Nghiên cứu công nghệ luyện thép không gỉ austenit hệ CrMn thay thế hệ CrNi

Việc sử dụng mangan thay thế niken trong thép hợp kim nói chung và thép không gỉ nói riêng sẽ đem lại lợi ích kinh tế cao.

On the replace of nickel by mananese in austenitic stainless steels

Bùi Văn Mưu Trường Đại học bách khoa Hà Nội Lê Quang Hiếu Viện Luyện kim đen

TÓM TẮT

   Ngày nay, thép không gỉ được sử dụng rộng rãi trong đời sống. Do đây là hệ thép hợp kim cao nên giá thành của loạt thép này khá đắt. Một trong nhũng biện pháp hạ giá thành sản phẩm là tìm kiếm các nguyên tố rẻ thay thế cho các nguyên tố đắt. Mangan là nguyên tố có một số đặc tính gần giống với niken như mở rộng vùng γ trong thép, đồng thời có cấu trúc gần giống với sắt nên nó có thể hoà tan nhiều trong thép. Một điều đáng quan tâm hơn nữa là nó có giá rẻ hơn niken. Việc sử dụng mangan thay thế niken trong thép hợp kim nói chung và thép không gỉ nói riêng sẽ đem lại lợi ích kinh tế cao.

ABSTRACT

   Nowaday, the stainless steels are used in all fĩelds of the life. It’s high alloyed steels so that they have rather high price. One of the methods tho reduce the cost is replacing partially expensive elements by cheaper ones. The manganese has some properties like nickel: broadening γ region and similar structure as iron, but cheaper than nickel. So using the manganese in some austenitic stainless steels has a great economic effect.

1. Mở đầu

   Thép không gỉ bao gồm các hợp kim trên cơ sở sát có tính chất chịu ăn mòn cao trong các môi trường xâm thực mạnh khác nhau. Tính chịu ăn mòn của họ thép này do nguyên tố crôm (Cr) quyết định, mặc dù một số nguyên tố khác như Al, Ni, Si, Mo... cũng làm tăng tính chịu ăn mòn của chúng. Trong họ thép không gỉ thì họ thép không gỉ austenit hệ CrNi có yêu cầu về các thành phần hợp kim tương đối cao, đặc biệt là nguyên tố niken (Ni) (khoảng 8% trở lên). Ni là nguyên tố đắt tiền và Việt Nam phải nhập khẩu hoàn toàn. Trong khi đó, Việt nam lại có các mỏ Mn ở Cao Bằng, Tuyên Quang, Hà Giang, Nghệ An, Hà Tĩnh... Xét về cấu trúc, Mn hòa tan vô hạn trong sắt (Fe) và tạo thành dung dịch gần lý tưởng. Do Mn có bán kính nguyên tử gần bằng bán kính nguyên tử của Fe (r_Fe=1,26A⁰; R_Mn=1,31A⁰) nên Mn chiếm vị trí thay thế các nguyên tử Fe.

   Mn có tính chất gần giống Ni là mở rộng vùng y trong thép. Trong giản đồ trạng thái, khi hàm lượng Mn dưới 50% thì hai giản đồ Cr-Mn và Cr-Ni là gần giống nhau, do đó sự có mặt của Mn hầu như không làm thay đổi tổ chức của hệ Fe-Cr-Ni ở trạng thái cân bằng. Đối với cacbon (C), Mn tạo thành cacbit (Fe, Mn)₃C có độ cứng cao. Hơn thế nữa, khi có hàm lượng C tương đối thì trong quá trình biến dạng dẻo thép chứa Mn sẽ tạo thành pha mactexit.

2. Thực nghiệm

   Mác thép nghiên cứu có thành phần hoá học như trong bảng 1.

Bảng 1 - 4

   Đã sử dụng các thiết bị sau để chế tạo và đặc trưng thép:

- Lò cảm ứng trung tần; - Lò tinh luyện điện xỉ; - Kính hiển vi quang học; - Máy nhiễu xạ rơngen; - Dụng cụ phân tích hoá học và quang phổ phát xạ; - Máy kéo nén vạn năng; - Phương pháp thử ăn mòn Tafel.

