Abstract – Tóm tắt

Viện Sắt Thép Hoa Kỳ (AISI) định nghĩa thép Cacbon như sau: Thép được coi là thép Cacbon khi không quy định hoặc yêu cầu hàm lượng tối thiểu đối với Crôm (Cr), Coban (Co), Columbium [Niobium] (Nb), Molypden (Mo), Niken (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Vanadi (V) hoặc Zirconium (Zr), hoặc bất kỳ nguyên tố nào khác được thêm vào để có được hiệu ứng hợp kim mong muốn; khi mức tối thiểu quy định cho Đồng (Cu) không vượt quá 0.40%; hoặc khi hàm lượng tối đa quy định cho bất kỳ nguyên tố nào sau đây không vượt quá tỷ lệ phần trăm được ghi chú: Mangan (Mn) 1.65%, Silic (Si) 0.60%, Đồng (Cu) 0.60%.

Thép có thể được phân loại theo nhiều hệ thống khác nhau tùy thuộc vào:

• • Thành phần, chẳng hạn như carbon, hợp kim thấp hoặc thép không gỉ.
  • Các phương pháp sản xuất, chẳng hạn như lò hở, quy trình oxy cơ bản hoặc phương pháp lò điện.
  • Phương pháp hoàn thiện, chẳng hạn như cán nóng hoặc cán nguội.
  • Dạng sản phẩm, chẳng hạn như thanh, thỏi, tấm, mảnh, ống hoặc hình dạng cấu trúc.
  • Thực hiện bằng khử oxyt, chẳng hạn như thép lắng, bán lắng, đóng nửa lắng hoặc sôi.
  • Cấu trúc vi mô, chẳng hạn như ferritic, pearlitic và martensitic.
  • Mức độ bền cần thiết, như được quy định trong tiêu chuẩn ASTM.
  • Xử lý nhiệt, chẳng hạn như ủ, làm nguội và tôi, và xử lý cơ nhiệt.
  • Các loại nhận dạng chất lượng, chẳng hạn như chất lượng rèn và chất lượng thương mại.

Carbon Steels – Các thép carbon

Viện Sắt Thép Hoa Kỳ (AISI) định nghĩa thép Cacbon như sau:

Thép được coi là thép Cacbon khi không quy định hoặc yêu cầu hàm lượng tối thiểu đối với Crôm (Cr), Coban (Co), Columbium [Niobium] (Nb), Molypden (Mo), Niken (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Vanadi (V) hoặc Zirconium (Zr), hoặc bất kỳ nguyên tố nào khác được thêm vào để có được hiệu ứng hợp kim mong muốn; khi mức tối thiểu quy định cho Đồng (Cu) không vượt quá 0.40%; hoặc khi hàm lượng tối đa quy định cho bất kỳ nguyên tố nào sau đây không vượt quá tỷ lệ phần trăm được ghi chú: Mangan (Mn) 1.65%, Silic (Si) 0.60%, Đồng (Cu) 0.60%.

Thép carbon có thể được phân loại theo các phương pháp khử oxy khác nhau như thép lắng, bán lắng, đóng nửa lắng hoặc sôi. Thực hiện khử oxyt và quá trình luyện thép sẽ ảnh hưởng đến các đặc tính của thép. Tuy nhiên, các mức độ thay đổi của Cacbon có ảnh hưởng lớn nhất đến các đặc tính cơ học, với việc tăng hàm lượng Cacbon dẫn đến tăng độ cứng và độ bền. Như vậy, thép Cacbon thường được phân loại theo hàm lượng Cacbon của chúng. Nói chung, thép carbon chứa tới 2% tổng số nguyên tố hợp kim và có thể được chia thành thép carbon thấp, thép carbon trung bình, thép carbon cao và thép carbon siêu cao; mỗi chỉ định này được thảo luận dưới đây.

Thép Cacbon cho đến nay là loại thép được sử dụng thường xuyên nhất. Hơn 85% thép được sản xuất và vận chuyển ở Hoa Kỳ là thép Cacbon.

• • Thép Cacbon thấp chứa tới 0.30% C. Loại lớn nhất của loại thép này là các sản phẩm cán phẳng (tấm hoặc mảnh), thường ở điều kiện cán nguội và ủ. Hàm lượng Cacbon đối với các loại thép định hình này rất thấp, dưới 0.10% C và Mn đến 0.4%. Các ứng dụng điển hình là trong các sản phẩm như các tấm thân Ô-tô, tấm thiếc và các dây điện. Đối với các tấm và bộ phận kết cấu thép cuộn, hàm lượng Cacbon có thể tăng lên khoảng 0.30%, với hàm lượng Mangan cao hơn lên đến 1.5%. Những vật liệu này có thể được sử dụng để dập, rèn, ống liền mạch và tấm lò hơi.

