Thép 1090: Tính chất và ứng dụng chính

Thép 1090 được phân loại là thép cacbon trung bình, chủ yếu bao gồm sắt với hàm lượng cacbon khoảng 0,90%. Loại thép này thuộc hệ thống phân loại AISI/SAE và được biết đến với độ bền và độ cứng cao, phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Nguyên tố hợp kim chính trong thép 1090 là cacbon, có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của thép, đặc biệt là độ bền kéo và độ cứng.

Tổng quan toàn diện

Thép 1090 có đặc điểm là khả năng chống mài mòn tuyệt vời và khả năng được tôi luyện thông qua các quy trình xử lý nhiệt. Hàm lượng carbon cho phép cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo, khiến nó trở thành vật liệu đa năng cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao.

Thuận lợi:
- Độ bền và độ cứng cao: Hàm lượng carbon cao mang lại độ bền kéo và độ cứng vượt trội so với thép có hàm lượng carbon thấp.
- Khả năng chống mài mòn tốt: Thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao.
- Có thể xử lý nhiệt: Có thể được làm cứng thông qua quá trình tôi và ram, tăng cường các tính chất cơ học của nó.

Hạn chế:
- Giảm độ dẻo: Hàm lượng cacbon cao có thể dẫn đến độ giòn, đặc biệt là ở trạng thái cứng.
- Vấn đề về khả năng hàn: Thép 1090 có thể khó hàn do hàm lượng carbon trong thép, có thể dẫn đến nứt.
- Dễ bị ăn mòn: Dễ bị ăn mòn hơn các loại thép có hàm lượng cacbon thấp, đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ trong một số môi trường nhất định.

Theo truyền thống, thép 1090 đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các thành phần ô tô, công cụ và bộ phận máy móc, do các đặc tính cơ học thuận lợi của nó. Vị thế thị trường của nó đáng chú ý trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu hiệu suất cao, mặc dù nó ít phổ biến hơn các loại khác như thép 1045 hoặc 1080 .

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	G10900	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 1090
AISI/SAE	1090	Hoa Kỳ	Thép cacbon trung bình có hàm lượng cacbon cao
Tiêu chuẩn ASTM	A108	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép cacbon hoàn thiện nguội
VI	C90E	Châu Âu	Những khác biệt nhỏ về thành phần cần lưu ý
Tiêu chuẩn Nhật Bản	S45C	Nhật Bản	Tính chất tương tự nhưng có các nguyên tố hợp kim khác nhau

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép 1090. Đáng chú ý là mặc dù S45C tương tự, nhưng nó có thể chứa các nguyên tố hợp kim khác nhau có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,85 - 0,95
Mn (Mangan)	0,60 - 0,90
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Nguyên tố hợp kim chính trong thép 1090 là cacbon, giúp tăng độ cứng và độ bền. Mangan góp phần làm cứng và cải thiện độ dẻo dai, trong khi silic hỗ trợ khử oxy trong quá trình luyện thép. Phốt pho và lưu huỳnh được giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo và ngăn ngừa giòn.

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	Ủ	Nhiệt độ phòng	620 - 850MPa	90 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	350 - 600MPa	51 - 87 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	15-20%	15-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	50-60HRC	50-60HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20 °C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Tính chất cơ học của thép 1090 làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao. Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cho thấy khả năng chịu được tải trọng đáng kể, trong khi các giá trị độ cứng cho thấy khả năng chống mài mòn tuyệt vời.

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	45 W/m·K	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Hệ số giãn nở nhiệt	Nhiệt độ phòng	11,5 x 10⁻⁶/K	6,4 x 10⁻⁶/°F

Mật độ của thép 1090 cho thấy khối lượng đáng kể của nó, góp phần tạo nên độ bền của nó. Điểm nóng chảy tương đối cao, cho phép nó duy trì tính toàn vẹn về mặt cấu trúc ở nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Khí quyển	-	-	Hội chợ	Nguy cơ rỉ sét nếu không được bảo vệ
Clorua	3-5	20-60 °C (68-140 °F)	Nghèo	Dễ bị ăn mòn rỗ
Axit	10-20	Nhiệt độ phòng	Nghèo	Không khuyến khích sử dụng trong môi trường có tính axit
Kiềm	5-10	Nhiệt độ phòng	Hội chợ	Sức đề kháng ở mức trung bình, nhưng cần có biện pháp bảo vệ

Thép 1090 có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong điều kiện khí quyển. Tuy nhiên, thép này dễ bị rỗ trong môi trường clorua và không nên sử dụng trong các ứng dụng có tính axit. So với thép không gỉ, chẳng hạn như 304 hoặc 316, khả năng chống ăn mòn của thép 1090 thấp hơn đáng kể, đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ hoặc lớp hoàn thiện trong môi trường ăn mòn.

