Thép chịu nhiệt: Tính chất và ứng dụng chính
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Thép chịu nhiệt là một loại thép chuyên dụng được thiết kế để duy trì các đặc tính cơ học của nó ở nhiệt độ cao. Các loại thép này chủ yếu được phân loại là thép hợp kim, thường chứa một lượng đáng kể crom, niken và molypden, giúp tăng khả năng chống oxy hóa và biến dạng do biến dạng. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép chịu nhiệt bao gồm:
- Crom (Cr) : Cải thiện khả năng chống oxy hóa và tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao.
- Niken (Ni) : Tăng độ dẻo dai và độ dai ở nhiệt độ cao.
- Molypden (Mo) : Tăng cường độ bền và khả năng chống mềm ở nhiệt độ cao.
Đặc điểm và tính chất
Thép chịu nhiệt được đặc trưng bởi khả năng chịu được nhiệt độ cao trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc. Các đặc tính chính bao gồm:
- Độ bền ở nhiệt độ cao : Giữ được độ bền và độ cứng ở nhiệt độ cao.
- Khả năng chống oxy hóa : Hình thành lớp oxit bảo vệ ngăn chặn sự phân hủy thêm.
- Khả năng chống biến dạng : Khả năng chống biến dạng khi tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao và ứng suất.
Ưu điểm và hạn chế
| Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|
| Độ bền nhiệt độ cao tuyệt vời | Chi phí cao hơn so với thép tiêu chuẩn |
| Khả năng chống oxy hóa tốt | Có sẵn hạn chế ở một số lớp |
| Thích hợp cho môi trường khắc nghiệt | Có thể yêu cầu kỹ thuật hàn đặc biệt |
Thép chịu nhiệt thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như phát điện, hàng không vũ trụ và chế biến hóa dầu. Ý nghĩa lịch sử của chúng nằm ở sự phát triển của chúng cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt.
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 | S31000 | Hoa Kỳ | Thép không gỉ Austenitic, khả năng chống oxy hóa tốt |
| AISI | 310 | Hoa Kỳ | Tương tự như UNS S31000, thường được sử dụng thay thế cho nhau |
| Tiêu chuẩn ASTM | A213 | Hoa Kỳ | Tiêu chuẩn kỹ thuật cho ống thép hợp kim ferritic và austenitic liền mạch |
| VI | 1.4845 | Châu Âu | Tương đương với AISI 310, sự khác biệt nhỏ về thành phần |
| Tiêu chuẩn Nhật Bản | SUS310S | Nhật Bản | Tương tự như AISI 310, hàm lượng carbon thấp hơn để cải thiện khả năng hàn |
Sự khác biệt giữa các loại này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, đặc biệt là về khả năng hàn và khả năng chống oxy hóa. Ví dụ, trong khi UNS S31000 và AISI 310 thường được sử dụng thay thế cho nhau, thì quá trình xử lý nhiệt và chế biến riêng có thể dẫn đến sự thay đổi về tính chất cơ học.
Thuộc tính chính
Thành phần hóa học
| Nguyên tố (Ký hiệu và Tên) | Phạm vi phần trăm (%) |
|---|---|
| Cacbon (C) | 0,08 - 0,15 |
| Crom (Cr) | 19.0 - 22.0 |
| Niken (Ni) | 9.0 - 12.0 |
| Molipđen (Mo) | 0,0 - 0,5 |
| Silic (Si) | 0,0 - 1,0 |
| Mangan (Mn) | 0,0 - 2,0 |
| Phốt pho (P) | ≤ 0,045 |
| Lưu huỳnh (S) | ≤ 0,030 |
Crom rất quan trọng đối với khả năng chống oxy hóa, trong khi niken tăng cường độ dẻo dai. Molypden góp phần tạo nên độ bền ở nhiệt độ cao, khiến những nguyên tố này trở nên quan trọng đối với hiệu suất của thép chịu nhiệt.
Tính chất cơ học
Tính chất nhiệt độ phòng
| 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 | Ủ | 515 - 690MPa | 75 - 100 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%) | Ủ | 205 - 310MPa | 30 - 45 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ giãn dài | Ủ | 40 - 50% | 40 - 50% | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ cứng (Rockwell B) | Ủ | 70 - 90 HRB | 70 - 90 HRB | Tiêu chuẩn ASTM E18 |
Tính chất nhiệt độ cao
| 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 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sức chịu kéo dãn | 1000°C | 1000°C | 100 - 150MPa | 14,5 - 21,8 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E139 |
| Độ cứng | Làm nguội & tôi luyện | 600°C | 150 - 200 HB | 150 - 200 HB | Tiêu chuẩn ASTM E10 |
Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ giãn dài cao làm cho thép chịu nhiệt phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi cả độ bền và độ dẻo khi chịu tải cơ học, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao.
Tính chất vật lý
| Tài sản | Điều kiện/Nhiệt độ | Giá trị (Đơn vị đo lường) | Giá trị (Anh) |
|---|---|---|---|
| Tỉ trọng | Nhiệt độ phòng | 7,9g/cm³ | 0,284 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 | 0,12 BTU/lb·°F |
| Điện trở suất | Nhiệt độ phòng | 0,72 µΩ·m | 0,0000013 Ω·trong |
Mật độ và điểm nóng chảy rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến tải nhiệt cao, trong khi độ dẫn nhiệt ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt trong các thành phần tiếp xúc với nhiệt độ khắc nghiệt.