• • Thép Cacbon trung bình tương tự như thép Cacbon thấp ngoại trừ Cacbon nằm trong khoảng từ 0.30 đến 0,60% và Mangan từ 0.60 đến 1.65%. Việc tăng hàm lượng Cacbon lên khoảng 0.5% cùng với sự gia tăng Mangan cho phép thép Cacbon trung bình được sử dụng trong điều kiện làm lạnh và tôi. Việc sử dụng thép Cacbon-Mangan trung bình bao gồm trục, trục xe, bánh răng, trục khuỷu, khớp nối và các vật đúc/rèn. Thép trong khoảng 0.40 đến 0.60% C cũng được sử dụng cho đường ray, bánh xe đường sắt và trục bánh đường sắt.
  • Thép Cacbon cao chứa từ 0.60 đến 1.00% C với hàm lượng Mangan dao động từ 0.30 đến 0.90%. Thép Cacbon cao được sử dụng cho vật liệu lò xo và dây có độ bền cao.
  • Thép Cacbon siêu cao là hợp kim thí nghiệm chứa 1.25 đến 2.0% C. Những loại thép này được xử lý nhiệt cơ để tạo ra các cấu trúc vi mô bao gồm các hạt siêu mịn và đều của các hạt cacbua proeutectoid hình cầu, không liên tục.

High-Strength Low-Alloy Steels – Các thép hợp kim thấp có độ bền cao

Thép hợp kim thấp có độ bền cao (High-Strength Low-Alloy Steel – HSLA), hoặc thép vi sinh, được thiết kế để cung cấp các tính chất cơ học tốt hơn và/hoặc khả năng chống ăn mòn bởi khí quyển cao hơn thép Cacbon thông thường theo nghĩa thông thường vì chúng được thiết kế để đáp ứng các tính chất cơ học cụ thể hơn là thành phần hóa học.

Thép HSLA có hàm lượng Cacbon thấp (0.05 đến 0,25% C) để tạo ra đủ dạng và khả năng hàn, và chúng có hàm lượng Mangan lên đến 2.0%. Một lượng nhỏ Crom, Niken, Molypden, Đồng, Nitơ, Vanadi, Niobi, Titan và Zirconium được sử dụng trong các hóa hợp khác nhau.

Phân loại thép HSLA:

• • Thép kháng thời tiết (Weathering steel) hay còn gọi là thép Corten được chỉ định để thể hiện khả năng chống ăn mòn bởi khí quyển một cách vượt trội.
  • Thép cán kiểm soát (Control-rolled steel) được cán nóng theo lịch cán định trước, được thiết kế để phát triển cấu trúc Austenite bị biến dạng cao sẽ chuyển thành cấu trúc Ferrite cân bằng rất mịn khi làm mát.
  • Thép đã khử Peclit (Pearlite-reduced steel) được tăng cường bởi Ferrite hạt rất mịn và làm cứng kết tủa nhưng có hàm lượng Cacbon thấp và do đó có rất ít hoặc không có Pearlite trong cấu trúc vi mô.
  • Thép hợp kim vi mô (Microalloyed steel) với sự bổ sung rất nhỏ của các nguyên tố như Niobi, Vanadi và/hoặc Titan để tinh chế kích thước hạt và/hoặc làm cứng kết tủa.
  • Thép Ferit hình kim (Acicular ferrite steel) có lượng Cacbon rất thấp với đủ độ cứng để biến đổi khi làm mát thành cấu trúc Ferit dạng hình kim có độ bền cao rất tốt thay vì cấu trúc Ferit đa giác thông thường.
  • Thép hai pha (Dual-phase steel) được xử lý theo cấu trúc vi mô của ferit có chứa các vùng nhỏ phân bố đồng đều của Mactenxit Cacbon cao, tạo ra sản phẩm có cường độ năng suất thấp và tốc độ gia công cứng cao, do đó cung cấp thép cường độ cao có hình dạng vượt trội .

Các loại thép HSLA khác nhau cũng có thể có bổ sung lượng nhỏ Canxi, nguyên tố đất hiếm hoặc Zirconi để kiểm soát hình dạng bao gồm Sulfua.

