Thép hợp kim là gì? Thép hợp kim là thép được bổ sung có chủ đích các nguyên tố như crom, niken, molypden, vanadi, mangan, silic… với hàm lượng vượt mức thông thường, để đạt những tính chất mà thép carbon không có: bền hơn, tôi cứng sâu hơn, chịu nhiệt, chịu mài mòn, chống gỉ. Bài viết giải thích vai trò của từng nguyên tố hợp kim, cách phân loại thép hợp kim, các mác phổ biến như 40Cr, SCM440, SKD11, SUJ2, cách đọc ký hiệu, nhiệt luyện và ứng dụng trong cơ khí, xây dựng.
Thép hợp kim là gì?
Mọi loại thép đều có sắt và cacbon, kèm một ít mangan, silic từ quá trình luyện. Khi người ta cố ý thêm các nguyên tố khác với lượng đủ để thay đổi tính chất, thép trở thành thép hợp kim. Ngược lại, thép có tính chất do cacbon quyết định là thép carbon, được trình bày trong bài thép carbon và cách phân loại.
Vai trò của các nguyên tố hợp kim
| Nguyên tố | Tác dụng chính | Ví dụ thép |
|---|---|---|
| Crom (Cr) | Tăng độ thấm tôi, độ cứng, chống ô xi hóa; từ khoảng 10,5% trở lên tạo thép không gỉ | 40Cr, SCM440, inox |
| Niken (Ni) | Tăng độ dai, đặc biệt ở nhiệt độ thấp; ổn định austenit trong inox | Thép Cr-Ni-Mo, inox 304 |
| Molypden (Mo) | Tăng độ bền ở nhiệt độ cao, giảm giòn ram, tăng chống ăn mòn lỗ | SCM440, inox 316 |
| Vanadi (V) | Làm nhỏ hạt, tạo cacbit cứng, tăng chống mài mòn | Thép dụng cụ, thép vi hợp kim |
| Mangan (Mn) | Tăng bền, tăng thấm tôi; hàm lượng rất cao cho thép chịu va đập mài mòn | 65Mn, thép mangan cao |
| Silic (Si) | Tăng giới hạn đàn hồi (lò xo), tính chất từ (thép kỹ thuật điện) | Thép lò xo, thép điện |
| Vonfram (W) | Giữ độ cứng ở nhiệt độ cao | Thép gió (dao cắt tốc độ cao) |
| Niobi (Nb), titan (Ti) | Vi hợp kim, làm nhỏ hạt, tăng bền mà vẫn dễ hàn | Thép kết cấu cường độ cao |
| Bo (B) | Lượng rất nhỏ đã tăng mạnh độ thấm tôi | Thép bu lông cường độ cao |
Niken và vai trò của nó trong inox được trình bày chi tiết trong bài niken là kim loại gì.
Phân loại thép hợp kim
Theo tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim
Cách chia thường gặp trong giáo trình vật liệu ở Việt Nam:
- Thép hợp kim thấp: tổng nguyên tố hợp kim dưới khoảng 2,5%.
- Thép hợp kim trung bình: khoảng 2,5 đến 10%.
- Thép hợp kim cao: trên khoảng 10%, ví dụ thép không gỉ, thép gió.
Một số tài liệu nước ngoài dùng ranh giới khác (ví dụ 5%), nên con số chỉ mang tính quy ước.
Theo công dụng
| Nhóm | Mác tiêu biểu | Ứng dụng |
|---|---|---|
| Thép kết cấu cường độ cao hợp kim thấp | Q355, A572 Gr 50, S355, SM490 | Khung nhà thép, cầu, tháp; bền hơn SS400 mà vẫn hàn tốt |
| Thép hợp kim chế tạo máy | 40Cr, SCM440 (tương đương 42CrMo4, 4140), 40CrNiMo | Trục, bánh răng, bu lông cường độ cao; tôi ram để đạt bền cao |
| Thép lò xo | 65Mn, SUP9, 60Si2Mn | Lò xo, nhíp xe |
| Thép ổ lăn | SUJ2 (tương đương 52100) | Bi, vòng bi |
| Thép dụng cụ | SKD11 (gia công nguội), SKD61 (gia công nóng), SKH51 (thép gió) | Khuôn dập, khuôn đúc, dao cắt |
| Thép chịu mài mòn | Thép mangan cao, thép tấm chịu mài mòn | Răng gầu, lót máy nghiền, sàng |
| Thép không gỉ, chịu nhiệt | SUS304, SUS316, 310S | Thực phẩm, hóa chất, lò nhiệt |
Thông tin về mác Q355 dùng nhiều trong kết cấu có trong bài thép Q355 và các cấp chất lượng; nhóm inox có trong bài thép không gỉ là thép hợp kim cao.
