Tìm hiểu về thép, phân loại và tính chất của vật liệu thép trong cơ khí

Thép là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong gia công cơ khí nhờ độ bền cao, tính dẻo tốt và khả năng gia công linh hoạt. Tuy nhiên, không phải loại thép nào cũng có tính chất giống nhau. Việc hiểu rõ cách phân loại và đặc tính cơ lý của từng nhóm thép sẽ giúp kỹ sư và thợ máy lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu quy trình gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ dao cụ. Bài viết dưới đây Đức Phong sẽ giúp bạn nắm rõ phân loại và tính chất của vật liệu thép trong gia công cơ khí một cách hệ thống và dễ hiểu.

Khái niệm về thép

Thép là hợp kim có thành phần chính là sắt (FE) và Carbon (C) có hàm lượng từ 0.02% - 2.14% tùy theo trọng lượng, cùng với hàm lượng nhỏ một số các nguyên tố khác như Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu… Với mục đích để tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của các nguyên nhân khác nhau.

Hàm lượng và tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong thép được kiểm soát chặt chẽ nhằm đáp ứng các yêu cầu về độ cứng, độ đàn hồi, tính dẻo, khả năng uốn và độ bền kéo đứt. Chính sự khác biệt về thành phần hóa học này tạo nên các nhóm thép với tính chất cơ lý khác nhau, phù hợp cho từng mục đích gia công cụ thể.

Nhìn chung, những tính chất quan trọng nhất của thép trong gia công cơ khí bao gồm khả năng biến dạng tốt, độ bền cao, độ bền kéo vượt trội và khả năng dẫn nhiệt hiệu quả. Nhờ đó, thép dễ gia công, chịu tải tốt và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất chi tiết máy, kết cấu cơ khí và khuôn mẫu.

Đối với thép không gỉ (inox), đặc tính nổi bật và quan trọng nhất là khả năng chống ăn mòn vượt trội, giúp vật liệu duy trì độ bền và tính thẩm mỹ trong môi trường ẩm, hóa chất hoặc điều kiện làm việc khắc nghiệt. Đây cũng là lý do inox được ưu tiên sử dụng trong các ngành cơ khí chính xác, thực phẩm, y tế và hóa chất.

>> Xem thêm các loại vật liệu cơ khí khác qua bài viết: Vật liệu cơ khí là gì? Tính chất và các loại vật liệu cơ khí phổ biến

Các loại thép trong cơ khí và tính chất của từng loại

Dựa vào tính chất, thành phần cấu tạo của các nguyên tố mà thép được chia thành 2 nhóm thép chính là: thép carbon và thép hợp kim, chi tiết từng nhóm:

1. Nhóm thép carbon

Thép carbon là loại thép phổ biến, chúng chiếm 90% sản lượng thép toàn cầu. Thành phần hóa học trong thép carbon ngoài sắt và carbon thì còn một số nguyên tố khác gọi là các tạp chất trong thành phần của thép như Mn, Si, P, S… Tùy theo phần trăm cacbon trong thép mà thép cacbon được chia thành 4 nhóm: Thép carbon thấp, thép carbon trung bình, thép carbon tương tối, thép carbon cao.

Loại thép cacbon	Hàm lượng C	Đặc điểm cơ lý chính	Đặc trưng sử dụng
Thép cacbon thấp	≤ 0,25%	Độ dẻo và độ dai tốt, dễ uốn và dễ gia công, nhưng độ bền và độ cứng thấp	Chi tiết chịu tải nhẹ, kết cấu hàn, chi tiết cần biến dạng
Thép cacbon trung bình	0,3% – 0,5%	Chịu tải trọng tĩnh tốt, khả năng chịu va đập cao, cân bằng giữa độ bền và độ dẻo	Trục, bánh răng, chi tiết máy chịu lực
Thép cacbon tương đối cao	0,55% – 0,65%	Tính đàn hồi cao, độ bền lớn, khả năng chịu mài mòn khá	Lò xo, chi tiết đàn hồi, chi tiết chịu tải trung bình – cao
Thép cacbon cao	> 0,7%	Độ cứng và độ bền rất cao, chịu mài mòn tốt, nhưng giòn hơn	Dao cụ, khuôn dập, chi tiết chịu mài mòn

2. Nhóm thép hợp kim

Đối với loại thép hợp kim, ngoài sắt, cacbon và các tạp chất như trên thì người ta còn đưa thêm vào các nguyên tố đặc biệt (như Cr, Ni, Mn, W, V, Mo, Ti, Cu, Ta, B, N….)  với một hàm lượng nhất định để làm thay đổi tính chất của thép phù hợp với yêu cầu sử dụng.

Dựa vào thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép thì thép hợp kim được chia thành 3 loại:

Loại thép hợp kim	Hàm lượng nguyên tố hợp kim	Đặc điểm chính
Thép hợp kim thấp	≤ 2,5%	Dễ gia công, cơ tính cải thiện nhẹ so với thép cacbon
Thép hợp kim trung bình	2,5 – 10%	Cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và khả năng chịu tải
Thép hợp kim cao	≥ 10%	Độ cứng cao, chịu nhiệt, chống mài mòn và ăn mòn tốt

Phân loại theo các nguyên tố hợp kim chúng ta có các loại như thép có chứa hàm lượng silic gọi là thép silic, thép có hàm lượng phốt pho gọi là thép phốt pho, thép có hàm lượng crom gọi là thép crom,….

