Thép hợp kim

Thép hợp kim thấp
Thép hợp kim thấp là thép có thành phần hợp kim chiếm ít hơn 8% thành phần của kim loại. Các nguyên tố hợp kim này được thêm vào để cải thiện tính chất cơ học của thép. Ví dụ: molypden tăng cường độ bền; niken làm tăng độ dẻo dai của kim loại, crom tăng thêm độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn và độ cứng.
Thép hợp kim thấp được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất và xây dựng. Các ứng dụng phổ biến của loại thép này bao gồm: xe quân sự, thiết bị xây dựng, tàu, đường ống, bình chịu áp lực, kết cấu thép và giàn khoan dầu.

Thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA)
Thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA), hoặc thép vi hợp kim, có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển. Có sáu loại thép HSLA chính: thép phong hóa, thép ferit hình kim, thép khử ngọc trai, thép hai pha, thép cán điều khiển và thép ferrite-pearlite vi hợp kim. Thông thường, đồng, crom, phốt pho và silicon được sử dụng để tăng khả năng chống ăn mòn, trong khi vanadi, niobi, titan và đồng được sử dụng để tăng độ bền. Sức mạnh to lớn của thép HSLA có thể khiến chúng khó hình thành.
HSLA được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Thép HSLA cán nóng có thể được sử dụng cho hệ thống treo, khung gầm, bánh xe và cơ cấu ghế. Trong khi đó, thép HSLA cán nguội có thể được sử dụng để gia cố và khung ghế.

Thép hợp kim cao
Thép hợp kim cao được phân biệt bởi hàm lượng hợp kim cao hơn 8% trong tổng thành phần của thép. Việc sản xuất thép hợp kim cao có thể tốn kém và có thể gặp khó khăn khi làm việc. Tuy nhiên, các loại này hoàn hảo cho các ứng dụng ô tô, các bộ phận kết cấu, xử lý hóa chất và thiết bị phát điện do độ cứng, khả năng chống ăn mòn và độ bền của chúng.

Thép không gỉ
Thép không gỉ là một trong những loại thép hợp kim nổi tiếng nhất và có khả năng chống ăn mòn cao nhất. Nó thường có sự kết hợp nào đó của niken, crom và molypden làm nguyên tố hợp kim chính, chiếm khoảng 11-30 % thành phần của thép. Có ba loại thép không gỉ: austenitic, ferritic và martensitic.
Thép Austenitic thường được sử dụng để chứa chất lỏng ăn mòn và máy móc cho các ngành công nghiệp khai thác mỏ, hóa chất, kiến ​​trúc hoặc dược phẩm. Một lượng lớn niken (lên tới 35%), molypden, crom (16-26%) và niobi được tìm thấy trong thép austenit, với hàm lượng cacbon lên tới 0.15%. Thép Austenitic thường có khả năng chống ăn mòn tốt nhất trong tất cả các loại thép không gỉ. Những loại thép này cũng có khả năng tạo hình và độ bền cao và thường được yêu cầu nhờ các đặc tính của chúng ở nhiệt độ khắc nghiệt.
Thép Ferritic, được sử dụng trong máy móc công nghiệp và ô tô, là loại thép không gỉ có ít hơn 0,10% cacbon và hơn 12% cacbon. Loại thép này được phát triển để chống ăn mòn và oxy hóa, cụ thể hơn là ăn mòn nứt do ứng suất. Những loại thép này về cơ bản không có khả năng cứng lại thông qua xử lý nhiệt và chúng chỉ có thể cứng lại một chút bằng cách cán nguội.
Thép Martensitic, chủ yếu được sử dụng làm dao kéo, có hàm lượng crom điển hình từ 11,6 đến 18% với 1,2% carbon và niken đôi khi được thêm vào. Là một nhóm, hàm lượng crom cao nhất của thép martensitic thấp hơn hàm lượng crom cao nhất của thép ferit và thép austenit. Thép Martensitic được công nhận về độ cứng đặc biệt và khả năng chống ăn mòn nhẹ. Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho dao kéo, cờ lê, dụng cụ phẫu thuật và tua-bin.

Thép vi hợp kim
Thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) thường được gọi là thép vi hợp kim.

Thép cường độ cao tiên tiến (AHSS)
Thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Hợp kim kim loại này là nhân tố chính trong việc giảm tổng trọng lượng của xe. Nó có các đặc tính độc đáo, chẳng hạn như: độ bền cao và khả năng định dạng được tối ưu hóa – khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng ô tô.

Maraging Steel
Thép maraging là một loại hợp kim thép đặc biệt có hàm lượng carbon thấp. Loại thép cường độ siêu cao này có độ dẻo dai vượt trội và độ dẻo tốt so với hầu hết các loại thép. Ngược lại với các hợp kim thép khác, thép maraging được làm cứng bằng sự kết tủa của các hợp chất liên kim loại chứ không phải do sự có mặt của cacbon. Thép Maraging kết hợp cường độ và độ cứng cao với độ dẻo tương đối cao nhờ thiếu carbon và sử dụng kết tủa liên kim loại. Các loại kết tủa chính là Ni3Mo, Ni3Ti, Ni3Al và Fe2Mo, cũng xuất hiện ở các phân đoạn thể tích lớn. Thép Maraging chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ cũng như sản xuất công cụ và vũ khí.

Thép công cụ
Thép công cụ là thuật ngữ dùng để mô tả nhiều loại thép cacbon và thép hợp kim rất phù hợp để sản xuất công cụ. Những loại thép này được phân biệt bởi độ cứng, khả năng chống mài mòn, độ dẻo dai và khả năng chống mềm ở nhiệt độ cao. Độ bền ứng dụng lý tưởng của thép công cụ và khả năng chống mềm ở nhiệt độ cao. Ứng dụng lý tưởng của thép công cụ là chế tạo công cụ, bao gồm (nhưng không giới hạn) khuôn máy và dụng cụ cầm tay.

Các phương pháp được sử dụng để sản xuất thép hợp kim bao gồm các phương pháp sử dụng các nguyên tố hợp kim như crom, niken, molypden, vanadi, v.v. Tùy thuộc vào loại và loại thép cần thiết, các quy trình khác nhau được sử dụng để tạo ra thép hợp kim. Một số quy trình phổ biến là:

Quy trình lò hồ quang điện (EAF)

Nguyên liệu chính cho quy trình này là thép phế liệu hoặc sắt hoàn nguyên trực tiếp (DRI), được nấu chảy trong lò điện. Bằng cách thổi oxy hoặc khử khí chân không, các nguyên tố hợp kim được đưa vào thép nóng chảy và được tinh chế. Thép sau đó được tạo thành các tấm, thỏi, phôi, phôi hoặc các hình dạng khác.

Quy trình sản xuất thép oxy cơ bản (BOS)

Nguyên liệu chính cho quy trình này là gang lỏng từ lò cao và thép phế liệu, các tạp chất sẽ bị oxy hóa bằng cách thổi oxy vào bộ chuyển đổi. Bằng cách khử khí chân không hoặc luyện kim bằng lò, các nguyên tố hợp kim được đưa vào thép nóng chảy trước khi nó được tinh chế. Thép sau đó được tạo thành các tấm, thỏi, phôi, phôi hoặc các hình dạng khác.

Quy trình lò điện cảm ứng (EIF)

Trong phương pháp này, thép thải là nguyên liệu chính và được nấu chảy bằng cảm ứng điện từ trong lò cảm ứng. Luyện kim lò được sử dụng để tinh luyện thép nóng chảy sau khi các nguyên tố hợp kim được đưa vào. Thép sau đó được tạo thành các tấm, thỏi, phôi, phôi hoặc các hình dạng khác.

quá trình nấu chảy

Với than làm nguồn nhiên liệu, quy trình này làm tan chảy các hợp kim sắt, phế liệu thép và sắt rèn trong nồi nấu kim loại kín khí. Thành phần của nguyên liệu thức ăn quy định lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim. Sau khi nấu chảy, thép được tạo thành các thỏi.

quá trình bessemer

Gang đóng vai trò là nguyên liệu chính cho quá trình này và không khí được thổi vào bộ chuyển đổi hình quả lê để oxy hóa các chất gây ô nhiễm. Người ta có thể điều chỉnh các thành phần hợp kim và hàm lượng cacbon bằng cách thêm ferromanganese hoặc spiegeleisen (một loại gang giàu mangan) vào thép nóng chảy. Sau khi nấu chảy, thép được tạo thành các thỏi.

Quá trình mở lò sưởi

Gang và thép thải là nguyên liệu chính được sử dụng trong quá trình này, làm tan chảy chúng trong lò sưởi nông sử dụng khí đốt hoặc dầu làm nhiên liệu. Đá vôi, quặng sắt và các vật liệu khác có thể được thêm vào thép nóng chảy để điều chỉnh hàm lượng hợp kim và cacbon. Sau khi nấu chảy, thép được tạo thành các thỏi.

Sau khi đúc, các thỏi, phôi, phôi hoặc tấm thép hợp kim được tiếp tục xử lý để tạo ra nhiều hình dạng và dạng sản phẩm thép hợp kim, bao gồm thanh, thanh, dây, tấm, tấm, đường ống và ống. Các phương pháp xử lý bổ sung bao gồm cán nóng, cán nguội, quy trình rèn, gia công, xử lý nhiệt và xử lý bề mặt.

Sắt nguyên chất quá mềm để sử dụng cho mục đích kết cấu, nhưng việc bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tố khác (ví dụ như carbon, mangan hoặc silicon) sẽ làm tăng đáng kể độ bền cơ học của nó.
Hợp kim thường bền hơn kim loại nguyên chất, mặc dù chúng thường có độ dẫn điện và nhiệt giảm. Sức mạnh là tiêu chí quan trọng nhất mà nhiều vật liệu kết cấu được đánh giá. Vì vậy, hợp kim được sử dụng để xây dựng kỹ thuật. Tác dụng hiệp đồng của các nguyên tố hợp kim và xử lý nhiệt tạo ra rất nhiều cấu trúc và tính chất vi mô.

Cacbon.Carbon là một nguyên tố phi kim loại, là nguyên tố hợp kim quan trọng trong tất cả các vật liệu làm từ kim loại màu. Carbon luôn có mặt trong các hợp kim kim loại, tức là trong tất cả các loại thép không gỉ và hợp kim chịu nhiệt. Carbon là chất austenit hóa rất mạnh và làm tăng độ bền của thép. Trên thực tế, nó là nguyên tố làm cứng chính và cần thiết cho sự hình thành của xi măng, Fe3C, ngọc trai, spheroidit và martensite sắt-cacbon. Thêm một lượng nhỏ carbon phi kim loại vào sắt sẽ làm thay đổi độ dẻo lớn của nó để có độ bền cao hơn. Nếu nó được kết hợp với crom như một thành phần riêng biệt (crom cacbua), nó có thể có tác động bất lợi đến khả năng chống ăn mòn bằng cách loại bỏ một số crom khỏi dung dịch rắn trong hợp kim và do đó, làm giảm lượng crom có ​​sẵn để đảm bảo chống ăn mòn.

Crôm.Crom làm tăng độ cứng, độ bền và khả năng chống ăn mòn. Tác dụng tăng cường hình thành các cacbua kim loại ổn định ở ranh giới hạt và khả năng chống ăn mòn tăng mạnh đã khiến crom trở thành vật liệu hợp kim quan trọng cho thép. Khả năng chống chịu của các hợp kim kim loại này trước tác động hóa học của các chất ăn mòn dựa trên sự thụ động. Để quá trình thụ động xảy ra và duy trì ổn định, hợp kim Fe-Cr phải có hàm lượng crom tối thiểu khoảng 11% tính theo trọng lượng, trên mức đó thì sự thụ động có thể xảy ra và dưới mức đó thì không thể xảy ra. Crom có ​​thể được sử dụng làm chất làm cứng và thường được sử dụng cùng với chất làm cứng như niken để tạo ra các đặc tính cơ học vượt trội. Ở nhiệt độ cao hơn, crom góp phần tăng cường độ bền. Thép công cụ tốc độ cao chứa từ 3 đến 5% crom. Nó thường được sử dụng cho các ứng dụng có tính chất này kết hợp với molypden.

Niken.Niken là một trong những nguyên tố hợp kim phổ biến nhất. Khoảng 65% sản lượng niken được sử dụng bằng thép không gỉ. Bởi vì niken không tạo thành bất kỳ hợp chất cacbua nào trong thép nên nó tồn tại ở dạng dung dịch trong ferit, do đó tăng cường và làm cứng pha ferit. Thép niken dễ dàng được xử lý nhiệt vì niken làm giảm tốc độ làm nguội tới hạn. Hợp kim gốc niken (ví dụ hợp kim Fe-Cr-Ni(Mo)) thể hiện độ dẻo và độ bền tuyệt vời, ngay cả ở mức độ bền cao và các đặc tính này được giữ ở nhiệt độ thấp. Niken cũng làm giảm sự giãn nở nhiệt để ổn định kích thước tốt hơn. Niken là nguyên tố cơ bản của siêu hợp kim, là một nhóm hợp kim niken, sắt-niken và coban được sử dụng trong động cơ phản lực. Những kim loại này có khả năng chống biến dạng rão nhiệt tuyệt vời và giữ được độ cứng, độ bền, độ bền và độ ổn định kích thước ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với các vật liệu kết cấu hàng không vũ trụ khác.

Molypden.Được tìm thấy với số lượng nhỏ trong thép không gỉ, molypden làm tăng độ cứng và độ bền, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Điểm nóng chảy cao của molypden khiến nó trở nên quan trọng trong việc tạo độ bền cho thép và các hợp kim kim loại khác ở nhiệt độ cao. Molypden độc đáo ở chỗ nó làm tăng độ bền kéo và độ dão ở nhiệt độ cao của thép. Nó làm chậm quá trình chuyển đổi austenite thành ngọc trai nhiều hơn so với quá trình chuyển đổi austenite thành bainite; do đó, bainite có thể được tạo ra bằng cách làm nguội liên tục thép có chứa molypden.

Vanadi.Vanadi thường được thêm vào thép để ức chế sự phát triển của hạt trong quá trình xử lý nhiệt. Trong việc kiểm soát sự phát triển của hạt, nó cải thiện cả sức mạnh và độ dẻo dai của thép cứng và thép tôi.

Vonfram.Vonfram tạo ra cacbua ổn định và tinh chế kích thước hạt để tăng độ cứng, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Vonfram được sử dụng rộng rãi trong thép công cụ tốc độ cao và đã được đề xuất thay thế cho molypden trong thép ferritic giảm hoạt tính cho các ứng dụng hạt nhân.