Thép hợp kim: Tính chất, Gia công và ứng dụng
Thép hợp kim là một loại thép, ngoài cacbon, được hợp kim với các nguyên tố khác, nằm trong khoảng từ 1% trọng lượng đến 50% trọng lượng, được sử dụng để nâng cao các đặc tính khác nhau của vật liệu [1].
Những nguyên tố này thường bao gồm mangan, niken, crom, molypden, vanadi, silicon và bo. Các nguyên tố ít phổ biến hơn bao gồm nhôm, coban, đồng, xeri, niobi, titan, vonfram, thiếc, kẽm, chì và zirconium.
Tại đây, bạn sẽ tìm hiểu về:
- Các loại thép hợp kim
- Tính chất của thép hợp kim
- Sản xuất và gia công thép hợp kim
- Ứng dụng và lĩnh vực ứng dụng của thép hợp kim
- Các loại thép hợp kim
Có nhiều danh mục phụ của thép hợp kim. Bao gồm các:
- Thép hợp kim thấp
- Thép hợp kim thấp (HSLA) có độ bền cao
- Thép hợp kim cao
- Thép không gỉ
- Thép vi sinh
- Thép cường độ cao tiên tiến (AHSS)
- Thép công cụ
Thép hợp kim thấp thường chứa ít hơn 8% trọng lượng nguyên tố không phải sắt, trong khi thép hợp kim cao chứa hơn 8% trọng lượng nguyên tố phi sắt [2]. Cả hai đều có đặc tính cơ học vượt trội so với thép cacbon [3].
Đọc thêm về các loại thép khác nhau tại đây:
Thép không gỉ: Thuộc tính, Sản xuất, Ví dụ và Ứng dụng
Thép cường độ cao tiên tiến: Danh pháp, cấp độ và ứng dụng
Maraging Steel: Thuộc tính, Chế biến và Ứng dụng
Tính chất của thép hợp kim:
Thép hợp kim có thể chứa nhiều loại nguyên tố, mỗi nguyên tố có thể nâng cao các đặc tính khác nhau của vật liệu, chẳng hạn như khả năng chống ăn mòn và nhiệt cơ học. Các nguyên tố được thêm vào với số lượng thấp hơn khoảng 5% trọng lượng có xu hướng cải thiện các tính chất cơ học, ví dụ như tăng độ cứng và độ bền, trong khi bổ sung lớn hơn lên đến 20% trọng lượng làm tăng khả năng chống ăn mòn và độ ổn định ở nhiệt độ cao hoặc thấp [2].
Ảnh hưởng của việc thêm các nguyên tố khác nhau vào thép, cùng với các lượng điển hình trong phần trọng lượng, được tóm tắt trong bảng dưới đây [2].
| Nguyên tố | Ký hiệu | wt. % | Chức năng |
| Aluminium | Al | 0.95–1.30 | Yếu tố hợp kim trong thép thấm nitơ |
| Bismuth | Bi | – | Cải thiện khả năng gia công |
| Boron | B | 0.001–0.003 | Cải thiện khả năng làm cứng |
| Chromium | Cr | 0.5–2.0 | Cải thiện khả năng làm cứng |
| 4–18 | Chống ăn mòn hóa học | ||
| Copper | Cu | 0.1–0.4 | Chống ăn mòn hóa học |
| Lead | Pb | – | Cải thiện khả năng gia công |
| Manganese | Mn | 0.25–0.40 | Ngăn ngừa độ giòn kết hợp với lưu huỳnh |
| >1 | Tăng khả năng làm cứng | ||
| Molybdenum | Mo | 0.2–0.5 | Ức chế sự phát triển của hạt |
| Nickel | Ni | 2–5 12–20 | Tăng độ dẻo dai Cải thiện khả năng chống ăn mòn |
| Silicon | Si | 0.2–0.7 | Tăng độ bền và độ cứng |
| 2 | Tăng giới hạn chảy của vật liệu | ||
| Higher % | Tăng tính chất từ tính | ||
| Sulfur | S | 0.08–0.15 | Cải thiện khả năng gia công (tính chất thép gia công tự do) |
| Titanium | Ti | – | Làm giảm độ cứng tổ chức mactenxit trong thép Cr |
| Tungsten | W | – | Tăng độ cứng ở nhiệt độ cao |
| Vanadium | V | 0.15 | Tăng sức mạnh trong khi duy trì độ dẻo, thúc đẩy cấu trúc hạt mịn |
Nhìn chung, so với thép cacbon, thép hợp kim có thể tăng cường độ bền, độ dẻo và độ dẻo dai. Tuy nhiên, nhược điểm là thép hợp kim thường có khả năng gia công, khả năng hàn và khả năng định hình thấp hơn.
Sản xuất & Gia công:
Các phương pháp hợp kim và gia công thép hợp kim phụ thuộc vào kết quả mong muốn. Đầu tiên, sự kết hợp cần thiết của các nguyên tố được nấu chảy với nhau trong lò nung ở nhiệt độ trên 1600 ° C trong 8 đến 12 giờ. Sau đó, thép được ủ ở nhiệt độ trên 500 ° C để loại bỏ tạp chất và làm thay đổi các tính chất vật lý và hóa học [4].
Tiếp theo, cặn nhà máy (hỗn hợp các oxit sắt), là kết quả của quá trình ủ, được lấy ra khỏi bề mặt thép bằng axit flohydric trước khi lặp lại quá trình ủ và tẩy cặn. Cuối cùng, thép được nấu chảy và đúc để cán và tạo hình thành dạng cuối cùng.
Ứng dụng & ví dụ:
Vì thuật ngữ thép hợp kim bao gồm nhiều loại thép, nên lĩnh vực ứng dụng của nó rất rộng.
Thép hợp kim thấp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp do độ bền cực cao, khả năng gia công, hiệu quả chi phí và tính sẵn có của chúng. Chúng được tìm thấy trong các phương tiện quân sự, thiết bị xây dựng, tàu thủy, đường ống, giàn khoan dầu khí áp lực và trong các thành phần kết cấu. Ví dụ bao gồm HY80 và HY100.
Thép hợp kim cao có thể đắt tiền để sản xuất và khó gia công. Tuy nhiên, độ cứng, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn vượt trội của chúng làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các thành phần kết cấu, ứng dụng ô tô, xử lý hóa học và thiết bị phát điện. Ví dụ về thép hợp kim cao bao gồm các cấp HE, HF, HH, HI, HK và HL.
Nguồn:
[1] R. Elliott, Công nghệ gang. Butterworths, 1988, tr. 1 [2] J. T. Black và R. A. Kohser, Vật liệu và Quy trình trong Sản xuất của DeGarmo, Ấn bản lần thứ 12. Wiley, 2017, tr. 105 [3] “Sự khác biệt giữa thép hợp kim thấp và thép hợp kim cao,” Amardeep Steel Center Blog, ngày 27 tháng 12 năm 2017. [Trực tuyến]. [Truy cập: ngày 10 tháng 10 năm 2018].
