Vingroup chi 10.000 tỷ lập VinMetal để luyện kim, cung cấp cho cả VinFast: Thép ô tô có dễ 'xơi'?

Vừa mới đây, Vingroup cho biết sẽ thành lập công ty thành viên lấy tên VinMetal, tham gia vào lĩnh vực luyện kim. Công ty mới lập có vốn đầu tư 10.000 tỷ đồng, dự kiến đặt nhà máy sản xuất tại Vũng Áng, Hà Tĩnh với công suất mục tiêu 5 triệu tấn/năm ở giai đoạn 1.

Các dòng thép mà VinMetal tập trung sản xuất không chỉ dừng ở thép dân dụng phục vụ xây dựng, đơn vị này còn hướng tới sản xuất thép đặc chủng dành cho xe điện cũng như hạ tầng giao thông tốc độ cao, như thép làm thân xe, ray, kết cấu cầu - cảng - đường sắt... VinMetal cũng hướng tới xuất khẩu thép ra các thị trường khác trong khu vực.

Thông báo của Vingroup cho thấy VinFast và Vinhomes là hai đơn vị được phục vụ trước tiên. Đáng chú ý, thép sản xuất ô tô là loại vật liệu rất phức tạp, có yêu cầu cao ở cả chất lượng sản phẩm lẫn thiết bị để sản xuất hay kiểm soát chất lượng.

Thép tiêu chuẩn ô tô

Trong hơn một thế kỷ, thép vẫn là vật liệu nền tảng của ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, việc tạo ra loại thép đáp ứng được yêu cầu của xe hiện đại lại là một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất của ngành luyện kim. Khác với thép xây dựng, vốn chủ yếu cần đạt độ bền và giá thành hợp lý, thép ô tô phải thỏa mãn đồng thời nhiều tiêu chí: Độ bền kéo cao, khả năng uốn dẻo tốt, chống ăn mòn, dễ hàn và có bề mặt đủ tốt để có thể sơn phủ.

Báo cáo của American Iron and Steel Institute (tạm dịch: Viện Nghiên cứu Sắt và Thép Mỹ) năm 2020 nhận định rằng tiêu chuẩn đối với thép ô tô hiện nay "phức tạp hơn bất kỳ ngành nào khác sử dụng thép", bởi loại thép này vừa phải có khả năng chịu tác động mạnh, vừa cần phải nhẹ để giảm tiêu hao năng lượng của xe, đồng thời có độ đồng đều tuyệt đối để đảm bảo an toàn kết cấu.

Yêu cầu đối với thép ô tô

Một chiếc ô tô có thể ví như một chiếc hộp biết đi. "Chiếc hộp" này được thiết kế và tính toán rất kỹ về mặt cấu trúc để đáp ứng nhiều tiêu chí bên cạnh vấn đề chịu lực. 

Tùy theo vị trí trên xe, yêu cầu đối với thép sẽ khác nhau: 

- Khung và cột trụ cần độ bền và khả năng hấp thụ năng lượng va chạm cao; 

- Vỏ xe và nắp capo đòi hỏi thép dễ dập, có độ dẻo cao và bề mặt cực mịn; 

- Sàn xe và dầm phụ cần thép chịu mỏi và chống ăn mòn lâu dài.

Trong một bài viết đăng tải trên ScienceDirect năm 2019, mỗi tấm thép ô tô phải đạt độ bền kéo (tensile strength) từ 500 đến 1500 MPa, trong khi vẫn phải duy trì độ giãn dài trên 20% để đảm bảo khả năng tạo hình. Chỉ cần thay đổi 0,01% hàm lượng carbon hoặc mangan, toàn bộ đặc tính cơ học có thể bị sai lệch.

Vì vậy, các nhà sản xuất luôn phải cân bằng giữa độ bền và tính dẻo, vốn là hai yếu tố thường mâu thuẫn. Bài viết Metallurgical Perspectives on Advanced Sheet Steels for Automotive Applications (tạm dịch: Góc nhìn từ ngành luyện kim về ứng dụng thép tấm tiên tiến cho ô tô; đăng tải trên tạp chí khoa học Springer năm 2017) có câu: "Làm thép ô tô là nghệ thuật của sự thỏa hiệp giữa sức mạnh và khả năng tạo hình".

"Sai một ly đi một dặm"

Sản xuất thép nói chung và thép dành cho ô tô nói riêng đòi hỏi độ chính xác cao. Một sai sót nhỏ cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn chất lượng thành phẩm. 

Quá trình sản xuất thép ô tô bắt đầu từ công đoạn luyện và tinh luyện kim loại ở nhiệt độ trên 1600°C, sau đó được kiểm soát thành phần hợp kim, tốc độ cán và chu trình nguội với độ chính xác đến từng giây.

Các loại thép hiện đại cho ô tô – như AHSS (Advanced High-Strength Steel) và UHSS (Ultra High-Strength Steel) – là sản phẩm của luyện kim đa pha, gồm ferrite, martensite và bainite. Việc kiểm soát tỷ lệ và phân bố của các pha này quyết định tính năng cuối cùng.

Báo cáo của Oak Ridge National Laboratory (Viện nghiên cứu quốc gia Oak Ridge, Mỹ) năm 2020 cho biết "chênh lệch 5°C trong giai đoạn ủ nhiệt" cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn cấu trúc vi mô, khiến thép trở nên giòn hoặc khó tạo hình. 

Vì vậy, các dây chuyền hiện đại như của POSCO hay Nippon Steel phải sử dụng hệ thống cảm biến hồng ngoại và mô hình số hóa vi cấu trúc thời gian thực để kiểm soát từng mét thép tấm.

Tạo hình thép: Bài toán khó

Sau khi đạt được các thông số cơ tính, thép sử dụng để sản xuất ô tô còn phải trải qua giai đoạn tạo hình thân xe – đây cũng là bước khiến nhiều kỹ sư "đau đầu" nhất. Theo một nghiên cứu đăng trên Springer năm 2021, các loại thép có độ bền trên 1.000 MPa (thuộc loại Ultra High-strength Steel, UHSS) rất khó dập hoặc uốn, dễ gặp hiện tượng nứt, biến dạng đàn hồi (springback) và xoắn mép (end flare).

Để khắc phục, các hãng xe phải dùng công nghệ dập nóng (hot stamping) – nung thép lên tới 900°C rồi vừa dập vừa làm nguội nhanh trong khuôn. Quá trình này giúp tạo hình chính xác nhưng đòi hỏi khuôn dập cũng phải chịu được nhiệt đặc biệt cao, làm tăng chi phí thiết bị lên gấp 3–5 lần so với dập nguội.

Song, sau khi thép được sản xuất và tạo hình thành công, thép cần phải vượt qua khâu kiểm định để đảm bảo đạt yêu cầu. Quy trình kiểm thử thép ô tô có một số bước có thể tham khảo như sau:

- Kiểm tra cơ tính (kéo, nén, uốn, va đập);

- Thử nghiệm ăn mòn muối, thử mỏi, và thử biến dạng nhiệt;

- Phân tích cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD);

- Kiểm tra từng lô sản xuất để đảm bảo tính đồng nhất.

Chính vì sự phức tạp trong yêu cầu sản xuất, yêu cầu thành phẩm, và yêu cầu về trang thiết bị, chỉ có vài tập đoàn lớn mới đủ khả năng sản xuất thép ô tô ở quy mô toàn cầu. Một số cái tên nổi bật trong ngành sản xuất thép phục vụ ô tô có thể nêu như ArcelorMittal, POSCO, Nippon Steel, hay Thyssenkrupp.