Chống ăn mòn
| Chất ăn mòn | Sự tập trung (%) | Nhiệt độ (°C/°F) | Xếp hạng sức đề kháng | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| Axit sunfuric | 10% | 25°C/77°F | Hội chợ | Nguy cơ rỗ |
| Clorua | 3% | 60°C/140°F | Tốt | Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất |
| Khí quyển | - | - | Xuất sắc | Tạo lớp oxit bảo vệ |
Thép chịu nhiệt có khả năng chống chịu tốt với nhiều môi trường ăn mòn khác nhau, đặc biệt là trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nó có thể dễ bị rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường clorua. So với các loại khác, chẳng hạn như AISI 316, thép chịu nhiệt có thể mang lại hiệu suất nhiệt độ cao vượt trội nhưng có thể chậm hơn trong một số môi trường axit.
Khả năng chịu nhiệt
| Tài sản/Giới hạn | Nhiệt độ (°C) | Nhiệt độ (°F) | Nhận xét |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa | 1150°C | 2100°F | Thích hợp cho việc tiếp xúc kéo dài |
| Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa | 1200°C | 2192°F | Tiếp xúc ngắn hạn |
| Nhiệt độ đóng băng | 1000°C | 1832°F | Bắt đầu mất khả năng chống oxy hóa |
| Cân nhắc về sức bền biến dạng | 800°C | 1472°F | Quan trọng cho thiết kế |
Thép chịu nhiệt hoạt động tốt ở nhiệt độ cao, duy trì tính toàn vẹn về mặt cơ học và khả năng chống oxy hóa. Tuy nhiên, hiện tượng đóng cặn có thể xảy ra ở nhiệt độ trên 1000°C, đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận trong thiết kế và ứng dụng.
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 |
|---|---|---|---|
| TIG | ER310 | Khí Argon | Tốt cho các phần mỏng |
| MIG | ER310 | Argon/CO2 | Thích hợp cho các phần dày hơn |
| Dán | E310 | - | Yêu cầu làm nóng trước |
Thép chịu nhiệt có thể được hàn bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng thường cần phải gia nhiệt trước để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn cũng có thể cần thiết để giảm ứng suất.
Khả năng gia công
| Thông số gia công | Thép chịu nhiệt | AISI 1212 | Ghi chú/Mẹo |
|---|---|---|---|
| Chỉ số khả năng gia công tương đối | 50 | 100 | Yêu cầu tốc độ chậm hơn |
| Tốc độ cắt điển hình (Tiện) | 20 m/phút | 40 m/phút | Sử dụng công cụ cacbua |
Khả năng gia công thấp hơn so với thép tiêu chuẩn, đòi hỏi phải có dụng cụ và tốc độ cắt cụ thể để đạt được kết quả tối ưu.
Khả năng định hình
Thép chịu nhiệt có thể được tạo hình thông qua cả quá trình nguội và nóng. Tạo hình nguội có thể dẫn đến quá trình làm cứng khi gia công, trong khi tạo hình nóng cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp hơn mà không có nguy cơ nứt đáng kể.
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 | 1000 - 1150°C / 1832 - 2102°F | 1 - 2 giờ | Làm mát bằng không khí | Giảm độ cứng, tăng độ dẻo |
| Làm nguội | 900 - 1000°C / 1652 - 1832°F | 30 phút | Nước/dầu | Tăng độ cứng |
| Làm nguội | 600 - 700°C / 1112 - 1292°F | 1 giờ | Làm mát bằng không khí | Giảm độ giòn |
Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của thép chịu nhiệt, nâng cao hiệu suất của thép trong các ứng dụng nhiệt độ cao.
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) |
|---|---|---|---|
| Sản xuất điện | Ống nồi hơi | Độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa | Cần thiết cho độ bền trong điều kiện khắc nghiệt |
| Hàng không vũ trụ | Linh kiện động cơ | Khả năng chống biến dạng, độ bền | Quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất |
| Hóa dầu | Bình phản ứng | Chống ăn mòn, chịu được nhiệt độ cao | Cần thiết cho độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt |
Các ứng dụng khác bao gồm:
-
- Bộ trao đổi nhiệt
-
- Lò công nghiệp
-
- Tua bin khí
Thép chịu nhiệt được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và môi trường ăn mòn, đảm bảo độ bền và độ tin cậy.
Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn
| Tính năng/Thuộc tính | Thép chịu nhiệt | AISI 316 | AISI 304 | Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi |
|---|---|---|---|---|
| Tính chất cơ học chính | Độ bền nhiệt độ cao | Khả năng chống ăn mòn tốt | Khả năng định hình tốt | Thép chịu nhiệt vượt trội trong các ứng dụng nhiệt độ cao |
| Góc nhìn ăn mòn chính | Có tính axit vừa phải | Tuyệt vời trong clorua | Tốt trong khí quyển | 316 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong một số môi trường nhất định |
| Khả năng hàn | Yêu cầu làm nóng trước | Tốt | Tốt | Thép chịu nhiệt có thể cần các kỹ thuật đặc biệt |
| Khả năng gia công | Vừa phải | Tốt | Tốt | Thép chịu nhiệt cần tốc độ chậm hơn |
| Chi phí tương đối xấp xỉ | Cao hơn | Vừa phải | Thấp hơn | Chi phí phản ánh khả năng thực hiện |
| Khả năng cung cấp điển hình | Giới hạn | Có sẵn rộng rãi | Có sẵn rộng rãi | Tính khả dụng có thể ảnh hưởng đến thời gian của dự án |
Khi lựa chọn thép chịu nhiệt, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu về hiệu suất cụ thể. Các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng thích hợp mà thép tiêu chuẩn có thể bị hỏng, mang lại lợi thế quan trọng trong các môi trường khắc nghiệt.