Thép ferritic là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm về thép ferritic

Thép ferritic là một nhóm thép không gỉ thuộc hệ ferit, có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối (BCC – Body-Centered Cubic) trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ sử dụng. Khác với thép austenitic vốn có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC), thép ferritic giữ nguyên tính từ tính và độ bền ổn định nhờ đặc tính tinh thể này. Sự ổn định cấu trúc giúp vật liệu giữ được hiệu suất cơ học và hình học trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.

Đặc điểm nổi bật của thép ferritic là thành phần chứa hàm lượng crom cao (từ 10.5% đến 30%) và rất ít hoặc không chứa niken, làm cho nó trở thành lựa chọn kinh tế trong nhiều ứng dụng chống ăn mòn. Nhờ loại bỏ hoặc giảm thiểu niken, thép ferritic không những tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn giảm thiểu rủi ro biến động giá nguyên liệu đầu vào trong ngành thép không gỉ.

Các đặc trưng chính của thép ferritic:

• Cấu trúc ferit BCC – từ tính, ổn định ở nhiệt độ cao
• Hàm lượng Crom cao – tạo lớp màng thụ động chống ăn mòn
• Hàm lượng Niken thấp – tiết kiệm chi phí và ít bị dao động giá
• Không hóa bền bằng nhiệt – ổn định vi cấu trúc

Thành phần hóa học đặc trưng

Thành phần hóa học là yếu tố quyết định tính chất cơ học và khả năng kháng ăn mòn của thép ferritic. Cốt lõi là crom (Cr), giúp hình thành lớp oxit thụ động bảo vệ bề mặt kim loại khỏi quá trình oxy hóa và ăn mòn điện hóa. Lượng carbon (C) cực thấp – thường dưới 0.1% – nhằm giữ cấu trúc ferit ổn định, tránh hình thành các pha không mong muốn như martensite hay carbide khi hàn.

Một số nguyên tố hợp kim khác cũng được thêm vào nhằm cải thiện tính chất tổng thể:

• Molypden (Mo): Tăng khả năng chống ăn mòn trong môi trường có clorua.
• Niobium (Nb), Titan (Ti): Ổn định carbon và ngăn kết tủa carbide tại ranh giới hạt.
• Silic (Si), Mangan (Mn): Cải thiện khả năng oxy hóa và tính gia công.

Bảng thành phần điển hình của một số mác thép ferritic:

Mác thép	Cr (%)	C (%)	Mo (%)	Nb/Ti (%)
AISI 409	11.5	0.03	–	0.17 (Ti)
AISI 430	16.0 – 18.0	0.12	–	–
AISI 444	17.5 – 19.5	0.025	1.75 – 2.50	Nb + Ti

Cấu trúc vi mô

Cấu trúc vi mô của thép ferritic là ferit tinh khiết, không chuyển pha sang austenite hoặc martensite trong quá trình gia công hoặc sử dụng thông thường. Điều này đảm bảo tính ổn định cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Tinh thể ferit có hình khối vuông lập phương, với nguyên tử sắt ở tâm và các đỉnh khối lập phương – cấu trúc này mang lại tính từ và độ dẫn nhiệt cao hơn so với các loại thép không gỉ khác.

Không giống thép martensitic có thể hóa bền bằng nhiệt luyện, thép ferritic không phản ứng mạnh với nhiệt nên không thể cải thiện cơ tính bằng các quá trình nhiệt luyện như tôi hoặc ram. Thay vào đó, vi cấu trúc và tính chất của thép ferritic được kiểm soát bằng kỹ thuật luyện kim và chế độ làm nguội sau cán.

