Giải thích về thép hợp kim rèn, ST 37, vòng rèn và độ cứng không gỉ 416

Thép hợp kim rèn là gì

Thép hợp kim rèn là thép đã được định hình thông qua việc áp dụng lực nén - thổi búa hoặc ép khuôn - ở nhiệt độ cao và thành phần của nó bao gồm việc bổ sung có chủ ý các nguyên tố hợp kim ngoài công thức sắt-cacbon cơ bản. Các chất bổ sung hợp kim phổ biến bao gồm crom, molypden, niken, vanadi và mangan, mỗi loại góp phần cải thiện cụ thể các tính chất cơ học như độ bền, độ dẻo dai, độ cứng, khả năng chống mài mòn hoặc chống ăn mòn.

Bản thân quá trình rèn cũng quan trọng như hóa học hợp kim. Khi thép nung nóng được gia công dưới lực nén, cấu trúc hạt đúc - chứa các lỗ rỗng, sự phân chia đuôi gai và các tạp chất được sắp xếp theo hướng ngẫu nhiên - sẽ bị phá vỡ và tinh chế. Các hạt kết tinh lại thành một cấu trúc mịn hơn, đồng đều hơn và các đường dòng vật liệu (còn gọi là dòng hạt) thẳng hàng với hình dạng của vật rèn. Cấu trúc hạt định hướng này là ưu điểm cơ học chính của thép hợp kim rèn so với các loại thép đúc hoặc gia công từ thanh tương đương : các bộ phận được rèn chống lại hiện tượng nứt do mỏi, tải trọng va đập và ứng suất ở các hướng có tải trọng sử dụng cao nhất.

Thép hợp kim rèn bao gồm nhiều loại vật liệu. Các loại thép hợp kim thấp như AISI 4140 (crom-molypden) và AISI 4340 (niken-crom-molypden) là những loại thép đặc trưng trong các ứng dụng ô tô, dầu khí và máy móc hạng nặng. Thép công cụ hợp kim cao hơn, thép khuôn và các loại không gỉ cũng được sản xuất dưới dạng vật rèn khi ứng dụng yêu cầu tính toàn vẹn về cấu trúc vi mô mà việc đúc đơn thuần không thể cung cấp một cách đáng tin cậy.

Thép ST 37 là gì

ST 37 là tên gọi thép kết cấu theo hệ thống tiêu chuẩn DIN trước đây của Đức, trong đó "ST" biểu thị thép kết cấu và "37" biểu thị độ bền kéo tối thiểu của 370 MPa . Loại này tương đương với S235 theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 10025 hiện hành và có thể so sánh rộng rãi với ASTM A36 trong hệ thống của Hoa Kỳ, mặc dù mức độ tương đương chính xác phụ thuộc vào loại phụ cụ thể và điều kiện xử lý nhiệt.

ST 37 là loại thép kết cấu không có hàm lượng carbon thấp. Hàm lượng carbon điển hình của nó là dưới 0,17%, mang lại khả năng hàn và định hình tốt nhưng hạn chế độ bền của nó so với các loại hợp kim hoặc được xử lý nhiệt. Sức mạnh năng suất thường là khoảng 235 MPa và độ giãn dài khi đứt khoảng 26%, phản ánh vật liệu được tối ưu hóa về độ dẻo và dễ chế tạo hơn là khả năng chịu tải tối đa.

Các ứng dụng của ST 37 / S235 chủ yếu trong chế tạo kết cấu chung: khung xây dựng, cầu, kết cấu hỗ trợ, bệ máy và các bộ phận kỹ thuật chung trong đó tải trọng vừa phải và khả năng hàn được ưu tiên. Nó không phải là thép cứng và thường không được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mỏi cao hoặc độ cứng bề mặt. Khi cần cường độ cao hơn, nó được thay thế bằng S355 (trước đây là ST 52) hoặc bằng các loại hợp kim như 4140.

Nhẫn thép rèn : Quy trình, loại và ứng dụng

Vòng thép rèn là các bộ phận hình khuyên được sản xuất thông qua cán vòng - một quy trình rèn chuyên dụng trong đó phôi thép được gia nhiệt, xuyên thủng được đặt trên trục gá và cuộn dần dần giữa trục gá và cuộn dẫn động, giảm độ dày thành và tăng đường kính trong khi vẫn duy trì mặt cắt ngang được kiểm soát. Quá trình này có thể tạo ra các vòng từ vài cm đến hơn đường kính 9 mét , tùy thuộc vào công suất thiết bị.

Quá trình cán vòng tạo ra dòng hạt liên tục theo chu vi theo hình dạng của vòng. Định hướng này rất quan trọng đối với hiệu suất: ứng suất trong máy quay, bình chịu áp lực và ổ trục hoạt động theo chu vi và cấu trúc hạt thẳng hàng chống lại các ứng suất này hiệu quả hơn so với vòng cắt từ tấm hoặc thanh, trong đó dòng hạt chạy theo hướng tuyến tính cố định không liên quan đến hình dạng bộ phận.

Các loại nhẫn thép rèn

Nhẫn rèn được sản xuất theo hai loại mặt cắt ngang chính:

• Vòng phẳng (mặt cắt hình chữ nhật): Loại phổ biến nhất, được sử dụng làm mặt bích, phôi bánh răng, vòng bi và vòng kết cấu. Sau khi cán vòng, các vòng phẳng thường được xử lý nhiệt và sau đó được gia công theo kích thước cuối cùng.
• Vòng cán theo đường viền (mặt cắt ngang định hình): Được sản xuất bằng cách sử dụng các trục gá định hình và các cuộn hướng trục để tạo ra một biên dạng gần như hình lưới - mặt bích, bậc, rãnh hoặc côn - trong chính quá trình cán. Cán theo đường viền giúp giảm số lượng gia công cần thiết, giảm thiểu lãng phí vật liệu và có thể cải thiện dòng hạt qua phần quan trọng của biên dạng.

Các loại thép phổ biến cho nhẫn rèn

Việc lựa chọn vật liệu cho vòng thép rèn phụ thuộc vào môi trường vận hành và các yêu cầu cơ học:

• Thép cacbon (AISI 1045, 1020): Được sử dụng cho các mặt bích và vòng kết cấu đa năng không yêu cầu hàm lượng hợp kim cao.
• Thép hợp kim (AISI 4140, 4340, 8620): Các lựa chọn tiêu chuẩn cho các vòng chịu ứng suất cao, tải trọng mỏi hoặc yêu cầu tôi cứng hoàn toàn. Phổ biến trong các thiết bị dầu khí, khai thác mỏ và phát điện.
• Thép không gỉ (304, 316, 17-4 PH): Được sử dụng ở những nơi cần chống ăn mòn - thiết bị xử lý hóa chất, ngoài khơi, thực phẩm và dược phẩm.
• Thép dụng cụ và thép chịu lực (52100, H13): Được sản xuất dưới dạng vòng rèn cho các vòng bi, bộ phận khuôn và các ứng dụng có độ mài mòn cao yêu cầu cấu hình độ cứng cụ thể.

Nơi sử dụng vòng thép rèn

Các vòng thép rèn xuất hiện trong hầu hết mọi lĩnh vực công nghiệp nặng, nơi cần có các bộ phận hình khuyên quay, chịu áp lực hoặc chịu tải. Các lĩnh vực ứng dụng chính bao gồm:

• Tua bin gió: Mặt bích tháp, mặt bích trục chính và các vòng ổ trục nghiêng và nghiêng. Một tuabin gió lớn có thể chứa hơn 20 mặt bích vòng rèn. Yêu cầu về tuổi thọ mỏi của các bộ phận này - được thiết kế cho 20 năm chịu tải theo chu kỳ - làm cho vật liệu rèn trở thành thông số kỹ thuật tiêu chuẩn.
• Dầu khí: Mặt bích đầu giếng, vòi phun bình áp lực, vòng nối dưới biển và mặt bích đường ống. Xếp hạng áp suất và độ bền vật liệu ở nhiệt độ thấp (đối với các ứng dụng ở Bắc cực hoặc nước sâu) thúc đẩy việc lựa chọn các bộ phận rèn trên đúc.
• Hàng không vũ trụ: Vỏ động cơ, vòng tuabin và khung kết cấu. Các vòng siêu hợp kim titan và niken cũng được cuộn vòng cho các bộ phận chịu nhiệt của động cơ phản lực, tuân theo các nguyên tắc xử lý tương tự như thép.
• Khai thác mỏ và máy móc hạng nặng: Khoảng trống vòng xoay, bộ phận máy nghiền và khoảng trống bánh răng lớn cho máy xúc và máy nghiền.
• Năng lượng hạt nhân: Các vòng bình chịu áp của lò phản ứng và các bộ phận của máy tạo hơi nước, trong đó việc truy xuất nguồn gốc vật liệu, thử nghiệm không phá hủy và quy trình rèn có kiểm soát là bắt buộc.

Độ cứng của thép không gỉ 416: Tính chất và những cân nhắc thực tế

AISI 416 là thép không gỉ martensitic gia công tự do - loại dễ gia công nhất trong tất cả các loại không gỉ - đạt được thông qua việc bổ sung lưu huỳnh (tối thiểu 0,15%) vào thành phần martensitic crom 12–13% tiêu chuẩn. Lưu huỳnh tạo thành các tạp chất mangan sulfua hoạt động như bộ phận ngắt phoi trong quá trình gia công, giảm đáng kể độ mài mòn của dụng cụ và thời gian chu kỳ so với các loại như 410 hoặc 420. Sự đánh đổi là khả năng chống ăn mòn giảm và độ bền thấp hơn một chút so với các loại martensitic không chứa lưu huỳnh.

Độ cứng trong điều kiện ủ

Ở điều kiện ủ (làm mềm), thép không gỉ 416 có độ cứng Brinell điển hình là 185–200 HB , độ bền kéo khoảng 515 MPa và cường độ chảy khoảng 275 MPa. Đây là điều kiện trong đó vật liệu được cung cấp và gia công phổ biến nhất - việc bổ sung lưu huỳnh giúp vật liệu được cắt tự do ở trạng thái ủ và hầu hết các bộ phận chính xác đều được gia công trước khi áp dụng bất kỳ phương pháp xử lý nhiệt nào.

Độ cứng sau khi xử lý nhiệt

Thép không gỉ 416 là loại có độ cứng cao. Thông qua quá trình austenit hóa ở 925–1.010°C, sau đó làm nguội bằng dầu và ủ, vật liệu có thể được nâng lên mức độ cứng cao hơn đáng kể:

• Điều kiện tương đương H900 (nhiệt độ ủ thấp, ~175°C): Đạt được độ cứng lên tới 38–42 HRC (khoảng 370–400 HB), độ bền kéo trên 1.200 MPa.
• Ủ ở mức trung bình (400–500°C): Độ cứng khoảng 28–35 HRC , với độ dẻo dai được cải thiện và khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với điều kiện có độ cứng cao.
• Nhiệt độ ủ cao (600–650°C): Độ cứng giảm xuống 22–26 HRC , tối đa hóa độ dẻo và độ dẻo dai với cái giá phải trả là sức mạnh. Được sử dụng khi khả năng chống va đập quan trọng hơn độ cứng.

Việc lựa chọn nhiệt độ ủ là rất quan trọng vì 416, giống như tất cả các loại thép không gỉ martensitic, dễ bị giòn trong khoảng 425–595°C. Quá trình ủ trong cửa sổ này tạo ra vật liệu có độ bền va đập kém mặc dù chỉ số độ cứng có thể chấp nhận được. Phạm vi này nên tránh ; ủ ở nhiệt độ dưới 200°C hoặc trên 600°C tạo ra hiệu suất cơ học tổng thể tốt hơn.

Ứng dụng tiêu biểu của thép không gỉ 416

Sự kết hợp giữa khả năng gia công và độ cứng làm cho thép không gỉ 416 trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho các bộ phận được gia công chính xác, khối lượng lớn, yêu cầu khả năng chống ăn mòn vừa phải và mức độ cứng xác định sau khi xử lý nhiệt:

• Thành phần súng: Nhóm kích hoạt, bu lông và các bộ phận hoạt động đòi hỏi độ chính xác về kích thước, độ cứng và khả năng chống ăn mòn đồng thời và khối lượng gia công cao.
• Vít, đai ốc và bu lông: Chốt yêu cầu khả năng chống ăn mòn ngoài thép cacbon nhưng được sản xuất trên máy trục vít tự động, nơi khả năng gia công được tăng cường bằng lưu huỳnh mang lại hiệu quả sản xuất.
• Trục bơm và thân van: Các ứng dụng yêu cầu độ cứng bề mặt, độ chính xác về kích thước và khả năng chống chịu vừa phải với môi trường ăn mòn nhẹ.
• Bánh răng và ống lót: Khi cần khả năng chống mài mòn và độ cứng trong môi trường không đủ khắc nghiệt để yêu cầu các loại chống ăn mòn cao hơn như 316 hoặc thép không gỉ song công.

Một hạn chế quan trọng: việc bổ sung lưu huỳnh của 416 làm giảm khả năng chống ăn mòn của nó so với các loại martensitic không gia công tự do. Nó không nên được chỉ định để tiếp xúc với môi trường chứa clorua, axit hoặc ngâm lâu trong nước mà không có lớp phủ bảo vệ. Khi cần khả năng chống ăn mòn cao hơn ở loại không gỉ gia công tự do, 303 (austenit) là giải pháp thay thế phổ biến - mặc dù nó không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt.