Thép cacbon đúc: Tính chất và ứng dụng chính

Thép cacbon đúc là một loại thép được đặc trưng bởi hàm lượng cacbon cao và phương pháp sản xuất, bao gồm đúc kim loại nóng chảy vào khuôn. Loại thép này chủ yếu được phân loại là thép cacbon thấp hoặc cacbon trung bình, tùy thuộc vào hàm lượng cacbon của nó, thường dao động từ 0,05% đến 0,30%. Nguyên tố hợp kim chính trong thép cacbon đúc là cacbon (C), ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng, độ bền và độ dẻo của nó. Các nguyên tố khác có thể bao gồm mangan (Mn), silic (Si) và một lượng nhỏ lưu huỳnh (S) và phốt pho (P), có thể ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học và hiệu suất của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép cacbon đúc được biết đến với khả năng gia công và hàn tuyệt vời, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Các đặc điểm đáng kể của nó bao gồm độ bền kéo tốt, khả năng chống mài mòn và khả năng được xử lý nhiệt để tăng cường các đặc tính của nó. Các đặc tính vốn có của thép cacbon đúc cho phép nó được sử dụng trong các ứng dụng mà độ bền và độ bền là tối quan trọng.

Ưu điểm của thép cacbon đúc:
- Độ bền cao: Có độ bền kéo và độ bền chảy tốt, phù hợp cho các ứng dụng kết cấu.
- Tiết kiệm chi phí: Nhìn chung rẻ hơn thép hợp kim và thép không gỉ.
- Đa năng: Có thể dễ dàng đúc thành các hình dạng phức tạp, giảm nhu cầu gia công nhiều.

Hạn chế của thép cacbon đúc:
- Dễ bị ăn mòn: Dễ bị gỉ sét và ăn mòn nếu không được xử lý hoặc phủ lớp phủ đúng cách.
- Độ dẻo dai thấp hơn: So với thép hợp kim, nó có thể có độ dẻo dai thấp hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.
- Hiệu suất nhiệt độ cao hạn chế: Không lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ cao.

Trong lịch sử, thép cacbon đúc đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của máy móc và cơ sở hạ tầng công nghiệp, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ phận như bánh răng, trục và khung.

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	C10, C20, C30	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với thép cacbon thấp và trung bình
AISI/SAE	1020, 1045	Hoa Kỳ	Sự khác biệt nhỏ về thành phần; 1020 là carbon thấp, 1045 là carbon trung bình
Tiêu chuẩn ASTM	A216	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn đúc thép cacbon
VI	1.0402, 1.0503	Châu Âu	Cấp độ tương đương cho thép đúc cacbon thấp và trung bình
ĐẠI HỌC	G20Mn5, G40Mn2	Đức	Tên gọi cho thép cacbon đúc có hàm lượng mangan cụ thể
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SCW40	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật Bản cho đúc thép cacbon

Sự khác biệt giữa các cấp tương đương có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất. Ví dụ, trong khi AISI 1020 và 1045 thường được coi là tương tự nhau, hàm lượng carbon cao hơn trong 1045 mang lại độ cứng và độ bền được cải thiện, khiến nó phù hợp hơn cho các ứng dụng đòi hỏi các đặc tính cơ học được nâng cao.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,05 - 0,30
Mn (Mangan)	0,30 - 0,90
Si (Silic)	0,10 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Vai trò chính của cacbon trong thép cacbon đúc là tăng cường độ cứng và độ bền thông qua quá trình gia cường dung dịch rắn và hình thành cacbua. Mangan cải thiện khả năng làm cứng và độ bền kéo, trong khi silic hoạt động như chất khử oxy và có thể tăng cường khả năng chống oxy hóa của thép.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	370 - 480MPa	54 - 70 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	210 - 310MPa	30 - 45 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	20-30%	20-30%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Brinell)	Ủ	120 - 180 HB	120 - 180 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động	Charpy V-notch, -20°C	20 - 40J	15 - 30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các đặc tính cơ học này làm cho thép cacbon đúc phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo tốt, chẳng hạn như các thành phần cấu trúc và bộ phận máy móc. Khả năng xử lý nhiệt của nó càng nâng cao hiệu suất trong các môi trường khắc nghiệt.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	490 lb/ft³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/m·K	29 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,00001 Ω·m	0,00001 Ω·trong

Mật độ của thép cacbon đúc góp phần tạo nên độ bền của nó, trong khi độ dẫn nhiệt của nó rất cần thiết cho các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt. Nhiệt dung riêng cho biết cần bao nhiêu năng lượng để tăng nhiệt độ, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Khí quyển	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét nếu không được bảo vệ
Clorua	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Không khuyến khích	Rất dễ bị tổn thương
Kiềm	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải

Thép cacbon đúc có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển khá tốt nhưng dễ bị gỉ nếu không được phủ hoặc bảo dưỡng đúng cách. Trong môi trường clorua, thép dễ bị rỗ, trong khi tiếp xúc với axit có thể dẫn đến sự xuống cấp nhanh chóng. So với thép không gỉ, khả năng chống ăn mòn của thép cacbon đúc thấp hơn đáng kể, khiến thép ít phù hợp hơn cho các ứng dụng hàng hải hoặc hóa chất.

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 °C	752 °F	Ngoài ra, các thuộc tính có thể bị suy thoái
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500 °C	932 °F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	300 °C	572 °F	Bắt đầu mất sức

Ở nhiệt độ cao, thép cacbon đúc có thể bị oxy hóa và mất các đặc tính cơ học. Nhiệt độ sử dụng liên tục tối đa cho biết giới hạn trên của việc tiếp xúc kéo dài, trong khi nhiệt độ đóng cặn làm nổi bật nguy cơ xuống cấp 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	Tốt cho các phần mỏng
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Mối hàn chất lượng cao
Dán	E7018	Không có	Thích hợp cho các phần dày hơn

Thép cacbon đúc thường được coi là có khả năng hàn tốt, đặc biệt là với kim loại phụ phù hợp. Có thể cần phải nung nóng trước đối với các phần dày hơn để tránh nứt và xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường tính toàn vẹn của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép cacbon đúc	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	70	100	Khả năng gia công tốt, nhưng thay đổi tùy theo hàm lượng carbon
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Điều chỉnh dựa trên công cụ và thiết lập

Thép cacbon đúc có khả năng gia công tốt, đặc biệt là ở các cấp cacbon thấp hơn. Tốc độ cắt và dụng cụ tối ưu có thể nâng cao hiệu suất, trong khi hàm lượng cacbon cao hơn có thể yêu cầu dụng cụ chắc chắn hơn do độ cứng tăng lên.

Khả năng định hình

Thép cacbon đúc có thể được tạo hình thông qua cả quá trình nguội và nóng. Tạo hình nguội phù hợp với các phần mỏng hơn, trong khi tạo hình nóng được ưa chuộng hơn đối với các vật liệu dày hơn. Vật liệu thể hiện sự cứng khi làm việc, có thể ảnh hưởng đến bán kính uốn và giới hạn tạo 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 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 giờ	Không khí hoặc nước	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Dầu hoặc nước	Làm cứng, tăng cường độ
Làm nguội	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dẻo dai

Các quy trình xử lý nhiệt làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép cacbon đúc, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Ủ làm mềm vật liệu, trong khi làm nguội làm tăng độ cứng. Tôi luyện là điều cần thiết để giảm ứng suất và cải thiện 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 (Tóm tắt)
Ô tô	Khối động cơ	Độ bền cao, khả năng gia công tốt	Độ bền và hiệu suất
Sự thi công	Dầm kết cấu	Độ bền kéo cao, khả năng hàn	Ứng dụng chịu tải
Máy móc	Hộp số	Khả năng chống mài mòn, độ bền	Độ tin cậy dưới áp lực
Dầu khí	Thành phần đường ống	Khả năng chống ăn mòn, độ bền	An toàn và toàn vẹn

Các ứng dụng khác bao gồm:
* - Linh kiện máy móc hạng nặng
* - Thiết bị nông nghiệp
* - Dụng cụ và đồ đạc

Thép cacbon đúc được lựa chọn cho các ứng dụng này vì có độ bền, khả năng gia công và hiệu quả về mặt chi phí, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng trong công nghiệp.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép cacbon đúc	Tiêu chuẩn AISI 4140	Thép không gỉ 304	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền kéo tốt	Sức mạnh cao hơn	Sức mạnh thấp hơn	4140 có sức mạnh tốt hơn nhưng giá thành cao hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng công bằng	Sức đề kháng tốt	Sức đề kháng tuyệt vời	Thép không gỉ vượt trội trong môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Tốt	Hội chợ	Xuất sắc	Thép không gỉ đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt
Khả năng gia công	Tốt	Hội chợ	Nghèo	Thép cacbon đúc dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Hội chợ	Nghèo	Thép không gỉ ít có khả năng định hình hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Thấp	Trung bình	Cao	Chi phí là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Trung bình	Cao	Thép cacbon đúc có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép cacbon đúc, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Mặc dù thép này có đặc tính cơ học và khả năng gia công tốt, nhưng khả năng dễ bị ăn mòn của nó có thể đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý trong một số môi trường nhất định. Hiểu được sự đánh đổi giữa thép cacbon đúc và các vật liệu thay thế là rất quan trọng để lựa chọn vật liệu tối ưu trong các ứng dụng kỹ thuật.