   Nguyên vật liệu ban đầu gồm: thép phế, FeMn, FeSi, Ni kim loại và một số vật tư phụ. Thành phần hoá học của nguyên liệu nêu trong bảng 2.

   Dùng hỗn hợp CaO + CaF₂ lót đầy lò, xếp liệu vào lò. Việc xếp liệu trong lò tuân theo nguyên tắc chặt, khít để tránh hiện tượng đánh tia lửa điện trong nồi lò, xếp liệu đầy lò rồi tiến hành đóng điện. Điện được nâng dần đến 100% công suất lò. Khi liệu sụt thì nạp thêm cho đầy lò. Sau khi liệu chảy hoàn toàn thì vớt xỉ.

   Để khử C trong thép sử dụng ôxy (O₂, 98%). Dùng ống thổi nhúng sâu vào trong lòng thép lỏng. Sau khử C tiếp tục vớt xỉ lần 2. Khi vớt xỉ xong tiếp tục thổi O₂ lần 2.

   Trước khi ra lò khoảng 20 phút tiến hành hợp kim hoá Mn và bổ sung thêm muối ít FeCr. Khử khí trong thép bằng FeMn, Fesi, Al trước lúc ra thép và trong nồi rót.

   Thép được rót vào khuôn kim loại (khuôn kín đã được nung sấy).

3. Kết quả và thảo luận

   Các mẻ luyện nói chung đều có thành phần hoá học tương tự giống nhau nên có thể nói công nghệ luyện là khá ổn định (bảng 3). Thành phần hóa học của thép đều nằm trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên có một số nguyên tố còn nằm ở giới hạn dưới như Cr là do trong quá trình khử C sử dụng O2 thổi trực tiếp ở nhiệt độ khoảng (1600-1700) °C. Với khoảng nhiệt độ này khi khử được 0,01%C thì lượng Cr chảy hao khá lớn.

   Khả năng chịu ăn mòn của thép được nêu trong bảng 4 và hình 1.

Hình 1. Đường cong phân cực của thép nghiên cứu theo phương pháp Tafel

Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ rơngen của thép

   Nhìn vào mật độ dòng ăn mòn trên biểu đồ nhận thấy khả năng chịu ăn mòn của thép nghiên cứu so với mẫu thép nhập ngoại là gần như nhau trong một số môi trường như axít H₃PO₄.

   Từ giản đồ nhận thấy thép chủ yếu có một pha là lập phương diện tâm, tức thép này là thép austenit.

   Tổ chức tế vi nêu trên hình 3.

Hình 3. ảnh tổ chức tế vi của thép qua gia công áp lực

4. Kết luận

   Trên cơ sở nguyên vật liệu và thiết bị trong nước đã nấu luyện ổn định mác thép không gỉ hệ CrMn thay thế hệ CrNi tương đương với thép nước ngoài.

   Khi thế Ni bằng Mn các tính chất chống ăn mòn tương đương mác thép CrNi cùng loại.

   Cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hơn mác thép nói trên để phát triển đưa vào sản xuất công nghiệp.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Văn Ngũ, Nghiên cứu chế tạo thép không gỉ hệ Mn mác Cr₁₈Mn₁₄Ni₃T thay thế hệ Ni mác Cr₁₈Ni₉T, Viện luyện kim Đen, 1997
2. Bùi Văn Mưu, Nghiên cứu sản xuất răng gấu xúc bằng thép hợp kim mangan cao, Tạp chí Mỏ-Luyện kim, số 81,
3. Bùi Văn Mưu, Khả năng khử sâu ôxy và lưu huỳnh của xêry trong tinh luyện thép không gỉ hệ CrMn, Kim loại số 5, 4/2006,
4. J.C.Bavay, Austenitic Stainless Steels, stainless steels, Edition de Physique, Paris, 1993.
5. P.Bourgain, P.Pedarre, The Manufacture of Stainless Steels, Stainless Steels, Editions de Physique, Paris, 1993.
6. C.Moore, R.l.Marshall, Steelmaking, The Institute of Metals, 1991.

[/symple_box][symple_clear_floats]