Thép maraging là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về thép Maraging

Thép maraging (mar–tensite + aging) là một nhóm hợp kim thép đặc biệt, nổi bật bởi khả năng đạt độ bền rất cao sau quá trình lão hóa (aging) mà vẫn giữ được độ dẻo tương đối. Khác với thép martensite thông thường, thép maraging chuyển pha từ austenite sang martensite gần như “sạch” cacbon, giúp hạn chế các vết nứt và cải thiện tính ổn định kích thước khi xử lý nhiệt.

Ra đời vào đầu những năm 1960, thép maraging nhanh chóng được ứng dụng trong các ngành đòi hỏi tính chịu tải cực cao và độ bền mỏi xuất sắc, điển hình như hàng không vũ trụ, quân sự và khuôn mẫu công nghiệp. Các mốc phát triển quan trọng bao gồm việc chuẩn hóa hợp kim 18Ni (18% Ni) và sau này mở rộng ra các grade có độ bền từ 200 ksi đến 350 ksi.

Với ứng suất chảy có thể lên tới 2000 MPa sau lão hóa, thép maraging vượt trội so với thép hợp kim cao khác. Hiện nay, tính chất đặc biệt này vẫn là tâm điểm nghiên cứu để tối ưu quy trình sản xuất, giảm chi phí và mở rộng phạm vi ứng dụng vào các lĩnh vực như in 3D kim loại (SLM, WAAM) và chế tạo chi tiết máy có yêu cầu siêu chính xác.

Thành phần hóa học và phân loại

Cấu tạo cơ bản của thép maraging bao gồm sắt (Fe) và niken (Ni) với hàm lượng Ni dao động từ 15% đến 25%. Các nguyên tố hợp kim bổ sung thường gặp là molybdenum (Mo), titan (Ti), nhôm (Al) và coban (Co) tùy theo grade để kiểm soát cơ chế lão hóa và tạo các pha kết tủa nano.

Có thể phân loại thép maraging theo độ bền kéo yêu cầu, phổ biến nhất là các grade 200, 250, 300 và 350 ksi (1 ksi = 6,895 MPa). Bảng sau minh họa thành phần hóa học điển hình của 4 grade này:

• Thép maraging không chứa Coban (Co-free): hạn chế chi phí và sức khỏe môi trường.
• Hợp kim Ni–Mn thay thế: giảm phụ thuộc vào cobalt, vẫn duy trì cơ chế lão hóa.

Cấu trúc vi mô và cơ chế cường hóa

Sau khi nung hòa tan (solution annealing) và làm nguội nhanh, thép maraging chuyển pha từ austenite sang martensite không chứa cacbon, tạo nên một cấu trúc nền mịn, ổn định. Khác với martensite carbon, martensite “sạch” này ít bị ứng suất nội sinh và ít nứt vỡ.

Trong giai đoạn lão hóa (aging) ở nhiệt độ khoảng 450–520 °C, các nguyên tố hợp kim di chuyển và kết tụ thành các pha kết tủa nano như Ni3Ti, MoTi và (Fe,Ni)3(Al,Ti). Sự hình thành đồng đều của các hạt nano này chính là cơ sở để thép đạt được độ bền cực cao mà vẫn giữ được độ dai cần thiết.

Cơ chế ứng suất chảy có thể được mô hình hóa gần đúng bởi công thức: $\sigma_y = \sigma_{y0} + k\,t^n\,e^{-Q/(R\,T)}$ trong đó t là thời gian lão hóa, T là nhiệt độ tuyệt đối, và Q là năng lượng hoạt hóa của quá trình kết tủa.

Quy trình chế biến và xử lý nhiệt

Quy trình chuẩn bắt đầu với bước nung hòa tan ở nhiệt độ 820–860 °C, giữ đủ thời gian để giải hòa hoàn toàn pha austenite, sau đó làm nguội nhanh (air cooling hoặc dầu) để chuyển toàn bộ austenite thành martensite.

Bước tiếp theo là lão hóa ở nhiệt độ 450–520 °C trong khoảng 3–8 giờ. Thời gian và nhiệt độ lão hóa quyết định kích thước, mật độ hạt kết tủa và vì thế ảnh hưởng trực tiếp lên độ bền, độ dai và khả năng chống mỏi.

• Nung hòa tan: 820–860 °C, 1–2 giờ.
• Làm nguội nhanh: air/oil quench.
• Lão hóa: 480 °C, 4 giờ (điển hình).

Sau lão hóa, thép maraging có thể được gia công cơ học hoặc xử lý bề mặt (phủ PVD, nitrocarburizing) để gia tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn bề mặt.

Tính chất cơ học và vật lý nổi bật

Thép maraging nổi bật với tổ hợp tính chất cơ học vượt trội: độ bền kéo (ultimate tensile strength) và độ chảy (yield strength) sau lão hóa có thể đạt từ 1400 đến 2000 MPa, trong khi độ giãn dài (elongation) vẫn dao động trong khoảng 5–12 %. Khả năng chống mỏi (fatigue strength) ở chu kỳ cao (>107 chu kỳ) vượt trên 800 MPa, giúp thép phục vụ hiệu quả trong các chi tiết chịu dao động liên tục.