Phân loại thép hợp kim theo công dụng thì chúng ta có:

• Thép hợp kim kết cấu: là loại thép có chứa khoảng 0,1 – 0,85% cacbon và hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp. Thép có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt và khả năng chịu tải trọng lớn. Môt số mác thép C20, C45, C65 …
• Thép hợp kim dụng cụ: có độ chống mài mòn, độ cứng cao sau khi được nhiệt luyện. Hàm lượng cacbon trong thép hợp kim dụng cụ khoảng 0,7 – 1,4%, hàm lượng tạp chất lưu huỳnh và phốt pho không đáng kể (<0,025%). Một số mác thép CD70, CD80, CD100
• Thép gió: loại thép này có các thành phần nguyên tố sắt, cacbon, vonfram, coban,.. có độ cứng, độ bền cao, chống chịu mài mòn tốt và chịu nhiệt lên đến 650O C. Thép gió được ứng dụng nhiều để làm các dụng cụ cắt gọt hay các chi tiết máy phức tạp. Một số mác thép 90W9V2, 75W18V, 140W9V5, 90W18V2.
• Thép không gỉ (Inox): là loại thép có khả năng chống ăn mòn cực tốt với hàm lượng crom khá cao (> 12%), thép không gỉ được chia thành 4 loại chính gồm austenit, ferit, austenit-ferit, mactenxit. Một số mác thép inox 304, 304H, 304L, 316, 201…

Các ứng dụng của thép trong ngành cơ khí

Thép được ứng dụng rất phổ biến trong cơ khí, nhờ những đặc tính riêng, vật liệu này đáp ứng cho nhiều yêu cầu khác nhau trong thực tế. Một số ứng dụng của thép như:

Chế tạo chi tiết cho máy móc cơ khí

Những loại thép có độ dẻo dai cao, độ bền tốt, khả năng chịu tải trọng lớn và chống mài mòn hiệu quả thường được ưu tiên sử dụng trong chế tạo chi tiết máy cơ khí. Nhờ các đặc tính cơ học ổn định, nhóm vật liệu này đặc biệt phù hợp để gia công các chi tiết quan trọng như trục máy, trục vít, trục cán, bánh răng và các bộ phận truyền động. Một số mác thép phổ biến trong chế tạo máy có thể kể đến như SS400; thép 45C, S45C, C45 PHI 3; thép SNCM439 của Nippon Steel; thép hợp kim 40X; thép cacbon trung bình và cao như 55C, S55C. Các mác thép này được ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí chế tạo nhờ khả năng đáp ứng tốt yêu cầu về độ bền, tuổi thọ và độ tin cậy của chi tiết máy trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Dụng cụ cơ khí

Thép gió được sử dụng phổ biến để chế tạo các dụng cụ cắt gọt, công cụ tháo lắp như các mũi khoan, dao phay, dao tiện, ... Và các loại dụn cụ cầm tay như: mỏ lết, cờ lê, tuốc nơ vít,… Bởi đặc tính của thép gió tính dẻo dai và chống mài mòn tốt, giúp tối ưu gia công, và tăng tuổi thọ dụng cụ. Một số mác thép như M42, SKH59; SKH51 SKH55 / M35 STEEL, SKH55, M35; M42, SKH59…

Thép được ứng dụng để làm lõi khuôn

Thép là vật liệu phổ biến dùng làm lõi khuôn trong ngành gia công cơ khí. Tuy nhiên, tùy theo loại khuôn như khuôn nhựa, khuôn dập nóng hay khuôn dập nguội, yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc khác nhau mà mác thép sử dụng cũng hoàn toàn khác nhau.

Thép dùng làm khuôn nhựa thường yêu cầu khả năng chống gỉ cao, dễ gia công, chống mài mòn tốt và khả năng đánh bóng bề mặt khuôn vượt trội. Một số mác thép phổ biến gồm FDAC, G-STAR hoặc HPM77, HPM-MAGIC, STAVAX hoặc STAR, thép 2083, NAK80 hoặc CENA1. Các loại thép này có độ cứng đồng nhất, tuổi thọ khuôn cao và chi phí bảo trì thấp, rất phù hợp cho khuôn ép nhựa yêu cầu độ chính xác và bề mặt sản phẩm đẹp.

Thép dùng làm khuôn dập nóng cần đáp ứng yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao và tải trọng lớn, do đó phải có độ dai va đập tốt, độ bền nhiệt cao và khả năng biến dạng thấp sau nhiệt luyện. Những mác thép thường được sử dụng gồm SKD61 của Hitachi, SKD62, FDAC, SKD61 cải tiến DAC55, SKT4. Nhóm thép này có khả năng gia công cơ khí tốt, giúp nâng cao độ ổn định và tuổi thọ khuôn trong quá trình dập nóng.

Thép dùng làm khuôn dập nguội đòi hỏi độ cứng cao, khả năng chống mài mòn vượt trội và độ thấm tôi tốt để chịu được ma sát lớn trong quá trình làm việc. Các mác thép tiêu biểu gồm SKD11 của Nippon Steel, SKD11 Hitachi, SLD-MAGIC. Đây là những loại thép dễ gia công, ổn định kích thước và phù hợp cho các khuôn cắt, khuôn đột, khuôn dập nguội có độ chính xác cao.

>> Tìm hiểu về khuôn dập

Trên đây, Thiết Bị Cơ Khí Đức Phong đã chia sẻ đến bạn những thông tin tổng quan và chi tiết về vật liệu thép trong gia công cơ khí, bao gồm phân loại thép, thành phần hợp kim và các tính chất cơ lý quan trọng. Hy vọng nội dung này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về đặc điểm từng loại thép, từ đó lựa chọn vật liệu phù hợp với yêu cầu gia công, chế tạo chi tiết máy và khuôn mẫu, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.