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 °C	572 °F	Ngoài ra, các thuộc tính bị suy thoái
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400 °C	752 °F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ thang đo	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ này

Ở nhiệt độ cao, thép 1090 vẫn giữ được độ bền nhưng có thể bắt đầu mất độ cứng và độ dẻo dai. Quá trình oxy hóa có thể xảy ra ở nhiệt độ cao, dẫn đến đóng cặn, có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của bề mặt.

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	ER70S-6	Argon + CO2	Nên làm nóng trước
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn

Hàn thép 1090 có thể là thách thức do hàm lượng carbon cao, có thể dẫn đến nứt. Nên gia nhiệt trước khi hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn để giảm thiểu những vấn đề này.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép 1090	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	1212 dễ gia công hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Điều chỉnh dựa trên công cụ

Thép 1090 có khả năng gia công ở mức trung bình. Nên sử dụng tốc độ cắt và dụng cụ tối ưu để đạt được kết quả tốt nhất vì thép này có thể làm cứng nhanh.

Khả năng định hình

Thép 1090 ít có khả năng định hình hơn thép cacbon thấp hơn do hàm lượng cacbon cao hơn. Có thể định hình nguội nhưng có thể cần nhiều lực hơn và có thể dẫn đến quá trình tôi cứng khi làm việc. Định hình nóng khả thi hơn, cho phép định hình tốt hơn mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của vật liệu.

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 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Dầu hoặc Nước	Làm cứng
Làm nguội	200 - 600 °C / 392 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dẻo dai

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của thép 1090. Làm nguội làm tăng độ cứng, trong khi ram là điều cần thiết để giảm độ giòn và tăng độ dẻo dai.

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
Ô tô	Trục truyền động	Độ bền cao, chống mài mòn	Độ bền dưới tải
Công cụ	Dụng cụ cắt	Độ cứng, giữ cạnh	Tuổi thọ hiệu suất
Máy móc	Bánh răng	Độ bền, khả năng chống mỏi	Độ tin cậy trong hoạt động

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Trục và trục trong máy móc
- Linh kiện lò xo
- Chốt có độ bền cao

Thép 1090 được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng chịu được ứng suất và độ mài mòn cao, lý tưởng cho các thành phần đòi hỏi độ bền và hiệu suất.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép 1090	Tiêu chuẩn AISI 1045	AISI 1080	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Sức mạnh vừa phải	Độ bền cao	1090 có độ cứng tốt hơn 1045
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Hội chợ	Nghèo	1090 có khả năng chống ăn mòn kém hơn 1080
Khả năng hàn	Thách thức	Vừa phải	Nghèo	1045 dễ hàn hơn 1090
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Nghèo	1045 dễ gia công hơn 1090
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp	Vừa phải	Chi phí thay đổi theo nhu cầu thị trường
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Vừa phải	1045 thường có sẵn hơn

Khi lựa chọn thép 1090, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng ăn mòn và thách thức trong chế tạo. Mặc dù thép này có độ bền và khả năng chống mài mòn cao, nhưng khả năng hàn và gia công có thể hạn chế việc sử dụng thép này trong một số ứng dụng nhất định. Hiểu được những sự đánh đổi này là rất quan trọng đối với các kỹ sư và nhà thiết kế khi chỉ định vật liệu cho các dự án.

Tóm lại, thép 1090 là loại thép cacbon trung bình chắc chắn với những ưu điểm và hạn chế riêng biệt. Ứng dụng của nó trải dài trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau, khiến nó trở thành vật liệu có giá trị cho các thành phần hiệu suất cao.