Thép Titan: Tính chất và ứng dụng chính

Thép titan, thường được gọi là thép ổn định Ti, là một hợp kim chuyên dụng kết hợp titan làm nguyên tố hợp kim chính. Loại thép này chủ yếu được phân loại là thép không gỉ austenit, được biết đến với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và độ bền cao. Việc bổ sung titan làm tăng độ ổn định của thép, đặc biệt là trong các ứng dụng nhiệt độ cao và giúp ngăn ngừa sự hình thành của crom cacbua, có thể dẫn đến nhạy cảm và giảm khả năng chống ăn mòn.

Tổng quan toàn diện

Thép titan được đặc trưng bởi sự kết hợp độc đáo của các đặc tính, bao gồm độ bền cao, độ dẻo tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn đáng kể. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép titan thường bao gồm sắt, crom, niken và titan. Sự hiện diện của titan đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định cấu trúc austenit, cải thiện các đặc tính cơ học của thép và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.

Đặc điểm	Sự miêu tả
Phân loại	Thép không gỉ Austenit
Các nguyên tố hợp kim chính	Sắt (Fe), Crom (Cr), Niken (Ni), Titan (Ti)
Thuộc tính chính	Độ bền cao, độ dẻo tuyệt vời, khả năng hàn tốt và khả năng chống ăn mòn

Thuận lợi:
- Khả năng chống ăn mòn: Thép titan có khả năng chống chịu tốt với nhiều môi trường ăn mòn khác nhau, do đó rất lý tưởng cho các ứng dụng trong xử lý hóa chất và môi trường biển.
- Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao: Hợp kim có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, có lợi trong các ứng dụng đòi hỏi phải tiết kiệm trọng lượng.
- Độ ổn định ở nhiệt độ cao: Việc bổ sung titan giúp tăng cường hiệu suất của thép ở nhiệt độ cao, khiến thép phù hợp để ứng dụng trong phát điện và hàng không vũ trụ.

Hạn chế:
- Chi phí: Việc bổ sung titan có thể làm tăng tổng chi phí của thép, điều này có thể hạn chế việc sử dụng thép trong các ứng dụng nhạy cảm với chi phí.
- Khả năng gia công: Thép titan có thể khó gia công hơn so với các loại thép không gỉ khác, đòi hỏi phải có dụng cụ và kỹ thuật chuyên dụng.

Trong lịch sử, thép titan được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, chế biến hóa chất và ứng dụng hàng hải nhờ các đặc tính và lợi thế về hiệu suất độc đáo của nó.

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	S32100	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 321
AISI/SAE	321	Hoa Kỳ	Sự khác biệt nhỏ về thành phần đến 316
Tiêu chuẩn ASTM	A240	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép không gỉ
VI	1.4541	Châu Âu	Tương đương với AISI 321
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS321	Nhật Bản	Tính chất tương tự như AISI 321

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép titan. Đáng chú ý là, trong khi các cấp như AISI 321 và UNS S32100 thường được coi là tương đương, thì sự khác biệt nhỏ về thành phần có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, hàm lượng titan trong AISI 321 giúp ổn định thép chống lại sự nhạy cảm, khiến nó phù hợp hơn cho các ứng dụng nhiệt độ cao so với các cấp austenit khác.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Yếu tố	Phạm vi phần trăm (%)
Fe	Sự cân bằng
Cr	17.0 - 19.0
Ni	9.0 - 12.0
Tí	5 x C đến 0,6
C	0,08 tối đa
Mn	2.0 tối đa
Si	1.0 tối đa
P	0,045 tối đa
S	0,03 tối đa

Vai trò chính của titan trong loại thép này là ổn định cấu trúc austenit, ngăn ngừa sự hình thành crom cacbua trong quá trình hàn và tiếp xúc với nhiệt độ cao. Sự ổn định này tăng cường khả năng chống ăn mòn giữa các hạt của thép, đặc biệt là trong các môi trường mà sự nhạy cảm là mối quan tâm. Ngoài ra, crom và niken góp phần vào khả năng chống ăn mòn tổng thể và các tính chất cơ học của hợp kim.

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	Ủ	520 - 750MPa	75 - 109 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
Sức mạnh tác động	Charpy V-notch, -196°C	40 tháng	29,5 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Các tính chất cơ học của thép titan làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo cao. Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao cho phép thiết kế các cấu trúc nhẹ hơn mà không ảnh hưởng đến độ an toàn hoặc hiệu suất. Các giá trị độ giãn dài tuyệt vời cho thấy khả năng định hình tốt, có lợi trong các quy trình sản xuất.

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	16,2 W/m·K	112 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 của thép titan góp phần tạo nên tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, khiến nó trở thành lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng mà việc tiết kiệm trọng lượng là rất quan trọng. Độ dẫn nhiệt của nó tương đối thấp so với các kim loại khác, có thể có lợi trong các ứng dụng yêu cầu cách nhiệt. Nhiệt dung riêng cho thấy thép titan có thể hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể, có lợi trong môi trường nhiệt độ cao.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20-60 °C / 68-140 °F	Tốt	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10-30	20-40 °C / 68-104 °F	Hội chợ	Dễ bị ăn mòn cục bộ
Axit clohydric	1-5	20-30 °C / 68-86 °F	Nghèo	Không khuyến khích
Nước biển	-	Môi trường xung quanh	Xuất sắc	Khả năng chống ăn mòn của biển tốt

