Thép hợp kim đúc: Tính chất và ứng dụng chính

Thép hợp kim đúc là một loại thép được đặc trưng bởi các thành phần hợp kim và quy trình đúc được sử dụng trong quá trình sản xuất. Loại thép này thường bao gồm nhiều thành phần hợp kim như crom, niken, molypden và vanadi, giúp tăng đáng kể các tính chất cơ học và khả năng chống mài mòn và ăn mòn. Phân loại chính của thép hợp kim đúc thuộc về loại thép hợp kim rộng hơn, được biết đến với độ bền, độ dẻo dai và khả năng tôi luyện được cải thiện so với thép cacbon.

Tổng quan toàn diện

Thép hợp kim đúc chủ yếu được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, được sản xuất thông qua phương pháp đúc. Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim như crom (Cr), niken (Ni), molypden (Mo) và vanadi (V) góp phần tạo nên các đặc tính độc đáo của nó. Các nguyên tố này tăng cường độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống lại các dạng thoái hóa khác nhau của thép, giúp nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Các đặc điểm quan trọng của thép hợp kim đúc bao gồm:

• Độ bền và độ dẻo dai cao : Các thành phần hợp kim cung cấp độ bền kéo và khả năng chống va đập vượt trội.
• Khả năng chống mài mòn : Độ cứng và độ dẻo dai được cải thiện góp phần tăng khả năng chống mài mòn trong môi trường khắc nghiệt.
• Khả năng làm cứng : Sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim cho phép xử lý nhiệt hiệu quả, cải thiện độ cứng và độ bền của thép.

Thuận lợi :
- Tính chất cơ học tuyệt vời, phù hợp cho các ứng dụng chịu ứng suất cao.
- Khả năng hàn và gia công tốt, cho phép chế tạo theo nhiều phương án khác nhau.
- Khả năng chống biến dạng dưới nhiệt độ và tải trọng cao.

Hạn chế :
- Chi phí cao hơn so với thép cacbon tiêu chuẩn do có chứa các thành phần hợp kim.
- Có khả năng giòn nếu không được xử lý nhiệt đúng cách.
- Có thể yêu cầu các quy trình chế tạo phức tạp hơn.

Trong lịch sử, thép hợp kim đúc đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, nơi vật liệu hiệu suất cao là điều cần thiết.

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
Tiêu chuẩn ASTM	A517	Hoa Kỳ	Dùng cho bình chịu áp lực
VI	1.7225	Châu Âu	Tương đương với AISI 4130 với sự khác biệt nhỏ về thành phần
ĐẠI HỌC	34CrMo4	Đức	Tính chất tương tự nhưng có tỷ lệ hợp kim khác nhau
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SCM430	Nhật Bản	Tương đương với AISI 4130, được sử dụng trong các ứng dụng ô tô

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép hợp kim đúc. Đáng chú ý, trong khi các cấp như AISI 4130 và EN 1.7225 thường được coi là tương đương, thì sự khác biệt nhỏ trong thành phần có thể ảnh hưởng đến các đặc tính hiệu suất, đặc biệt là trong các ứng dụng chịu ứng suất cao.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cacbon (C)	0,28 - 0,33
Mangan (Mn)	0,60 - 0,90
Crom (Cr)	0,80 - 1,10
Molipđen (Mo)	0,15 - 0,25
Niken (Ni)	0,40 - 0,70
Silic (Si)	0,15 - 0,40

Các nguyên tố hợp kim chính trong thép hợp kim đúc đóng vai trò quan trọng:
- Crom : Tăng khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn.
- Molypden : Cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao và tăng cường độ dẻo dai.
- Niken : Tăng độ dẻo dai và khả năng chống va đập, đặc biệt ở nhiệt độ thấp.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	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	620 - 850MPa	90 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	450 - 600MPa	65 - 87 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	15-25%	15-25%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	28 - 35HRC	28 - 35HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Charpy V-notch, -20°C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép hợp kim đúc phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao, chẳng hạn như trong các thành phần kết cấu, máy móc và phụ tùng ô tô. Khả năng chịu tải cơ học đáng kể của nó đảm bảo tính toàn vẹn của kết cấu trong các môi trường khắc nghiệt.

