Thép cán nóng: Tính chất và ứng dụng chính

Thép cán nóng là một loại thép được sử dụng rộng rãi, được sản xuất thông qua quy trình cán nóng, trong đó thép được nung nóng trên nhiệt độ kết tinh lại và sau đó biến dạng thành các hình dạng mong muốn. Quy trình này tạo ra một loại thép dễ uốn và có thể được tạo thành nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Thép cán nóng thường được phân loại là thép mềm cacbon thấp, chứa tỷ lệ cacbon thấp (thường dưới 0,25%), khiến thép dễ uốn và dễ gia công. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép cán nóng bao gồm sắt (Fe), cacbon (C) và một lượng nhỏ mangan (Mn), phốt pho (P) và lưu huỳnh (S).

Tổng quan toàn diện

Đặc tính của thép cán nóng được xác định bởi các tính chất cơ học của nó, bao gồm độ dẻo cao, khả năng hàn tốt và độ bền vừa phải. Quá trình cán nóng cũng tạo ra bề mặt hoàn thiện thô, có thể có lợi cho một số ứng dụng nhất định nhưng có thể cần xử lý thêm vì mục đích thẩm mỹ.

Ưu điểm của thép cán nóng:
- Tiết kiệm chi phí: Nhìn chung rẻ hơn thép cán nguội do chi phí gia công thấp hơn.
- Đa năng: Thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các thành phần kết cấu, phụ tùng ô tô và máy móc.
- Khả năng định hình tốt: Có thể dễ dàng định hình và tạo thành các hình dạng phức tạp.

Hạn chế của thép cán nóng:
- Hoàn thiện bề mặt: Bề mặt thô có thể không phù hợp cho mọi ứng dụng nếu không có lớp hoàn thiện bổ sung.
- Dung sai kích thước: Thép cán nóng thường có dung sai lỏng hơn so với thép cán nguội, điều này có thể ảnh hưởng đến các ứng dụng chính xác.
- Độ bền thấp hơn: So với thép cán nguội, thép cán nóng thường có độ bền kéo thấp hơn.

Trong lịch sử, thép cán nóng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cơ sở hạ tầng và sản xuất hiện đại, là vật liệu nền tảng trong xây dựng và máy móc hạng nặng.

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	G10100	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với A36
AISI/SAE	A36	Hoa Kỳ	Cấp thép kết cấu thông dụng
Tiêu chuẩn ASTM	A992	Hoa Kỳ	Được sử dụng cho dầm có mặt bích rộng
VI	S235JR	Châu Âu	Tính chất tương tự, thường được sử dụng trong xây dựng
ĐẠI HỌC	S235	Đức	Tương đương với A36, với sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SS400	Nhật Bản	Tương đương với A36, được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản
Anh	Câu hỏi 235	Trung Quốc	Tương tự như A36, thường được sử dụng trong xây dựng Trung Quốc

Sự khác biệt giữa các loại thép này, mặc dù thường không đáng kể, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, A992 được thiết kế để có hiệu suất tốt hơn trong các ứng dụng kết cấu do có độ bền kéo cao hơn so với A36.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,05 - 0,25
Mn (Mangan)	0,30 - 0,60
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05
Fe (Sắt)	Sự cân bằng

Vai trò chính của carbon trong thép cán nóng là tăng cường độ bền và độ cứng. Mangan góp phần cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, trong khi phốt pho và lưu huỳnh được coi là tạp chất có thể ảnh hưởng xấu đến độ dẻo và khả năng hàn.

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	cán nóng	Nhiệt độ phòng	400 - 550MPa	58 - 80 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	cán nóng	Nhiệt độ phòng	250 - 350MPa	36 - 51 kilôgam	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	cán nóng	Nhiệt độ phòng	20-25%	20-25%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Brinell)	cán nóng	Nhiệt độ phòng	120 - 180 HB	120 - 180 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động	cán nóng	-20 °C	27 - 34 tháng	20 - 25 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép cán nóng phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ dẻo tốt và độ bền vừa phải, chẳng hạn như dầm kết cấu, khung và các bộ phận ô tô.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7850 kg/m³	490 lb/ft³
Điểm nóng chảy	-	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	0,49 kJ/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·ft

Mật độ của thép cán nóng góp phần tạo nên độ bền và độ chắc chắn tổng thể của nó, trong khi độ dẫn nhiệt của nó rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt. Nhiệt dung riêng cho biết cần bao nhiêu năng lượng để tăng nhiệt độ của vật liệu, điều này rất quan trọng trong các quy trình liên quan đến chu trình nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Khí quyển	-	-	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét
Clorua	Thấp	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit	Pha loãng	Môi trường xung quanh	Nghèo	Không khuyến khích
kiềm	Pha loãng	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải

Thép cán nóng có khả năng chống ăn mòn hạn chế, khiến nó dễ bị rỉ sét trong môi trường ẩm ướt. Nó đặc biệt dễ bị ăn mòn rỗ khi có clorua. So với thép không gỉ, chẳng hạn như AISI 304, có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, thép cán nóng ít phù hợp hơn cho các ứng dụng trong môi trường 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	400 °C	752 °F	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ vừa phải
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500 °C	932 °F	Tiếp xúc trong thời gian ngắn mà không bị suy thoái
Nhiệt độ thang đo	600 °C	1112 °F	Bắt đầu bị oxy hóa đáng kể

Ở nhiệt độ cao, thép cán nóng có thể bị oxy hóa, có thể dẫn đến đóng cặn và giảm tính chất cơ học. Điều quan trọng là phải xem xét các yếu tố này khi thiết kế các thành phần hoạt động ở 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 ứng dụng chung
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Cung cấp mối hàn chất lượng cao
Dán	E7018	-	Thích hợp cho các phần dày hơn

Thép cán nóng thường được coi là có khả năng hàn tốt, làm cho nó phù hợp với nhiều quy trình hàn khác nhau. Có thể cần phải gia nhiệt trước cho các phần dày hơn để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể cải thiện các đặc tính của vùng hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép cán nóng	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Thép cán nóng khó gia công hơn AISI 1212
Tốc độ cắt điển hình	30 m/phút	50 m/phút	Điều chỉnh tốc độ dựa trên dụng cụ

Thép cán nóng có khả năng gia công ở mức trung bình và mặc dù có thể gia công được nhưng có thể cần dụng cụ chắc chắn hơn và tốc độ cắt chậm hơn so với các loại thép dễ gia công hơn như AISI 1212.

Khả năng định hình

Thép cán nóng có khả năng định hình tuyệt vời, phù hợp với nhiều quy trình định hình khác nhau, bao gồm uốn, dập và kéo. Thép có thể được gia công nguội để đạt được hình dạng mong muốn, nhưng phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức.

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
Chuẩn hóa	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Tinh chỉnh cấu trúc hạt
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Dầu hoặc nước	Làm cứng, tăng cường độ

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ và chuẩn hóa có thể thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép cán nóng, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Ủ làm mềm thép, trong khi chuẩn hóa tinh chỉnh cấu trúc hạt để cải thiện độ bền 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)
Sự thi công	Dầm kết cấu	Độ bền cao, khả năng hàn tốt	Cần thiết cho các kết cấu chịu lực
Ô tô	Các thành phần khung gầm	Độ dẻo, khả năng tạo hình	Cho phép hình dạng phức tạp và sức mạnh
Chế tạo	Khung máy móc	Hiệu quả về chi phí, sức mạnh vừa phải	Tiết kiệm cho sản xuất quy mô lớn

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Ống và ống dẫn: Được sử dụng trong các ứng dụng hệ thống ống nước và kết cấu.
- Phụ tùng ô tô: Chẳng hạn như giá đỡ và giá đỡ.
- Thiết bị nặng: Linh kiện trong máy móc xây dựng.

Thép cán nóng được lựa chọn cho các ứng dụng này vì nó có độ bền, độ dẻo và hiệu quả về mặt chi phí, khiến nó trở thành sự lựa chọn linh hoạt trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép cán nóng	Thép A36	Thép S235	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Sức mạnh vừa phải	Sức mạnh vừa phải	Sức mạnh vừa phải	Các đặc tính tương tự trên các lớp
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Hội chợ	Hội chợ	Tất cả các loại đều có khả năng chống ăn mòn tương tự
Khả năng hàn	Tốt	Tốt	Tốt	Thích hợp cho nhiều quy trình hàn khác nhau
Khả năng gia công	Vừa phải	Vừa phải	Vừa phải	Tất cả các cấp độ đều yêu cầu dụng cụ mạnh mẽ
Khả năng định hình	Xuất sắc	Xuất sắc	Xuất sắc	Tất cả các loại đều thích hợp để hình thành
Chi phí tương đối xấp xỉ	Thấp	Thấp	Thấp	Có sẵn các lựa chọn tiết kiệm chi phí
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Cao	Cao	Có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau

Khi lựa chọn thép cán nóng, cần cân nhắc đến hiệu quả về mặt chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học cụ thể cần thiết cho ứng dụng. Mặc dù thép cán nóng thường rẻ hơn thép cán nguội, nhưng bề mặt hoàn thiện và dung sai kích thước của nó có thể cần phải xử lý thêm cho một số ứng dụng nhất định. Ngoài ra, các đặc tính từ tính của nó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng mà nhiễu từ là mối quan tâm.

Tóm lại, thép cán nóng là vật liệu đa năng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, mang lại sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và hiệu quả về mặt chi phí. Hiểu được các đặc tính và hạn chế của nó là rất quan trọng để lựa chọn đúng loại cho các ứng dụng cụ thể.