Low-alloy Steels – Các thép hợp kim thấp

Thép hợp kim thấp tạo thành một loại vật liệu đen thể hiện các đặc tính cơ học vượt trội so với thép Cacbon thông thường do kết quả của việc bổ sung các nguyên tố hợp kim như Niken, Crôm và Molypden. Tổng hàm lượng hợp kim có thể dao động từ 2.07% lên đến mức thấp hơn so với thép không gỉ, chứa tối thiểu 10% Cr.

Đối với nhiều loại thép hợp kim thấp, chức năng chính của các nguyên tố hợp kim là tăng độ cứng để tối ưu hóa các đặc tính cơ học và độ dẻo sau khi xử lý nhiệt. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các chất bổ sung hợp kim được sử dụng để giảm suy thoái môi trường trong một số điều kiện dịch vụ cụ thể.

Cũng như thép nói chung, thép hợp kim thấp có thể được phân loại theo:

• Thành phần hóa học, chẳng hạn như thép Niken, thép Niken-Crôm, thép Molypden, Thép Crôm-Molypden.
• Xử lý nhiệt, chẳng hạn như làm nguội và tôi, thường hóa và tôi luyện, ủ.

Do có thể có nhiều loại thành phần hóa học khác nhau và thực tế là một số loại thép được sử dụng trong nhiều điều kiện nhiệt luyện, một số chồng chéo tồn tại giữa các phân loại thép hợp kim. Trong bài viết này, bốn nhóm thép hợp kim chính được đề cập đến như sau:

• • Thép làm nguội và tôi Cacbon thấp kết hợp độ bền năng suất cao (từ 350 đến 1035 MPa) và độ bền kéo cao với độ bền, độ dẻo, chống ăn mòn hoặc khả năng hàn tốt. Các loại thép khác nhau có sự kết hợp khác nhau của những đặc điểm này dựa trên các ứng dụng dự kiến ​​của chúng. Tuy nhiên, một số loại thép, chẳng hạn như HY-80 và HY-100, được quy định trong các thông số kỹ thuật quân sự. Các loại thép được liệt kê được sử dụng chủ yếu dưới dạng tấm. Một số loại thép này, cũng như các loại thép tương tự khác, được sản xuất dưới dạng rèn hoặc đúc.
  • Thép siêu bền Cacbon trung bình là thép kết cấu có cường độ chảy có thể vượt quá 1380 MPa. Nhiều loại thép này được bảo hộ bởi các chỉ định SAE/AISI hoặc là các chế phẩm độc quyền. Các dạng sản phẩm bao gồm phôi, thanh, que, rèn, tấm, ống và dây hàn.
  • Thép chịu lực được sử dụng cho các ứng dụng ổ bi và ổ lăn bao gồm cả thép da cứng Cacbon thấp (0.10 đến 0.20% C) và thép cứng xuyên suốt Cacbon cao (-1.0% C). Nhiều loại thép trong số này được bảo hộ bởi các chỉ định SAE/AISI.
  • Thép Crôm-Molypden chịu nhiệt chứa 0.5 đến 9% Cr và 0.5 đến 1.0% Mo. Hàm lượng Cacbon thường dưới 0.2%. Crôm cung cấp khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn được cải thiện, và Molypden tăng sức chịu ở nhiệt độ cao. Chúng thường được cung cấp trong điều kiện thường hóa và tôi, làm nguội và tôi hoặc ủ. Thép Crôm-Molypden được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dầu khí và nhiên liệu hóa thạch và các nhà máy điện hạt nhân.

Sản phẩm sử dụng để phân loại các Thép Carbon và Thép hợp kim

Thiết bị phân tích thành phần hóa học kim loại LIS-02 từ hãng NPP SD có thể dễ dàng và nhanh chóng xác định và phân loại các sản phẩm kim loại cán/đúc/rèn, mác thép của kim loại màu/đen và hợp kim trong các lĩnh vực như Kiểm soát đầu vào/đầu ra của kim loại và hợp kim, Xác định mác thép trong ứng dụng PMI, Đo lường các giá trị đương lượng cacbon CE trong ứng dụng hàn, Phân loại nhanh trong ứng dụng thu mua phế liệu, Phân tích quang phổ trong nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Lab… Thiết bị cung cấp tốc độ cao và chính xác trong việc xác định thành phần các nguyên tố hóa học như Be, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, W, Pb và các loại khác.

Soạn thảo: Nguyễn Đức Thắng