Thép hợp kim là gì ?

Định nghĩa thép hợp kim và hợp kim

Thép hợp kim là loại thép ngoài sắt, Cacbon và các tạp chất người ta còn cố ý đưa thêm các nguyên tố hợp kim với một lượng nhất định để làm thay đổi tôt chức và tính chất của thép. Còn hợp kim là không có sắt hoặc có rất ít, chỉ có các nguyên tố hợp kim hòa tan lẫn nhau. Thép hợp kim và hợp kim có đặc thu chung là hợp kim hóa của một, hai, ba, đa nguyên tố hòa tan lẫn nhau tạo thành dung dịch đặc (Fe-Cr; Fe-Cr-Ni; Cr-Ni; Cr-Ni-W...).

Phân loại thép hợp kim theo các nguyên tố chứa trong thép

- Thép hợp kim thấp: Tổng lượng nguyên tố hợp kim trong thép có khoảng 4% - 5%.

- Thép hợp kim trung bình: Có tổng lượng nguyên tố hợp kim khoảng nhỏ hơn 10%.

- Thép hợp kim cao: Có tổng lượng nguyên tố hợp kim lớn hơn 10%.

Yêu cầu đối với các nguyên tố hợp kim có trong thép

- Nguyên tố đó phải kết hợp với sắt.

- Nguyên tố đó kết hợp với sắt nhưng không làm mất đi tính chất kim loại của sắt (Fe).

- Nguyên tố hợp kim hòa tan và sắt phải cải thiện tính chất và tôt chức của sắt.

- Nguyên tố hợp kim được sử dụng vào thép phải có hiệu quả kinh tế.

Các đặc tính của thép hợp kim

Các loại thép hợp kim có tính chất nổi trội hơn thép cacbon. Hay nói cách khác, mục đích của hợp kim hóa là ở các điểm sau đây:

- Về cơ tính, thép hợp kim nói chung có độ bền (giới hạn bền, giới hạn chảy) cao hơn hẳn thép cacbon. Điều này đặc biệt thể hiện rõ rang sau khi nhiệt luyện, tôi và ram. Ưu  việt này thể hiện trong mọi loại thép hợp kim. Thép hợp kim hóa càng cao, càng mạnh ưu việt này càng thể hiện rõ rệt.

- Tuy nhiên cần lưu ý: Trong trạng thái nhiệt luyện (tôi và ram) thì độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon là bao nhiêu.

- Thép hợp kim có thể đạt độ bền cao, nhưng thông thường với sự tăng độ bền thi độ dẻo, độ dai lại giảm đi. Do vậy, không thể không chú ý tói mối quan hệ này để xác định rõ cơ tính thích hợp.

- Cùng với mức độ tăng hợp kim hóa, tính công nghệ của thép sẽ sấu đi. Về tính chịu nhiệt độ cao, thép cacbon cũng có độ bền tương đối cao sau khi tôi, nhưng không giữ được khi làm việc ở nhiệt độ cao hơn 200 độ C do mactenxit bị phân hóa và Xementit kết tụ. Các nguyên tố hợp kim làm cản trở khả năng khuếch tán của cacbon do đó làm mactenxit phan hóa và cacbit kết tụ ở nhiệt độ cao hơn. Vì thế, thep hợp kim giữ được cơ tính cao của trang thái tôi ở nhiệt độ trên 200 độ C. Muốn đạt được tính chất này thép cần được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao. Ưu việt này của thép hợp kim được ứng dụng trong thép dụng cụ và thép bền nóng.

- Về các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt: Ta thấy thép cacbon bỉ gỉ trong không khí, bị ăn mòn trong môi trường axit, bazo và muối, không có tính chất vật lý đặc biệt như từ tính, giãn nở đặc biệt. Muốn vậy phải dùng những loại thép hợp kim riêng biệt và thành phần hóa học chặt chẽ.

- Qua đó có thể thấy rằng, các nguyên tố hợp kim có tác dụng rất tốt. Thép hợp kim là vật liệu kim loại không gì có thể thay thế được trong chế tạo máy nặng, dụng cụ, nhiệt điện và công nghệ hóa học...Thép hợp kim thường được sử dụng làm các chi tiết quan trọng nhất của thiết bị, máy móc trong điều kiện làm việc nặng nề.

