Thép cacbon là gì? Sự khác nhau giữa thép cacbon và thép hợp kim

    Thép cacbon (carbon steel) là loại thép mà thành phần hợp kim chủ yếu chỉ gồm sắt (Fe) và cacbon (C), trong đó hàm lượng cacbon thường dao động từ 0,02% đến khoảng 2,1%. Ngoài cacbon ra, thép cacbon cũng có thể chứa một lượng rất nhỏ các nguyên tố khác như mangan (Mn), silic (Si), lưu huỳnh (S) và phospho (P), nhưng chúng không đóng vai trò chính trong việc tạo hợp kim.

Thép hợp kim là gì?

    Thép hợp kim là thép với thành phần chính là sắt và cacbon được nấu pha trộn với các nguyên tố hóa học khác (đồng, mangan, niken,…) với tổng hợp nguyên tố thêm vào khoảng từ 1,0% đến 50% tổng khối lượng hỗn hợp để cải thiện chất lượng thép thành phẩm như độ đàn hồi, tính dễ uốn, sức bền và khả năng chống oxy hóa.

Các nguyên tố hợp kim phổ biến

• Mangan: Lý do chính để thêm mangan là để tinh chỉnh các yêu cầu xử lý nhiệt. Thông thường, thép sẽ cần được làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ rất thấp để cứng lại. Điều khó khăn là thời gian dập tắt càng nhanh thì càng có nhiều nguy cơ bị nứt. Trong khi đó, Mangan cho phép tốc độ làm lạnh chậm hơn, giảm nguy cơ bị nứt.
• Chromium: Thép với hàm lượng crom trên 11% gọi là thép không gỉ. Việc thêm crom vào làm tăng tính chống mài mòn của thép. Nó cũng ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính khác của kim loại như độ bền, độ cứng và nhiệt luyện.
• Molypden : Giúp tăng độ cứng, độ dẻo ở nhiệt độ cao, cải thiện khả năng gia công và khả năng chống ăn mòn, tăng cường ảnh hưởng của các yếu tố hợp kim khác.
• Vanadium: Tăng độ cứng, chống mài mòn, chống va đập. Kìm hãm sự phát triển các hạt kim loại, cho phép nhiệt độ dập tắt cao hơn.

Hiện nay, thép hợp kim được phân chia thành hai loại:

• Thép hợp kim cao : Loại thép có các nguyên tố hợp kim đưa vào lớn hơn 10% khối lượng thép tạo ra
• Thép hợp kim thấp: Thông thường bao gồm các nguyên tố crom, silic,mangan,… được thêm vào để tạo ra thép hợp kim thấp. Hàm lượng của các nguyên tố này không vượt quá 10%. Thép hợp kim thấp chính là loại thép thông dụng được sử dụng nhiều nhất trên thị trường hiện nay.

Thép cacbon thấp: %C dưới 0.25%, có đặc tính dẻo, dai nhưng độ bền và độ cứng thấp. Tên gọi khác của loại này là thép nhẹ. Thép cacbon thấp thường không được xử lý nhiệt trước khi sử dụng, mà được cán thành thép góc, thép kênh, ống thép, thép tấm,…

Phân loại thép cacbon

Một số loại thép cacbon thấp bao gồm:

• Theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM: A36, SAE AISI 1008/1012/1015/1018/1022,…
• Theo tiêu chuẩn châu Âu EN: S185, S235, S275, S355,…
• Theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB: Q195, Q215, Q235, Q275,…
• Theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS: SS400,…

Thép cacbon trung bình: %C từ 0.25% (hoặc 0.29%) – 0.6%. Loại thép này có hiệu suất gia công nhiệt và cắt tốt, nhưng hiệu suất hàn kém. Độ bền và độ cứng cao hơn thép cacbon thấp nhưng độ dẻo và độ cứng lại thấp hơn. Người ta có thể sử dụng trực tiếp hoặc xử lý nhiệt trước khi dùng thép. Thép cacbon trung bình sau khi tôi luyện có tính chất cơ học toàn diện tốt. 

Thép cacbon trung bình điển hình bao gồm:

• Theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM: SAE AISI 1030, 1034, 1035, 1038,…
• Theo tiêu chuẩn châu Âu EN: C35, C40, C45, C55, C60,…
• Theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB: 35#, 40#, 45#, 50#,…

Thép cacbon cao: %C từ 0.6% – 1.7% (tối đa 2%). Thép có độ bền và độ cứng cao. Nhưng so với thép cacbon thấp và thép cacbon trung bình, khả năng hàn và biến dạng dẻo nguội của nó là kém nhất.

Thép cacbon cao điển hình bao gồm: 

• Theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM: SAE AISI 1059, 1060, 1065, 1070, 1075,…
• Theo tiêu chuẩn châu Âu EN: C62D, C66D, C68D, C70D, C72D, C80D,…
• Theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB: 65#, 65Mn, 70#, 70Mn,…

Phân loại theo công dụng

Trong lĩnh vực đúc và gia công cơ khí, hình thức phân loại này là phổ biến và có ý nghĩa nhất. Cách phân loại này giúp người thợ biết cách sử dụng thép một cách hợp lý khi cần chế tạo sản phẩm từ thép.

