So sánh thép hợp kim và thép không gỉ chi tiết

Khám phá sự khác biệt giữa thép hợp kim và thép không gỉ

25/10/2023 02:26 PM 3047 Lượt xem

Thép là hợp kim của sắt và carbon là một phần cơ bản của các ngành công nghiệp như xây dựng và quân sự do sức mạnh, độ bền, khả năng tùy biến và chế tạo nhanh chóng. Trong một số loại thép hiện có trên thị trường, so sánh thép hợp kim và thép không gỉ là một trong nhiều so sánh phổ biến giữa các nhà sản xuất muốn làm việc với thép.

Việc lựa chọn bất kỳ loại thép nào trong hai loại thép chỉ nên thực hiện sau khi hiểu được các đặc tính của chúng liên quan đến dự án. Do đó, bài viết này trình bày mọi thứ bạn cần biết về việc so sánh thép không gỉ và thép hợp kim. Nó cho thấy các đặc điểm, hành vi và sự khác biệt giữa thép hợp kim và thép không gỉ để bạn có thể chọn bất kỳ loại nào trong số chúng cho dự án của mình.

Thành phần và phân loại sự khác biệt giữa thép hợp kim và thép không gỉ

Để lựa chọn thành công loại thép phù hợp sau khi so sánh thép hợp kim và thép không gỉ, nhà sản xuất phải tìm hiểu kỹ mọi thứ về chúng. Do đó, phần này sẽ thảo luận về thành phần và phân loại để chỉ ra sự khác biệt giữa thép hợp kim và thép không gỉ.

Thép hợp kim

Thép hợp kim là loại thép có chứa nhiều hơn một nguyên tố hợp kim, ngoài carbon và sắt trong thép carbon. Các nguyên tố hợp kim như vậy giúp cải thiện một số đặc tính không có hoặc có thấp trong vật liệu thép gốc. Ví dụ bao gồm sức mạnh, khả năng chống mài mòn, độ dẻo dai và độ cứng.

Thép hợp kim thấp và thép hợp kim cao

Thép hợp kim được phân loại thành thép hợp kim cao và thép hợp kim thấp dựa trên tỷ lệ phần trăm của các nguyên tố hợp kim (không phải cacbon và sắt).

Thép hợp kim thấp chứa các nguyên tố hợp kim chiếm không quá 5% tổng thành phần vật liệu. Việc kết hợp các nguyên tố hợp kim làm tăng tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của vật liệu so với thép cơ bản. Các nguyên tố hợp kim phổ biến có thể tạo nên thép hợp kim thấp bao gồm Niken (Ni), Crom (Cr), Vanadi (V), Đồng (Cu), Vonfram (W) và Boron (B).
Thép hợp kim cao chứa thép hợp kim chiếm hơn 5% tổng thành phần vật liệu. Tỷ lệ phần trăm cao hơn làm tăng đáng kể tính chất cơ học của vật liệu. Thép không gỉ là một ví dụ về thép hợp kim cao vì nó chứa ít nhất 12% Crom tùy thuộc vào loại thép không gỉ.

Các nguyên tố hợp kim phổ biến và tác dụng của chúng

Sử dụng hơn 20 nguyên tố hợp kim có thể nâng cao tính chất cơ học của thép carbon. Mỗi nguyên tố hợp kim có những đặc tính riêng mà nó mang lại cho thép carbon. Dưới đây là năm nguyên tố hợp kim phổ biến nhất:

Mangan với một lượng nhỏ phốt pho và lưu huỳnh làm cho hợp kim thép được tạo thành ít giòn và dễ uốn hơn.
Crom có tác dụng tùy theo tỷ lệ phần trăm. Khi sử dụng với tỷ lệ nhỏ (0,5% – 2%), nó có thể làm tăng độ cứng của vật liệu. Tỷ lệ cao hơn (4% – 18%) có thể tăng cường khả năng chống ăn mòn.
Vanadi với khoảng 0,15% có thể làm tăng độ bền, khả năng chịu nhiệt và cấu trúc hạt tổng thể của thép carbon. Khi sử dụng với Crom, hợp kim thép định hình có độ cứng tăng lên mà không làm mất đi khả năng định hình.
Niken còn có tác dụng tùy theo tỷ lệ phần trăm. Ở mức khoảng 5%, hợp kim thép hình thành có độ bền tăng lên. Tỷ lệ phần trăm cao hơn (trên 12%) sẽ nâng cao khả năng chống ăn mòn của hợp kim được tạo thành.
Vonfram sẽ làm tăng cấu trúc của hợp kim thép hình thành. Hơn nữa, nó làm tăng khả năng chịu nhiệt dẫn đến tăng điểm nóng chảy.

Thép không gỉ

Thép không gỉ là một loại thép hợp kim cao được biết đến với khả năng chống ăn mòn cực cao và tính thẩm mỹ. Nói chung, nó chứa ít nhất 10,5% Crom, chịu trách nhiệm về độ cứng và khả năng chống ăn mòn, ít hơn 1,2% Carbon và các nguyên tố hợp kim khác.

Tầm quan trọng của Crom trong thành phẩn của thép không gỉ

Tùy thuộc vào các đặc tính cần thiết và cấp độ, thép không gỉ cũng có thể chứa các nguyên tố hợp kim khác như titan, mangan và niken. Sự có mặt của Crom dẫn đến sự hình thành oxit crom khi tiếp xúc với oxy. Quá trình này, được gọi là thụ động hóa thép không gỉ, giúp bảo vệ kim loại và cho phép nó tự sửa chữa. Do tính chất của nó, thép không gỉ rất quan trọng theo những cách sau.

Khả năng chịu nhiệt cao của nó làm cho nó trở nên quan trọng trong các bộ trao đổi nhiệt, nồi hơi, van và bộ siêu nhiệt.
Nó ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, giúp nó có thể áp dụng được trong các chức năng đòi hỏi vệ sinh cao.
Nó có lợi thế về độ bền và trọng lượng cao nên rất hữu ích trong ngành công nghiệp ô tô và máy bay.
Nó có thể tái chế 100%.

Các loại thép không gỉ phổ biến

Nhiều loại vật liệu thép không gỉ được phân thành năm nhóm chính. Dưới đây là giải thích ngắn gọn về các loại thép không gỉ.

Các loại thép không gỉ Austenitic là SS không từ tính có chứa 17-25% Crom và 8-20% Niken và các nguyên tố hợp kim khác. Chúng có độ dẻo tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai, khả năng định hình và khả năng hàn cao. Chúng cũng chứa molypden giúp tăng cường đáng kể khả năng chống ăn mòn. Ví dụ bao gồm 304/304L, 316/316L và 253.
Các loại thép không gỉ Ferritic chứa 10,5% Crom chịu trách nhiệm về khả năng chống ăn mòn của nó. Chúng được sử dụng trong điều kiện ủ vì không thể gia cường hoặc hữu ích khi gia công nguội hoặc xử lý nhiệt. Hơn nữa, chúng thiếu độ dẻo dai làm giảm ứng dụng kết cấu và hạn chế khả năng sử dụng ở dạng tấm và cuộn. Ví dụ bao gồm 409 và 430 SS.
Các loại thép không gỉ Martensitic chứa 12 đến 16% Crom và 0,08% đến 2% carbon. Chúng có thể xử lý nhiệt, giảm khả năng hàn, độ dẻo thấp hơn và không tương thích với gia công nguội. Ví dụ bao gồm các lớp SS 410, 420C và 431.
Các loại thép không gỉ song công chứa các phần austenite và ferrite bằng nhau. Chúng chứa 18-29% Crom, 3-8% Niken và các nguyên tố hợp kim khác như Molypden và Nitơ. Chúng mạnh mẽ, bền, chống ăn mòn và chịu được áp lực rỗ và clorua. Tuy nhiên, chúng không được xử lý nhiệt và phản ứng kém khi gia công nguội. Tuy nhiên, chúng có từ tính, có thể hàn và dễ chế tạo. Ví dụ bao gồm các loại SS 2205 và S32750.
Các loại thép không gỉ làm cứng kết tủa chứa 12-16% Crom và 3-9% Niken và các nguyên tố hợp kim nhỏ như Al, Cu và Ti, có thể tạo thành kết tủa. Chúng có khả năng xử lý nhiệt, bền và rất dẻo. Gia công xảy ra ở trạng thái ủ, sau đó quá trình ủ diễn ra.

So sánh tính chất cơ học của thép hợp kim và thép không gỉ

Các tính chất cơ học là hình thức chính để so sánh hợp kim và thép không gỉ. Mặc dù mỗi loại hợp kim hoặc thép không gỉ có thể khác nhau, nhưng dưới đây là cách thể hiện chung để so sánh chúng về tính chất cơ học:

Độ bền kéo

Độ bền kéo biểu thị khả năng của vật liệu chịu được ứng suất kéo trước khi đứt và nó phụ thuộc vào hợp kim và quá trình xử lý nhiệt. Thép hợp kim có độ bền kéo cao hơn (758-1882) so với thép không gỉ (515-827). Kết quả là thép hợp kim có nhiều ứng dụng kết cấu hơn.

Độ cứng

Độ cứng là thước đo khả năng chống mài mòn của vật liệu và phụ thuộc vào thành phần vật liệu và xử lý nhiệt. Do có thành phần hợp kim dưới 5% nên thép hợp kim có độ cứng cao hơn từ 200HB đến 600HB (độ cứng Brinell) và khả năng chống mài mòn cao hơn thép không gỉ. Thép không gỉ đứng thứ 8 trên thang độ cứng Mohs và 150HB đến 300HB trên thang Brinell, khiến nó kém cứng hơn hầu hết các kim loại, mặc dù nó cứng hơn các vật liệu như đồng và nhôm.

Độ dẻo

Độ dẻo đo khả năng kéo dài của vật liệu mà không bị gãy, tùy thuộc vào quá trình xử lý nhiệt. Thép hợp kim có độ dẻo cao hơn thép không gỉ. Do đó, chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng yêu cầu tạo hình mà không bị gãy. Điều này thể hiện rõ trong các ứng dụng của họ trong kỹ thuật đòi hỏi độ chính xác cao trong việc chế tạo các bộ phận tinh xảo.

Chống va đập

Độ cứng cao hơn của thép hợp kim so với thép không gỉ giúp tăng khả năng chống va đập, khiến chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng thường xuyên bị va đập hoặc va đập. Thép không gỉ có nguy cơ bị vỡ cao hơn khi sử dụng trong những trường hợp như vậy do độ cứng và độ dẻo dai thấp hơn.

Cường độ mỏi

Độ bền mỏi đo lường khả năng của vật liệu chống lại ứng suất trong một số chu kỳ nhất định. Ứng suất mỏi là ứng suất cao nhất mà vật liệu có thể chịu được. Ví dụ, thép không gỉ 316L có độ bền mỏi là 146,45Mpa. Thông thường, thép không gỉ có độ bền mỏi thấp hơn so với thép hợp kim. Tuy nhiên, một số loại, chẳng hạn như SS song công, có độ bền mỏi cao do cấu trúc vi mô của chúng.

Sự khác biệt về khả năng chống ăn mòn giữa thép hợp kim và thép không gỉ

Một điểm quan trọng khác khi so sánh hai loại thép là đặc tính chống ăn mòn của nó và nó cũng phụ thuộc vào loại SS và thép hợp kim. Dưới đây là một đại diện chung của so sánh của họ.

Chống ăn mòn

Thép không gỉ được chế tạo để đánh bại sự ăn mòn và rỉ sét do Crom, chất tạo thành lớp oxit khoảng 30-80 nanomet khi tiếp xúc với oxy. Do đó, chúng có khả năng chống ăn mòn cao hơn bất kỳ loại thép hợp kim nào khác không chứa Crom với tỷ lệ cao đó. Không giống như thép hợp kim, chúng không yêu cầu lớp phủ bảo vệ sau khi sản xuất. Tuy nhiên, mỗi loại thép không gỉ đều có khả năng chống ăn mòn.

Ăn mòn rỗ và kẽ hở

Ăn mòn rỗ và kẽ hở là hiện tượng ăn mòn cục bộ thường gặp ở thép không gỉ. Rỗ xảy ra do sự phá vỡ cục bộ của lớp phủ bảo vệ của vật liệu thép không gỉ do sự hiện diện của các ion clorua và các ion khác. Khi điều đó xảy ra, vật liệu sẽ bị bao gồm, dẫn đến ăn mòn.

Ăn mòn kẽ hở xảy ra ở các mối nối nơi hai bộ phận kim loại, chẳng hạn như ốc vít, tiếp xúc gần nhau. Sự hiện diện của các kẽ hở thúc đẩy sự tích tụ muối clorua, độ ẩm và các chất ô nhiễm khác, thúc đẩy sự phân hủy của thép không gỉ. Nói chung, sự hiện diện của Crom làm giảm nguy cơ ăn mòn rỗ và kẽ hở so với thép hợp kim.

Sự ăn mòn điện phân

Ăn mòn điện phân xảy ra khi sự hiện diện của kim loại này dẫn đến sự ăn mòn của kim loại khác. Đối với kiểu ăn mòn này phải có cực dương, cực âm và chất điện phân kim loại. Thép hợp kim dễ bị mạ điện hơn vì nó có thể dễ dàng giải phóng các electron so với thép không gỉ, trong đó Crom ngăn chặn sự trao đổi electron như vậy. Do sự ăn mòn điện hóa trên thép hợp kim nên thép không gỉ thường không được kết hợp với thép hợp kim hoặc thép cacbon. Hơn nữa, vì nó có tiềm năng điện hóa cao nên nó ít bị ăn mòn điện hóa hơn.

