Thép Carbon là gì? Đặc tính, phân loại và ứng dụng của thép Carbon

Thép cacbon là thép gì? Đặc điểm nổi bật và các ứng dụng của thép này ra sao? Tại sao thép Carbon được ưu tiên sử dụng rộng rãi trong thực tế như vây? Cùng chúng tôi tìm hiểu ngay sau đây.

Định nghĩa thép carbon và nguồn gốc hình thành

Thép carbon hay thép đen là hợp kim Sắt – Carbon (Fe-C) có hàm lượng phần trăm khối lượng carbon ≤ 2,0% và các nguyên tố phụ trợ như Mn (tối đa 1,65%), Cu (tối đa 0,6%), Si (tối đa 0,6%) ,… Ngoài ra có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố Cr, Ni, Cu (<0,2 %),W, Mo, Ti (<0,1%), trong đó nguyên tố Carbon có vai trò quan trọng nhất ngoài sắt. Thép carbon được coi là một trong những loại vật liệu kỹ thuật quan trọng bậc nhất trong ngành công nghiệp hiện đại.

Nguồn gốc hình thành của thép carbon bắt nguồn từ nhu cầu sản xuất ra một loại kim loại bền hơn, cứng hơn so với sắt nguyên chất để gia công các dụng cụ, vũ khí, phương tiện giao thông. Từ thời kỳ đồ sắt, con người đã khám phá ra rằng việc gia nhiệt cho quặng sắt trong than củi sẽ tạo ra một loại sắt mới cứng hơn, sau này được gọi là thép.

Thành phần hóa học và các yếu tố ảnh hưởng tới thép carbon

Thành phần cơ bản của thép carbon bao gồm:

• Sắt (Fe) chiếm khoảng từ 98% đến 99%
• Carbon (C) từ 0,1% đến 1,7%
• Mangan (Mn) từ 0,2% đến 0,8%
• Lưu huỳnh (S) dưới 0,05%
• Photpho (P) dưới 0,05%
• Silic (Si) dưới 0,4%

Trong đó, hàm lượng carbon là yếu tố quyết định chính khiến cho thép carbon có những đặc tính khác biệt so với sắt nguyên chất. Ngoài ra, các yếu tố như mangan, silic, lưu huỳnh cũng ảnh hưởng đáng kể tới tính chất của thép.

Phân loại thép carbon dựa trên hàm lượng Carbon

Căn cứ vào hàm lượng carbon có trong thành phần, thép carbon được chia làm 4 loại chính:

• Thép carbon thấp (Low Carbon Steel): Hàm lượng C dưới 0,25%. Loại này mềm, dễ gia công cơ khí.
• Thép carbon trung bình (Medium Carbon Steel): Hàm lượng C từ 0,25% đến 0,6%. Tính chất vừa phải về độ cứng, độ bền cao hơn thép thấp.
• Thép carbon cao (High Carbon Steel): Hàm lượng C từ 0,6% đến 1%. Có độ cứng và khả năng tôi thép rất tốt.
• Thép carbon cực cao (Ultra High Carbon Steel): Hàm lượng C từ 1% đến 1,7%. Loại cứng nhất, khó gia công nhưng có khả năng chịu mài mòn tốt.

Đặc tính của thép carbon và các loại phổ biến

So với sắt nguyên chất, thép carbon có nhiều đặc tính nổi trội như: Cứng và săn chắc hơn, chịu lực tốt, dẻo dai, dễ gia công và rẻ hơn so với hầu hết các loại thép hợp kim khác.

Một số loại thép carbon phổ biến:

• Thép A36: Loại thép carbon thấp, sử dụng nhiều trong xây dựng cầu, nồi hơi, bồn chứa.
• Thép 4140: Loại trung bình carbon, chịu lực uốn, kéo và xoắn tốt. Dùng để chế tạo trục, bánh răng, ốc vít.
• Thép 1018, 1045: Loại carbon trung bình, có tính dẻo dai cao. Dùng gia công ống dẫn, tấm lá mỏng.
• Thép 1060, 1095: Thép carbon cao, dùng chế tạo các dụng cụ, lưỡi dao, khuôn mẫu.

