Thép và hợp kim là nền tảng của hầu hết các kết cấu cơ khí, từ khung máy công nghiệp đến dụng cụ cắt gọt và khuôn dập. Trong Vật liệu & nhiệt luyện, đây là nhóm vật liệu được sử dụng phổ biến nhất và cũng đòi hỏi hiểu biết sâu nhất về bản chất luyện kim để khai thác đúng tính năng.
Bản chất của thép và hợp kim
Thép là hợp kim của sắt và carbon, trong đó hàm lượng carbon là yếu tố quyết định cơ bản đến cơ tính. Carbon càng cao, vật liệu càng cứng và bền nhưng dẻo kém hơn. Ngoài carbon, các nguyên tố hợp kim như crom, molypden, vanadi, niken, silic, mangan được đưa vào để cải thiện tính chịu nhiệt, độ bền ăn mòn, khả năng tôi cứng hoặc độ dai va đập.
Khái niệm "hợp kim" ở đây không chỉ giới hạn trong thép hợp kim — mà còn bao gồm các hợp kim màu như hợp kim nhôm, hợp kim đồng, hợp kim titan. Tuy nhiên, trong thực tiễn cơ khí Việt Nam, thép vẫn chiếm vai trò chủ đạo, và nhôm 6061 là đại diện phổ biến nhất trong nhóm hợp kim màu kỹ thuật.
Phân loại thép theo công dụng
Thép kết cấu thông dụng được dùng trong chế tạo khung, dầm, tấm, bu lông và các chi tiết chịu tải tĩnh. Thép SS400 là ký hiệu quen thuộc trong nhóm này, đáp ứng yêu cầu hàn được, dễ gia công và giá thành hợp lý.
Thép kết cấu chất lượng cao dùng cho trục, bánh răng, pit-tông và chi tiết chịu tải động. Thép C45 là lựa chọn kinh điển — sau khi tôi thép và ram thép, vật liệu đạt độ cứng và độ bền phù hợp với đa số chi tiết máy truyền động thông thường.
Thép dụng cụ và thép khuôn phục vụ chế tạo dao cắt, khuôn dập, khuôn ép nhựa. Thép SKD11 (tương đương D2 theo tiêu chuẩn AISI) là vật liệu khuôn dập nguội được sử dụng rộng rãi trong ngành tạo hình kim loại, nhờ khả năng chịu mài mòn tốt sau khi tôi cứng.
Thép không gỉ (inox) giữ nguyên tính năng cơ học đồng thời chống ăn mòn nhờ hàm lượng crom cao. Inox 304 là mác thông dụng nhất trong ngành thực phẩm, y tế và thiết bị hóa chất tại Việt Nam.
Gang — dù không phải thép theo định nghĩa luyện kim — thường được đề cập chung trong nhóm này. Gang xám với cấu trúc graphit tấm có khả năng hấp thụ rung động tốt, là vật liệu truyền thống cho thân máy, bàn máy và vỏ hộp số.
Thực tế sử dụng tại Việt Nam
Thị trường cơ khí trong nước chủ yếu tiêu thụ thép nhập khẩu từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan và Trung Quốc. Ký hiệu vật liệu không thống nhất giữa các tiêu chuẩn JIS, DIN, AISI và GB là điểm gây nhầm lẫn phổ biến. Kỹ thuật viên cần tra bảng quy đổi hoặc yêu cầu nhà cung cấp cung cấp bảng thành phần hóa học thực tế thay vì chỉ dựa vào tên mác.
Việc kiểm tra vật liệu đầu vào — đặc biệt với thép khuôn và thép dụng cụ — thường bị bỏ qua tại các xưởng nhỏ. Hậu quả là khuôn nứt sớm hoặc dao cắt tụt cứng sau nhiệt luyện do mác thép không đúng chủng loại.
Lời khuyên thực hành
Chọn vật liệu phải xuất phát từ yêu cầu làm việc cụ thể: tải trọng, môi trường, phương án gia công, và quy trình nhiệt luyện sẽ áp dụng. Không nên chọn thép hợp kim cao khi thép carbon thường đã đáp ứng đủ — chi phí vật liệu và gia công đều tăng không cần thiết.
Luôn xác nhận khả năng nhiệt luyện trước khi thiết kế chi tiết: không phải mác thép nào cũng tôi cứng được bằng phương pháp tôi thông thường, và độ cứng đạt được sau tôi phụ thuộc vào chiều dày chi tiết (hiện tượng thấm tôi). Với chi tiết phức tạp, nên tham khảo xưởng nhiệt luyện ngay từ giai đoạn thiết kế để tránh cong vênh hoặc nứt sau tôi.
Bảo quản thép tồn kho cần chú ý chống ẩm và tránh tiếp xúc khác loại gây ăn mòn điện hóa — đặc biệt quan trọng với thép dụng cụ và thép không gỉ trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam.