Thép là gì?
Thép là một thuật ngữ rộng cho hợp kim sắt và cacbon.Hàm lượng cacbon (0,05% - 2% trọng lượng) và việc bổ sung các nguyên tố khác xác định hợp kim cụ thể của thép và tính chất vật liệu của nó.Các nguyên tố hợp kim khác bao gồm mangan, silic, phốt pho, lưu huỳnh và oxy.Carbon làm tăng độ cứng và độ bền của thép, trong khi các nguyên tố khác có thể được thêm vào để cải thiện khả năng chống ăn mòn hoặc khả năng gia công.Hàm lượng mangan nói chung cũng cao (ít nhất từ 0,30% đến 1,5%) để giảm độ giòn của thép và cải thiện độ bền của thép.
Độ bền và độ cứng của thép là một trong những đặc tính phổ biến nhất của nó.Chính chúng đã làm cho thép thích hợp cho các ứng dụng xây dựng và giao thông vì vật liệu này có thể được sử dụng lâu dài dưới tải trọng lớn và lặp đi lặp lại.Một số hợp kim thép, tức là các loại thép không gỉ, có khả năng chống ăn mòn, điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn tốt nhất cho các bộ phận làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
Tuy nhiên, độ bền và độ cứng này cũng sẽ kéo dài thời gian gia công và tăng độ mòn của dụng cụ.Thép là vật liệu có mật độ cao, khiến nó quá nặng trong một số ứng dụng.Tuy nhiên, thép có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, đó là lý do tại sao nó là một trong những kim loại được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất.
Loại thép
Hãy nói về nhiều loại thép.Là thép, cacbon phải được thêm vào sắt.Tuy nhiên, hàm lượng carbon sẽ khác nhau, dẫn đến những thay đổi lớn về hiệu suất của nó.Thép cacbon thường đề cập đến thép không phải thép không gỉ và được xác định bằng cấp 4 chữ số của thép.Rộng hơn, đó là thép cacbon thấp, thép cacbon trung bình hoặc thép cacbon cao.
Thép cacbon thấp: hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,30% (theo trọng lượng)
Thép cacbon trung bình: hàm lượng cacbon 0,3 - 0,5%
Thép cacbon cao: 0,6% trở lên
Các nguyên tố hợp kim chính của thép được biểu thị bằng chữ số đầu tiên của lớp bốn chữ số.Ví dụ, bất kỳ loại thép 1xxx nào, chẳng hạn như 1018, sẽ sử dụng carbon làm nguyên tố hợp kim chính.Thép 1018 chứa 0,14 - 0,20% cacbon và một lượng nhỏ phốt pho, lưu huỳnh và mangan.Hợp kim phổ quát này thường được sử dụng để chế tạo gioăng, trục, bánh răng và chốt.
Thép cacbon dễ gia công được phốt phát hóa lại và được phốt phát hóa lại để phá vỡ các phoi thành các mảnh nhỏ hơn.Điều này ngăn các phoi dài hoặc lớn vướng vào dụng cụ trong quá trình cắt.Thép dễ gia công có thể tăng tốc thời gian xử lý, nhưng có thể làm giảm độ dẻo và khả năng chống va đập.
thép không gỉ
Thép không gỉ có chứa cacbon, nhưng nó cũng chứa khoảng 11% crom, giúp tăng khả năng chống ăn mòn của vật liệu.Nhiều crôm hơn có nghĩa là ít gỉ hơn!Việc bổ sung niken cũng có thể cải thiện khả năng chống gỉ và độ bền kéo.Ngoài ra, thép không gỉ có khả năng chịu nhiệt tốt và thích hợp cho hàng không vũ trụ và các ứng dụng khác trong môi trường khắc nghiệt.
Theo cấu trúc tinh thể của kim loại, thép không gỉ có thể được chia thành năm loại.Năm loại này là austenit, ferit, mactenxit, song hóa và đông cứng kết tủa.Các loại thép không gỉ được xác định bằng ba chữ số thay vì bốn chữ số.Số đầu tiên đại diện cho cấu trúc tinh thể và các nguyên tố hợp kim chính.
Ví dụ, thép không gỉ sê-ri 300 là hợp kim niken crom Austenit.Thép không gỉ 304 là loại phổ biến nhất, còn được gọi là 18/8, vì nó có 18% crom và 8% niken.Thép không gỉ 303 là phiên bản gia công miễn phí của thép không gỉ 304.Việc bổ sung lưu huỳnh làm giảm khả năng chống ăn mòn của nó, vì vậy loại thép không gỉ 303 dễ bị gỉ hơn loại thép không gỉ 304.
Thép không gỉ có thể được sử dụng trong một loạt các ngành công nghiệp.Loại thép không gỉ 316 có thể được sử dụng cho các thành phần van trong thiết bị y tế như máy móc và đường ống sau khi xử lý thích hợp.Thép không gỉ 316 cũng được sử dụng để gia công đai ốc và bu lông, nhiều trong số đó được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô.Thép không gỉ 303 được sử dụng cho bánh răng, trục và các bộ phận khác cần thiết cho máy bay và ô tô.
thép công cụ đục
Thép công cụ được sử dụng để sản xuất các công cụ cho các quy trình sản xuất khác nhau, bao gồm đúc khuôn, ép phun, dập và cắt.Có nhiều hợp kim thép công cụ khác nhau có sẵn cho các ứng dụng khác nhau, nhưng chúng đều được biết đến với độ cứng của chúng.Mỗi loại trong số chúng có thể chịu được sự mài mòn của nhiều lần sử dụng (khuôn thép được sử dụng để ép phun có thể chịu được một triệu lần vật liệu trở lên) và có khả năng chịu nhiệt độ cao.
Một ứng dụng phổ biến của thép công cụ là ép phun, được gia công bằng thép cứng CNC để tạo ra các bộ phận sản xuất chất lượng cao nhất.Thép H13 thường được lựa chọn vì tính năng mỏi nhiệt tốt - độ bền và độ cứng của nó có thể chịu được nhiệt độ khắc nghiệt trong thời gian dài.Khuôn H13 rất thích hợp cho các vật liệu đúc phun tiên tiến có nhiệt độ nóng chảy cao, vì nó cung cấp tuổi thọ khuôn lâu hơn các loại thép khác - 500000 đến 1 triệu lần.Đồng thời, S136 là thép không gỉ, và tuổi thọ khuôn vượt quá một triệu lần.Vật liệu này có thể được đánh bóng ở cấp độ cao nhất và được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt của các bộ phận yêu cầu độ rõ ràng quang học cao.
Xử lý thép
Một số đặc tính hữu ích nhất của thép đến từ các bước xử lý và gia công bổ sung.Các phương pháp này có thể được tiến hành trước khi gia công để thay đổi tính chất của thép và giúp thép dễ gia công hơn.Hãy nhớ rằng vật liệu làm cứng trước khi gia công sẽ kéo dài thời gian gia công và tăng độ mòn của dụng cụ, nhưng thép có thể được xử lý sau khi gia công để tăng cường độ hoặc độ cứng của thành phẩm.Điều đó có nghĩa là, điều quan trọng là phải lường trước bất kỳ phương pháp điều trị theo kế hoạch nào mà bạn cần áp dụng để đạt được các đặc tính cần thiết cho các bộ phận của mình.
xử lý nhiệt
Xử lý nhiệt đề cập đến một số quá trình khác nhau liên quan đến việc điều chỉnh nhiệt độ của thép để thay đổi tính chất vật liệu của nó.Một ví dụ là quá trình ủ, được sử dụng để giảm độ cứng và tăng độ dẻo, làm cho thép dễ gia công hơn.Quá trình ủ từ từ làm nóng thép đến nhiệt độ mong muốn và giữ nó trong một khoảng thời gian.Thời gian và nhiệt độ cần thiết phụ thuộc vào hợp kim cụ thể và giảm khi hàm lượng cacbon tăng dần.Cuối cùng, kim loại được làm nguội từ từ trong lò hoặc được bao quanh bởi vật liệu cách nhiệt.
Xử lý nhiệt bình thường có thể loại bỏ ứng suất bên trong thép trong khi vẫn duy trì độ bền và độ cứng cao hơn thép được ủ.Trong quá trình thường hóa, thép được nung ở nhiệt độ cao và sau đó được làm nguội bằng không khí để có được độ cứng cao hơn.
Thép làm nguội là một quá trình xử lý nhiệt khác.Bạn đoán xem, nó làm cứng thép.Nó cũng làm tăng sức mạnh, nhưng cũng làm cho vật liệu trở nên giòn hơn.Quá trình làm cứng bao gồm làm nóng từ từ thép, ngâm ở nhiệt độ cao, sau đó làm nguội nhanh thép trong nước, dầu hoặc dung dịch nước muối.
Cuối cùng, quy trình xử lý nhiệt luyện được áp dụng để giảm độ giòn của thép tôi.Thép tôi luyện gần giống với việc thường hóa: từ từ làm nóng nó đến nhiệt độ đã chọn, và sau đó làm nguội thép trong không khí.Điểm khác biệt là nhiệt độ tôi luyện thấp hơn các quy trình khác, điều này làm giảm độ giòn và độ cứng của thép tôi luyện.
Kết tủa đông cứng
Làm cứng kết tủa cải thiện độ bền chảy của thép.Một số loại thép không gỉ có thể chứa các giá trị pH trong tên của chúng, có nghĩa là chúng có đặc điểm đông cứng kết tủa.Sự khác biệt chính giữa thép làm cứng kết tủa là chúng chứa các nguyên tố bổ sung: đồng, nhôm, phốt pho hoặc titan.Có nhiều hợp kim khác nhau.Để kích hoạt tính chất làm cứng kết tủa, thép được tạo thành hình dạng cuối cùng và sau đó được xử lý làm cứng theo tuổi.Quá trình làm cứng lão hóa làm nóng vật liệu trong một thời gian dài để kết tủa các nguyên tố được thêm vào và tạo thành các hạt rắn với các kích thước khác nhau, do đó cải thiện độ bền của vật liệu.
17-4PH (còn được gọi là thép 630) là một ví dụ phổ biến về cấp độ cứng kết tủa của thép không gỉ.Hợp kim này chứa 17% crom và 4% niken, và 4% đồng, góp phần làm cứng kết tủa.Do tăng độ cứng, độ bền và khả năng chống ăn mòn cao, 17-4PH được sử dụng cho các bệ HELIDECK, cánh tuabin và thùng phuy chất thải hạt nhân.
Làm việc lạnh
Các đặc tính của thép cũng có thể bị thay đổi mà không cần tác động một lượng nhiệt lớn.Ví dụ, thép gia công nguội được làm cứng hơn nhờ quá trình gia công cứng.Quá trình làm cứng xảy ra khi kim loại bị biến dạng dẻo.Điều này có thể đạt được bằng cách dùng búa, cán hoặc kéo kim loại.Trong quá trình gia công, nếu dụng cụ hoặc phôi bị quá nhiệt, hiện tượng cứng phôi cũng có thể vô tình xảy ra.Gia công nguội cũng có thể cải thiện khả năng gia công của thép.Thép cacbon thấp rất thích hợp để gia công nguội.
Các lưu ý khi thiết kế kết cấu thép
Khi thiết kế các bộ phận bằng thép, điều quan trọng là phải nhớ các đặc tính riêng biệt của vật liệu.Làm cho nó phù hợp với các đặc điểm của ứng dụng của bạn có thể yêu cầu xem xét thêm về thiết kế chế tạo (DFM).
Do độ cứng của vật liệu, quá trình xử lý thép mất nhiều thời gian hơn so với các vật liệu mềm khác như nhôm hoặc đồng thau.Bạn cần sử dụng các cài đặt máy chính xác để tối ưu hóa chất lượng gia công và giảm thiểu mài mòn dụng cụ.Trên thực tế, điều này có nghĩa là tốc độ trục chính và tốc độ tiến dao chậm hơn để bảo vệ các bộ phận và khuôn của bạn.
Ngay cả khi bạn không tự gia công, bạn vẫn nên đánh giá loại thép phù hợp với công trình của mình, không chỉ về độ cứng, độ bền mà còn cả sự khác biệt về khả năng gia công.Ví dụ, thời gian xử lý của thép không gỉ là khoảng gấp đôi so với thép cacbon.Khi quyết định các cấp khác nhau, bạn cũng nên xem xét đặc tính nào là ưu tiên cao nhất và hợp kim thép nào dễ lấy.Các loại được sử dụng phổ biến, chẳng hạn như thép không gỉ 304 hoặc 316, có nhiều loại kích thước cổ phiếu hơn để lựa chọn và yêu cầu ít thời gian hơn để tìm và mua.
