Thép không gỉ duplex có được các đặc tính độc đáo của chúng từ cấu trúc vi mô cân bằng của ferit và austenit, đạt được thông qua việc kiểm soát chính xác hàm lượng crom (Cr) và niken (Ni) cùng với các nguyên tố hợp kim khác. Những loại thép này kết hợp độ bền cao với khả năng chống ăn mòn đặc biệt, được điều chỉnh bởi các nguyên tắc kỹ thuật luyện kim.

Vai trò của Crom

Crom là nền tảng của khả năng chống ăn mòn trong thép song công:

• Chống ăn mòn và rỗ: Mức Cr từ 23–27% (kết hợp với ≥2% Mo) đảm bảo khả năng chống ăn mòn rỗ và kẽ hở do clorua gây ra. Công thức Cr%+3×Mo%>32% rất quan trọng để tăng cường khả năng chống rỗ trong môi trường khắc nghiệt như môi trường biển13.

• Bảo vệ khí quyển: Thép có ≥15% Cr thể hiện sự ăn mòn không đáng kể trong khí quyển biển, trong khi ≥12% Cr đủ cho môi trường công nghiệp / bán nông thôn3.

• Độ ổn định pha: Cr cao ổn định pha ferit, góp phần vào cấu trúc song công của hợp kim (~ 50% ferit, 50% austenit)1.

Vai trò của Niken

Niken ảnh hưởng đến cân bằng pha và tính chất cơ học:

• Ổn định Austenit: Ni (4–7%) thúc đẩy sự hình thành austenit, chống lại sự thống trị của ferit. Sự cân bằng này ngăn ngừa giòn và cải thiện độ dẻo14.

• Hàn và xử lý nhiệt: Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) ở 1100 °C khôi phục lại trạng thái cân bằng ferit-austenit sau khi hàn. Thêm bột Ni trong quá trình hàn giúp ổn định hơn nữa austenit, giảm thiểu sự phân tách cấu trúc vi mô4.

• Tối ưu hóa chi phí: Hàm lượng Ni thấp hơn so với thép austenit (ví dụ: 316L) giúp giảm chi phí vật liệu trong khi vẫn duy trì hiệu suất15.

Hiệu ứng hiệp đồng với các nguyên tố hợp kim

• Nitơ: Tăng cường khả năng chống rỗ và độ ổn định của austenit, cho phép giảm hàm lượng Ni. Mức N điển hình (0,1–0,4%) cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn1.

• Molypden: Tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ, đặc biệt là khi kết hợp với Cr1.

• Mangan và Đồng: Mn (5–7%) hỗ trợ sự hình thành austenit, trong khi Cu (1,1–3%) cải thiện độ dẻo khi đúc1.

Hiệu suất cơ học và vi cấu trúc

• Lợi ích pha kép: Pha ferit cung cấp độ bền, trong khi austenit mang lại độ dẻo dai. Sự cân bằng này dẫn đến cường độ chảy gấp đôi so với các loại austenit tiêu chuẩn5.

• Rủi ro pha Sigma: Lão hóa nhiệt kéo dài có thể kết tủa σ pha giòn, làm giảm khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học. Ủ dung dịch (1050–1150°C) ngăn chặn điều này bằng cách hòa tan các pha thứ cấp24.

Ứng dụng và lựa chọn

Thép song công lý tưởng cho:

• Thiết bị chế biến hàng hải và hóa chất (Cr + Mo cao).

• Bình chịu áp lực và đường ống (tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao).

• Kết cấu hàn yêu cầu PWHT để khôi phục cân bằng pha45.

Tóm lại, crom xác định khả năng chống ăn mòn và độ ổn định của ferit, trong khi niken và nitơ tối ưu hóa sự hình thành và độ dẻo của austenit. Sự tương tác của chúng, cùng với quá trình xử lý có kiểm soát, cho phép thép song công vượt trội hơn các loại thép không gỉ thông thường trong môi trường khắt khe.