Trong công nghiệp hiện đại, xu hướng tìm vật liệu có khả năng chịu nhiệt độ cao, đảm bảo hiệu suất và độ bền của thiết bị. Vì thế, thép chịu nhiệt ra đời như một giải pháp hiệu quả, ở điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Đáp ứng yêu cầu khắt khe về độ bền, khả năng chống oxy hóa và ổn định cơ học.
Dưới đây, bài viết sẽ trình bày khái niệm thép chịu nhiệt, thành phần cùng phân loại và đặc điểm của thép. Hỗ trợ khách hàng lựa chọn đúng vật liệu cho nhu cầu sản xuất hoặc phân phối.
Xem thêm: Thép silic là gì? Phân tích cấu tạo, phân loại và cách lựa chọn theo từng ứng dụng
Thép chịu nhiệt là gì?
Thép chịu nhiệt (Heat-resistant steel hay HR steel) là loại vật liệu hợp kim đặc biệt. Chúng được phát triển để hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ cao từ 550°C đến trên 1000°C. Đặc biệt không mất đi các tính chất cơ học như độ bền, khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa hay rão nhiệt.
Thành phần chính của thép chịu nhiệt
Thành phần chủ yếu của thép chịu nhiệt gồm: sắt (Fe) kết hợp với các nguyên tố hợp kim. Như Crom (Cr), Niken (Ni), Molypden (Mo), Silic (Si), Nhôm (Al), Titan (Ti). Cùng một số nguyên tố vi lượng như Vanadi (V), Vonfram (W), Niobi (Nb). Nhờ đó, thép có khả năng tạo lớp oxit bền vững. Bảo vệ bề mặt khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc môi trường oxy hóa mạnh.
Sản xuất thép chịu nhiệt độ cao đòi hỏi công nghệ luyện kim cao cấp. Từ tinh luyện phôi, cán nóng, cán nguội đến tạo hình, nhằm đảm bảo chất lượng. Hiện nay, HR steel phần lớn được nhập khẩu từ các quốc gia tiên tiến như Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, Trung Quốc. Với tuổi thọ cao, khả năng chịu tải lớn, độ ổn định trong môi trường khắc nghiệt. HR steel là vật liệu thiết yếu cho các ngành công nghiệp yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt.
Quy trình sản xuất thép chịu nhiệt
Thép chịu nhiệt là loại vật liệu đặc biệt được sản xuất theo quy trình phức tạp. Đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ từng công đoạn để đảm bảo chất lượng cuối cùng.
Lựa chọn và chuẩn bị nguyên liệu
Bước đầu tiên là tuyển chọn nguyên liệu chính gồm sắt, carbon, mangan và silicon. Đặc biệt, crom luôn có mặt trong mọi loại thép chịu nhiệt nhiệt độ cao với hàm lượng từ 12-30%. Giúp tăng khả năng chống oxy hóa và độ bền ở nhiệt độ cao. Niken thường được bổ sung với tỷ lệ 8-20%. Nhằm cải thiện độ dẻo và khả năng chống thấm cacbon, nitơ. Carbon với hàm lượng 0,1-1,2% hoạt động như nguyên tố gia cường, hòa tan vào hợp kim. Để tăng độ bền của dung dịch.
Nấu chảy và tạo hình
Nguyên liệu được đưa vào lò luyện kim hoạt động ở nhiệt độ 1.600-1.700°C. Tại đây, các thành phần được nấu chảy hoàn toàn và trộn đều để tạo ra thành phần hợp kim theo thiết kế. Kim loại lỏng sau đó được đổ vào khuôn định hình, bước này quyết định đến hình dạng và kích thước ban đầu của sản phẩm.
Đông đặc và xử lý nhiệt
Quá trình làm nguội được kiểm soát cẩn thận để kim loại đông cứng từ từ, tạo ra cấu trúc tinh thể đồng nhất. Sau đó, sản phẩm trải qua xử lý nhiệt chuyên sâu bao gồm ủ, tôi và ram ở nhiệt độ 800-1.200°C. Công đoạn này giúp tối ưu hóa cấu trúc vi mô. Trong đó crom tạo nên thép chịu nhiệt ferit còn niken hình thành cấu trúc austenit bền vững.
Kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt
Mỗi lô sản phẩm phải vượt qua hệ thống kiểm tra đa tầng với độ chính xác 99,5%. Các thông số được đánh giá bao gồm thành phần hóa học (độ chính xác ±0,01%), mức độ chịu kéo (đạt 400-800 MPa). Khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao và độ bền oxy hóa. Quy trình này đảm bảo sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế như ASTM, JIS và DIN.
Phân loại và đặc điểm các loại thép chịu nhiệt phổ biến hiện nay
Thép chịu nhiệt thuộc nhóm vật liệu hợp kim. Chuyên dùng cho môi trường có nhiệt độ cao liên tục từ 550°C đến trên 1200°C. Dựa vào thành phần hợp kim và khả năng chịu nhiệt, HR steel được phân thành 4 nhóm chính. Gồm thép tấm chịu nhiệt, thép không gỉ chịu nhiệt, thép hợp kim chịu nhiệt và hợp kim đặc biệt dùng cho nhiệt độ siêu cao:
| Loại thép chịu nhiệt | Đặc điểm nổi bật | Nhiệt độ chịu được | Mác thép phổ biến | Ứng dụng thực tế |
| Thép tấm chịu nhiệt | Dạng tấm cán nóng, độ dày đa dạng (từ 0.5mm đến 200mm), dễ gia công | Tới 1300°C | A515, A516, 310S, 309S | Thép tấm cacbon và thép tấm không gỉ. Chế tạo nồi hơi, bình chịu áp, buồng đốt công nghiệp |
| Thép không gỉ chịu nhiệt | Chống ăn mòn cao, bền nhiệt, ít biến dạng | 800°C – 1150°C | Austenitic (304, 316L, 316Ti, 321, 310S) | Đường ống khí nóng, lò đốt, bồn chứa hóa chất, thiết bị hóa dầu |
| Thép hợp kim chịu nhiệt | Chứa Cr, Mo, Ni hoặc Ti, chịu tải tốt trong thời gian dài | 750°C – 800°C | T22, T91, CrMo, CrAl | Tuabin, trục quay, bộ trao đổi nhiệt, ống dẫn khí nóng, ngành ô tô và điện |
| Hợp kim chịu nhiệt đặc biệt | Gốc Ni hoặc Co, hiệu suất cao, chống oxy hóa mạnh | 1000°C – 1200°C | Niken (Inconel 625, 718, 800H,v.v.), Coban L605, Alloy 188, N-155) | Động cơ máy bay, buồng đốt, tua-bin khí, thiết bị nhiệt cao cấp |
Các loại thép chịu nhiệt phổ biến
Ứng dụng thực tế của thép chịu nhiệt
Thép chịu nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Nhờ khả năng duy trì độ bền và tính chất cơ học ở nhiệt độ cao từ 700-1200°C.
Trong ngành nhiệt điện và luyện kim
HR steel là vật liệu không thể thiếu để chế tạo lò nung, lò luyện kim, nồi hơi và tua bin khí. Các thiết bị này đòi hỏi khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cực cao. Đồng thời phải đảm bảo độ an toàn tuyệt đối.
Trong lĩnh vực hóa dầu và công nghiệp hóa chất
Thép chịu nhiệt được sử dụng làm bộ trao đổi nhiệt, ống dẫn khí, thiết bị chứa hóa chất ăn mòn và các bộ phận của lò công nghiệp. Ngành đóng tàu cũng ưa chuộng loại thép này để chế tạo thân tàu, sàn tàu và bồn chứa xăng dầu. Do nhờ tính chất chịu lực và chống ăn mòn tốt.
Trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô
Đặc biệt, thép chịu nhiệt được dùng để sản xuất các linh kiện quan trọng như phụ tùng tăng áp, buồng đốt và vỏ turbine. Các thiết bị y tế như máy xạ trị, máy hấp trùng cũng sử dụng HR steel để đảm bảo quá trình khử trùng hiệu quả.
Ngoài các ứng dụng công nghiệp lớn, HR steel còn được sử dụng trong xây dựng dân dụng để làm kết cấu nhà xưởng, nhà máy. Thậm chí là các sản phẩm gia dụng như nồi, chảo chịu nhiệt cao. Sự đa dạng trong ứng dụng này khiến HR steel trở thành một trong những vật liệu kim loại quan trọng trong nền công nghiệp hiện đại. Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về độ an toàn và hiệu suất làm việc ở điều kiện khắc nghiệt.
Kết luận
Thép chịu nhiệt được phân loại thành nhiều nhóm, mỗi loại đều sở hữu những đặc điểm. Chúng đã trở thành giải pháp tối ưu cho các ngành công nghiệp nặng. Hiểu rõ về thành phần hóa học và đặc điểm phân loại của các loại thép chịu nhiệt. Giúp bạn lựa chọn được sản phẩm phù hợp cho hoạt động sản xuất của mình.