Thép titan có khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều môi trường ăn mòn, đặc biệt là trong điều kiện giàu clorua, khiến nó phù hợp với các ứng dụng hàng hải. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù nó hoạt động tốt trong nhiều môi trường có tính axit, nhưng nó có thể dễ bị ăn mòn cục bộ trong các axit mạnh như axit clohydric. So với các loại thép không gỉ khác, chẳng hạn như AISI 316, thép titan thường vượt trội hơn về khả năng chống rỗ, đặc biệt là trong môi trường clorua.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	800 °C	1472 °F	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	900 °C	1652 °F	Có thể chịu được tiếp xúc trong thời gian ngắn với nhiệt độ cao hơn
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ trên

Thép titan duy trì các tính chất cơ học của nó ở nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trong sản xuất điện và hàng không vũ trụ. Khả năng chống oxy hóa của nó được tăng cường nhờ sự hiện diện của titan, tạo thành một lớp oxit bảo vệ. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để tránh tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 900 °C, vì điều này có thể dẫn đến sự suy giảm các tính chất cơ học.

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	ER321	Khí Argon	Tuyệt vời cho các phần mỏng
MIG	ER321	Argon + 2% O2	Tốt cho các phần dày hơn
SÚNG BẮN TỪ	E321	Dòng hydro thấp	Yêu cầu làm nóng trước cho các phần dày

Thép titan thường được coi là có khả năng hàn tốt, đặc biệt là khi sử dụng kim loại phụ thích hợp. Có thể cần phải gia nhiệt trước đối với các phần dày hơn để giảm thiểu nguy cơ nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường thêm khả năng chống ăn mòn của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép Titan	Thép chuẩn (AISI 1212)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	20%	100%	Yêu cầu dụng cụ chuyên dụng
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	100 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Thép titan có thể khó gia công hơn các loại thép không gỉ khác do độ bền và đặc tính làm cứng khi gia công. Nên sử dụng các dụng cụ bằng thép tốc độ cao hoặc cacbua và duy trì tốc độ cắt phù hợp để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

Thép titan thể hiện khả năng định hình tốt, đặc biệt là trong điều kiện ủ. Nó có thể được định hình nguội hoặc nóng, nhưng phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức. Bán kính uốn tối thiểu nên được xem xét trong quá trình chế tạo để tránh nứt.

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
Dung dịch ủ	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	30 phút	Không khí hoặc nước	Hòa tan cacbua, cải thiện độ dẻo
Lão hóa	700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Tăng cường sức mạnh và độ cứng

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ dung dịch và lão hóa là rất quan trọng để tối ưu hóa các tính chất cơ học của thép titan. Ủ dung dịch hòa tan các cacbua và tăng cường độ dẻo, trong khi lão hóa có thể cải thiện độ bền và độ cứng thông qua quá trình làm cứng kết tủa.

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	Linh kiện máy bay	Độ bền cao, nhẹ, chống ăn mòn	Cần thiết cho hiệu suất và an toàn
Xử lý hóa học	Bể chứa	Chống ăn mòn, độ bền cao	Cần thiết cho môi trường khắc nghiệt
Hàng hải	Đóng tàu	Khả năng chống ăn mòn của nước biển tuyệt vời	Quan trọng đối với tuổi thọ và độ bền
Dầu khí	Hệ thống đường ống	Độ bền cao, chống chịu được môi trường chua	Cần thiết cho sự an toàn và độ tin cậy

Trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, thép titan được lựa chọn vì tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao và khả năng chống chịu với điều kiện khắc nghiệt. Trong quá trình xử lý hóa học, khả năng chống ăn mòn của nó là tối quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của các bể chứa và hệ thống đường ống.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép Titan	Lớp thay thế 1 (AISI 316)	Lớp thay thế 2 (AISI 304)	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Sức mạnh vừa phải	Sức mạnh vừa phải	Thép titan mang lại sức mạnh vượt trội
Góc nhìn ăn mòn chính	Xuất sắc	Tốt	Hội chợ	Thép titan vượt trội trong môi trường clorua
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	316 có khả năng hàn tốt hơn
Khả năng gia công	Thách thức	Vừa phải	Dễ	316 dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Xuất sắc	304 và 316 cung cấp khả năng định hình tốt hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao hơn	Vừa phải	Thấp hơn	Cân nhắc về chi phí có thể hạn chế việc sử dụng
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Cao	316 và 304 thường có sẵn hơn

Khi lựa chọn thép titan, cần phải cân nhắc đến các yếu tố như chi phí, tính khả dụng và yêu cầu ứng dụng cụ thể. Mặc dù thép này có đặc tính cơ học và khả năng chống ăn mòn vượt trội, nhưng chi phí cao hơn và thách thức về gia công có thể hạn chế việc sử dụng thép này trong một số ứng dụng nhất định. So sánh mà nói, các loại thép như AISI 316 và AISI 304 có thể dễ dàng có sẵn và dễ gia công hơn, nhưng chúng có thể không cung cấp cùng mức hiệu suất trong các môi trường khắc nghiệt.

Tóm lại, thép titan là hợp kim đa năng và hiệu suất cao, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sự kết hợp độc đáo các đặc tính của nó khiến nó trở thành lựa chọn vật liệu có giá trị cho các kỹ sư và nhà thiết kế muốn tối ưu hóa hiệu suất và độ bền trong các dự án của họ.