Vết nứt do ứng suất ăn mòn

Vết nứt do ăn mòn ứng suất xảy ra ở nhiều kim loại, chẳng hạn như thép hợp kim và thép không gỉ, trong môi trường. Nó xảy ra khi thép hợp kim thấp được đặt trong nước hoặc thép không gỉ được đặt trong dung dịch nước hoặc axit trung tính. Thép không gỉ có khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất cao hơn, đặc biệt là các loại ferritic như 430 và 444.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của kim loại, chẳng hạn như thép không gỉ. Bằng cách hiểu các yếu tố này, có thể kiểm soát tốc độ ăn mòn liên quan đến vật liệu. Các yếu tố bao gồm:

Sự hiện diện của lớp phủ và xử lý: Sự hiện diện của lớp phủ có thể bảo vệ vật liệu, do đó làm giảm sự ăn mòn của nó.
Xử lý nhiệt: Việc đưa vật liệu vào các quá trình xử lý nhiệt như ủ và làm nguội có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của nó và giảm khả năng chống ăn mòn.
Tình trạng bề mặt vật liệu: Bề mặt vật liệu bị hư hỏng dễ bị ăn mòn hơn bề mặt nhẵn.
pH: Điều này biểu thị độ axit và độ kiềm của môi trường chứa vật liệu. Ở độ pH từ 1-7, khả năng chống ăn mòn của thép hợp kim giảm. Ở độ pH cao hơn, nó trở nên không bị ảnh hưởng.
Thế năng điện hóa: Mọi kim loại đều có thế năng điện hóa khi ngâm trong chất điện phân; đo điện thế biểu thị khả năng kim loại bị ăn mòn nhanh.
Các loại Ion: Sự hiện diện của các ion, chẳng hạn như clorua, có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn của kim loại. Một ion có vấn đề khác là ion sunfat, được biết đến với tác dụng phá hủy.
Độ dẫn điện: Để xảy ra hiện tượng ăn mòn, môi trường chứa kim loại phải dẫn điện. Kết quả là sự ăn mòn không thể xảy ra trong nước cất.
Nhiệt độ: Thép không gỉ và thép hợp kim có khả năng chống ăn mòn giảm ở nhiệt độ cao hơn. Điều này là do tốc độ khuếch tán của chất điện giải hoặc oxy tăng lên.

Sự khác biệt về xử lý nhiệt và chế tạo

Xử lý nhiệt là một cách để tăng tính chất cơ học của hợp kim và thép không gỉ. Dưới đây là những khác biệt trong so sánh thép hợp kim và thép không gỉ.

Quy trình xử lý nhiệt

Ủ là một quá trình xử lý nhiệt làm tăng độ dẻo của hai loại thép. Nó liên quan đến việc làm nóng thép, ngâm nó và để nguội từ từ (bằng cách bọc nó trong một vật liệu cách nhiệt hoặc để yên). Thép hợp kim yêu cầu nhiệt độ ủ thấp hơn thép không gỉ do hàm lượng carbon cao hơn.
Bình thường hóa là một quá trình xử lý nhiệt thích hợp để loại bỏ ứng suất bên trong sau khi xử lý nhiệt. Nó liên quan đến việc nung nóng kim loại đến nhiệt độ cao và để nó được làm mát bằng không khí. Bình thường hóa phụ thuộc vào độ dày của phần kim loại.
Làm cứng là một quá trình xử lý nhiệt nhằm mục đích tăng độ bền của vật liệu, giảm độ dẻo và tăng độ giòn. Thép hợp kim yêu cầu làm nguội trong quá trình làm mát không khí. Hơn nữa, thép hợp kim dễ làm cứng hơn thép carbon do hàm lượng carbon cao hơn.
Sự tôi luyện là một quá trình xử lý nhiệt khác bao gồm làm nóng kim loại đến nhiệt độ dưới điểm tới hạn trên của nó, giữ nhiệt độ trong thời gian dài và làm mát không khí. Điều này dẫn đến giảm độ giòn và độ cứng và dẫn đến giảm căng thẳng bên trong.

Tính hàn

Cả hai vật liệu đều có khả năng hàn cao. Tuy nhiên, thép không gỉ dễ hàn hơn thép hợp kim do thành phần carbon thấp hơn và sự có mặt của Crom tạo nên lớp oxit ổn định có khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên, khả năng hàn phụ thuộc vào cấp độ, vì SS martensitic và duplex ít có khả năng hàn hơn.

