát.

Thép Mn đã và đang có vai trò quan trọng. Tất cả các thép phi từ tính làm vòng chặn được sử dụng hiện nay đều được làm bằng thép Mn.Thành phần của loại thép này như sau.

Fe-8Mn-8Ni-4Cr

Fe-18Mn-4Cr-0,5C

Fe-18Mn-18Cr-0,05C-0,7N

Lịch sử của mác 8-8-4 bắt đầu được sử dụng ở đầu thế kỉ 20 ở Đức. Từ năm 1960 mác thép này được phát triển lên thành hệ 18-4 có độ bền đạt được cao hơn hệ 8-8-4 và độ bền cứng khi làm việc tốt hơn. Niken trong thành phần họ 8-8-4 góp phần làm tăng độ biến dạng khi làm việc của hệ thép này. Trong khi họ 18-4 đã và đang đựoc sử dụng rộng rãi đôi khi xảy ra hiện tượng phá huỷ mỏi do tập trung ứng suất vào vết nứt do bị ăn mòn từ trước nên người ta phát triển hệ thép 18-18 gần như tránh được hoàn toàn ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất. Loại thép này được đưa ra giới thiệu vào năm 1980. Họ thép chứa hàm lượng cácbon cao (18-4) hình thành các hạt cacbit ở biên hạt do C tâp trung nhiều ở đó đây chính là lí do khiến ăn mòn do ứng suất xảy ra. Để tránh tác hại này trong họ 18-18 Cacbon đựoc thay thế hoàn toàn bởi một lượng lớn N.

Các mác thép này yêu cầu phải ủ đồng đều thành phần ở nhiệt độ 1000-1100˚C và sau đó gia công lạnh hay nóng cuối cùng sẽ ủ khử ứng suất trong khoảng nhiệt độ 150-350˚C.

Độ bền sau đó đạt đựoc là từ 500 đến 1200Mpa ( 72.5 đến 175 Ksi) đối với mác 18-4.Tạm thời chấp nhận được trong điều kiện hiện tại nhưng trong tương lai phải nâng lên mức 200 đến 220 Ksi phục vụ cho các máy phát điện cỡ lớn. Đích ngắm thúc đẩy việc tìm tòi nghiên cứu đó là nằm trong tham vọng theo đuổi của các nhà sản xuất thiết bị điện lớn như EPRI.Mục đích của EPRI không chỉ phát triển các mác thép hợp kim mà còn tăng tính chống chịu ăn mòn được ứng suất, độ dai phá huỷ và các chỉ tiêu kĩ thuật yêu cầu khắt khe khác.

Vòng khoan không từ tính

Chúng là các ống nặng không nối dùng trong khoan thăm dò khí đốt hay giếng dầu. Yêu cầu chính của chúng là phải có độ bền cao, không từ tính,không nhiễm từ, chịu mài mòn, ăn mòn tôt, cuối cùng là phải rẻ.

Thép Ostenit Mn là một giải pháp phù hợp cho trường hợp này vì nó đáp ứng được tất cả các đặc tính riêng biệt đề ra ở trên. Độ bền cao đạt đựoc bằng cách thêm Nitơ và thêm công đoạn cơ nhiệt luyện nữa.Thép Fe-Cr-Mn có nhiều ưu việt khá hơn nhiều so với hệ thép Fe-Cr-Ni do chúng có độ bền và khả năng hoá tốt sau ủ cao hơn. Thêm một điểm nữa là chi phí sử dụng thép Fe-Cr-Mn rẻ hơn, kinh tế hơn so với sử dụng thép Fe-Cr-Ni nên thép Fe-Cr-Mn được ưa dùng hơn.Trên đây chỉ là những gợi mở mang tính giới thiệu gợi ý cho sự phát triển nghiên cứu về mác thép này.Trên thực tế đã có một vài công ty nổi tiếng của Mỹ đi sâu vào nghiên cứu hệ thép này và đã được dẫn ra trong một vài bài báo và kể cả trong báo cáo chuyên đề mà chúng ta đang thảo luận đây.

Thép không gỉ phục vụ các mục đích đặc biệt

Nhóm thép này bao gồm rất nhiều các nguyên tố hợp kim đi cùng mà tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng cụ thể mà ta chọn các mác thép cho phù hợp. Ở đây chúng tôi đề cao việc sử dụng thép Mn vì những ưu điểm rất riêng của chúng mà không đề cao việc sủ dụng hệ thép Cr-Ni như thông lệ. Bởi thép Mn có những ưu điểm đáng quan tâm như giữ được độ bền ở điều kiện thường cũng như ở nhiệt độ cao, có khả năng chống ăn mòn tinh giới và mài mòn tốt đôi khi còn có khả năng chống OXH khi làm việc ở nhiệt độ cao và đièu kiện làm việc khắc nghiệt.

Những mác thép Mn không gỉ hay dùng được trình bày trong bảng dưới đây ứng với từng điều kiện làm việc mà có những mác thép tương ứng

A-    Chống gỉ và có độ bền cao

Nitơ 50 ( 0,06C-22Cr-5Mn-0,3N-1,3Ni-2,25Mo)

Capenter 18-18Plus

(0,15C-18Cr-18Mn-0,5N-1Mo-1Cu)

Mác 216

0,03C -21 Cr-8Mn-0,35N -6Ni-2,5Mo

B-Thép bền nhiệt và bền Oxy hóa

Nitronic 32

0,15C-18Cr-12,5Mn-0,32N-1,5Ni

Nitronic 33

0,08C-18Cr-13Mn-0,3N-3Ni

D-Chịu mài mòn và chống ăn mòn ma sát

Nitronic 60

0,10C-17Cr-8Mn-0,13N-4Si-0,75Cu-0,75Mo

Mác thép ở nhóm thứ nhất chịu ăn mòn mài mòn còn tốt hơn cả mác 316 nhờ có thêm các nguyên tố như Cr cao, Mo, Nitơ và Cu. Chúng góp phần vào tăng độ bền không chỉ về mặt gia công cơ khí mà còn giảm trọng lượng.Trong khi Nitơ đuợc chứng minh như là một nguyên tố làm tăng tính chịu mài mòn nó còn tương tác với các nguyên tố khác cho vào thép và làm ảnh hưởng đến cơ tính của thép. Điều này cần phải được nghiên cứu và xem xét thêm.

Nhóm thứ 2 là nhóm thép chịu OXH trong đó riêng hai nhóm Nitronic 20 và Nitronic 50 có hàm lượng Cr cao hơn cả và nhờ có nitơ mà làm độ bền nhiệt của hai nhóm thép này cao hơn.Nhóm thép này thường được sử dụng làm các khuôn rèn, dập kín và các phụ tùng thiết bị cho lò hoặc các chi tiết chịu mài mòn cao.

Nhóm thép cuối cùng, Nitronic 60 và các hệ thép khác đang được nghiên cứu phát triên có độ chịu mài mòn và chịu ăn mòn ma sát rất tốt kết hợp với khả năng biến cứng khi làm việc khiến cho nhóm thép này có thể chiếm vị trí quan trọng và có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Thép Van xả

Thép Ostenit Cr-Mn không gỉ biến cứng sau khi hoá già được sử dụng làm xupáp xả do các động cơ công suất lớn trong ô tô và được thương mại hoá. Có nhiều hệ thép Cr-Mn được sử dụng làm các van trong đó phổ biến và hay dùng nhất là họ thép 21-2N và 21-4N.Thành phần của chúng như sau:

21-2N: 0,55%C-21%Cr-9%Mn-0,30%N-2%Ni

21-4N: 0,50%C-21,5%Cr-9%Mn-0,40%N-4%Ni

Các mác thép này có độ bền nóng tốt và duy trì được tính này trong một thời gian dài trong điều kiên nhiệt độ cao.Ngoài ra chúng còn bền trong môi trường OXH như sản phẩm cháy nhiên liệu,hay một vài điều kiện tương tự khác.

21-4N và 21-2N muốn tốt phải tiến hành ủ đồng đều thành phần ở 1175˚C (2150F) và hoá già dưới nhiệt độ 760˚C(1400F)

Yêu cầu đối với VL làm van trong các động cơ đó là phải có tính kinh tế, thường xuyên thay đổi luôn thích ứng nhanh với mọi yêu cầu liên tục thay đổi không ngừng của cuộc sống của lĩnh vực cơ khí.Chính vì thế mới tạo ra động lực thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu phát triển các họ thép hợp kim mới.

Thép dễ cắt: Đặc điểm nổi bật của thép không gỉ dễ cắt là có chứa trong đó một lượng lớn hai nguyên tố là S va Sellen. Hai nguyên tố này có độ hoà tan khá thấp vào trong thép và tồn tại trong thép dưới dạng các nguyên tố phi kim, thường là dưới dạng sun fit.Nhờ vầy làm giảm ma sát và sự bó chặt của dụng cụ cắt và phôi thúc đẩy gãy phôi thành các mảnh nhỏ từ đó giúp phoi thoát ra được dễ dàng.

Mn cũng giúp cải thiện tính gia công của thép không gỉ sunphua làm vong bi. Nếu tỉ lệ dùng Mn/S thấp tức Mn sunphua làm ít hơn lưu huỳnh thì ở trạng thái cân bằng về pha sẽ tạo ra sunfit crom là một pha cứng. Nếu ta tăng lượng Mn lên sẽ làm xuất hiện Mn sunfit cùng với Cromsunfit. Hai pha này mềm tạo điều kiện thuận lợi cho việc gia công. Mác 303 theo tiêu chuẩn của AISI chứa tối đa 2% Mn,người ta thấy rằng nếu lượng Mn xuất hiện và ở lại trong thép ở mức 3,5% cho phép cắt gọt gia công nhất.Có một loại thép Ostenit dễ cắt ở mức độ phù hợp có thành phần tương tự như mác thép 200 đó là 203-EZ. Thành phần của mác này gồm có (0,06C-6)%Mn-0,3%S-17%Cr-6%Ni-2,25%Cu

Đây là một trong số ít ỏi thép mà chứa nguyên tố Mn mà không có mặt của Nitơ vì vầy độ cứng bị giảm nhiều cùng với khả năng biến cứng bề mặt. Mà Cu là nguyên nhân chính đóng góp vào việc làm giảm khả năng biến cứng bề mặt khi cắt gọt.Thép dễ cắt là loại thép đang có sự cạnh tranh không khoan nhượng trên thị trường bởi các sản xuất và nghiên cứu vật liệu tiên tiến.

Nhóm thép không gỉ Mn tiêu chuẩn

Nhóm này là các mác 200 ( theo kí hiệu của AISI) và họ thép 21Cr-6Ni-9Mn đôi khi còn cả họ Nitronic 40.Thành phần các nguyên tố của nhóm thép này được cho dưới bảng sau (%):

Loại 201: 0,15maxC-17Cr-6,5Mn-0,25maxN -4,5Ni

Loại 202: 0,15 maxC-18Cr-8Mn-0,25max N-5,5Ni

Loại 205: 0,15C -17Cr-14,5Mn-0,35N-1 Ni

Loại 21-6-9: 0,04C-21Cr-9Mn-0,25N-6Ni

Về thứ tự ra đời của các mác thép này:

Mác 205 được nghiên cứu và phát triển đầu tiên trong suốt cuộc chiến tranh Triều Tiên khi nguồn cung cấp Ni trở nên khan hiếm và đến mức mà hầu như người ta thay toàn bộ Ni bằng Mn. Trong 4 mác trên chỉ có mác 201 và 21-6-9 đã và đang được sản xuất với mục đích thương mại hiện nay.Mác 201 thì ít đựoc sản xuât hơn so với các mác trên vì nó có chứa một phần Cr-Ni giống như Mác 301. Hai mác thép còn lại là 202 và 205 là hai mác thép không gỉ hiện đang được nghiên cứu và thử nghiệm rộng rãi. Thành phần của mác 201 cho phép dao động trong phạm vi rất rộng và ta có thể dùng thành phần các nguyên tố để điều khiển sự ổn định của tổ chức Ostenit mà trong đó Máctanxit được tạo ra ngay trong điều kiện gia công lạnh hoặc điều chỉnh thành phần để Ostenit thực sự ổn định nhất. Mác có thành phần như trên được ứng dụng vào làm các chi tiết làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp nơi mà vừa đòi hỏi độ bền trong giới hạn cho phép nhưng phải nhẹ hơn so với các mác thép không gỉ khác.Cách đây không lâu có nhiều thép mác 201 được nấu với hàm lượng C tối đa là 0,03% nhằm mục đích tránh hiện tượng ăn mòn tinh giới.

Mác 21-6-9 là mác thích hợp cho các kết cấu vừa có độ bền cao mà lại chống ăn mòn mài mòn tốt.Mác này được sử dụng đầu tiên trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.

Tổng kết ưu nhược điểm

Họ thép hợp kim Ostenit Fe-Mn hay còn có tên gọi đầy đủ là hệ thép Fe-Mn-N, và chúng ta đã xem xét vạch rõ mối liên hệ giữa Mn và Nitơ. Cácbon Crom và Ni là những nguyên tố thường xuyên xuất hiện trong thép hợp kim họ này.Các mác thép đã nêu có các tính chất chung đó là có độ bền cao,tổ chức Ostenit ổn định phi từ tính và có tính kinh tế.Không có nhiều tính chất giống như các mác thép không gỉ khác và ít phổ biến hơn nhưng mác thép không gỉ 304 Cr-Ni có nhiều ứng dụng hết sức đặc thù mà không phải mác thép nào cũng có được.Tóm lại hoạt động nghiên cứu phát triển các mác thép hợp kim mới.Hiện nay trên thế giới đang diễn ra hết sức sôi nổi và mạnh mẽ phục vụ những ứng dụng đặc thù thu hút các công nghệ tiên tiến hàng đầu hiện nay.

Nguồn: luyenkim.net 

Một phản hồi

  1. bạn có bán thép magan Mn 13 không? c
    giá bao nhiêu /kg? 0976715963 điện cho mình nhé.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: