Thép Niken: Tổng quan về tính chất và ứng dụng chính

Thép niken là một loại thép hợp kim kết hợp niken làm nguyên tố hợp kim chính, thường kết hợp với sắt và cacbon. Loại thép này được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, giúp tăng cường các tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn. Niken, ở nồng độ thường từ 1% đến 5%, ảnh hưởng đáng kể đến độ dẻo dai, độ dẻo dai và độ bền của thép, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Tổng quan toàn diện

Thép niken được đặc trưng bởi các đặc tính cơ học tuyệt vời, bao gồm độ bền kéo và khả năng chống va đập cao, rất quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ tin cậy khi chịu ứng suất. Việc bổ sung niken giúp cải thiện khả năng chịu nhiệt độ khắc nghiệt của thép và tăng cường độ bền tổng thể, giúp thép ít bị gãy giòn hơn.

Ưu điểm của thép Niken:
- Độ bền tăng cường: Niken giúp cải thiện độ bền của thép, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống va đập.
- Khả năng chống ăn mòn: Niken góp phần vào khả năng chống ăn mòn của thép, đặc biệt là trong môi trường khí quyển và biển.
- Ứng dụng đa dạng: Các tính chất của nó làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và xây dựng.

Hạn chế của thép niken:
- Chi phí: Việc bổ sung niken làm tăng chi phí của thép so với thép cacbon.
- Các vấn đề về khả năng hàn: Mặc dù thép niken có thể hàn được, nhưng có thể cần vật liệu độn cụ thể và xử lý nhiệt trước/sau khi hàn để tránh nứt.

Trong lịch sử, thép niken đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu hiệu suất cao, đặc biệt là vào đầu thế kỷ 20, khi nó được sử dụng để sản xuất các thành phần có độ bền cao cho các ứng dụng quân sự và công nghiệp. Ngày nay, nó vẫn là vật liệu quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	G41300	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 4130
AISI/SAE	4130	Hoa Kỳ	Thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và ô tô
Tiêu chuẩn ASTM	A29/A29M	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn chung cho thép hợp kim
VI	1.7218	Châu Âu	Tương đương với AISI 4130 với sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SNCM430	Nhật Bản	Tính chất tương tự nhưng có các nguyên tố hợp kim khác nhau
Tiêu chuẩn ISO	30CrNiMo8	Quốc tế	Cấp độ tương đương với những thay đổi nhỏ trong thành phần

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép niken. Điều cần lưu ý là mặc dù các loại thép này có thể được coi là tương đương, nhưng sự khác biệt nhỏ về thành phần có thể ảnh hưởng đến các đặc tính hiệu suất, đặc biệt là trong các ứng dụng chịu ứng suất cao. Ví dụ, sự hiện diện của molypden trong một số loại thép có thể tăng cường khả năng tôi luyện, trong khi những loại thép khác có thể có hàm lượng cacbon khác nhau ảnh hưởng đến độ bền và độ dẻo.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,28 - 0,33
Mn (Mangan)	0,40 - 0,60
Ni (Niken)	1,80 - 2,50
Cr (Crom)	0,40 - 0,60
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,035
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,040

Niken đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ dẻo dai và độ dẻo của thép, trong khi mangan góp phần làm cứng và tăng độ bền. Crom tăng cường khả năng chống ăn mòn và độ bền, giúp thép niken phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau đòi hỏi độ bền và độ bền cao.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	620 - 850MPa	90 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	450 - 600MPa	65 - 87 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	15-25%	15-25%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	30-40HRC	30-40HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20°C (-4°F)	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Các tính chất cơ học của thép niken làm cho nó đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng động và môi trường ứng suất cao. Độ bền kéo và độ bền chảy cao, kết hợp với độ dẻo tốt, cho phép nó hoạt động tốt trong nhiều điều kiện tải khác nhau, khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên trong các ứng dụng kết cấu.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/m·K	29 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·trong

Mật độ và điểm nóng chảy của thép niken cho biết độ bền của nó, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của nó là yếu tố cần thiết cho các ứng dụng liên quan đến chu trình nhiệt. Điện trở suất cũng là một yếu tố cần xem xét trong các ứng dụng có liên quan đến độ dẫn điện.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	25-60	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10-20	25-40	Nghèo	Không khuyến khích
Khí quyển	-	-	Tốt	Nói chung là kháng cự
Nước biển	-	25-30	Tốt	Thích hợp sử dụng trên biển

Thép niken có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tốt và phù hợp với môi trường biển. Tuy nhiên, thép này dễ bị rỗ trong môi trường giàu clorua và nên thận trọng khi sử dụng trong điều kiện có tính axit. So với thép không gỉ, thép niken có thể không hoạt động tốt trong môi trường có tính ăn mòn cao, nhưng nó có sự cân bằng giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, có lợi trong nhiều ứng dụng.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	300	572	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400	752	Có thể chịu được tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	500	932	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ cao

Thép niken vẫn giữ được tính chất cơ học ở nhiệt độ cao, phù hợp với các ứng dụng liên quan đến tiếp xúc với nhiệt. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để tránh quá trình oxy hóa và đóng cặn, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Tốt cho các phần mỏng
TIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Cung cấp mối hàn sạch
Dán	E7018	-	Yêu cầu làm nóng trước

Thép niken có thể được hàn bằng nhiều quy trình khác nhau, nhưng điều cần thiết là phải chọn kim loại phụ thích hợp để tránh nứt. Có thể cần phải gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn để giảm ứng suất và cải thiện tính toàn vẹn của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép Niken	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Thép niken khó gia công hơn thép 1212
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	50 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Thép niken có khả năng gia công ở mức trung bình, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các công cụ cắt và tốc độ. Sự hiện diện của niken có thể dẫn đến mài mòn dụng cụ, do đó nên sử dụng thép tốc độ cao hoặc dụng cụ cacbua.

Khả năng định hình

Thép niken có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện cả quá trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, điều cần thiết là phải xem xét hiệu ứng làm cứng trong quá trình định hình nguội, có thể cần các bước xử lý bổ sung để đạt được hình dạng mong muốn.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 giờ	Không khí	Cải thiện độ dẻo và giảm độ cứng
Làm nguội	800 - 900 / 1472 - 1652	30 phút	Dầu	Tăng độ cứng và sức mạnh
Làm nguội	400 - 600 / 752 - 1112	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn và tăng độ dẻo dai

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của thép niken. Làm nguội làm tăng độ cứng, trong khi tôi luyện giúp giảm ứng suất và tăng độ dẻo dai, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn
Hàng không vũ trụ	Linh kiện máy bay	Độ bền cao, độ dẻo dai	Quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất
Ô tô	Trục bánh răng	Độ bền, khả năng chống va đập	Thiết yếu cho độ tin cậy cơ học
Sự thi công	Dầm kết cấu	Độ bền, khả năng hàn	Hỗ trợ tải trọng nặng trong các kết cấu
Dầu khí	Mũi khoan	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	Hoạt động trong môi trường khắc nghiệt

Thép niken được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao, đặc biệt là trong các môi trường mà độ tin cậy cơ học là tối quan trọng. Tính linh hoạt của nó làm cho nó phù hợp với nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô và xây dựng.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép Niken	Tiêu chuẩn AISI 4140	Thép không gỉ	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Vừa phải	Khả năng chống ăn mòn cao	Thép niken có độ bền cao nhưng khả năng chống ăn mòn kém hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Tốt	Xuất sắc	Thép niken ít phù hợp với môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Xuất sắc	Cần xử lý cẩn thận để tránh nứt
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	Thép niken khó gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Vừa phải	Tốt	Thích hợp cho nhiều quá trình tạo hình khác nhau
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Cao	Hiệu quả về mặt chi phí cho các ứng dụng có cường độ cao
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Chung	Có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau

Khi lựa chọn thép niken, các cân nhắc như chi phí, tính khả dụng và yêu cầu ứng dụng cụ thể là rất quan trọng. Mặc dù thép niken có các đặc tính cơ học tuyệt vời, nhưng khả năng bị ăn mòn trong một số môi trường nhất định có thể đòi hỏi phải đánh giá cẩn thận so với các vật liệu thay thế. Thép niken vẫn là lựa chọn có giá trị cho các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn vừa phải.