1.2311 so với 1.2738 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường xuyên phải lựa chọn giữa các cấp thép khuôn và thép dụng cụ gần giống nhau nhưng khác biệt. Quyết định này thường cân bằng giữa khả năng gia công, khả năng đánh bóng và chi phí so với khả năng tôi cứng, khả năng chống mài mòn và tuổi thọ chịu mỏi. Các trường hợp điển hình bao gồm việc lựa chọn thép cho khuôn ép nhựa, khuôn dập đa năng, hoặc các chi tiết đòi hỏi độ hoàn thiện bề mặt và độ ổn định kích thước.

Trên thực tế, 1.2311 và 1.2738 được so sánh vì cả hai đều đóng vai trò trong khuôn mẫu và dụng cụ, tuy nhiên chúng được thiết kế cho những ưu tiên khác nhau: một loại nhấn mạnh vào tính dễ gia công và hoàn thiện bề mặt cho khuôn nhựa, trong khi loại còn lại nhấn mạnh vào hàm lượng carbon và hợp kim cao hơn để có độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu tải tốt hơn. Hiểu được triết lý thành phần, phản ứng xử lý nhiệt, hành vi cơ học và ý nghĩa chế tạo là chìa khóa để lựa chọn loại thép phù hợp.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN/DIN: 1.2311 và 1.2738 là mã số định danh DIN/EN của Châu Âu thường được sử dụng trong thông số kỹ thuật về mua sắm và vật liệu.
• Các tiêu chuẩn khác: Có thể có các tiêu chuẩn tương đương trong ASTM/ASME, JIS hoặc GB cho các hợp kim cụ thể hoặc phiên bản độc quyền; luôn xác nhận bằng chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp.
• Phân loại:
• 1.2311 — Thép khuôn/dụng cụ được tôi cứng trước (thép dụng cụ hợp kim được thiết kế cho các ứng dụng khuôn nhựa; không gỉ).
• 1.2738 — Thép dụng cụ có hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn (được sử dụng cho khuôn mẫu và khuôn dập yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn; không phải thép không gỉ).
• Cả hai đều không phải là thép không gỉ cũng không phải là thép HSLA kết cấu; cả hai đều thuộc họ thép dụng cụ/ khuôn mẫu (thép hợp kim/dụng cụ).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây trình bày trọng tâm về thành phần định tính hơn là phạm vi số chính xác. Luôn xác nhận giới hạn số từ chứng chỉ nhà cung cấp cụ thể hoặc tiêu chuẩn áp dụng trước khi thiết kế hoặc hàn.

Yếu tố	1.2311 (nhấn mạnh điển hình)	1.2738 (nhấn mạnh điển hình)
C (Cacbon)	Thấp-trung bình (có thể định hình, khả năng gia công/đánh bóng tốt hơn)	Trung bình – cao hơn (cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn)
Mn (Mangan)	Trung bình (khử oxy, cường độ)	Trung bình (vai trò tương tự; có thể hỗ trợ khả năng tôi luyện)
Si (Silic)	Thấp-trung bình (khử oxy, cường độ)	Thấp-trung bình
P (Phốt pho)	Thấp (giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai)	Thấp
S (Lưu huỳnh)	Thấp (đối với các biến thể gia công có thể cao hơn một chút trong các biến thể gia công tự do)	Thấp
Cr (Crom)	Trung bình (độ cứng, khả năng chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn)	Trung bình – cao hơn (khả năng làm cứng và chống mài mòn tốt hơn)
Ni (Niken)	Dấu vết thấp (đôi khi có để cải thiện độ dẻo dai)	Dấu vết thấp
Mo (Molypden)	Thấp-trung bình (cải thiện khả năng làm cứng/độ bền ở nhiệt độ)	Thấp-trung bình (được sử dụng để tăng cường khả năng làm cứng và độ bền)
V (Vanadi)	Thấp (chất tạo hình cacbua để kiểm soát hạt mịn)	Thấp–trung bình (hỗ trợ khả năng chống mài mòn thông qua các cacbua mịn)
Nb/Ti/B/N	Thông thường có dấu vết hoặc không có (kiểm soát hạt không phải là tính năng chính)	Có thể theo dõi (khi được thiết kế để có độ dẻo dai/khả năng tôi luyện)

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon và crom là đòn bẩy chính: hàm lượng cacbon tăng làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn; crom tăng khả năng tôi và khả năng chịu nhiệt. - Các nguyên tố hợp kim như Mo và V làm tăng khả năng tôi luyện và tạo thành cacbua cải thiện khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm khả năng đánh bóng. - 1.2311 được thiết kế để tạo sự cân bằng có lợi cho quá trình gia công và hoàn thiện bề mặt; 1.2738 chuyển dịch thành phần theo hướng có nhiều cacbon và cacbua hơn để chống mài mòn và chịu tải.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình và hành vi xử lý nhiệt:

1.2311 - Nguyên liệu: thường được cung cấp ở dạng thép khuôn đã được tôi và ram trước (thép khuôn “đã được tôi”) với nền martensitic ram và tương đối ít carbide thô. Điều này tạo ra cấu trúc vi mô mịn, dễ gia công và đánh bóng. - Phản ứng xử lý nhiệt: có thể được làm cứng lại và ram, nhưng thành phần và mức độ hợp kim có nghĩa là khả năng làm cứng ở mức trung bình; cần kiểm soát cẩn thận tốc độ austenit hóa và làm nguội để tránh nứt hoặc biến dạng quá mức. - Chuẩn hóa/tinh chế: các chu trình chuẩn hóa và ram làm giảm ứng suất dư và có thể tinh chỉnh nhẹ kích thước hạt, nhưng cấp độ này được tối ưu hóa để giảm thiểu quá trình gia công sau này.

1.2738 - Theo dạng cung cấp: thường được cung cấp ở trạng thái ủ mềm để gia công hoặc phôi đã tôi cứng; cấu trúc vi mô ở trạng thái ủ là ferit + perlit với hợp kim cacbua phân tán. - Phản ứng xử lý nhiệt: hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn tạo ra khả năng làm cứng cao hơn—phản ứng tốt với quá trình làm nguội và ram để đạt được mức độ cứng cao hơn và cấu trúc vi mô martensitic ram với hợp kim cacbua phân tán để chống mài mòn. - Xử lý nhiệt cơ học: phản ứng tốt hơn với các phương pháp xử lý làm cứng sâu hơn và sẽ đạt được độ cứng xuyên suốt cao hơn đối với các phần dày hơn so với 1.2311.

Ý nghĩa thực tiễn: 1.2311 ưu tiên xử lý nhiệt sau gia công tối thiểu và bề mặt hoàn thiện có thể dự đoán được; 1.2738 cho phép độ cứng cuối cùng cao hơn và khả năng chống mài mòn với cái giá phải trả là xử lý nhiệt mạnh hơn và nguy cơ biến dạng lớn hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các xu hướng tính chất cơ học định tính so sánh. Giá trị chính xác phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và thông số kỹ thuật; tham khảo bảng dữ liệu của nhà cung cấp để biết các con số có thể chứng nhận.

Tài sản	1.2311 (điển hình như được cung cấp / tôi luyện)	1.2738 (ủ điển hình / làm nguội & ram)
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn (sau khi tôi và tôi)
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài	Cao hơn (dẻo hơn)	Thấp hơn (độ cứng cao hơn làm giảm độ giãn dài)
Độ bền va đập	Tốt (cân bằng cho ứng dụng khuôn)	Biến đổi — có thể tốt nếu được tôi luyện đúng cách, nhưng thường thấp hơn ở độ cứng cao
Độ cứng (khi cung cấp)	Trung bình (dễ gia công/đánh bóng)	Thấp hơn khi ủ; có thể được làm cứng đến HRC cao hơn sau khi xử lý nhiệt

Vật liệu nào bền hơn/dẻo hơn/dẻo hơn và tại sao: - Độ bền và khả năng làm cứng: 1.2738 thường đạt được độ bền và độ cứng cao hơn sau các chu kỳ làm nguội và ram thích hợp do hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn. - Độ dẻo dai và tính dễ uốn: 1.2311 thường giữ được độ dẻo dai cao hơn và khả năng đánh bóng dễ dàng hơn ở trạng thái đã tôi cứng trước, khiến nó trở nên thích hợp hơn cho các khoang khuôn phun nơi mà độ hoàn thiện bề mặt và khả năng chống nứt trong quá trình gia công là ưu tiên hàng đầu.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và hợp kim. Hai chỉ số thường được sử dụng để diễn giải định tính:

• Đương lượng cacbon (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (Độ quan trọng của mối hàn):
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 1.2311: hàm lượng carbon thấp hơn và ít nguyên tố hợp kim hơn thường tạo ra $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn so với 1.2738, giúp hàn dễ dàng hơn với yêu cầu về nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn thấp hơn. Tuy nhiên, là thép dụng cụ/khuôn, quá trình hàn cần được chú ý để tránh nứt nóng và phù hợp với quy trình luyện kim để xử lý nhiệt sau hàn. - 1,2738: C cao hơn và hợp kim hóa làm tăng lượng cacbon tương đương, làm tăng nguy cơ hình thành các vùng ảnh hưởng nhiệt cứng, giòn và nứt nguội. Việc gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn thường được yêu cầu nhiều hơn.

Lưu ý thực tế: Đối với cả hai loại, hàn thường chỉ giới hạn ở việc sửa chữa hoặc chế tạo các chi tiết không quan trọng. Đối với các chi tiết quan trọng, nên sử dụng phương pháp hàn cố định hoặc gia công từ một khối duy nhất; việc sửa chữa hàn nên tuân theo khuyến nghị của nhà cung cấp và kim loại hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 1.2311 và 1.2738 đều không phải là thép không gỉ; do đó, cần phải bảo vệ chống ăn mòn hóa học và khí quyển ở những nơi môi trường yêu cầu.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến: lớp phủ trong suốt hoặc có sắc tố, sơn, phosphat hóa, bảo quản dầu hoặc mạ kẽm nếu cần. Đối với các khoang khuôn có độ chính xác cao, đôi khi các lớp phủ (ví dụ: PVD, thấm nitơ) được áp dụng để cải thiện khả năng chống mài mòn và ăn mòn đồng thời bảo vệ bề mặt hoàn thiện.
• Chỉ số PREN (Chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng vì các loại thép này không phải thép không gỉ. Đối với thép không gỉ, chỉ số là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn, hãy chọn thép dụng cụ không gỉ hoặc áp dụng kỹ thuật bề mặt (lớp phủ cứng, thấm nitơ, mạ chống ăn mòn) thay vì chỉ dựa vào khả năng chống ăn mòn của hợp kim cơ bản.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng gia công:
• 1.2311: thường được thiết kế để gia công tốt và đánh bóng rất tốt ở trạng thái tôi cứng trước. Ít mài mòn dụng cụ trong quá trình gia công thô và tinh; thích hợp cho gia công dung sai chặt chẽ.
• 1.2738: ở trạng thái ủ có thể gia công được, nhưng khi tôi đến độ cứng làm việc, nó có tính mài mòn cao hơn và gây mài mòn dụng cụ nhiều hơn. Thường cần phải gia công bằng cacbua và mài.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Cả hai đều là loại thép có khả năng định hình hạn chế so với thép kết cấu hàm lượng carbon thấp; độ cứng thấp hơn của 1.2311 ở trạng thái tôi trước tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc định hình nhỏ. Các thao tác định hình lớn không phổ biến đối với thép làm khuôn.
• Hoàn thiện:
• 1.2311 cho phép hoàn thiện bề mặt và đánh bóng vượt trội — điều quan trọng đối với các bộ phận bằng nhựa bóng.
• 1.2738 khó đạt được độ bóng gương hơn do hàm lượng cacbua cao hơn; có thể cần thêm các bước đánh bóng hoặc lớp phủ.
• Biến dạng do xử lý nhiệt:
• 1.2738 dễ bị biến dạng hơn trong các chu kỳ làm cứng mạnh do khả năng làm cứng cao hơn và biến đổi cao hơn; cần phải lập kế hoạch gia công và cố định cẩn thận.

8. Ứng dụng điển hình

1.2311 — Công dụng điển hình	1.2738 — Công dụng điển hình
Tấm ép phun và chèn khoang nơi độ bóng tốt và độ ổn định kích thước là ưu tiên hàng đầu	Khuôn và dụng cụ chịu mài mòn cao hơn, chẳng hạn như khuôn cắt, khuôn dập và các thành phần khuôn chịu tải nặng
Đế và tấm khuôn đúc cứng trước đa năng	Lõi khuôn và chèn khuôn nơi có ứng suất tiếp xúc cao và mài mòn (sau khi làm cứng)
Khuôn mẫu và sản xuất số lượng ít đòi hỏi gia công và đánh bóng nhanh	Dụng cụ sản xuất khối lượng lớn đòi hỏi tuổi thọ cao hơn và độ cứng cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 1.2311 cho các linh kiện mà tiêu chí lựa chọn chủ yếu là độ hoàn thiện bề mặt, khả năng đánh bóng và thời gian gia công ngắn (ví dụ: các bộ phận nhựa quang học hoặc có độ bóng cao). - Chọn 1.2738 khi yêu cầu chính là khả năng chống mài mòn cao hơn, độ cứng khi vận hành cao hơn hoặc khi dụng cụ sẽ hoạt động dưới tải trọng nặng hơn hoặc điều kiện mài mòn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 1.2311 thường tiết kiệm hơn đối với các tấm khuôn đã tôi cứng trước và được dự trữ rộng rãi dưới dạng tấm và khối cho các nhà sản xuất khuôn. 1.2738, tùy thuộc vào thành phần chính xác và điều kiện xử lý nhiệt, có thể có giá cao hơn một chút, đặc biệt nếu được cung cấp ở dạng phôi có thể tôi cứng hoặc với chu kỳ ủ cụ thể.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• 1.2311: thường có dạng tấm, khối và tấm mài trong điều kiện tôi cứng trước; phổ biến trong các kênh phân phối dụng cụ.
• 1.2738: có sẵn ở dạng thanh, tấm và phôi tùy chỉnh; có thể yêu cầu đặt hàng theo thông số kỹ thuật cho điều kiện tôi cứng.
• Thời gian giao hàng: Tình trạng hàng tồn kho cho cả hai loại thép này nhìn chung khá tốt trên thị trường dụng cụ gia công đã phát triển, nhưng các kích thước chuyên biệt hoặc điều kiện xử lý nhiệt có thể làm tăng thời gian giao hàng. Các biến thể được phủ hoặc tôi cứng trước có thể dễ dàng có sẵn hơn cho thép 1.2311.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt — đánh giá định tính (Cao hơn / Trung bình / Thấp hơn):

Thuộc tính	1.2311	1.2738
Khả năng hàn (thực tế)	Cao hơn (dễ hơn)	Thấp hơn (cần làm nóng/ủ nhiều hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Trung bình (cân bằng tốt, dẻo hơn)	Độ bền cao hơn (nhưng độ dẻo sẽ giảm khi được tôi cứng)
Chi phí (điển hình trên thị trường khuôn mẫu)	Thấp-Trung bình	Trung bình–Cao hơn

Khuyến nghị cuối cùng: - Chọn 1.2311 nếu: - Bạn cần loại thép làm khuôn đã được tôi cứng trước, có khả năng gia công và đánh bóng tuyệt vời để làm khuôn ép nhựa. - Bề mặt hoàn thiện và độ ổn định kích thước với quá trình xử lý hậu kỳ tối thiểu là rất quan trọng. - Việc sửa chữa mối hàn sẽ được thực hiện thường xuyên và mong muốn mối hàn được dễ dàng. - Thời gian hoàn thành ngắn hơn và kiểm soát chi phí là ưu tiên hàng đầu.

• Chọn 1,2738 nếu:
• Ứng dụng này đòi hỏi độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi tôi và ram.
• Dụng cụ sẽ phải chịu tải trọng cơ học cao hơn, mài mòn hoặc cần có tuổi thọ sản xuất dài hơn.
• Bạn chấp nhận xử lý nhiệt phức tạp hơn, khả năng biến dạng lớn hơn và nhu cầu sử dụng dụng cụ chống cacbua trong quá trình gia công/mài.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều có giá trị trong chế tạo khuôn mẫu và dụng cụ. Lựa chọn chính xác phụ thuộc vào yêu cầu hiệu suất ưu tiên: độ hoàn thiện bề mặt và khả năng gia công dễ dàng so với khả năng tôi cứng và chống mài mòn tối đa. Đối với bất kỳ yêu cầu mua sắm hoặc thiết kế quan trọng nào, hãy xác nhận các giới hạn hóa học và cơ học cụ thể từ chứng chỉ nhà máy và tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp xử lý nhiệt của bạn để lựa chọn vật liệu phù hợp với điều kiện gia công và vận hành dự kiến.