Về tính chất vật lý, thép maraging có hệ số giãn nở nhiệt thấp (~12 × 10–6 /K) và dẫn nhiệt tốt (15–20 W/m·K), phù hợp cho chi tiết hoạt động ở nhiệt độ thay đổi. Bảng dưới đây tóm tắt các giá trị điển hình của một số grade sau lão hóa:

• Độ bền nén (compressive strength): tương tự độ bền kéo, ít ảnh hưởng bởi hình dạng chi tiết.
• Độ cứng Rockwell C: 48–52 HRC sau lão hóa, cho phép gia công mài mòn tối thiểu.

Khả năng gia công và hàn

Thép maraging có khả năng gia công bằng các phương pháp truyền thống như tiện, phay, khoan tương đối tốt do không quá cứng ở trạng thái sau lão hóa, giúp giảm sự hao mòn dụng cụ cắt. Tuy nhiên, khi gia công chi tiết siêu chính xác, cần lựa chọn dao hợp kim cứng hoặc PCD và thiết lập tốc độ cắt, lượng chạy dao tối ưu.

Hàn thép maraging đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ bản thân vật liệu và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) để tránh hình thành pha gây giòn. Một số lưu ý khi hàn:

• Sử dụng khí trơ (argon) hoặc hỗn hợp argon–helium để bảo vệ mối hàn (Nickel Institute).
• Ngắt nhiệt nhiều giai đoạn (multi-pass) với nhiệt độ ngưng giữa các lớp dưới 150 °C.
• Xử lý nhiệt sau hàn (post-weld aging) ở 480 °C trong 4–6 giờ để phục hồi cấu trúc và tính chất cơ học.

Đối với công nghệ hàn laser hoặc điện beam, vùng HAZ được thu hẹp, hạn chế biến đổi cấu trúc, tuy nhiên yêu cầu máy móc chính xác và kiểm soát năng lượng đầu vào chặt chẽ.

Độ bền ăn mòn và môi trường hoạt động

Mặc dù không phải là thép không gỉ, thép maraging thể hiện khả năng chống ăn mòn khí quyển và nước ngọt tương đối tốt nhờ hàm lượng Ni cao. Tuy nhiên, dưới tác động của môi trường clorua hoặc acid mạnh, vẫn cần biện pháp bảo vệ bề mặt.

Các biện pháp cải thiện khả năng chống ăn mòn:

1. Phủ lớp bảo vệ PVD hoặc crom hóa bề mặt.
2. Nitrocarburizing ở nhiệt độ thấp (<600 °C) để tạo lớp compound giàu nitơ và carbon.
3. Sử dụng lớp phủ polymer hoặc sơn chịu hóa chất trong môi trường acid, kiềm.

Thép maraging thường được sử dụng trong môi trường thủy lực cao áp, hệ thống nhiên liệu tên lửa, và chi tiết dưới nước sâu, nơi yêu cầu kết hợp độ bền cao và kháng ăn mòn tương đối.

Ứng dụng điển hình

Ngành hàng không vũ trụ tận dụng thép maraging cho khung máy bay, chi tiết cánh quạt, và rotor động cơ turbine, nơi mỗi gram tải trọng đều được tối ưu hóa với độ bền cực cao. Ví dụ, nhà máy động cơ Rolls-Royce sử dụng thép maraging grade 300 trong một số bộ phận chịu lực trọng tâm (Rolls-Royce).

Trong quân sự, vỏ đạn xuyên giáp và nòng pháo sử dụng thép maraging để đạt tốc độ ban đầu cao và chịu áp suất cực đại. Ngoài ra, khuôn dập công nghiệp, bánh răng hiệu suất cao cho ô tô đua và khuôn đúc chi tiết siêu chính xác cũng tận dụng lợi thế của loại thép này.

• Khung đỡ động cơ tên lửa, vũ khí phóng (NASA, SpaceX).
• Khuôn dập kim loại, khuôn ép nhựa hiệu suất cao.
• Bánh răng hộp số ô tô thể thao, chi tiết máy đo định vị chính xác.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Một hướng nghiên cứu nổi bật là phát triển thép maraging–TRIP (Transformation Induced Plasticity) kết hợp cả cơ chế lão hóa và biến dạng chuyển pha để tăng độ dai va đập mà vẫn giữ độ bền cao. Kết quả ban đầu cho thấy độ giãn dài có thể tăng thêm 3–5 % so với thép maraging truyền thống (ScienceDirect).

Công nghệ in 3D kim loại, đặc biệt Selective Laser Melting (SLM) và Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), đang được tối ưu để chế tạo chi tiết bằng thép maraging trực tiếp, rút ngắn chu trình sản xuất và gia công sau in. Thách thức hiện tại là kiểm soát cấu trúc vi mô và loại bỏ các khuyết tật in (lỗ rỗng, nứt chân không).

Song song đó, xu hướng giảm thiểu sử dụng cobalt để hạ chi phí và cải thiện tính bền vững đang thúc đẩy nghiên cứu thay thế bằng Ni–Mn hoặc tăng hàm lượng Al, Ti để duy trì cơ chế lão hóa.

Tài liệu tham khảo

1. ASM International. “Maraging Steels,” ASM Handbook Vol.16.
2. Nickel Institute. “Welding of Maraging Steels,” PDF.
3. ScienceDirect. “Maraging Steel – Overview,” ScienceDirect Topics.
4. ScienceDirect. “Maraging TRIP Steels,” Article.
5. Rolls-Royce. “Engineering Materials,” Website.