Cách đọc ký hiệu thép hợp kim
- Hệ Việt Nam, Nga (như 40Cr, 65Mn, 40CrNiMo): hai chữ số đầu là hàm lượng cacbon tính theo phần vạn (40 nghĩa là khoảng 0,40% C); các chữ là nguyên tố hợp kim, nếu không ghi số sau chữ thì hàm lượng nguyên tố đó khoảng 1%.
- Hệ Nhật JIS: SCM là thép crom molypden (SCM440: khoảng 0,40% C); SKD, SKH là thép dụng cụ; SUJ là thép ổ lăn; SUP là thép lò xo.
- Hệ Mỹ AISI/SAE: bốn chữ số, hai số đầu chỉ nhóm hợp kim (41xx là Cr-Mo, 43xx là Ni-Cr-Mo), hai số sau là cacbon phần vạn (4140: khoảng 0,40% C).
Nhiệt luyện thép hợp kim
Ưu điểm lớn của thép hợp kim là độ thấm tôi: tôi được cứng sâu vào lõi chi tiết dày, làm nguội chậm hơn (trong dầu thay vì nước) nên ít nứt, cong vênh. Chi tiết máy thường được “tôi cải thiện” (tôi rồi ram nhiệt độ cao) để có cả độ bền và độ dai. Các phương pháp nhiệt luyện được giải thích trong bài tôi cải thiện, tôi bề mặt và ram.
Ưu điểm và hạn chế
| Ưu điểm | Hạn chế |
|---|---|
| Bền, dai cao sau nhiệt luyện | Giá cao hơn thép carbon |
| Tôi cứng sâu, ít nứt khi tôi | Một số mác khó hàn, cần quy trình riêng |
| Chịu nhiệt, chịu mài mòn, chống ăn mòn tùy mác | Gia công cắt gọt khó hơn ở trạng thái cứng |
| Tiết diện nhỏ hơn cho cùng tải (thép cường độ cao) | Cần chọn đúng mác và đúng chế độ nhiệt luyện mới phát huy |
Thép hợp kim trong xây dựng
- Thép kết cấu cường độ cao (Q355, SM490, A572) cho khung nhà xưởng, cầu, tháp.
- Thép cốt bê tông mác cao: nhiều nhà máy dùng vi hợp kim (như vanadi, niobi) hoặc công nghệ làm nguội nhanh sau cán để đạt mác CB400, CB500 mà vẫn đảm bảo tính hàn.
- Bu lông cường độ cao cấp 8.8, 10.9 làm từ thép cacbon hoặc thép hợp kim tôi ram.
- Thép chịu mài mòn cho thiết bị xây dựng, khai khoáng.
Tổng quan các nhóm thép có trong bài thép là gì và các cách phân loại.
Thép chịu thời tiết là một ví dụ của thép hợp kim thấp với đồng, crom, niken. Xem bài thép corten chịu thời tiết.
Câu hỏi thường gặp
Thép hợp kim là gì?
Là thép có thêm nguyên tố hợp kim (crom, niken, molypden, vanadi…) với hàm lượng đủ để thay đổi tính chất so với thép carbon.
Thép hợp kim có gỉ không?
Phần lớn thép hợp kim thấp vẫn gỉ như thép carbon; chỉ thép có crom từ khoảng 10,5% trở lên (inox) mới chống gỉ tốt.
40Cr là thép gì?
Là thép hợp kim chế tạo máy, khoảng 0,40% cacbon và khoảng 1% crom, dùng làm trục, bánh răng sau khi tôi ram.
SCM440 tương đương mác nào?
Tương đương 42CrMo4 (EN) và 4140 (AISI), là thép crom molypden dùng cho chi tiết chịu tải lớn.
Kết luận
Thép hợp kim là thép được bổ sung có chủ đích các nguyên tố hợp kim để tăng bền, tăng độ thấm tôi, chịu nhiệt, chịu mài mòn hoặc chống gỉ. Mỗi nguyên tố có vai trò riêng, và việc chọn đúng mác cùng chế độ nhiệt luyện quyết định hiệu quả sử dụng. Cần tư vấn và báo giá thép kết cấu, thép tấm cường độ cao, hãy liên hệ Giá Thép Hôm Nay.