Thép chịu lực: Tính chất và ứng dụng chính

Thép chịu lực là một loại thép chuyên dụng được thiết kế chủ yếu để sản xuất ổ trục lăn. Các loại thép này có đặc điểm là độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và khả năng duy trì độ ổn định kích thước khi chịu tải. Thường được phân loại là thép hợp kim cacbon cao, thép chịu lực thường chứa các nguyên tố hợp kim như crom, mangan và molypden, giúp tăng cường các đặc tính cơ học và hiệu suất của chúng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Tổng quan toàn diện

Thép chịu lực được thiết kế để chịu được mức độ ứng suất và ma sát cao, khiến chúng trở nên thiết yếu trong nhiều ứng dụng cơ khí, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và máy móc công nghiệp. Các thành phần hợp kim chính trong thép chịu lực bao gồm:

• Cacbon (C) : Tăng độ cứng và độ bền thông qua xử lý nhiệt.
• Crom (Cr) : Tăng cường khả năng làm cứng và chống ăn mòn, góp phần tăng độ bền tổng thể của thép.
• Mangan (Mn) : Cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn.
• Molypden (Mo) : Tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao và tăng khả năng làm cứng.

Các đặc tính quan trọng nhất của thép chịu lực bao gồm:

• Độ cứng cao : Đạt được thông qua xử lý nhiệt, cho khả năng chống mài mòn tuyệt vời.
• Độ ổn định về kích thước : Duy trì hình dạng và kích thước khi chịu tải, rất quan trọng đối với các ứng dụng chính xác.
• Khả năng chống mỏi : Có khả năng chịu tải tuần hoàn mà không bị hỏng.

Thuận lợi :
- Khả năng chống mài mòn và độ bền tuyệt vời.
- Khả năng chịu tải cao.
- Khả năng gia công và phản ứng xử lý nhiệt tốt.

Hạn chế :
- Dễ bị ăn mòn nếu không được xử lý hoặc phủ lớp phủ đúng cách.
- Chi phí cao hơn so với thép cacbon tiêu chuẩn.
- Cần xử lý nhiệt chính xác để đạt được tính chất mong muốn.

Trong lịch sử, thép chịu lực đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển máy móc và phương tiện, phát triển từ thép cacbon đơn giản thành hợp kim tiên tiến đáp ứng nhu cầu kỹ thuật hiện đại.

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	GCr15	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 52100
AISI/SAE	52100	Hoa Kỳ	Thép chịu lực thường dùng
Tiêu chuẩn ASTM	A295	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép chịu lực crom cacbon cao
VI	100Cr6	Châu Âu	Tương đương với AISI 52100 với sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUJ2	Nhật Bản	Tính chất tương tự, thường được sử dụng trong các ứng dụng của Nhật Bản
Anh	GCr15	Trung Quốc	Tương đương với AISI 52100

Sự khác biệt tinh tế giữa các cấp độ này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi GCr15 và AISI 52100 gần như giống hệt nhau, GCr15 có thể có mức độ tạp chất hơi khác nhau, có thể ảnh hưởng đến khả năng chống mỏi.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,95 - 1,05
Cr (Crom)	1,30 - 1,65
Mn (Mangan)	0,30 - 0,50
Mo (Molipden)	0,10 - 0,30
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,025
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,025

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép chịu lực như sau:

• Carbon : Cần thiết để đạt được độ cứng và độ bền cao thông qua xử lý nhiệt.
• Crom : Tăng khả năng làm cứng và chống mài mòn, ăn mòn.
• Mangan : Cải thiện độ dẻo dai và hỗ trợ quá trình khử oxy trong quá trình luyện thép.
• Molypden : Tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao và góp phần tạo nên độ dẻo dai tổng thể của thép.

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	1000 - 1200MPa	145 - 174 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	850 - 1000MPa	123 - 145 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	10-15%	10-15%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	58 - 65HRC	58 - 65HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20°C (-4°F)	20 - 30 giờ	15 - 22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép chịu lực đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng tuần hoàn cao và khả năng chống mài mòn, chẳng hạn như trong ổ trục lăn, trong đó cả giới hạn kéo và giới hạn chảy đều quan trọng đối với hiệu suất.