Quá trình sản xuất thép carbon

Quá trình sản xuất thép carbon đi qua các công đoạn chính sau: Làm giàu quặng sắt, luyện thành gang lỏng, thổi oxy để loại bỏ phần lớn carbon, cán nóng qua các lô cao áp để hình thành thỏi và cuối cùng được cán nguội thành các sản phẩm mong muốn.

Lợi ích và nhược điểm của thép carbon

Lợi ích

• Có giá thành sản xuất rẻ hơn các loại thép khác
• Đa dạng về phân loại với cơ tính độ cứng, khả năng gia công khác nhau
• Tính dẻo dai, khả năng chịu lực tốt
• Dễ hàn, dễ gia công cơ khí

Nhược điểm

• Dễ bị ăn mòn, rỉ sét trong môi trường khí quyển nếu không được bảo vệ
• Các loại thép carbon thấp thì quá mềm và siêu cao thì quá cứng, khó gia công
• Chiều cao nội lực có giới hạn, không phù hợp cho nhiều ứng dụng vật liệu chịu lực cao

Một số ứng dụng chính của thép carbon

• Cơ khí chế tạo máy: Làm trục, bánh răng, khung xe, dụng cụ đục, dập, cắt…
• Xây dựng dân dụng và công trình: khung nhà, cột, dầm cầu, thanh ống chống…
• Đóng tàu, xe lửa, thân xe, thanh nẹp, vỏ toa
• Hệ ống dẫn, van, đồng hồ, bồn chứa, ống bơm trong ngành hóa chất
• Ngành điện: làm các cực pin, acquy, nam châm vĩnh cửu, điện trở…

Cách nhận biết và chọn lựa thép carbon chất lượng

• Lưu ý kí hiệu các nhãn hiệu ứng với từng loại thép carbon như 4140, A36, 1018… để tránh bị nhầm lẫn
• Quan sát bề ngoài: sản phẩm thép phải có bề mặt nhẵn mịn, không bị mạt sặt hay các vết khuyết tật
• Kiểm tra khối lượng thực tế so với quy cách để đánh giá về mật độ kim loại
• Kiểm tra độ cứng bằng cách dùng dụng cụ thử độ cứng như thử nghiệm bằng đầu đọc độ cứng vib hoặc độ cứng bằng con lăn
• Thử đo thành phần hóa học để xác định thành phần carbon, mangan, silic…
• Có thể thực hiện kiểm tra kéo uốn, kiểm tra tổ chức kim loại bằng kính hiển vi để đánh giá đầy đủ chất lượng sản phẩm

Biện pháp bảo quản hiệu quả cho thép carbon

• Thép carbon không được bảo vệ dễ bị rỉ sét khi để lâu trong không khí ẩm. Cần bảo quản thép trong môi trường khô ráo, thoáng mát.
• Phủ lớp dầu bôi trơn, sơn hoặc mài bóng bề mặt thép để ngăn không khí tiếp xúc gây ôxy hóa.
• Dùng chất hút ẩm, tránh để thép tiếp xúc với nước hay hơi ẩm quá mức.
• Đặt thép trên bệ, giá đỡ chứ không để nằm trực tiếp trên mặt đất ẩm thấp.
• Sử dụng vật liệu bọc ngoài chống ẩm như bao bì màng nhựa, túi khí khi vận chuyển.

Thép carbon là một trong những vật liệu kim loại quan trọng nhất được con người sản xuất ra. Với đặc tính cơ bản là vừa cứng vừa dẻo dai, dễ gia công kết hợp giá thành sản xuất khá rẻ, thép carbon đã thay thế dần các loại sắt truyền thống và trở thành nguyên liệu cơ bản trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại từ cơ khí, xây dựng cho tới năng lượng và giao thông vận tải hiện nay.