Thép cacbon thường (Thép cacbon thông  dụng): được chia thành 3 nhóm A, B, C. Nhóm A được đánh giá bằng các tiêu chí cơ tính: độ bền, độ dẻo, độ cứng,… Nhóm B dựa trên thành phần hóa học. Nhóm C đặc trưng bằng cả 2 tiêu chí cơ tính và thành phần hóa học.

• Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN: Ký hiệu 2 chữ CT, số sau CT chỉ giới hạn bền tối thiểu. Ví dụ CT38. Với nhóm B, C được quy ước thêm vào đằng trước chữ CT chữ cái B hay C để phân biệt. Ví dụ như BCT31, CCT31.
• Theo tiêu chuẩn Nga: Ký hiệu là  CTx, trong đó x là số từ 0 đến 6 chỉ cấp độ bền.
• Theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM: Ký hiệu theo các số 42, 50, 60, 65,…
• Theo tiêu chuẩn JIS: Ký hiệu SSxxx, SMxxx hay xxx. Ví dụ SS400,…

Thép cacbon kết cấu: có chất lượng cao hơn nhóm thép phía trên do hàm lượng cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng. 

• Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN, ký hiệu thép cacbon kết cấu là chữ C, sau chữ C là chỉ số chỉ hàm lượng cacbon trong thép theo phần vạn. Ví dụ như C45 có 0.45%C.
• Theo tiêu chuẩn Nga: Ký hiệu xx. Trong đó xx là chỉ số phần vạn C. Ví dụ mác thép 40 có 0.4%C.
• Theo tiêu chuẩn Mỹ (AISI, SAE): Ký hiệu 10xx. Trong đó xx là chỉ số phần vạn C. Ví dụ mác thép 1045 có 0.45%C.
• Theo tiêu chuẩn Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC. Trong đó xx là chỉ số phần vạn C. Ví dụ S45C có 0.45%C.

Thép cacbon dụng cụ: loại thép có hàm lượng cacbon cao (0.7% – 1.45), hàm lượng tạp chất S và P thấp (< 0.025%). Thép tuy có độ cứng cao khi nhiệt luyện nhưng khả năng chịu nhiệt thấp. 

• Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): Ký hiệu là chữ CD, sau chữ CD là chỉ số hàm lượng cacbon của thép theo phần vạn. Ví dụ CD70, CD80,…
• Theo tiêu chuẩn Nga: Ký hiệu Yxx. Trong đó xx là chỉ số phần nghìn C. Ví dụ mác thép Y12 có 1,2%C.
• Theo tiêu chuẩn Mỹ (AISI): Ký hiệu Wxxx. Trong đó xxx là số thứ tự. Ví dụ W110.
• Theo tiêu chuẩn Nhật (JIS): Ký hiệu SKx. Trong đó x là số thứ tự từ 1 đến 7.

Đặc tính thép hợp kim

• Về cơ tính: Thép hợp kim nói chung có độ bền cao hơn hẳn so với thép carbon. Điều này thệ hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi và ram
• Về tính chịu nhiệt : Thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ hơn 200 độ C. 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…

Ứng dụng của thép cacbon trong thực tế

Ứng Dụng Thép Cacbon Thấp

• Xây dựng: Làm khung nhà, cốt thép, giàn giáo, ống dẫn.
• Cơ khí dân dụng: Tấm thép, ống thép, bu lông, đai ốc.
• Ngành ô tô: Vỏ xe, thân xe, các bộ phận không chịu lực lớn.

Ứng Dụng Thép Cacbon Trung Bình

• Chế tạo máy: Bánh răng, trục, lò xo, trục cam.
• Công nghiệp: Thiết bị công trình, phụ tùng cơ khí, khung máy.
• Ô tô, xe máy: Bộ phận chịu tải như càng A, khớp nối.

Ứng dụng của thép cacbon cao

• Dụng cụ cắt: Dao, kéo, lưỡi cưa, đục.
• Khuôn mẫu công nghiệp: Khuôn dập, khuôn ép.
• Dụng cụ đo lường: Thước cặp, panme.
• Lò xo đàn hồi: Lò xo chịu lực cao, dây đàn hồi.

Ứng dụng của thép hợp kim

Phân loại thép cacbon theo hàm lượng cacbon:

1. Thép cacbon thấp (dưới 0,25%) – dẻo, dễ uốn, dễ hàn, dùng làm tấm thép, ống, kết cấu.
2. Thép cacbon trung bình (0,25% – 0,6%) – bền, chắc hơn, dùng làm bánh răng, trục, linh kiện máy.
3. Thép cacbon cao (0,6% – 2,1%) – rất cứng, nhưng giòn, thường dùng làm dao, khuôn, lưỡi cưa.

Sự khác nhau giữa thép cacbon và thép hợp kim: