Thép hợp kim là gì? Đặc điểm, phân loại, ứng dụng

Trong ngành xây dựng, thép là vật liệu không thể thiếu nhờ vào tính năng vượt trội như trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chịu lực ấn tượng. Hiện nay, có nhiều loại thép phổ biến trên thị trường, từ thép hình đến thép mạ kẽm và đặc biệt là thép hợp kim. Hãy cùng Tôn Thép Nhật Minh tìm hiểu kĩ hơn về thép hợp kim là gì, những đặc điểm nổi bật và các ứng dụng quan trọng của nó trong bài viết dưới đây!

Đặc điểm của thép hợp kim là gì?

Thép hợp kim là gì?

Thép hợp kim là gì? Là một loại thép được chế tạo từ thành phần chính là sắt và cacbon, đồng thời được pha trộn thêm các nguyên tố hóa học khác như đồng, mangan, niken,… Tỷ lệ các nguyên tố này chiếm từ 1,0% đến 50% tổng khối lượng của thép, nhằm cải thiện nhiều đặc tính cho sản phẩm cuối cùng. Những cải tiến này có thể bao gồm tăng khả năng chống oxy hóa, tính đàn hồi, độ dẻo dai và độ bền vượt trội của thép.

>>> Xem thêm: 1 thiên gạch bao nhiêu viên

Nguyên tố hợp kim phổ biến

Dưới đây là một số nguyên tố hợp kim thường được sử dụng:

• Mangan: Nguyên tố này giúp kiểm soát quá trình xử lý nhiệt. Khi thép được làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao, nguy cơ nứt gãy có thể tăng lên. Mangan giúp điều chỉnh quá trình làm nguội chậm hơn, giảm nguy cơ nứt và tăng độ bền cho thép.
• Crom: Khi hàm lượng crom trong thép vượt quá 11%, thép trở thành thép không gỉ. Crom giúp thép chống mài mòn tốt hơn, đồng thời cải thiện độ cứng, độ bền và khả năng chịu nhiệt.
• Molypden: Nguyên tố này được thêm vào để cải thiện độ dẻo dai và độ cứng ở nhiệt độ cao. Molypden cũng tăng khả năng gia công, chống ăn mòn, và hỗ trợ hiệu quả cho các nguyên tố hợp kim khác.
• Vanadium: Vanadium giúp tăng độ cứng, khả năng chống mài mòn và va đập của thép. Ngoài ra, nó còn hạn chế sự phát triển của hạt kim loại, cho phép thực hiện các quy trình nhiệt luyện ở nhiệt độ cao hơn.

Thép hợp kim là loại thép chủ yếu gồm sắt và cacbon, được pha trộn với các nguyên tố như mangan, crom, molypden và vanadium nhằm cải thiện các tính chất cơ lý của thép.

Phân loại thép hợp kim

Phân loại thép hợp kim dựa trên nồng độ hợp kim:

• Thép hợp kim thấp: Tổng hàm lượng các nguyên tố hợp kim thêm vào chiếm dưới 2,5%.
• Thép hợp kim trung bình: Tổng lượng các nguyên tố hợp kim dao động từ 2,5% đến 10%.
• Thép hợp kim cao: Hàm lượng các nguyên tố hợp kim bổ sung vượt quá 10%.
• Việc phân loại này giúp xác định rõ hơn về các đặc tính của từng loại thép hợp kim, phù hợp với nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp.

Phân loại theo nguyên tố hợp kim

Cách phân loại thép hợp kim dựa trên nguyên tố hợp kim chính trong thành phần. Ví dụ: thép có chứa crôm gọi là thép crôm, thép chứa mangan gọi là thép mangan, thép chứa niken gọi là thép niken,…

Hợp kim sắt:

Hợp kim sắt là loại hợp kim có thành phần chính là sắt, kết hợp với các nguyên tố hóa học khác nhằm khắc phục những nhược điểm của kim loại sắt nguyên chất. Hợp kim sắt thường được sử dụng để sản xuất các vật liệu xây dựng và nhiều loại sản phẩm khác phục vụ đời sống.

• Gang: Hợp kim sắt chứa từ 2-5% cacbon được chia thành hai loại chính: gang trắng và gang xám.
• Thép: Thành phần của thép tương tự gang, nhưng hàm lượng cacbon thấp hơn, từ 0,01-2%. Thép có thể chứa các nguyên tố như silic, mangan và được chia thành hai loại: thép thường và thép đặc biệt.

>>> Bạn nên biết: Bảng kích thước thép hộp chữ nhật đầy đủ và chi tiết nhất

Hợp kim đồng:

Hợp kim đồng được tạo thành từ đồng và các nguyên tố khác, phổ biến nhất là kẽm và thiếc.

• Latông (đồng thau): Là hợp kim của đồng và kẽm, chia thành latông đơn giản (chỉ chứa đồng và kẽm) và latông phức tạp (chứa thêm các nguyên tố như Pb, Al, Sn, Ni).
• Brông (đồng thanh): Là hợp kim đồng với các nguyên tố khác ngoài kẽm, ví dụ như brông thiếc (Cu-Sn), brông nhôm (Cu-Al).

Hợp kim nhôm:

Hợp kim nhôm bao gồm nhôm (Al) và các nguyên tố khác như đồng, thiếc, mangan, silic, magie. Hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chai lọ, ô tô, máy bay, và tàu vũ trụ.

• Hợp kim nhôm biến dạng: Loại này có thể hóa bền hoặc không thể hóa bền bằng phương pháp nhiệt luyện. Thường được sử dụng để sản xuất chai lọ, nồi nhôm, và các sản phẩm thương mại.
• Hợp kim nhôm đúc: Chứa silic (5-20%) và magie (0,3-0,5%) để tạo hợp chất Mg2Si. Thường được sử dụng trong động cơ đốt trong và piston.

Hợp kim kẽm:

Hợp kim kẽm được hình thành khi các nguyên tử nhỏ hơn (như cacbon) xen kẽ vào mạng tinh thể của kim loại chính. Một ví dụ phổ biến là thép, trong đó các nguyên tử cacbon xen vào các khoảng trống giữa các nguyên tử sắt trong mạng tinh thể, tạo ra hợp kim xen kẽ.

Hợp kim titan:

Hợp kim titan được tạo ra khi kết hợp titan với các nguyên tố như nhôm, vanadi, molypden, coban, niken,… Hợp kim titan có tính chất và ứng dụng đa dạng, tùy thuộc vào thành phần nguyên tố.

• Hợp kim với 6% nhôm, 4% vanadi: Đây là loại hợp kim titan phổ biến nhất, với hơn 50% lượng titan sử dụng trên toàn cầu.
• Hợp kim 5% nhôm, 2,5% thiếc hoặc hợp kim chứa 3% nhôm, 2,5% vanadi: Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao.

Hiện nay, có hơn 35 loại hợp kim titan khác nhau, với các đặc tính phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

Phân loại theo công dụng

Thép hợp kim được phân loại chủ yếu dựa trên công dụng. Dưới đây là các nhóm thép hợp kim phổ biến theo từng ứng dụng cụ thể:

Thép hợp kim kết cấu:

Thép hợp kim kết cấu được phát triển dựa trên thép kết cấu thông thường, với hàm lượng cacbon từ 0,1 – 0,85% và các nguyên tố hợp kim ở mức thấp. Loại thép này thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết cần chịu tải trọng lớn, đòi hỏi độ cứng, khả năng chịu mài mòn hoặc tính đàn hồi cao.

• Ký hiệu theo TCVN: Số đầu tiên thể hiện hàm lượng cacbon (theo phần vạn), sau đó là các ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim cùng với hàm lượng %. Nếu hàm lượng hợp kim gần bằng 1%, không cần ghi chỉ số, và chữ “A” ở cuối ký hiệu chỉ loại thép chất lượng cao.
• Ví dụ: Các loại thép phổ biến như 15Cr, 20Cr, 20CrNi (Cr, Ni nhỏ hơn 1%), hoặc 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A, 12Cr2Ni4A.

Thép hợp kim dụng cụ:

Loại thép này có độ cứng cao sau khi được nhiệt luyện, với khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn tốt. Hàm lượng cacbon trong thép hợp kim dụng cụ dao động từ 0,7 – 1,4%, cùng với các nguyên tố hợp kim như Cr, W, Si, Mn.