- Mỗi nguyên tố hợp kim được sử dụng nhiều hay ít. Trong một nhóm thép có công dụng nhất định là phụ thuộc vào tác dụng của nó đến các tính chất của thép. Do vậy thường thấy mỗi loại thép chỉ dùng một nguyên tố hợp kim với hàm lượng nhất định.

- Đối với thép kết cấu yêu cầu độ bền cao thường dùng các nguyên tố nâng cao độ thấm tôi như Crom, Mangan, Niken và một phần Silic, với lượng chứa mỗi nguyên tố từ 1-2%. Thép dụng cụ cắt gọt với tốc độ cao phải dùng các nguyên tố nâng cao rất mạnh tính chịu nhiệt độ cao như Vonfram, Coban, Molipden với hàm lượng khá lớn 5% - 20%. Thép với tính chất hóa học và vật lý đặc biệt cũng có những đặc điểm riêng như thép không gỉ có chứa không dưới 12.5% Cr, thép chống mài mòn 13% Mn, thép kỹ thuật điện có chứa 2% - 4% Si...

- Ngoài ra, mức độ sử dụng mỗi nguyên tố hợp kim cũng bị phụ thuộc vào trữ lượng của nó trong thiên nhiên, khả năng và chế biến nó. Có những nguyên tố có tác dụng rất tốt về một mặt nào đó (như Niken đối với cơ tính) nhưng phải hạn chế vì sử dụng rất đắt. Vì vậy, mỗi nước đều có hệ thống thép hợp kim khác nhau tùy thuộc vào tài nguyên khoáng sản kim loại và khả năng mua bán trên thị trường của mình.

Các nguyên tố thường dùng là Crom, Mangan, Niken, Silic, Vonfram, Coban, Molipden, Vanadi, Titan, Bo. Trong đó Mangan và đặc biệt là Silic là hai nguyên tố có nhiều hơn và rẻ lại dễ kiếm.

Quá trình sản xuất thép hợp kim trên thế giới

Tỉ lệ sản xuất thép hợp kim ở các nước phụ thuộc vào sự phát triển của nghành chế tạo cơ ý ở mỗi nước. Ở các nước công nghiepj phát triển, tỉ lệ thép hợp kim chiếm khoảng 20% - 30% tổng sản lượng thép. Đầu thập niên 90, tỉ lệ này ở trung quốc khoảng 22% (do sản lượng thép khi đó chưa cao). Những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh của sản lượng thép, tỉ lệ này chiếm 17% tổng sản lượng thép. Tỉ lệ có giảm đi song do sản lượng tăng nhiều nên sản lượng tuyệt đối về thép hợp kim ở Trung Quốc cũng tăng nhanh.

Hiện nay trên thế giới sản xuất khoảng trên 1000 loại thép hợp kim. Do thiết bị kỹ thuật được cải tiến nhiều nên chất lượng thép hợp kim không ngừng được tăng cao.

Phát triển sản xuất thép hợp kim thấp độ bền cao

Nhiều nước đang đặc biệt chú ý sản xuất thép hợp kim thấp độ bền cao. Tùy tình hình tài nguyên và nhu cầu của mình mỗi nước đều có hệ thép hợp kim thấp độ bền cao riêng.

Ở Mỹ có khoảng 250 mác thép hợp kim thấp độ bền cao, trong đó có mác thép Corten nổi tiếng. Nguyên tố hợp kim là Cr, Ni, Cu. Toàn bộ thép dùng đóng toa tàu và 2/3 cấu kiện các công trình, cột điện, tháp...là loại thép này. Đây là một loại thép chống ăn mòn khí quyển nhiễm bẩn công nghiệp rất tốt.

Ở Nga sử dụng khoảng 50 mác thép hợp kim thấp có độ bền cao trong đó có các mác 09Ի2, 14Ի2 hay 10Ի2C1, 09Ի2C, 15ԻC. Nguyên tố hợp kim là Mn và Silic. Ngoài ra còn có các mác thép 3 nguyên tố khác.

Ở Trung Quốc có các mác thép Q295, Q345, Q380, Q420, Q460, Q670. Nguyên tố hợp kim là Mn, V, Ti, Nb, Cr, Ni...

Tỉ lệ thép hợp kim thấp độ bền cao ở trung quốc chiếm 21% tổng sản lượng thép va được sản xuất chủ yếu trong lò thỏi oxi nguyên chất.

