Thép hợp kim là một trong những vật liệu kỹ thuật quan trọng nhất, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Với việc bổ sung các nguyên tố hợp kim, thép hợp kim sở hữu những tính năng vượt trội so với thép cacbon thông thường. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về thép hợp kim, từ khái niệm, phân loại đến những đặc tính và ứng dụng nổi bật.
 

1. Khái niệm về thép hợp kim

• Định nghĩa:
  • Thép hợp kim là loại thép được bổ sung các nguyên tố hợp kim như mangan (Mn), silic (Si), crom (Cr), niken (Ni), titan (Ti), vonfram (W), đồng (Cu), coban (Co), molypden (Mo)... với hàm lượng thích hợp.
  • Các nguyên tố hợp kim này được thêm vào một cách chủ ý để cải thiện tính chất của thép, tạo ra những tính năng mới mà thép cacbon không có.
• Vai trò của các nguyên tố hợp kim:
  • Tùy thuộc vào loại và hàm lượng, các nguyên tố hợp kim sẽ tạo ra những thay đổi khác nhau trong cấu trúc và tính chất của thép.
  • Hàm lượng các nguyên tố hợp kim phải đủ lớn để tạo ra sự thay đổi đáng kể về cơ tính, nếu không chúng chỉ được coi là tạp chất.

2. Đặc tính cơ bản của thép hợp kim

• Cải thiện cơ tính:
  • Thép hợp kim có khả năng nhiệt luyện tốt hơn thép cacbon, cho phép đạt được độ bền, độ cứng và độ dẻo cao hơn sau khi xử lý nhiệt.
  • Khả năng giữ độ bền ở nhiệt độ cao tốt hơn thép cacbon.
• Tính chất lý hóa đặc biệt:
  • Khả năng chống ăn mòn trong môi trường ăn mòn.
  • Khả năng tạo ra thép từ tính cao hoặc không từ tính.
  • Độ giãn nở nhiệt thấp.
• Ưu điểm so với thép cacbon:
  • Tuổi thọ cao hơn.
  • Giảm khối lượng và kích thước máy móc.
  • Khả năng làm việc trong điều kiện khắc nghiệt.

3. Cơ chế hoạt động của thép hợp kim

• Dung dịch đặc:
  • Các nguyên tố hợp kim hòa tan vào dung dịch đặc trong thép, thay đổi tọa độ trên giản đồ trạng thái hoặc tạo ra ferit hợp kim bền hơn.
• Cacbit hợp kim:
  • Các nguyên tố như Cr, W, Ti kết hợp với cacbon tạo thành cacbit hợp kim, tăng độ cứng và độ bền.
• Độ quá nguội:
  • Đa số các nguyên tố làm tăng độ quá nguội, dịch chuyển đường cong chữ "C" về bên phải, tạo điều kiện thuận lợi cho nhiệt luyện.
• Lớp vỏ oxit bảo vệ:
  • Một số nguyên tố tạo lớp vỏ oxit bền vững trên bề mặt thép, bảo vệ khỏi ăn mòn.

4. Phân loại thép hợp kim

• Theo thành phần hợp kim:
  • Thép hợp kim thấp (< 2,5% nguyên tố hợp kim).
  • Thép hợp kim trung bình (2,5% - 10% nguyên tố hợp kim).
  • Thép hợp kim cao (> 10% nguyên tố hợp kim).
• Theo nguyên tố hợp kim chủ yếu:
  • Thép silic (Si).
  • Thép mangan (Mn).
  • Thép crom-niken (Cr-Ni).
• Theo công dụng:
  • Thép hợp kim kết cấu.
  • Thép hợp kim dụng cụ.
  • Thép hợp kim đặc biệt.

5. Thép hợp kim kết cấu

• Đặc điểm:
  • Hàm lượng cacbon thấp (0,1% - 0,85%).
  • Hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp.
  • Cần thấm cacbon và nhiệt luyện để đạt cơ tính cao.
• Ứng dụng:
  • Chi tiết chịu tải trọng cao, độ cứng, độ chịu mài mòn, tính đàn hồi cao.
• Mác thép thường gặp:
  • 15X, 20X, 20XH (15Cr, 20Cr, 20CrNi).
  • 12XH3A, 12X2H4A (12CrNi3A, 12Cr2Ni4A).
  • 40X, 40XГ, 35ХГС (40Cr, 40CrMn, 35CrMnSi).
  • 50С2, 65Г, 65C2 (50Si2, C65Mn, C65Si2).
• Thép HSLA (High Strength Low Alloy Steel):
  • Độ bền cao, chống ăn mòn, tính hàn tốt, giá thành rẻ.
  • Ứng dụng trong kết cấu hàn chịu tải trọng động.
  • Ví dụ: 09Г2С (09Mn2Si), 15Г2 (15Mn2).

6. Thép hợp kim dụng cụ

• Đặc điểm:
  • Độ cứng cao, chịu nhiệt, chịu mài mòn cao.
  • Hàm lượng cacbon 0,7% - 1,1%.
  • Nguyên tố hợp kim: Cr, W, Si, Mn.
• Ứng dụng:
  • Dụng cụ cắt gọt, khuôn dập.
• Mác thép thường gặp:
  • 9XC, XBF, X12 (90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12).
  • Thép làm ổ lăn: ШХ6, ШХ9, ШХ15 (OLCr0,6, OLCr1, OLCr1,5).
• Thép gió:
  • Dụng cụ cắt gọt tốc độ cao, chịu nhiệt đến 650°C.
  • Mác thép: P9, P18 (90W9V2, 75W18V).

7. Thép hợp kim đặc biệt

• Thép không gỉ:
  • Chống ăn mòn hóa học và điện hóa.
  • Hàm lượng Cr > 12%.
  • Mác thép: 12X13, 12X18H9 (12Cr13, 12Cr18Ni9).
• Thép bền nóng:
  • Giữ độ bền ở nhiệt độ cao.
  • Mác thép: 12XM, X18H12 (12CrMo, 10Cr18Ni12N6).
• Thép từ tính:
  • Khả năng khử từ cao.
  • Mác thép: EX2, AH1 (AlNi1).

Kết luận

Thép hợp kim là một vật liệu kỹ thuật đa dạng với nhiều tính năng ưu việt, đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp. Việc lựa chọn loại thép hợp kim phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc cụ thể.