Khả năng gia công

Khả năng gia công biểu thị khả năng cắt hoặc gia công vật liệu. Thép không gỉ có khả năng gia công thấp hơn thép hợp kim khiến nó ít tương thích hơn với các quy trình như gia công CNC. Ví dụ, thép không gỉ 304 có khả năng gia công 40% so với thép hợp kim như 1018, với khả năng gia công 78%. Tuy nhiên, một số hợp kim, chẳng hạn như thép HSLA, có khả năng gia công thấp hơn.

Khả năng định dạng

Khả năng định dạng biểu thị khả năng của vật liệu trải qua biến dạng mà không bị hư hỏng. Khả năng định hình của thép không gỉ phụ thuộc vào loại có sẵn, trong đó thép martensitic có khả năng định hình kém nhất.

Sự khác biệt về ứng dụng

Cả hai loại thép đều được áp dụng trong các tình huống khác nhau. Dưới đây là những ứng dụng phổ biến của thép đồng minh và thép không gỉ và các tiêu chí lựa chọn.

Công dụng phổ biến của thép hợp kim

Nhìn chung, thép hợp kim phổ biến trong các ngành công nghiệp khác nhau đòi hỏi độ bền, độ bền và khả năng chống mài mòn. Thép hợp kim tìm thấy ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực sau.

Xây dựng: Thép hợp kim, do sức mạnh và độ bền của nó, được áp dụng trong việc chế tạo các bộ phận được sử dụng trong chế tạo cầu, tòa nhà và đường ống.
Công nghiệp ô tô: Thép hợp kim thích hợp để đánh dấu các bộ phận ô tô như bánh răng, trục và trục khuỷu.
Công nghiệp hàng không vũ trụ: Thép hợp kim được ứng dụng trong chế tạo các bộ phận ô tô chịu ứng suất cao như thiết bị hạ cánh và cánh tuabin.
Chế tạo công cụ: Thép hợp kim có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, khiến nó trở thành vật liệu hoàn hảo để sản xuất máy khoan, lưỡi cưa, dao phay và các công cụ khác.
Ngành dầu khí: Thép hợp kim thích hợp để chế tạo các bộ phận có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cao như đường ống, van.

Ưu điểm của thép hợp kim so với thép không gỉ

Thép hợp kim có một số ưu điểm so với thép không gỉ và là vật liệu đáng xem xét cho nhiều ứng dụng.

Nó có hiệu quả về mặt chi phí.
Nó rất linh hoạt do khả năng gia công cao hơn.
Nó có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn.
Nó có tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao hơn.

Thép không gỉ cũng là vật liệu được sử dụng rộng rãi và có nhiều ưu điểm hơn thép hợp kim.

Nó có khả năng chống ăn mòn cao hơn.
Nó có tính thẩm mỹ tốt hơn.
Nó có mức độ bảo trì thấp.
Nó dẻo hơn.
Nó có thể tái chế.

Điểm giống nhau giữa hợp kim và thép không gỉ

Thép hợp kim và thép không gỉ có nhiều điểm tương đồng với nhau.

Cả hai đều là hợp kim gốc sắt

Cả hai nguyên tố đều là hợp kim của sắt, khiến chúng trở thành hợp kim gốc sắt. Tuy nhiên, chúng có thể chứa các phần tử khác theo tỷ lệ khác, điều này quyết định tính chất của chúng.

Thuộc tính nâng cao

Cả hai loại thép đều có đặc tính nâng cao dựa trên các nguyên tố hợp kim được thêm vào. Ví dụ, sự hiện diện của Crom giúp tăng cường đáng kể khả năng chống ăn mòn của cả hai vật liệu.

Tính linh hoạt

Thép hợp kim và thép không gỉ được áp dụng trong các tình huống khác nhau dựa trên tính chất của chúng. Cả hai vật liệu này đều được sử dụng trong ngành xây dựng, máy móc và ô tô và có thể được chế tạo thành nhiều hình dạng và hình dạng khác nhau.

Chế tạo và gia công

Cả hai vật liệu đều có đặc tính chế tạo và hàn cao hơn so với thép carbon. Tuy nhiên, thép hợp kim tốt hơn.

Xử lý nhiệt

Bạn có thể xử lý nhiệt cả hai vật liệu để thay đổi các đặc tính như độ cứng, độ dẻo và độ giòn. Một mặt, xử lý nhiệt đối với thép hợp kim bao gồm làm nguội và ủ, ủ và thường hóa. Mặt khác, thép không gỉ trải qua quá trình ủ, giảm căng thẳng và làm cứng.