Hợp kim của sắt là gì? Ứng dụng đa ngành nghề, đa lĩnh vực của hợp kim sắt

Hợp kim của sắt là loại vật liệu phổ biến được sử dụng trong nhiều ngành khác nhau từ kiến trúc, xây dựng, đồ gia dụng đến dụng cụ phẫu thuật, sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ. Nhờ tính chất từ tính, chống ăn mòn, khả năng chịu nhiệt tốt nên các ứng dụng làm từ hợp kim sắt có độ bền cao và có thể sử dụng trong thời gian dài mà chất lượng không bị ảnh hưởng nhiều. 

1. Hợp kim của sắt là gì?

Hợp kim của sắt là gì? Như tên cho thấy, hợp kim của sắt là một hợp kim có thành phần chính là sắt. Sắt được sử dụng làm thành phần trong hầu hết các hợp kim thương mại. Ví dụ, sắt là thành phần chính của gang rèn và gang cũng như thép rèn và thép đúc. Sắt có thể được tạo hợp kim với mangan, silic, vanadi, crom, molypden, niobi, selen, titan, phốt pho hoặc các nguyên tố khác để sử dụng trong thương mại. Một số hợp kim sắt cũng được sử dụng làm chất bổ sung trong sản xuất thép. Có các hợp kim sắt chuyên dụng thể hiện các đặc tính đặc biệt, như tính chất từ ​​tính, điện trở, giãn nở nhiệt, chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt,…

Xem thêm: Hợp kim nhôm là gì? Ưu điểm vượt trội của hợp kim nhôm

2. Đúc hợp kim sắt 

Sắt đúc được sản xuất bằng cách đúc hợp kim sắt hoặc sắt nóng chảy. Sắt xám có thể là một trong những kim loại được gia công lâu đời nhất được sử dụng để đúc. Kim loại cũng là một trong những vật liệu phong phú nhất và ít tốn kém nhất. 

Gang xám là gang ban đầu, mặc dù gần đây nó đã được thay thế trong các ứng dụng khác nhau bằng các hợp kim sắt-cacbon khác có độ bền kéo cao hơn. Gang dẻo, đúng như tên gọi, có độ dẻo cao hơn so với các vật liệu sắt truyền thống, chẳng hạn như gang xám. Những vật liệu này có xu hướng giòn và dễ bị gãy dưới ứng suất kéo cao. 

Sắt được đúc giống như bất kỳ kim loại nào khác. Nó được đổ vào khuôn và chiết xuất sau khi nguội đi. Có nhiều loại phương pháp đúc khác nhau, qua đó sắt có thể được đúc, bao gồm đúc vỏ, đúc cát xanh và đúc ly tâm. Quy trình luyện gang có thể ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của kim loại, đặc biệt là liên quan đến tốc độ nguội của nó. Đúc sắt được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm – ngành công nghiệp ô tô, thiết bị, nông nghiệp và máy móc. Các bộ phận bằng gang được sử dụng vỏ máy bơm, khối động cơ, hộp điện, vật đúc trang trí,…

3. Các loại hợp kim của sắt

Có một số loại hợp kim khác nhau có chứa sắt. Một số loại quan trọng nhất bao gồm thép carbon, thép hợp kim, thép không gỉ, thép công cụ, gang và thép maraging.

• Thép carbon là thép trong đó nguyên tố hợp kim chính là carbon. Thép nhẹ là phổ biến nhất do chi phí thấp. Độ cứng bề mặt có thể được tăng lên thông qua thấm cacbon. Thép có hàm lượng carbon cao hơn, cung cấp độ bền cao hơn nhiều với chi phí dẻo.
• Thép hợp kim là thép (sắt và carbon) được hợp kim với các kim loại khác để cải thiện tính chất. Các kim loại phổ biến nhất trong thép hợp kim thấp là molypden, crom và niken để cải thiện khả năng hàn, khả năng định hình, chống mài mòn và chống ăn mòn.
• Thép không gỉ là thép có chứa tối thiểu 10% crom. Có nhiều loại thép không gỉ, nhưng loại phổ biến nhất được sử dụng cho các ứng dụng chống ăn mòn điển hình là 304 còn được gọi là 18-8. Thuật ngữ 18-8 đề cập đến lượng crom (18%) và niken (8%) kết hợp với sắt và các nguyên tố khác với số lượng nhỏ hơn. Lớp hoàn thiện của kim loại được mô tả bằng một số, từ 3 đến 8, với 3 là lớp hoàn thiện thô nhất và 8 là lớp hoàn thiện giống như gương. Các thông số kỹ thuật khác cần xem xét bao gồm kết cấu và lớp phủ.
• Thép công cụ là loại thép đặc biệt được thiết kế để chế tạo thành công cụ. Chúng được biết đến với độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn, chống biến dạng ở nhiệt độ cao. Ba loại thép công cụ có sẵn là thép gia công nguội được sử dụng trong môi trường nhiệt độ thấp, thép gia công nóng được sử dụng ở nhiệt độ cao và thép tốc độ cao có thể chịu được nhiệt độ thậm chí cao hơn giúp chúng có khả năng cắt ở tốc độ cao hơn.
• Gang là một hợp kim có nguyên tố hợp kim là carbon và sillic. Carbon được thêm vào dung dịch bazơ với lượng vượt quá giới hạn hòa tan trong sắt và kết tủa dưới dạng các hạt than chì. Silicon được thêm vào chất nóng chảy để tạo mầm than chì nhằm tối ưu hóa các đặc tính của gang. Thường bị coi là một kim loại rẻ tiền, bẩn, giòn; gang ngày nay đang được chú ý và sử dụng nhiều hơn vì khả năng gia công, trọng lượng nhẹ, độ bền, khả năng chống mài mòn và đặc tính giảm chấn của nó.
• Thép Maraging là hợp kim sắt-niken không chứa carbon có bổ sung coban, molypden, titan và nhôm. Thuật ngữ maraging có nguồn gốc từ cơ chế tăng cường, đang biến đổi hợp kim thành mactenxit với quá trình hóa cứng theo tuổi tiếp theo. Với cường độ năng suất trong khoảng từ 1400 đến 2400 MPa, thép cường lực thuộc loại vật liệu có độ bền cực cao. Độ bền cao được kết hợp với các đặc tính dẻo dai và khả năng hàn tuyệt vời.

4. Ứng dụng hợp kim của sắt 

4.1. Ứng dụng của thép carbon

• Thép carbon thấp thường được sử dụng trong các bộ phận ô tô, đường ống, cấu kiện xây dựng và cầu,…
• Thép carbon trung bình thường được sử dụng cho đường ray xe lửa, bánh xe lửa, bánh răng do độ bền cao, khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai.
• Thép hàm lượng carbon cao được sử dụng trong các dụng cụ cắt, lò xo dây và khuôn có độ bền cao do khả năng chống mài mòn và độ cứng cao.

4.2. Ứng dụng của thép hợp kim

• Công trình xây dựng: Thép hợp kim được sử dụng để xây dựng sân vận động, tòa nhà chọc trời, sân bay và cầu. 
• Thép hợp kim chất lượng cao được sử dụng để chế tạo các tấm và dải phẳng để hàn trong thương mại và xây dựng.
• Các dải thép hợp kim có thể được cán nóng hoặc cán nguội, và chúng có thể được mạ kẽm để sử dụng chế tạo vật liệu xây dựng như thanh ray, khung thép nhẹ,…

4.3. Ứng dụng của thép không gỉ

Thông thường, thép không gỉ được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi tính chất độc đáo của thép và khả năng chống ăn mòn. Bạn sẽ tìm thấy hợp kim này được nghiền thành cuộn, tấm, tấm, thanh, dây và ống. Dưới đây là một số ví dụ về việc sử dụng thép không gỉ phổ biến: 

• Dùng trong mục đích nấu nướng như bồn rửa nhà bếp dao kéo dụng cụ nấu nướng 
• Dụng cụ phẫu thuật và thiết bị y tế cầm máu cấy ghép phẫu thuật 
• Mão răng tạm thời (nha khoa) 
• Kiến trúc 
• Ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ

4.4. Ứng dụng của thép công cụ

Các ứng dụng chính của thép công cụ là trong các quy trình sau: 

• Tạo hình, dập, cắt và xén nhựa và kim loại.
• Đùn các phần nhựa, ví dụ như khung cửa sổ nhựa vinyl và đường ống. 
• Dập các bộ phận máy tính từ các tấm kim loại.
• Cắt cuộn thép thành dải. 
• Khuôn để nén bột kim loại thành các dạng như bánh răng.

4.5. Ứng dụng của gang

Các tính chất khác nhau của các loại gang khác nhau dẫn đến mỗi loại phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

• Gang xám được sử dụng để chế tạo các khối động cơ và đầu xi lanh, ống góp, vòi đốt khí, hộp số,…
• Gang trắng được sử dụng để làm lớp lót máy nghiền, vòi phun bắn, guốc phanh đường sắt, vỏ máy bơm bùn, trục máy cán và máy nghiền.
• Gang dẻo được sử dụng để chế tạo các khớp tay lái, bánh răng hạng nặng, các bộ phận treo ô tô và xe tải, các bộ phận thủy lực và bản lề cửa ô tô.

4.6. Ứng dụng của thép Maraging

Nhờ các đặc tính độc đáo của thép maraging, kết hợp độ bền kéo cao với độ dẻo, nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hàng không vũ trụ như phụ kiện cánh, các công cụ khác nhau được chế tạo để có độ bền cao. Đặc biệt là trên các ứng dụng quan trọng về nhiên liệu như tên lửa, trong đó tỷ lệ trọng lượng trên công suất/lực đẩy là yếu tố quan trọng cần xem xét, thép Maraging được ưa chuộng hơn vì nó có thể được cán thành tấm mỏng và giữ được độ bền ngay cả ở nhiệt độ cao tới 400 độ độ C.

Hợp kim của sắt đóng một vai trò quan trọng trong xã hội hiện đại, mang lại những đặc tính được cải thiện và phạm vi ứng dụng rộng hơn so với sắt nguyên chất. Từ thép, gang và thép không gỉ đến thép tốc độ cao, thép dụng cụ và sắt rèn, mỗi hợp kim đều có những đặc điểm và cách sử dụng riêng. Tính linh hoạt của sắt, kết hợp với khả năng điều chỉnh các đặc tính của nó bằng cách tạo thành hợp kim, đã làm cho nó trở thành vật liệu thiết yếu trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm xây dựng, máy móc, vận tải, thực phẩm và đồ uống, y tế và hóa chất. Việc tiếp tục đổi mới và phát triển các hợp kim sắt mới đảm bảo rằng nó sẽ vẫn là một vật liệu có giá trị và được tìm kiếm trong nhiều năm tới.