Thép đông lạnh: Tính chất và ứng dụng chính

Thép đông lạnh là một loại thép chuyên dụng được thiết kế để duy trì các tính chất cơ học của nó ở nhiệt độ cực thấp, thường là dưới -196°C (-321°F). Loại thép này chủ yếu được phân loại là thép hợp kim, thường chứa một lượng lớn niken và crom, giúp tăng cường độ dẻo dai và độ dẻo trong môi trường đông lạnh. Các tính chất độc đáo của thép đông lạnh khiến nó trở nên thiết yếu đối với các ứng dụng trong các ngành công nghiệp như sản xuất khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG), hàng không vũ trụ và công nghệ đông lạnh.

Tổng quan toàn diện

Thép đông lạnh được thiết kế để chịu được những thách thức do môi trường nhiệt độ thấp gây ra. Các nguyên tố hợp kim chính trong các loại thép này bao gồm niken, giúp cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo dai, và crom, giúp tăng khả năng chống ăn mòn. Việc bổ sung molypden và vanadi cũng có thể có mặt để cải thiện độ bền và độ cứng.

Các đặc điểm quan trọng nhất của thép đông lạnh bao gồm:

• Độ bền cao : Duy trì khả năng chống va đập ở nhiệt độ thấp, ngăn ngừa gãy giòn.
• Độ dẻo : Cho phép biến dạng mà không bị hỏng, điều này rất quan trọng trong quá trình chế tạo và sử dụng.
• Khả năng chống ăn mòn : Cần thiết cho các ứng dụng tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, bao gồm cả chất lỏng đông lạnh.

Thuận lợi :
- Hiệu suất tuyệt vời trong các ứng dụng nhiệt độ thấp.
- Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, phù hợp cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và kết cấu.
- Khả năng hàn tốt, cho phép áp dụng nhiều phương pháp chế tạo khác nhau.

Hạn chế :
- Chi phí cao hơn so với thép tiêu chuẩn do có chứa các thành phần hợp kim.
- Khả năng gia công kém, đòi hỏi phải có công cụ và kỹ thuật chuyên dụng.

Trong lịch sử, thép lạnh đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ đòi hỏi phải lưu trữ và vận chuyển khí hóa lỏng, góp phần đáng kể vào sự tiến bộ trong lĩnh vực năng lượng và hàng không vũ trụ.

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	S30400	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn gần nhất tương đương với AISI 304, với sự khác biệt nhỏ về thành phần.
Tiêu chuẩn ASTM	Máy bay A350 LF2	Hoa Kỳ	Thích hợp cho dịch vụ nhiệt độ thấp; thường được sử dụng trong đường ống.
VI	1.4301	Châu Âu	Tương đương với AISI 304; có tính chất đông lạnh tốt.
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS304	Nhật Bản	Tương tự như AISI 304; được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đông lạnh.
Anh	0Cr18Ni9	Trung Quốc	Tương đương với AISI 304; được sử dụng trong nhiều ứng dụng nhiệt độ thấp.

Sự khác biệt giữa các loại này thường nằm ở thành phần cụ thể và tính chất cơ học của chúng, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng trong điều kiện đông lạnh. Ví dụ, trong khi S30400 và 1.4301 thường được coi là tương đương, thì sự thay đổi nhỏ về hàm lượng niken có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai ở nhiệt độ đông lạnh.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,03 - 0,08
Mn (Mangan)	1,00 - 2,00
Si (Silic)	0,50 - 1,00
Ni (Niken)	8.00 - 10.50
Cr (Crom)	18.00 - 20.00
Mo (Molipden)	0,10 - 0,50
V (Vanadi)	0,05 - 0,15

Niken rất quan trọng để tăng cường độ dẻo dai và độ dẻo ở nhiệt độ thấp, trong khi crom góp phần chống ăn mòn. Molypden và vanadi có thể cải thiện độ bền và độ cứng, giúp thép phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

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	520 - 700MPa	75 - 102 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	250 - 450MPa	36 - 65 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	40 - 50%	40 - 50%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	Nhiệt độ phòng	80 - 95 HRB	80 - 95 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Charpy V-notch	-196°C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ giãn dài tuyệt vời, làm cho thép đông lạnh phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn về mặt cấu trúc dưới tải trọng cơ học. Độ bền va đập của nó ở nhiệt độ đông lạnh đặc biệt đáng chú ý, đảm bảo an toàn và độ tin cậy trong điều kiện 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	7,93 g/cm³	0,286 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1400 - 1450°C	2552 - 2642°F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	16 W/m·K	92 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	500 J/kg·K	0,119 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,72 µΩ·m	0,0000013 Ω·trong

Mật độ của thép lạnh góp phần vào việc xem xét trọng lượng của nó trong các ứng dụng, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của nó rất quan trọng đối với việc quản lý nhiệt trong các hệ thống lạnh.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5%	20°C/68°F	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ.
Axit sunfuric	10%	25°C/77°F	Nghèo	Không khuyến khích tiếp xúc trong thời gian dài.
Axit Nitric	5%	25°C/77°F	Tốt	Nói chung là có sức đề kháng.
Nước biển	-	25°C/77°F	Tốt	Thích hợp cho các ứng dụng hàng hải.