Nhiều nước khác trên thế giới cũng chú trọng phát triển loại thép hợp kim thấp có độ bền cao này, với tổng số mác thép lên tới 400 mác.

Đặc biệt gần đây phát triển loại thép hợp kim thấp độ bèn cao song pha có nhiều tính năng rất đặc biệt mà lưu trình sản xuất đơn giản thay thế thép cacbon kết cấu dưới dạng thép tấm, thép tròn, thép dây dùng trong chế tạo máy và xây dựng.

Thực tiễn sản xuất và ứng dụng thép hợp kinm thấp song pha ở các nước như Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc... cho thấy việc này đem lại hiệu quả rất lớn đối với nền kinh tế. Giá thành sản xuất không cao hơn thép thường là bao nhiêu nhưng độ bền lại cao hơn nhiều lần.

Sự xuất hiện và phát triển của thép hợp kim song pha đầu tiên là do yêu cầu của nghành chế tạo oto. Ngày nay vỏ xe và rất nhiều chi tiết trong oto đã dùng thép song pha. Từ đó làm cho xe nhẹ hơn, bền hơn, ít tiêu hao nhiên liệu hơn, dễ gia công chế tạo hơn. Ngoài ngành oto, cho đến nay thép song pha đã được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy, nhất là chế tạo cáp chịu lực, bulong, ecu chịu lực, lõi cáp AC. Đó là do thép song pha có những đặc điểm sau:

• Có tính dập, vuốt nguội rất tốt.
• Giới hạn chảy thấp: Ơc = 350 - 450 MPa.
• Yêu cầu biến dạng không lớn.

Độ biến dạng đồng đều lớn: ੬T ≥ 20%, khi biến dạng dẻo hóa bền nhanh.

Cụ thể nếu chuốt tói thép sợi phi 1 - 0.75mm, Ơc ≥ 1700 MPa, song vẫn giữ được độ cứng thấp, độ dẻo tốt.

Cáp chịu áp lực có nhiều loại với các cấp độ bền khác nhau. Loại thường gặp yêu cầu Ơb ≥ 1400 MPa. Bulong chịu lực dộ bền cao, điển hình là bulong cấp 8,8 yêu cầu Ơb ≥ 880 MPa. 

Nếu áp dụng thép hợp kim thấp song pha chế tạo cáp chịu lực và bulong độ bền cao, hoàn toàn có thể đáp ứng được các tiêu chí cơ tính trên với ưu điểm nổi bật là:

• Quy trình chế tạo đơn giản hơn rất nhiều.
• Giảm được chi phí đầu tư công trình.
• Giảm được tiêu hao năng lượng, vật tư và công lao động từ đó hạ giá thành.

Ví dụ: Sản xuất cáp chịu lực. Sản phẩm này từ trước tới nay vẫn được chế tạo từ thép cacbon cao (0.65 - 0.9% C). Với quy trình sau:

Thép cán dạng thanh dài → Chuốt nóng → Tôi bể chì → Chuốt nguội → Ủ mềm → Tẩy rửa axit → Chuốt nguội → Ủ mềm → Tẩy rửa axit → Chuốt nguội → Cuộn dây → Ram khử ứng suất → Bên cáp

Nếu dùng thép hợp kim thấp song pha quy trình chỉ còn:

Thép cán dạng thanh dài → Tẩy sạch bề mặt → Chuốt nguội cho tới sợi thép nhỏ →  Cuộn dây → Ram khử ứng suất → Bên cáp

Như vậy bớt được các bước tôi bể chì và nhiều bước ủ mềm và tẩy axit. 

Ví dụ: Sản xuất bulong độ bền cao. Sản phẩm này từ trước tới nay dùng loại thép 40X (40Cr) chế tạo theo quy trình sau:

Thép cán dạng thanh → Ủ → Tẩy sạch bề mặt → Kéo chuốt nguội → Phophat hóa bề mặt → Chuốt nguội đầu bulong → Tiện sửa → Cán lăn ren → Mạ kẽm

Nếu dùng thép song pha thì quy trình chỉ còn:

Thép cán dạng thanh đã tẩy rửa bề mặt → Kéo chuốt nguội Calip → Chuốt nguội đầu bulong → Tiện sửa → Cán lăn ren → Mạ kẽm

Như vậy đã rút bớt được các khâu nhiệt luyện như ủ, tôi, ram và photphat hóa bề mặt.