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 manggan, thép niken …

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 = Mo, 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.

Tên gọi

Ký hiệu

Tên gọi

Ký hiệu

Thép cacbon

10xx

Thép niken-crôm-môlipđen (11 loại)

43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx

Thép dễ cắt (2 loại)

11xx, 12xx

Thép niken-môlipđen (2 loại)

46xx, 48xx

Thép mangan (1 – 1,765%)

13xx

Thép crôm (2 loại)

50xx, 51xx

Thép cacbon có hàm lượng Mn cao (1,75%)

15xx

Thép crôm với 0,5-1,5%C (3 loại)

501xx, 511xx, 521xx

Thép niken (2 loại)

23xx, 25xx

Thép vonfram-crôm

72xx

Thép niken-crôm (4 loại)

31xx, 32xx, 33xx, 34xx

Thép silic-mangan

92xx

Thép môlipđen (2 loại)

40xx, 44xx

Thép bo

xxBxx

Thép crôm-môlipđen

41xx

Thép crôm-vanađi

61xx

 

Bảng 3.1. Ký hiệu thép hợp kim kết cấu theo chuẩn AISI/SAE

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.