So với các loại thép khác, cấu trúc vi mô ferrit:

• Không có chuyển pha ở nhiệt độ thường
• Không có nguy cơ giòn hóa do kết tủa pha sigma nếu kiểm soát tốt thành phần
• Khả năng duy trì hình dạng tinh thể sau hàn tốt hơn thép austenitic

Đặc tính cơ học và vật lý

Thép ferritic có độ bền kéo tương đối thấp so với thép austenitic, nằm trong khoảng 400 – 600 MPa, nhưng lại có độ dẫn nhiệt cao hơn và hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn. Nhờ đặc điểm này, chúng đặc biệt phù hợp trong các ứng dụng chịu nhiệt hoặc biến đổi nhiệt thường xuyên như ống xả xe hơi hoặc thiết bị đun nấu.

Khả năng giãn dài thấp hơn thép austenitic khiến thép ferritic khó tạo hình sâu hoặc uốn nhiều lần. Tuy nhiên, với các ứng dụng không yêu cầu biến dạng lớn, khả năng chịu va đập và biến dạng của ferritic vẫn đáp ứng tốt yêu cầu cơ bản.

Bảng so sánh tính chất vật lý giữa thép ferritic và austenitic:

Tính chất	Ferritic	Austenitic
Độ bền kéo (MPa)	400 – 600	500 – 750
Độ giãn dài (%)	20 – 30	40 – 50
Tính từ	Có	Không
Dẫn nhiệt (W/m·K)	25 – 30	15 – 20
Giãn nở nhiệt (μm/m·°C)	10 – 11	16 – 17

Khả năng chống ăn mòn

Khả năng chống ăn mòn của thép ferritic chủ yếu đến từ hàm lượng crom (Cr) cao, tạo thành lớp màng oxit thụ động bền vững trên bề mặt kim loại. Tuy nhiên, do không chứa hoặc chứa rất ít niken – một nguyên tố giúp ổn định austenite và cải thiện tính kháng ăn mòn – nên thép ferritic thường kém hiệu quả hơn trong môi trường khắc nghiệt như axit mạnh hoặc dung dịch clorua nồng độ cao.

Một số mác thép ferritic cao cấp như AISI 444 hoặc AISI 446 có bổ sung molypden (Mo) để tăng khả năng chống ăn mòn kẽ và ăn mòn rỗ trong môi trường chứa ion clorua như nước biển hoặc nước máy khử khoáng. Thép ferritic cũng thể hiện hiệu suất chống oxy hóa tuyệt vời ở nhiệt độ cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng như bộ trao đổi nhiệt hoặc thiết bị khí thải.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền ăn mòn:

• Hàm lượng Cr: càng cao, khả năng tạo màng oxit càng tốt
• Thêm Mo và Al giúp cải thiện đáng kể tính kháng clorua
• Giảm tối đa C và N để tránh kết tủa tại ranh giới hạt

Ứng dụng thực tế

Nhờ tính chất ổn định, dẫn nhiệt tốt và giá thành hợp lý, thép ferritic được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Trong ngành ô tô, thép ferritic được sử dụng làm ống xả, bộ chuyển đổi xúc tác, vách cách nhiệt – nơi cần vật liệu chịu nhiệt và không bị biến dạng. Tính từ của ferritic còn giúp kiểm soát tốt cảm biến và dòng điện trong các hệ thống điện tử tích hợp.

Trong lĩnh vực dân dụng và thiết bị gia dụng, thép ferritic thường có mặt trong:

• Bếp từ, máy rửa bát, lò nướng – nhờ tính từ và dẫn nhiệt tốt
• Máy giặt – nhờ khả năng chống ăn mòn trong môi trường ẩm
• Ốp trang trí – giữ độ bóng mờ và màu sắc ổn định theo thời gian

Ngoài ra, trong ngành xây dựng, thép ferritic còn được dùng làm mái che, tấm ốp, lan can – những vị trí yêu cầu khả năng chống ăn mòn ngoài trời nhưng không cần độ bền kéo quá cao.

So sánh với các loại thép không gỉ khác

So sánh giữa các nhóm thép không gỉ là rất quan trọng khi lựa chọn vật liệu phù hợp. Thép ferritic có chi phí thấp hơn austenitic do không chứa niken, nhưng cũng vì thế mà tính dẻo và khả năng chống ăn mòn trong môi trường cực đoan kém hơn. So với martensitic, thép ferritic ổn định hơn về vi cấu trúc và ít bị giòn hóa.

