Thép hợp kim là gì?

Thép hợp kim là gì? Thép hợp kim là Sắt (Fe) có chứa phần trăm (%) các nguyên tố khác. Ngoài cacbon (C) ra, người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép như  Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cugọi. Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: .với tổng lượng nguyên tố thêm vào nằm khoảng từ 1,0% đến 50% tổng khối lượng hỗn hợp để cải thiện chất lượng thép thành phẩm.

Đặc tính của thép hợp kim là gì?

Xem thêm: Tungsten là gì?

Các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với lượng đủ lớn như vậy được gọi là nguyên tố hợp kim. Chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố (không có giá trị chung cho mọi nguyên tố) như sau:

Mn ≥ 0,80 – 1,00%, Si ≥ 0,50 – 0,80%, Cr ≥ 0,50 – 0,80%, Ni ≥ 0,50 – 0,80%, W ≥ 0,10 – 0,50%, Mo ≥ 0,05 – 0,20%, Ti ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,30, B ≥ 0,0005%.

Nhỏ hơn giới hạn dưới kể trên được coi là tạp chất.

Tuy nhiên các giới hạn trên cũng chỉ là quy ước và không cứng nhắc một cách quá chặt chẽ. Thép hợp kim là loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa ít và rất ít các tạp chất có hại.

Cơ tính

Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn, nên thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở thép sau khi tôi + ram. Khi hết sức tận dụng ưu điểm này cần chú ý đến đến các hệ quả sau đây:

Nhiệt luyện

Thép hợp kim nói chung có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi và ram.

Ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ), độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đã dùng thép hợp kim thì phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng. Gần như thường hóa) hay ủ là sự lãng phí lớn về độ bền.

Tôi thấu

Ưu việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn và lượng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ (≤ 20mm) ưu việt này của thép hợp kim không thể hiện được. (Vì với tiết diện nhỏ như vậy thép cacbon cũng được tôi thấu).

Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trường tôi chậm (dầu). Nên khi tôi ít biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi nước. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi. (Do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim.

Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai. Nên lượng hợp kim cần thiết chỉ cần vừa đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đã cho là đủ. Không nên dùng thừa (dùng thép hợp kim quá cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá hủy giòn hơn). Do vậy có nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc kích thước (tiết diện).

Tuy đạt độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ ngược này để có xử lý thích hợp (bằng ram).

Mặc dầu có ưu điểm về độ bền, nói chung thép hợp kim có tính công nghệ kém hơn thép cacbon (trừ tính thấm tôi).

Tính chịu nhiệt độ cao

Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon. Do đó làm mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 2000 độ C. Do vậy tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy ôxyt tạo thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt.

Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 2000 độ C. Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao.

Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt

Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt:

• Không gỉ, chống ăn mòn trong axit, bazơ, muối.
• Từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính.
• Giãn nở nhiệt đặc biệt… Qua đó thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết. Không thể thiếu cho những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông thường

Ở đây nói kỹ hơn các đặc tính trội hơn hẳn của thép hợp kim so với thép cacbon. (thép cacbon tương đương được mang ra đối chứng phải là loại có cùng thành phần cacbon với thép hợp kim đã cho).

Phân loại thép hợp kim

Xem thêm: Bảng tra mũi khoan và taro

Phân loại theo nồng độ hợp kim trong thép

Gồm ba loại:

• Thép hợp kim thấp: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào < 2,5%.
• Thép hợp kim trung bình: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào từ 2,5 – 10%.
• Thép hợp kim cao: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào > 10%.

Phân loại theo nguyên tố hợp kim

Cách phân loại này dựa vào tên của các nguyên tố hợp kim chính của thép. Ví dụ như thép có chứa crôm gọi là thép crôm, thép manggan, thép niken …

Phân loại theo công dụng

Đây là cách phân loại chủ yếu. Theo công dụng cụ thể có thể chia hợp kim thành các nhóm sau:

Thép hợp kim kết cấu

Là loại thép trên cơ sở thép kết cấu cho thêm vào các nguyên tố hợp kim. Loại này có hàm lượng cacbon khoảng 0,1 – 0,85% và lượng phần trăm của nguyên tố hợp kim thấp.

Loại thép này được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao…

Theo TCVN thì thép hợp kim được ký hiệu như sau: số đầu tiên chỉ hàm lượng C theo phần vạn, sau đó là ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim, ngay sau mỗi ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim là hàm lượng % của từng nguyên tố. Trường hợp hàm lượng % của các nguyên tố hợp kim gần bằng 1% thì không cần ghi thêm chỉ số. Chữ A nếu có, nằm ở cuối ký hiệu để chỉ thép hợp kim loại tốt.

Ví dụ: Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp là: 15Cr, 20Cr, 20CrNi hàm lượng Cr, Ni thường nhỏ hơn 1%, hoặc các loại 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A, 12Cr2Ni4A, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lượng nguyên tố đó còn chữ A để chỉ loại tốt.

Những loại có hàm lượng cacbon trung bình có ký hiệu như: 40Cr, 40CrMn, 35CrMnSi.

Những loại có hàm lượng cacbon cao dùng làm thép lò xo như 50Si2, C65Mn, C65Si2.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN,  ký hiệu của các nguyên tố: X = Cr, H = Ni, B = W, M = M_o, T = Ti, K = Co, Г = Mn, C = Si,  = V, Д = Cu, Ю = Al, P = B. Ví dụ 12XH3 tương đương với 12CrNi3.
• Mỹ (AISI/ SAE):  Ký hiệu bằng 4 số xxxx, trong đó 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chính, 2 số cuối chỉ hàm lượng cacbon theo phần vạn như Bảng 3.1.

Ví dụ: mác 5140 là thép crôm có 0,4%C tương ứng với mác 40Cr của Việt Nam.

• Nhật (JIS): Ký hiệu bắt đầu bằng chữ S, tiếp theo là các chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối chỉ phần vạn cacbon trung bình).

Ví dụ: SCr440 là thép crôm có 0,4%C tương đương với mác 40Cr của Việt Nam.

Thép hợp kim dụng cụ: 

Là thép có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và độ chịu mài mòn cao. Hàm lượng cacbon trong hợp kim dụng cụ từ 0,7 – 1,4%, các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si, Mn.

Thép hợp kim dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt. Sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt 60 – 62 HRC. Những mác thép thường gặp là 90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12 và OL100Cr1,5 (thép ổ lăn).

Thép hợp kim dụng cụ dùng làm các dụng cụ cắt gọt, khuôn dập nguội hoặc nóng.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
• Mỹ (AISI):  Ký hiệu một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự như Bảng 3.2.

Ví dụ: D3 là thép hợp kim dụng cụ làm khuôn dập nguội có hàm lượng crôm và cacbon cao, tương đương với mác 210Cr12 của Việt Nam.

• Nhật (JIS): Ký hiệu SKSx, SKDx, SKTx trong đó x là số thứ tự.

Ví dụ: SKD1 là thép hợp kim dụng cụ tương đương với mác 210Cr12 của Việt Nam.

Thép gió:

Là một dạng thép hợp kim đặc biệt để làm dụng cụ cắt gọt và các chi tiết máy có yêu cầu cao. Trong tổ chức của thép gió có các nguyên tố sắt, cacbon, crom, vonfram, coban, vanadi.

Thép gió có độ cứng cao, bền, chịu mài mòn và chịu nhiệt đến 650⁰C. Trong thép gió có hàm lượng các nguyên tố hợp kim như sau: 8,5 – 19% W, 0,7 – 1,4% C, 3,8 – 4,4% Cr, 1 – 2,6% V và một lượng nhỏ Mo hay Co.

Những mác thép gió thường dùng theo TCVN có 90W9V2, 75W18V, 140W9V5, 90W18V2.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
• Mỹ (AISI):  Ký hiệu một chữ cái M (thép gió môlipđen) hoặc T (thép gió vonfram) và số thứ tự theo sau.

Ví dụ: T1 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam.

• Nhật (JIS): Ký hiệu SKHx, trong đó x là số thứ tự.

Ví dụ: SKH2 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam.

Thép không rỉ:

Là loại thép có khả năng chống ăn mòn tốt. Trong thép không rỉ, hàm lượng crom khá cao (>12%). Theo tổ chức tế vi, thép không rỉ được chia thành bốn loại là austenit, ferit, austenit-ferit, mactenxit. Tùy theo mức độ chống rỉ mà chúng được sử dụng trong các môi trường khác nhau như nước biển, hóa chất.

Một số mác thép không rỉ ký hiệu theo TCVN 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr18Ni9.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
• Mỹ (AISI):  ký hiệu gồm 3 số xxx, trong đó 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thép mactenxit.

Ví dụ: 304 là thép không rỉ tương đương với mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.

• Nhật (JIS): ký hiệu SUSxxx, trong đó xxx lấy theo AISI.

Ví dụ: SUS304 là thép không rỉ tương đương với mác 304 của Mỹ hoặc mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.

.