Từ bộ khung của các tòa nhà chọc trời đến động cơ của ô tô và những lưỡi dao sắc bén trong nhà bếp của chúng ta, nhiều vật dụng thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta có chung một nguồn gốc: thép carbon. Kim loại có vẻ bình thường này có tác động sâu sắc đến xã hội hiện đại thông qua các đặc tính đa dạng và ứng dụng rộng rãi của nó. Nhưng chúng ta thực sự hiểu biết bao nhiêu về thép carbon? Các loại, đặc điểm, công dụng và cách chọn loại phù hợp cho các nhu cầu cụ thể? Bài viết này đi sâu vào thế giới hấp dẫn của thép carbon.
Thép carbon, còn được gọi là thép không hợp kim, dùng để chỉ thép có chứa từ 0,05% đến 2,1% carbon theo trọng lượng. Vật liệu linh hoạt này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng, sản xuất và kỹ thuật. Không giống như thép hợp kim, thép carbon chủ yếu bao gồm sắt và carbon, với một lượng hạn chế nghiêm ngặt các nguyên tố khác. Viện Sắt và Thép Hoa Kỳ (AISI) định nghĩa thép carbon với các yêu cầu về thành phần cụ thể:
Hàm lượng carbon đóng vai trò là yếu tố quyết định chính các tính chất cơ học của thép carbon. Khi tỷ lệ phần trăm carbon tăng lên, độ cứng và độ bền của vật liệu cũng tăng lên — những đặc tính này có thể được tăng cường hơn nữa thông qua xử lý nhiệt. Tuy nhiên, sự tăng lên này phải trả giá bằng việc giảm độ dẻo và khả năng hàn. Do đó, việc lựa chọn vật liệu đòi hỏi phải xem xét cẩn thận các tính chất cạnh tranh này.
Hàm lượng carbon cũng ảnh hưởng đến điểm nóng chảy của thép — nói chung, nồng độ carbon cao hơn sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy, một yếu tố quan trọng trong quá trình hàn và xử lý nhiệt.
Thép carbon thường được phân loại dựa trên hàm lượng carbon của chúng để phù hợp với các ứng dụng khác nhau:
Chứa 0,05% đến 0,30% carbon, thép carbon thấp đại diện cho loại thép được sử dụng rộng rãi nhất do giá cả phải chăng và khả năng định hình tuyệt vời của nó. Mặc dù có độ dẻo và khả năng uốn tốt, nhưng độ bền của nó vẫn tương đối thấp. Các ứng dụng phổ biến bao gồm các bộ phận ô tô, đường ống, kết cấu xây dựng và hộp đựng thực phẩm.
Thép Hợp kim Thấp Độ bền Cao (HSLA):Biến thể này kết hợp một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim (crôm, molypden, silicon, mangan, niken hoặc vanadi) vào thép carbon thấp để tăng cường độ bền, khả năng chống mài mòn và độ bền kéo trong khi vẫn kiểm soát chặt chẽ các tạp chất như phốt pho và lưu huỳnh. Các ví dụ đáng chú ý bao gồm dòng 41xx (thép 4140, 4145), thép 4340, thép 300M, thép EN25 và EN26.
Với hàm lượng carbon từ 0,3% đến 0,6%, thép carbon trung bình tạo ra sự cân bằng giữa độ dẻo và độ bền đồng thời mang lại khả năng chống mài mòn tốt. Nó thường xuất hiện trong các bộ phận máy lớn, rèn và các bộ phận ô tô.
Chứa 0,6% đến 1,0% carbon, thép carbon cao mang lại độ bền đặc biệt nhưng độ dẻo và khả năng hàn hạn chế. Các ứng dụng điển hình bao gồm lò xo, dụng cụ cắt và dây có độ bền cao.
Với hàm lượng carbon từ 1,25% đến 2,0%, thép carbon siêu cao có thể đạt được độ cứng cực cao thông qua quá trình tôi. Nó phục vụ các ứng dụng chuyên biệt như dụng cụ cắt cao cấp, trục và đục lỗ. Lưu ý rằng thép vượt quá 2,5% carbon thường yêu cầu các kỹ thuật sản xuất luyện kim bột.
Tiêu chuẩn EN 10020 của Châu Âu chia thép không hợp kim thành hai loại:
Những loại thép kết cấu phổ biến này có các đặc tính được đảm bảo với phạm vi dung sai tương đối rộng. Thép kết cấu tiêu chuẩn như S235, S275 và S355 được xác định trong EN 10025.
Đặc trưng bởi độ tinh khiết cao hơn và kiểm soát thành phần hóa học chính xác, những loại thép này được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu các đặc tính nhất quán, cụ thể — thường đạt được thông qua các phương pháp xử lý nhiệt như tôi và ram. Ví dụ bao gồm thép cho các bộ phận máy hoặc bánh răng.
Việc lựa chọn vật liệu có hiểu biết đòi hỏi phải hiểu biết kỹ lưỡng về các đặc tính của thép carbon:
Tính linh hoạt và lợi thế kinh tế của thép carbon đảm bảo việc sử dụng rộng rãi trong các ngành:
Xử lý nhiệt đóng vai trò là một phương pháp mạnh mẽ để sửa đổi các tính chất cơ học của thép carbon, cải thiện đáng kể độ bền, độ cứng, độ dẻo và khả năng chống va đập. Đáng chú ý, xử lý nhiệt ảnh hưởng tối thiểu đến độ dẫn điện và nhiệt. Giống như hầu hết các kỹ thuật tăng cường thép, xử lý nhiệt thường đánh đổi độ dẻo để lấy độ bền và ngược lại, trong khi vẫn giữ nguyên mô đun Young (độ đàn hồi).