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	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·trong

Các tính chất vật lý quan trọng như mật độ và độ dẫn nhiệt rất quan trọng đối với các ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao, trong đó trọng lượng và khả năng tản nhiệt là những yếu tố quan trọng.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5	25-60	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10	25	Nghèo	Không khuyến khích
Axit clohydric	5	25	Nghèo	Không khuyến khích
Khí quyển	-	-	Tốt	Sức đề kháng vừa phải

Thép hợp kim đúc có khả năng chống ăn mòn ở nhiều mức độ khác nhau tùy thuộc vào môi trường. Nó hoạt động tốt trong điều kiện khí quyển nhưng dễ bị rỗ trong môi trường clorua. So với thép không gỉ, thép hợp kim đúc thường có khả năng chống ăn mòn thấp hơn, khiến chúng ít phù hợp hơn cho các ứng dụng có tính ăn mòn cao.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	400	752	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500	932	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600	1112	Nguy cơ oxy hóa vượt quá điểm này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	400	752	Sự biến dạng có thể trở thành mối lo ngại ở nhiệt độ cao hơn mức này

Ở nhiệt độ cao, thép hợp kim đúc vẫn giữ được độ bền và độ dẻo dai, nhưng quá trình oxy hóa có thể trở thành mối lo ngại. Xử lý nhiệt thích hợp có thể nâng cao hiệu suất của nó 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	Tốt cho các phần mỏng
TIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Yêu cầu làm nóng trước
Dán	E7018	-	Thích hợp cho các phần dày hơn

Thép hợp kim đúc thường có thể hàn được, nhưng có thể cần phải gia nhiệt trước để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể cải thiện các đặc tính của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép hợp kim đúc	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	70	100	Khả năng gia công tốt với dụng cụ thích hợp
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	50 m/phút	80 m/phút	Điều chỉnh dựa trên dụng cụ và điều kiện

Khả năng gia công tốt, nhưng cần lưu ý lựa chọn tốc độ cắt và dụng cụ cắt phù hợp để tránh mài mòn quá mức.

Khả năng định hình

Thép hợp kim đúc có khả năng định hình vừa phải. Có thể định hình nguội, nhưng định hình nóng được ưa chuộng hơn đối với các hình dạng phức tạp. Có thể xảy ra hiện tượng làm cứng khi gia công, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận quá trình định hình.

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 hoặc nước	Cải thiện độ dẻo và giảm độ cứng
Làm nguội	800 - 900 / 1472 - 1652	30 phút	Dầu hoặc nước	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 như tôi và ram làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép hợp kim đúc, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Sự chuyển đổi từ austenit sang martensite trong quá trình tôi làm tăng độ cứng, trong khi ram cho phép điều chỉnh 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
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	Các bộ phận khung gầm	Khả năng chống mài mòn, chịu va đập	Độ bền dưới áp lực
Dầu khí	Mũi khoan	Khả năng chống ăn mòn, độ cứng	Hiệu suất trong môi trường khắc nghiệt
Máy móc hạng nặng	Hộp số	Độ bền kéo cao, khả năng gia công	Độ tin cậy trong hoạt động

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Các thành phần kết cấu trong cầu và tòa nhà
- Dụng cụ và khuôn mẫu hiệu suất cao
- Ứng dụng hàng hải đòi hỏi độ bền và khả năng chống ăn mòn cao

Việc lựa chọn thép hợp kim đúc cho các ứng dụng này được thúc đẩy bởi các đặc tính cơ học vượt trội của nó, đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất trong điều kiện khắc nghiệt.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép hợp kim đúc	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 hợp kim đúc có độ bền tốt hơn nhưng khả năng chống ăn mòn kém hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Hội chợ	Xuất sắc	Thép không gỉ được ưa chuộng trong môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Tốt	Vừa phải	Xuất sắc	Thép không gỉ dễ hàn hơn
Khả năng gia công	Tốt	Vừa phải	Vừa phải	Thép hợp kim đúc dễ gia công hơn
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	Tất cả các lớp đều có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép hợp kim đúc, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng gia công khiến nó trở thành lựa chọn linh hoạt cho nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Tuy nhiên, đối với môi trường có khả năng ăn mòn cao, các lựa chọn thay thế như thép không gỉ có thể phù hợp hơn.

Tóm lại, thép hợp kim đúc là vật liệu có giá trị trong kỹ thuật, cung cấp sự kết hợp độc đáo các đặc tính đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau. Hiểu được các đặc điểm, ưu điểm và hạn chế của nó là điều cần thiết để đưa ra quyết định lựa chọn vật liệu sáng suốt.