Bảng so sánh các nhóm thép không gỉ:

Thuộc tính	Ferritic	Austenitic	Martensitic
Cấu trúc	Ferit (BCC)	Austenit (FCC)	Martensit (BCT)
Khả năng chống ăn mòn	Trung bình đến cao	Cao	Thấp đến trung bình
Khả năng hóa bền	Không	Không	Có
Tính từ	Có	Không	Có
Chi phí	Thấp	Cao	Trung bình

Khả năng hàn và tạo hình

Do cấu trúc ferit và hàm lượng carbon thấp, thép ferritic có khả năng hàn tương đối tốt nhưng dễ bị giòn hóa tại vùng ảnh hưởng nhiệt nếu không kiểm soát chặt chẽ quá trình. Các mác cải tiến như AISI 441 hoặc 444 có bổ sung Nb và Ti nhằm ổn định carbon và nitơ, giúp giảm thiểu nứt nóng và kết tủa tại ranh giới hạt sau khi hàn.

Tạo hình nguội với thép ferritic dễ thực hiện ở mức độ trung bình, đặc biệt với mác thép mỏng. Tuy nhiên, do độ giãn dài thấp và xu hướng "lò xo ngược" (springback) cao, cần có thiết kế khuôn và thông số công nghệ chính xác để đạt chất lượng tạo hình mong muốn.

Một số lưu ý kỹ thuật khi hàn thép ferritic:

1. Giữ nhiệt độ mối hàn < 300°C để tránh kết tủa pha sigma
2. Dùng que hàn có thành phần hợp kim phù hợp, giàu Cr hoặc Mo
3. Làm sạch bề mặt trước và sau hàn để bảo vệ lớp thụ động

Phân loại các loại thép ferritic

Thép ferritic được chia thành hai nhóm chính: loại thông thường và loại cải tiến. Các mác thuộc nhóm thông thường có chi phí thấp, khả năng gia công đơn giản, phù hợp với môi trường không quá ăn mòn. Trong khi đó, loại cải tiến có bổ sung thêm các nguyên tố ổn định giúp tăng tuổi thọ và mở rộng phạm vi ứng dụng.

So sánh nhanh giữa hai nhóm:

Nhóm	Mác phổ biến	Ứng dụng điển hình
Thông thường	409, 430	Bộ giảm thanh, ống khói, thiết bị nhà bếp
Cải tiến	439, 441, 444	Thiết bị chịu nhiệt, hệ thống khí thải ô tô, tấm trao đổi nhiệt

Biểu diễn nhiệt độ – pha

Sơ đồ pha hệ Fe–Cr cho thấy thép ferritic ổn định ở vùng Cr cao, với cấu trúc ferit duy trì từ nhiệt độ nóng chảy cho tới nhiệt độ môi trường. Sự ổn định này là một ưu điểm lớn trong các ứng dụng cần duy trì hình học và cơ tính khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc thay đổi nhiệt đột ngột.

\text{Fe} - \text{Cr phase diagram: Cr \geq 12\% \Rightarrow feritic phase is stable from 1500^\circ C \rightarrow room temperature}

Tài liệu tham khảo

1. Outokumpu Stainless Steel Grades – Ferritic. https://www.outokumpu.com/en/stainless-steel/grades/ferritic
2. International Molybdenum Association. "Ferritic Stainless Steels." https://www.imoa.info/molybdenum-uses/molybdenum-grade-families/ferritic.php
3. ASM Specialty Handbook: Stainless Steels, ASM International, 1994.
4. Nippon Steel. “Ferritic Stainless Steels” Technical Report No. 96, July 2007.
5. Outokumpu Welding Guide. https://www.outokumpu.com/en/expertise/technical-tools/welding-of-stainless-steel