Các quy trình xử lý nhiệt tiêu chuẩn bao gồm:
Các phương pháp xử lý nhiệt thép carbon phổ biến:
Gia nhiệt đến khoảng 700°C (1300°F) trong hơn 30 giờ để tạo ra các cacbua hình cầu, tăng cường độ dẻo và độ dẻo dai — đặc biệt có lợi cho thép carbon cao cần cải thiện khả năng định hình.
Gia nhiệt thép hypoeutectoid 30-50°C trên nhiệt độ tới hạn trên hoặc thép hypereutectoid trên nhiệt độ chuyển đổi, sau đó làm nguội chậm để tạo ra perlit thô — loại bỏ ứng suất bên trong đồng thời cải thiện độ dẻo và độ dẻo dai.
Gia nhiệt thép carbon đã gia công nguội đến 550-650°C (1000-1200°F) để giảm ứng suất bên trong — thích hợp cho thép dưới 0,3% carbon.
Gia nhiệt thép hypoeutectoid trên nhiệt độ tới hạn trên, làm nguội nhanh xuống dưới nhiệt độ tới hạn dưới, sau đó giữ trước khi làm nguội cuối cùng — loại bỏ gradient nhiệt độ.
Gia nhiệt đến pha austenite sau đó làm nguội bằng không khí — tinh chỉnh cấu trúc hạt trong khi cải thiện độ bền và tính đồng nhất.
Làm nguội nhanh (bằng nước, nước muối hoặc dầu) thép có chứa ít nhất 0,4% carbon từ nhiệt độ chuẩn hóa xuống dưới nhiệt độ tới hạn — tạo ra martensite để có độ cứng cực cao với chi phí là độ dẻo dai.
Tôi đến ngay trên nhiệt độ bắt đầu martensite, giữ để cân bằng nhiệt độ, sau đó làm nguội có kiểm soát — giảm ứng suất và nguy cơ nứt trong khi cải thiện độ dẻo dai va đập.
Gia nhiệt lại thép đã tôi dưới nhiệt độ chuyển đổi để giảm độ cứng trong khi tăng độ dẻo và độ dẻo dai — cho phép kiểm soát chính xác các đặc tính thông qua sự thay đổi nhiệt độ và thời gian.
Tôi đến phạm vi chuyển đổi bainite (205-540°C) sau đó làm nguội có kiểm soát — tạo ra thép bainit có độ bền cao, độ dẻo cao với khả năng chống va đập tuyệt vời, mặc dù chỉ áp dụng cho các loại thép hạn chế yêu cầu bồn tắm muối đặc biệt.
Làm cứng chỉ bề mặt để tạo ra các lớp vỏ chống mài mòn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai của lõi — đặc biệt phù hợp với khả năng tôi cứng hạn chế của thép carbon. Thép hợp kim cho phép tôi xuyên suốt do khả năng tôi cứng vượt trội.
Nhiệt độ rèn ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng và tính chất của thép carbon. Bảng sau đây trình bày các thông số rèn cho các loại thép khác nhau:
| Loại thép | Nhiệt độ rèn tối đa (°F) | Nhiệt độ rèn tối đa (°C) | Nhiệt độ cháy (°F) | Nhiệt độ cháy (°C) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5% Carbon | 1.920 | 1.049 | 2.080 | 1.140 |
| 1,1% Carbon | 1.980 | 1.082 | 2.140 | 1.171 |
| 0,9% Carbon | 2.050 | 1.121 | 2.230 | 1.221 |
| 0,5% Carbon | 2.280 | 1.249 | 2.460 | 1.349 |
| 0,2% Carbon | 2.410 | 1.321 | 2.680 | 1.471 |
| Thép 3,0% Niken | 2.280 | 1.249 | 2.500 | 1.371 |
| Thép 3,0% Niken-Crôm | 2.280 | 1.249 | 2.500 | 1.371 |
| Thép 5,0% Niken (Làm cứng bề mặt) | 2.320 | 1.271 | 2.640 | 1.449 |
| Thép Crôm-Vanadi | 2.280 | 1.249 | 2.460 | 1.349 |
| Thép tốc độ cao | 2.370 | 1.299 | 2.520 | 1.385 |
| Thép không gỉ | 2.340 | 1.282 | 2.520 | 1.385 |
| Thép Niken-Crôm Austenit | 2.370 | 1.299 | 2.590 | 1.420 |
| Thép lò xo Silicon-Mangan | 2.280 | 1.249 | 2.460 | 1.350 |
Những tiến bộ công nghệ tiếp tục mở rộng các ứng dụng của thép carbon. Các biến thể có độ bền cao góp phần đáng kể vào các chiến lược giảm nhẹ trọng lượng ô tô, giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Đồng thời, các sáng kiến tái chế tăng cường hồ sơ bền vững của thép carbon.
Thông qua sự hiểu biết toàn diện về các loại, tính chất, ứng dụng và kỹ thuật xử lý của thép carbon, các ngành công nghiệp có thể tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu để đáp ứng nhu cầu công nghệ đang phát triển.
Người liên hệ: Ms. Jessie Liu
Tel: +86 18537319978
Vietnamese