• Đặc tính: Sau khi nhiệt luyện, thép đạt độ cứng từ 60 – 62 HRC, phù hợp để chế tạo các dụng cụ cắt gọt và khuôn dập.
• Ví dụ: Các loại thép như 90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12, OL100Cr1,5 thường dùng trong các ứng dụng này.

Thép gió:

Thép gió là loại thép hợp kim đặc biệt, chủ yếu được sử dụng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao. Thành phần của thép gió bao gồm các nguyên tố như sắt, cacbon, crôm, vonfram, coban, và vanadi.

• Đặc tính: Thép gió có độ cứng cao, bền bỉ, chịu được mài mòn và nhiệt độ lên tới 650°C.
• Ví dụ: Các loại thép gió như 90W9V2, 75W18V, 140W9V5 theo TCVN.

Thép không gỉ:

Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt nhờ hàm lượng crôm cao (>12%). Tùy theo tổ chức tế vi, thép không gỉ được chia thành bốn loại chính: austenit, ferit, austenit-ferit, và mactenxit. Mỗi loại có mức độ chống rỉ và ứng dụng trong các môi trường khác nhau như nước biển hoặc hóa chất.

• Ví dụ: Một số loại thép không gỉ theo TCVN như 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr18Ni9.

Ký hiệu thép hợp kim dựa theo tiêu chuẩn quốc tế

Nga (ГOCT): Tương tự như TCVN, với các ký hiệu như X = Cr, H = Ni, B = W, M = Mo, T = Ti, K = Co.

• Ví dụ: 12XH3 tương đương với 12CrNi3.

Mỹ (AISI/SAE): Ký hiệu gồm 4 số. Trong đó, với 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chính, 2 số cuối thể hiện hàm lượng cacbon theo phần vạn.

• Ví dụ: Mác 5140 là thép crôm chứa 0,4% cacbon, tương đương với mác 40Cr của Việt Nam.

Nhật (JIS): Ký hiệu bắt đầu bằng chữ “S”, sau đó là các ký hiệu hợp kim và ba số cuối thể hiện phần vạn cacbon.

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

Đặc tính của thép hợp kim là gì?

• Cơ tính: So với thép carbon, thép hợp kim có độ bền vượt trội, đặc biệt sau quá trình tôi và ram nhiệt luyện, giúp nâng cao đáng kể khả năng chịu lực và độ cứng của thép.
• Khả năng chịu nhiệt: Thép hợp kim có thể giữ vững các đặc tính cơ lý của mình ngay cả ở nhiệt độ trên 200 độ C. Điều này đạt được nhờ quá trình hợp kim hóa, trong đó các nguyên tố với hàm lượng cao được thêm vào thép để nâng cao khả năng chịu nhiệt.
• Tính chất vật lý và hóa học: Thép hợp kim có khả năng chống gỉ, chống ăn mòn tốt và có độ giãn nở ổn định khi nhiệt độ thay đổi, phù hợp với các môi trường khắc nghiệt và yêu cầu kỹ thuật cao.

Ưu điểm, ứng dụng của thép hợp kim là gì?

Thép hợp kim mang lại nhiều ưu thế so với các loại thép khác như:

• Khả năng chống ăn mòn: Giúp thép bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt.
• Khả năng chịu tải trọng cao: Đảm bảo an toàn và độ bền trong các công trình xây dựng lớn.
• Nhiệt độ nóng chảy cao: Tăng cường khả năng chịu nhiệt trong các ứng dụng yêu cầu khắt khe.

Nhờ những đặc tính nổi bật này, thép hợp kim được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như:

• Xây dựng công trình: Thép hợp kim giúp tăng độ bền và tuổi thọ cho các công trình.
• Chế tạo máy móc và linh kiện ô tô: Đặc biệt là các bộ phận cần độ bền cao.
• Chế tạo trục: Như trục cán rèn, trục động cơ, nơi yêu cầu khả năng chịu lực tốt.
• Chế tạo bánh răng: Đảm bảo độ chính xác và bền bỉ trong các thiết bị cơ khí.

Vậy là Tôn Thép Nhật Minh đã chia sẻ cùng quý khách về thép hợp kim là gì, các đặc điểm nổi bật và ứng dụng của nó trong thực tế. Nếu quý khách cần tư vấn chi tiết về các giải pháp thép, hãy liên hệ ngay với chúng tôi qua số điện thoại 0933 665 222 để nhận hỗ trợ tận tình và nhanh chóng.