3.3. THÉP HỢP KIM

3.3.1. Khái niệm

Thép hợp kim là loại thép chứa trong nó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp. Người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép. Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu.

Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như:

• Về cơ tính: thép hợp kim nói chung có độ bền có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi và ram.
• Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200⁰C. Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao.
• Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn…

3.3.2. Phân loại thép hợp kim

a. Phân loại theo nồng độ hợp kim trong thép

Gồm ba loại:

• Thép hợp kim thấp: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào < 2,5%.
• Thép hợp kim trung bình: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào từ 2,5 – 10%.
• Thép hợp kim cao: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào > 10%.

b. Phân loại theo nguyên tố hợp kim

Cách phân loại này dựa vào tên của các nguyên tố hợp kim chính của thép. Ví dụ như thép có chứa crôm gọi là thép crôm, thép mangan, thép niken…

Hợp kim sắt

Hợp kim của sắt có nguyên tố chính trong đó là sắt kết hợp với các nguyên tố hoá học khác. Hợp kim của sắt được tạo ra để khắc chế các nhược điểm của kim loại sắt. Hợp kim sắt được tạo ra các nguyên vật liệu xây dựng, hay những vật dụng có tính chất khác nhau để phục vụ cho cuộc sống hàng ngày của con người.

• Gang: Đây là hợp kim của sắt khi kết hợp với Cacbon, trong đó thì cacbon chiếm từ 2 đến 5% tổng khối lượng hợp kim sắt. Gang được chia làm 2 loại, gang trắng và gang xám.
• Thép: Có thành phần giống như gang nhưng ngoài ra thành phần còn chứa các silic hay mangan,… trong đó thép chỉ chiếm từ 0,01 đến 2% khối lượng hợp kim. Cũng được chia làm 2 loại, thép thường và thép đặc biệt.

Hợp kim đồng

• Latông (đồng vàng hay đồng thau): là hợp kim của đồng mà hai nguyên tố chính chủ yếu là đồng và kẽm. Các nguyên tố phụ còn có các nguyên tố khác như Pb, Ni, Sn,… Được chia làm latông đơn giản (chỉ có thành phần Cu và Zn) và latông phức tạp ( trong đó sẽ bao gồm các nguyên tố khác Pb, Al, Sn, Ni… )
• Brông (đồng thanh): Là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác (không có Zn). Cách phân biệt các loại đồng thanh khác nhau tùy thuộc vào nguyên tố phụ được đưa vào: ví dụ như Cu – Sn được gọi là brông thiếc, Cu – Al được gọi là brông nhôm.

Hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm là hợp kim với nguên tố chính là Al với các nguyên liệu khác (như: đồng, thiếc, mangan, silic, magie,…). Hợp kim nhôm xuất hiện nhiều ứng dụng trong cuộc sống, các sản phẩm như chai, lọ, hũ nhôm hay thiết bị để sản xuất ô tô, máy bay, tàu vũ trụ,…đều sử dụng hợp kim nhôm. được chia thành:

• Hợp kim nhôm biến dạng: Dựa theo đặc tính mà hợp kim nhôm này có: hợp kim nhôm biến dạng có thể hóa bền bằng cách nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng không thể hoá bền bằng phương pháp nhiệt luyện. Hợp kim nhôm loại này có những ứng dụng phổ biến sau: thương phẩm, chai lọ, hũ, nồi nhôm,…
• Hợp kim nhôm đúc: Là các hợp kim nhôm với thành phần Silic (từ 5 đến 20%) và có thêm Magie ( từ 0,3 đến 0,5%) để tạo pha hợp chất hoá bền Mg2Si, bởi vậy các hệ Al-Si-Mg phải qua phương pháp hoá bền. Sau đó, cho thêm Đồng (3 – 5%) vào hệ Al – Si – Mg trước đó để cải thiện cơ tính và tính đúc tốt của hợp chất này. Do đó, hợp chất này dùng nhiều trong động cơ đốt, piston,…

Hợp kim kẽm

Hợp kim cũng có thể hình thành nếu các tác nhân hợp kim hoặc tác nhân có các nguyên tử nhỏ hơn rất nhiều so với các kim loại chính thì trong trường hợp đó, các nguyên tử tác nhân trượt vào giữa các nguyên tử kim loại chính từ đó tạo ra cái hợp kim xen kẽ . Thép là một ví dụ về hợp kim xen kẽ, trong đó một số lượng nhỏ các nguyên tử carbon trượt trong các khoảng trống giữa các nguyên tử khổng lồ trong một mạng tinh thể sắt.

Hợp kim titan

Việc bổ sung các nguyên tố khác nhau như Al, Mo, V, Co, Ni, Cr, Mn, Cu Fe đã tạo thành các loại hợp kim Titan có tính chất và ứng dụng khác nhau.

Họp kim chứa 6% nhôm, 4% vanadi là loại hợp kim được sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các hợp kim titan. Nó chiếm hơn 50% tổng lượng titan sử dụng trên toàn thế giới cộng lại.

Hợp kim chứa 5% nhôm, 2,5% thiếc, hay loại hợp kim mà thành phần có chứa 3.0% nhôm, 2.5% vanadi. Hiện tại trên thế giới đang có khoảng hơn 35 loại hợp kim khác nhau. Tùy theo đặc tính của chúng là được ứng dụng trong những lĩnh vực khác nhau.

c.  Phân loại theo công dụng

Đây là cách phân loại chủ yếu. Theo công dụng cụ thể có thể chia hợp kim thành các nhóm sau:

Thép hợp kim kết cấu: là loại thép trên cơ sở thép kết cấu cho thêm vào các nguyên tố hợp kim. Loại này có hàm lượng cacbon khoảng 0,1 – 0,85% và lượng phần trăm của nguyên tố hợp kim thấp. Loại thép này được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao…

Theo TCVN thì thép hợp kim được ký hiệu như sau: số đầu tiên chỉ hàm lượng C theo phần vạn, sau đó là ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim, ngay sau mỗi ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim là hàm lượng % của từng nguyên tố. Trường hợp hàm lượng % của các nguyên tố hợp kim gần bằng 1% thì không cần ghi thêm chỉ số. Chữ A nếu có, nằm ở cuối ký hiệu để chỉ thép hợp kim loại tốt.

Ví dụ: Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp là: 15Cr, 20Cr, 20CrNi hàm lượng Cr, Ni thường nhỏ hơn 1%, hoặc các loại 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A, 12Cr2Ni4A, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lượng nguyên tố đó còn chữ A để chỉ loại tốt.

Những loại có hàm lượng cacbon trung bình có ký hiệu như: 40Cr, 40CrMn, 35CrMnSi.

Những loại có hàm lượng cacbon cao dùng làm thép lò xo như 50Si2, C65Mn, C65Si2.

Ngày nay trên thế giới đều có các nhóm thép hợp kim thấp với độ bền cao (so với thép cacbon). Thép này được hợp kim hóa với lượng hợp kim thấp và được gọi theo chữ viết tắt là HSLA (Hight Strength Low Alloy Steel). Nó được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp. Đặc điểm chung của loại thép hợp kim này là có độ bền cao, có tính chống ăn mòn tốt, tính hàn tốt và giá thành rẻ.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN,  ký hiệu của các nguyên tố: X = Cr, H = Ni, B = W, M = M_o, T = Ti, K = Co, Г = Mn, C = Si,  = V, Д = Cu, Ю = Al, P = B. Ví dụ 12XH3 tương đương với 12CrNi3.
• Mỹ (AISI/ SAE):  Ký hiệu bằng 4 số xxxx, trong đó 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chính, 2 số cuối chỉ hàm lượng cacbon theo phần vạn như Bảng 3.1.

Ví dụ: mác 5140 là thép crôm có 0,4%C tương ứng với mác 40Cr của Việt Nam.

• Nhật (JIS): Ký hiệu bắt đầu bằng chữ S, tiếp theo là các chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối chỉ phần vạn cacbon trung bình).

Ví dụ: SCr440 là thép crôm có 0,4%C tương đương với mác 40Cr của Việt Nam.

• Thép hợp kim dụng cụ: là thép có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và độ chịu mài mòn cao. Hàm lượng cacbon trong hợp kim dụng cụ từ 0,7 – 1,4%, các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si, Mn.

Thép hợp kim dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt. Sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt 60 – 62 HRC. Những mác thép thường gặp là 90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12 và OL100Cr1,5 (thép ổ lăn).

Thép hợp kim dụng cụ dùng làm các dụng cụ cắt gọt, khuôn dập nguội hoặc nóng.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
• Mỹ (AISI):  Ký hiệu một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự như Bảng 3.2.

Ví dụ: D3 là thép hợp kim dụng cụ làm khuôn dập nguội có hàm lượng crôm và cacbon cao, tương đương với mác 210Cr12 của Việt Nam.

• Nhật (JIS): Ký hiệu SKSx, SKDx, SKTx trong đó x là số thứ tự.

Ví dụ: SKD1 là thép hợp kim dụng cụ tương đương với mác 210Cr12 của Việt Nam.

Thép gió: là một dạng thép hợp kim đặc biệt để làm dụng cụ cắt gọt và các chi tiết máy có yêu cầu cao.

Trong tổ chức của thép gió có các nguyên tố sắt, cacbon, crom, vonfram, coban, vanadi.

Thép gió có độ cứng cao, bền, chịu mài mòn và chịu nhiệt đến 650⁰C. Trong thép gió có hàm lượng các nguyên tố hợp kim như sau: 8,5 – 19% W, 0,7 – 1,4% C, 3,8 – 4,4% Cr, 1 – 2,6% V và một lượng nhỏ Mo hay Co.

Những mác thép gió thường dùng theo TCVN có 90W9V2, 75W18V, 140W9V5, 90W18V2.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
• Mỹ (AISI):  Ký hiệu một chữ cái M (thép gió môlipđen) hoặc T (thép gió vonfram) và số thứ tự theo sau.

Ví dụ: T1 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam.

• Nhật (JIS): Ký hiệu SKHx, trong đó x là số thứ tự.

Ví dụ: SKH2 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam.

Thép không rỉ: là loại thép có khả năng chống ăn mòn tốt. Trong thép không rỉ, hàm lượng crom khá cao (>12%). Theo tổ chức tế vi, thép không rỉ được chia thành bốn loại là austenit, ferit, austenit-ferit, mactenxit. Tùy theo mức độ chống rỉ mà chúng được sử dụng trong các môi trường khác nhau như nước biển, hóa chất.

Một số mác thép không rỉ ký hiệu theo TCVN 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr18Ni9.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

• Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
• Mỹ (AISI):  ký hiệu gồm 3 số xxx, trong đó 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thép mactenxit.

Ví dụ: 304 là thép không rỉ tương đương với mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.

• Nhật (JIS): ký hiệu SUSxxx, trong đó xxx lấy theo AISI.

Ví dụ: SUS304 là thép không rỉ tương đương với mác 304 của Mỹ hoặc mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.

3.3.3 Hợp kim ngày nay

Hợp kim ngày nay mang ý nghĩa rộng hơn so với lúc nó mới xuất hiện. Trước đây các vật liệu trong công nghiệp chứa một vài nguyên tố được chế tạo chủ yếu phương pháp nấu chảy. Ngày nay, nhiều vật liệu hợp kim thu được bằng cả các phương pháp khác như bằng phương pháp luyện kim bột, bằng phương pháp con đường khuếch tán; các hợp kim cũng có thể thu được khi hóa bụi bằng plasma trong quá trình kết tinh từ pha hơi trong chân không, khi điện phân các kim loại

Cũng giống như kim loại, hợp kim có cấu tạo tinh thể và thường được cấu tạo bằng các tinh thể như: tinh thể hỗn hợp, tinh thể dung dịch rắn và tinh thể hóa học.

3.3.4 Kỹ thuật nhận diện nhanh hợp kim

Nhận dạng vật liệu tích cực (PMI)

Nhận dạng vật liệu tích cực là việc phát hiện vật liệu thông qua phép đo phổ nguyên tố không phá hủy trong các mẫu kim loại, thép và hợp kim, được sử dụng để kiểm tra thành phần thành phần của quặng, đất và các mẫu chất lỏng và vật liệu dạng bột khác. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và phòng thí nghiệm trên toàn thế giới do tính nhanh chóng và chính xác của kỹ thuật phân tích.

Thử nghiệm XRF để xác định vật liệu tích cực an toàn

Huỳnh quang tia X (XRF) là phương pháp phân tích đơn giản và chính xác nhất được sử dụng để xác định vật liệu. Độ chính xác đo lường của kết quả rất ấn tượng. Hơn nữa, các thông số kỹ thuật của thử nghiệm XRF trong việc xác định PMI làm cho nó trở thành một trong những phương pháp kinh tế nhất được đánh giá cao trong lĩnh vực thương mại. Phương pháp này không yêu cầu quá trình chuẩn bị mẫu phức tạp.

Hai mẫu kim loại có thể trông gần như giống hệt nhau nhưng sẽ có giá trị khác nhau do thành phần cấu tạo của chúng. Xét cho cùng, cấp của hợp kim sẽ ảnh hưởng đến khả năng chống chịu nhiệt và ăn mòn, cũng như độ bền tổng thể. Thử nghiệm XRF giúp tránh những hậu quả nghiêm trọng như tai nạn công nghiệp. Các sự cố ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học có thể gây ra những tác động nghiêm trọng – ví dụ như nứt do ăn mòn do ứng suất, mối hàn yếu và trong trường hợp xấu nhất là các vụ nổ nhà máy lọc dầu. Với các phép kiểm tra thích hợp, bạn có thể xác nhận rằng mọi bộ phận được sử dụng đều đáp ứng các quy định an toàn và các bộ phận thay thế có loại hợp kim thích hợp – do đó loại bỏ các sự cố an toàn nghiêm trọng.

Súng nhận dạng vật liệu tích cực hay thiết bị XRF cầm tay phát triển dựa trên kỹ thuật Huỳnh quang tia X có độ ổn định tuyệt vời, bù trừ nhiệt độ môi trường xung quanh và ảnh hưởng của áp suất. Tất cả các dụng cụ và thiết bị đều an toàn khi sử dụng vì suất liều của tia phóng xạ không vượt quá nền tự nhiên khi sử dụng đúng cách.