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	-	1420 - 1540 °C	2590 - 2810 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	45 W/m·K	31 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0006 Ω·m	0,00002 Ω·trong

Các tính chất vật lý chính như mật độ và độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng mà trọng lượng và tản nhiệt là yếu tố quan trọng. Điểm nóng chảy cao cho thấy độ ổn định nhiệt tốt, giúp thép chịu lực phù hợp với môi trường nhiệt độ cao.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5	25°C (77°F)	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10-20	25°C (77°F)	Nghèo	Không khuyến khích
Nước biển	-	25°C (77°F)	Hội chợ	Yêu cầu lớp phủ bảo vệ
Khí quyển	-	-	Tốt	Dễ bị rỉ sét

Thép chịu lực thường có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình. Chúng dễ bị rỗ trong môi trường clorua và cần được bảo vệ bằng lớp phủ hoặc xử lý bề mặt trong các ứng dụng ăn mòn. So với thép không gỉ, thép chịu lực có khả năng chống ăn mòn thấp hơn, khiến chúng ít phù hợp với môi trường có độ ẩm cao hoặc tác nhân 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	150°C	302°F	Ngoài ra, các thuộc tính bị suy thoái
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	200°C	392°F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	300°C	572°F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá mức này

Thép chịu lực duy trì các đặc tính cơ học của chúng ở nhiệt độ vừa phải nhưng có thể bắt đầu mất độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao. Quá trình oxy hóa có thể xảy ra ở nhiệt độ cao, đòi hỏi các biện pháp bảo vệ trong các ứng dụng 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	ER70S-6	Argon + CO2	Nên làm nóng trước
TIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E7018	-	Không lý tưởng cho các phần dày

Thép chịu lực thường không được khuyến khích sử dụng để hàn vì hàm lượng cacbon cao, có thể dẫn đến nứt. Việc gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn là điều cần thiết để giảm thiểu những rủi ro này.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép chịu lực (AISI 52100)	Thép chuẩn (AISI 1212)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	Yêu cầu dụng cụ tốc độ cao
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Khả năng gia công ở mức trung bình; các công cụ thép tốc độ cao hoặc cacbua được khuyến nghị để gia công hiệu quả. Làm mát và bôi trơn thích hợp là rất quan trọng để ngăn ngừa quá nhiệt và mài mòn dụng cụ.

Khả năng định hình

Thép chịu lực thường không được định hình do độ cứng và độ bền cao của chúng. Định hình nguội bị hạn chế và định hình nóng thường được tránh do nguy cơ thay đổi cấu trúc vi mô 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
Làm cứng	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	1 - 2 giờ	Dầu hoặc không khí	Đạt được độ cứng cao
Làm nguội	150 - 200 °C / 302 - 392 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Xử lý nhiệt là rất quan trọng để đạt được độ cứng và cấu trúc vi mô mong muốn trong thép chịu lực. Quá trình tôi luyện làm tăng đáng kể độ cứng, trong khi tôi luyện làm giảm độ giòn, tăng cường độ dẻo dai để có hiệu suất tốt hơn khi chịu tải.

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 (Tóm tắt)
Ô tô	Vòng bi bánh xe	Độ cứng cao, chống mỏi	Cần thiết cho độ bền
Hàng không vũ trụ	Linh kiện động cơ	Độ bền cao, ổn định kích thước	Quan trọng cho sự an toàn
Công nghiệp	Hộp số	Khả năng chịu mài mòn, khả năng chịu tải	Đảm bảo tuổi thọ lâu dài
Kỹ thuật Robot	Vòng bi truyền động	Độ chính xác cao, ma sát thấp	Cần thiết cho hiệu suất

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Đường sắt : Vòng bi trục tàu hỏa.
- Hàng hải : Vòng bi trục chân vịt.
- Cấu tạo : Vòng bi máy móc hạng nặng.

Thép chịu lực được lựa chọn vì khả năng chịu tải trọng cao và tuổi thọ dài, khiến nó trở nên không thể thiếu trong các ứng dụng quan trọng.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép chịu lực (AISI 52100)	Cấp độ thay thế 1 (AISI 440C)	Lớp thay thế 2 (AISI 316)	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Khả năng chống ăn mòn tốt	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời	Sự cân bằng giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Xuất sắc	Xuất sắc	Thép chịu lực có khả năng chống ăn mòn kém hơn
Khả năng hàn	Nghèo	Hội chợ	Tốt	Thép chịu lực cần được cân nhắc đặc biệt khi hàn
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	Thép chịu lực khó gia công hơn
Khả năng định hình	Nghèo	Hội chợ	Tốt	Các lớp thay thế có thể cung cấp khả năng tạo hình tốt hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Cao hơn	Chi phí thay đổi đáng kể dựa trên các nguyên tố hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Rất phổ biến	Tính khả dụng có thể ảnh hưởng đến thời gian của dự án

Khi lựa chọn thép chịu lực, hãy cân nhắc các yếu tố như tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn và hiệu quả về mặt chi phí. Trong khi thép chịu lực có độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội, các loại thép thay thế có thể phù hợp hơn cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống ăn mòn cao hoặc khả năng hàn tốt hơn.

Tóm lại, thép chịu lực là vật liệu quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật, nơi hiệu suất cao và độ tin cậy là tối quan trọng. Hiểu được các đặc tính, ưu điểm và hạn chế của nó là điều cần thiết để đưa ra quyết định lựa chọn vật liệu sáng suốt trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.