Thép đông lạnh có khả năng chống chịu khác nhau với các tác nhân ăn mòn khác nhau. Nó đặc biệt dễ bị ăn mòn rỗ trong môi trường clorua, đây có thể là một cân nhắc quan trọng trong các ứng dụng hàng hải. So với thép không gỉ tiêu chuẩn, thép đông lạnh thường cung cấp độ bền cao hơn nhưng có thể có những hạn chế trong các môi trường axit cụ thể.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	-196°C	-321°F	Thích hợp cho các ứng dụng đông lạnh.
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	-150°C	-238°F	Có thể chịu được tiếp xúc trong thời gian ngắn.
Nhiệt độ đóng băng	600°C	1112°F	Bắt đầu mất đi tính chất ở nhiệt độ cao hơn mức này.
Cân nhắc về sức bền biến dạng	400°C	752°F	Khả năng chống biến dạng bắt đầu giảm.

Ở nhiệt độ cao, thép đông lạnh duy trì tính toàn vẹn của nó đến một giới hạn nhất định, vượt quá giới hạn đó, nó có thể bị đóng cặn và mất các đặc tính cơ học. Điều này làm cho việc xem xét nhiệt độ hoạt động trong thiết kế và ứng dụng trở nên cần thiết.

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	ER308L	Argon + 2-5% CO2	Thích hợp cho các phần mỏng.
TIG	ER308L	Khí Argon	Thích hợp cho hàn chính xác.
SÚNG BẮN TỪ	E308L	-	Thích hợp cho các ứng dụng thực tế.

Thép đông lạnh thường có thể hàn được bằng các quy trình tiêu chuẩn như MIG và TIG. Có thể cần xử lý nhiệt trước và sau khi hàn để giảm thiểu nguy cơ nứt. Kim loại hàn thích hợp rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép đông lạnh	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	Yêu cầu tốc độ chậm hơn và dụng cụ đặc biệt.
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	60 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất.

Khả năng gia công của thép lạnh thấp hơn so với các loại thép thông thường, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các dụng cụ cắt và tốc độ cắt để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

Thép đông lạnh có khả năng định hình vừa phải, có hiệu suất tốt trong cả quá trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức, có thể dẫn đến nứt trong quá trình biến dạng nghiêm trọng. Cần tuân thủ bán kính uốn cong được khuyến nghị, đảm bảo rằng vật liệu không vượt quá giới hạn của nó.

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	800 - 900°C / 1472 - 1652°F	1 - 2 giờ	Không khí hoặc nước	Giảm ứng suất, tăng độ dẻo.
Làm nguội	950 - 1050°C / 1742 - 1922°F	30 phút	Dầu hoặc nước	Tăng độ cứng và sức mạnh.
Làm nguội	400 - 600°C / 752 - 1112°F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai.

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của thép đông lạnh, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Ủ giúp giảm ứng suất, trong khi làm nguội và ram tối ưu hóa độ cứng và 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)
Hàng không vũ trụ	Bồn chứa nhiên liệu đông lạnh	Độ bền cao, hiệu suất nhiệt độ thấp	Cần thiết cho sự an toàn và độ tin cậy.
Sản xuất LNG	Bồn chứa và vận chuyển	Khả năng chống ăn mòn, tính toàn vẹn của cấu trúc	Cần thiết cho việc xử lý khí hóa lỏng.
đông lạnh	Nam châm siêu dẫn	Độ ổn định ở nhiệt độ thấp, độ dẻo	Cần thiết cho hoạt động hiệu quả.

Các ứng dụng khác bao gồm:

• Đường ống vận chuyển chất lỏng đông lạnh.
• Bình chịu áp suất trong ứng dụng khí công nghiệp.
• Các thành phần trong công nghệ thám hiểm không gian.

Thép siêu lạnh được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng duy trì các đặc tính cơ học và tính toàn vẹn của cấu trúc trong điều kiện khắc nghiệt, đảm bảo an toàn và hiệu suất.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép đông lạnh	AISI 304	AISI 316	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Vừa phải	Cao	Thép lạnh hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp.
Góc nhìn ăn mòn chính	Công bằng trong clorua	Tốt	Xuất sắc	AISI 316 phù hợp hơn với môi trường ăn mòn.
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	Thép đông lạnh đòi hỏi kỹ thuật hàn cẩn thận.
Khả năng gia công	Vừa phải	Cao	Vừa phải	Thử thách hơn so với các lớp tiêu chuẩn.
Khả năng định hình	Vừa phải	Cao	Vừa phải	Cần phải xử lý cẩn thận để tránh nứt.
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao hơn	Vừa phải	Cao hơn	Chi phí phản ánh các ứng dụng chuyên biệt.
Khả năng cung cấp điển hình	Giới hạn	Có sẵn rộng rãi	Có sẵn rộng rãi	Tính khả dụng có thể ảnh hưởng đến tiến độ của dự án.

Khi lựa chọn thép đông lạnh, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Mặc dù có thể đắt hơn thép tiêu chuẩn, nhưng hiệu suất của nó trong các ứng dụng quan trọng là minh chứng cho khoản đầu tư. Ngoài ra, các đặc tính từ tính của nó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng cụ thể trong ngành đông lạnh và hàng không vũ trụ.

Tóm lại, thép lạnh là vật liệu quan trọng đối với các ngành công nghiệp đòi hỏi hiệu suất đáng tin cậy ở nhiệt độ thấp. Các đặc tính độc đáo của nó, mặc dù có một số thách thức về chế tạo và chi phí, nhưng lại mang lại những lợi thế đáng kể về tính an toàn và chức năng cho các ứng dụng chuyên biệt.