1.2343 so với 1.2344 – 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 phải đối mặt với sự lựa chọn giữa hai loại thép công cụ gia công nóng của Đức có liên quan chặt chẽ khi xác định khuôn và dụng cụ: 1.2343 và 1.2344. Quyết định này thường cân bằng giữa độ bền nóng và khả năng chống mài mòn với độ bền, khả năng hàn và chi phí. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn thép cho khuôn tạo hình nhiệt độ cao (nơi độ cứng nóng và khả năng chịu nhiệt là yếu tố quan trọng) hoặc cho dụng cụ chịu sốc nhiệt (nơi độ bền và khả năng chống nứt là rất quan trọng).

Sự khác biệt thực tế chính là 1.2344 được thiết kế để mang lại khả năng tôi luyện, độ bền nóng và khả năng chống mài mòn cao hơn một chút, trong khi 1.2343 đánh đổi một chút độ cứng nóng đỉnh cao đó để có độ dẻo dai tốt hơn và đặc tính xử lý nhiệt và sửa chữa dễ dàng hơn một chút. Vì cả hai đều là mác thép gia công nóng theo tiêu chuẩn Đức, chúng thường được so sánh trực tiếp trong đúc khuôn, rèn, đùn và các ứng dụng gia công nóng khác.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN (Châu Âu): 1.2343 và 1.2344 (ký hiệu số EN thường dùng cho thép dụng cụ gia công nóng)
• Tên thương mại phổ biến/AISI: Các loại thép này tương ứng với họ thép công cụ gia công nóng loại H; 1.2344 được tham chiếu rộng rãi là loại tương đương H13 trong nhiều danh mục quốc tế; 1.2343 tương ứng với cấp gia công nóng có liên quan chặt chẽ (thường được so sánh với H11 trong các cuộc thảo luận).
• Các tiêu chuẩn khác: JIS, GB và ASTM cung cấp các tiêu chuẩn tương đương hoặc gần tương đương; hình dạng sản phẩm (thanh, tấm, rèn, khối tôi trước) tuân theo thông số kỹ thuật của nhà cung cấp.
• Phân loại: Cả hai đều là thép công cụ gia công nóng (thép công cụ hợp kim tôi bằng khí/có thể tôi), không phải thép không gỉ, không phải HSLA và được sử dụng ở nơi cần độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống ram.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình được trích dẫn bởi các tiêu chuẩn vật liệu và các nhà cung cấp chính. Thành phần hóa học thực tế thay đổi tùy theo nhiệt độ nhà máy và thông số kỹ thuật; hãy coi các giá trị này là phạm vi đại diện được sử dụng để lựa chọn chiến lược hợp kim thay vì giá trị tối thiểu/tối đa được đảm bảo tuyệt đối.

Yếu tố	1,2343 (trọng lượng điển hình%)	1,2344 (khối lượng điển hình%)
C	0,32 – 0,40	0,32 – 0,45
Mn	0,30 – 0,60	0,30 – 0,60
Si	0,80 – 1,20	0,80 – 1,20
P	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	4.00 – 5.00	4,75 – 5,50
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	0,80 – 1,25	1,10 – 1,75
V	0,70 – 1,00	0,80 – 1,20
Lưu ý	dấu vết	dấu vết
Ti	dấu vết	dấu vết
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết	dấu vết

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon: tạo độ cứng cho martensite và góp phần tăng khả năng chống mài mòn; hàm lượng cacbon cao hơn giúp tăng độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Crom: cải thiện khả năng tôi, độ cứng đỏ (độ cứng nóng) và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. - Molypden và Vanadi: tạo thành cacbua ổn định giúp tăng khả năng làm cứng thứ cấp, khả năng chống ram và khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ gia công nóng; chúng cũng tăng cường khả năng làm cứng. - Silic và Mangan: khử oxy và điều chỉnh độ bền; hành vi tôi luyện va đập. - Hợp kim vi mô nhỏ (Nb, Ti, B): khi có mặt ở dạng vết có thể làm mịn hạt, ảnh hưởng đến khả năng tôi hoặc tăng độ dẻo dai; thường không có mặt ở số lượng đáng kể đối với các loại thép gia công nóng cổ điển này.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình: - Cả hai loại thép đều là thép công cụ martensitic với hợp kim cacbua phân tán (cacbua giàu Cr-, Mo-, V-). Ở trạng thái tôi, chúng tạo thành ma trận martensitic ram với mạng lưới cacbua. - 1.2344, với hàm lượng Cr và Mo thường cao hơn (và đôi khi cao hơn một chút so với C), có khả năng tôi cứng tốt hơn và hàm lượng cacbua hợp kim cao hơn, có khả năng tôi cứng thứ cấp mạnh hơn khi ram. Điều này mang lại độ cứng nóng vượt trội và khả năng chống mềm ở nhiệt độ cao. - 1.2343 có xu hướng tạo ra ma trận martensitic tôi cứng hơn một chút với ít hợp kim cacbua cứng hơn so với 1.2344, điều này có thể giúp cải thiện khả năng chống nứt khi chịu mỏi nhiệt.

Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng: - Chuẩn hóa: cả hai loại thép đều thường được chuẩn hóa để tinh chỉnh hạt và đồng nhất trước khi làm cứng; điều này làm giảm sự phân tách và cải thiện độ dẻo dai. - Làm nguội: Làm nguội bằng khí hoặc dầu ở nhiệt độ austenit hóa là phương pháp điển hình; hàm lượng hợp kim cao hơn 1,2344 hỗ trợ quá trình làm nguội bằng khí với khả năng làm nguội tốt. Môi trường làm nguội và tốc độ làm nguội ảnh hưởng đến austenit lưu giữ và biến dạng. - Ủ: sử dụng nhiều chu kỳ ủ để đạt được martensite ủ ổn định và làm cứng thứ cấp. 1.2344 được hưởng lợi nhiều hơn từ các đỉnh làm cứng thứ cấp do cacbua Mo và V, mang lại khả năng chống chịu nhiệt vượt trội ở nhiệt độ ủ cao hơn. - Xử lý nhiệt cơ học: rèn hoặc cán có kiểm soát sau đó xử lý nhiệt thích hợp có thể cải thiện độ dẻo dai thông qua quá trình tinh luyện hạt cho cả hai loại.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi đặc tính điển hình cho điều kiện tôi và ram (giá trị thực tế phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ xử lý nhiệt và ram cụ thể). Hãy sử dụng những thông tin này làm hướng dẫn thiết kế thay vì dữ liệu được nhà cung cấp đảm bảo.

Tài sản	1.2343 (điển hình)	1.2344 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	900 – 1.200	1.000 – 1.300
Giới hạn chảy (MPa)	700 – 950	800 – 1.050
Độ giãn dài (%)	8 – 14	7 – 12
Độ bền va đập (J, Charpy)	tương đối cao hơn	trung bình đến cao
Độ cứng (HRC, đã tôi và ram)	42 – 52	44 – 54

Giải thích: - 1.2344 thường đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn cũng như độ cứng tối đa sau khi xử lý nhiệt thích hợp do hàm lượng hợp kim cao hơn và mật độ cacbua mạnh hơn. - 1.2343 thường có độ dẻo dai và độ bền va đập tốt hơn một chút ở mức độ cứng tương đương, khiến nó ít bị gãy giòn hơn dưới tải nhiệt tuần hoàn hoặc va đập. - Các nhà thiết kế chọn 1.2344 cho các ứng dụng đòi hỏi độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn cao hơn; họ chọn 1.2343 khi độ dẻo dai và khả năng chống nứt lan rộng là ưu tiên hàng đầu.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Để đánh giá định tính, các kỹ sư sử dụng các chỉ số như Lượng cacbon tương đương IIW và Pcm. Các công thức đại diện:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả 1.2343 và 1.2344 đều có hàm lượng cacbon trung bình và hợp kim hóa đáng kể, tạo ra hàm lượng cacbon tương đương từ trung bình đến cao. Điều này đòi hỏi phải gia nhiệt sơ bộ có kiểm soát, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để tránh nứt do hydro và để tôi lại các vùng đã tôi cứng. - 1.2344 thường có giá trị CE/PCM cao hơn một chút do hàm lượng Cr/Mo/V cao hơn; do đó, việc hàn và sửa chữa khó khăn hơn một chút so với 1.2343. Việc nung nóng sơ bộ và làm nguội chậm đặc biệt quan trọng đối với 1.2344 để tránh nứt. - Thực hành được khuyến nghị: sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt trước đầy đủ (tùy thuộc vào nhà cung cấp và quy trình hàn) và thực hiện PWHT để khôi phục độ cứng và giảm ứng suất dư.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 1.2343 và 1.2344 đều không phải là thép không gỉ; chúng thiếu hàm lượng crom (>10,5–11%) cần thiết để chống ăn mòn trong quá trình sử dụng. Do đó, cần có các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường có liên quan đến quá trình oxy hóa hoặc ăn mòn hóa học.
• Các biện pháp bảo vệ thông thường: lớp phủ (mạ điện, crom cứng nếu phù hợp với nhiệt độ), hệ thống sơn, dầu/mỡ hoặc lớp chắn vật lý; để kiểm soát quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao, có thể cân nhắc xử lý bề mặt như thấm nitơ (nếu có) hoặc lớp phủ chắn nhiệt.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép gia công nóng có hàm lượng Cr thấp này vì chúng không phải là loại thép không gỉ; do đó công thức PREN không liên quan:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Chỉ sử dụng các chỉ số như vậy cho hợp kim thép không gỉ austenit.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại đều gia công tương tự nhau trong điều kiện ủ; khả năng gia công giảm đáng kể sau khi tôi. 1.2344, có tiềm năng về độ cứng và hợp kim cao hơn một chút, có thể mài mòn hơn đối với dụng cụ và có thể yêu cầu dụng cụ cacbua hoặc miếng chèn được phủ.
• Khả năng định hình và uốn: Đây không phải là thép tạo hình tấm; đối với bất kỳ quá trình tạo hình nguội nào, thép phải được cung cấp ở trạng thái mềm/ủ thích hợp. Sau khi tôi cứng, việc tạo hình là không khả thi.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận mài, gia công bằng xung điện (EDM) và gia công hoàn thiện thông thường. EDM thường được sử dụng cho các khoang phức tạp; cần chú ý đến vết nứt và nhiệt độ cục bộ.
• Sửa chữa: 1.2343 thường dễ mài và hàn sửa chữa hơn 1.2344; tuy nhiên, cả hai đều yêu cầu phải làm nóng trước và PWHT khi hàn.

8. Ứng dụng điển hình

Loại ứng dụng	1.2343 (sử dụng điển hình)	1.2344 (sử dụng điển hình)
Khuôn rèn nóng	Khuôn rèn nóng chịu tải trọng thấp đến trung bình, nơi độ dẻo dai cao được coi trọng	Khuôn rèn chịu lực nặng đòi hỏi độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn cao hơn
Dụng cụ đúc khuôn	Chèn chịu tác động của chu kỳ nhiệt nhưng khả năng chống nứt là quan trọng	Chốt lõi, chèn khuôn có khả năng chịu nhiệt và mài mòn cao
Dụng cụ đùn	Dụng cụ đùn khi cần độ bền nóng và độ dẻo dai vừa phải	Khuôn đùn hoạt động ở nhiệt độ/áp suất cao hơn
Gia công nóng (chung)	Dụng cụ ép, khuôn cắt chịu va đập	Pít-tông chịu nhiệt độ cao, chốt đẩy, khuôn cần khả năng chịu nhiệt
Dụng cụ có thể sửa chữa	Được ưa chuộng ở nơi có khả năng hàn và sửa chữa tại chỗ thường xuyên	Được sử dụng khi hiệu suất hao mòn đòi hỏi phải có quy trình sửa chữa cẩn thận hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 1.2344 cho nhiệt độ làm việc cao hơn, các ứng dụng có độ mài mòn cao hoặc khi việc duy trì độ cứng ở nhiệt độ tôi cao là rất quan trọng. - Chọn 1.2343 khi độ mỏi nhiệt, khả năng chống nứt và dễ sửa chữa được ưu tiên hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 1.2344 (loại H13) là một trong những loại thép dụng cụ gia công nóng phổ biến nhất trên toàn cầu; giá thành thường tương đương hoặc cao hơn một chút so với 1.2343 do nhu cầu và quy trình gia công. Hàm lượng hợp kim cao hơn trong 1.2344 có thể làm tăng nhẹ chi phí vật liệu.
• Tính khả dụng: 1.2344 có tính khả dụng tuyệt vời ở nhiều dạng sản phẩm (thanh tròn, tấm, khối tôi cứng, rèn). 1.2343 cũng được sử dụng rộng rãi nhưng đôi khi phổ biến hơn trong các ứng dụng cụ thể hoặc chuỗi cung ứng khu vực.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai đều được bán ở dạng ủ và tôi cứng trước; thời gian giao hàng phụ thuộc vào kích thước, độ hoàn thiện và hàng tồn kho của nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	1.2343	1.2344
Khả năng hàn (định tính)	Tốt hơn (sửa chữa dễ dàng hơn)	Khó khăn hơn một chút
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cứng hơn, dẻo hơn một chút	Độ bền cao hơn và độ cứng nóng
Chi phí (điển hình)	Cạnh tranh	Có thể so sánh với cao hơn một chút
Khả dụng	Tốt	Tuyệt vời, có sẵn rộng rãi

Chọn 1,2343 nếu: - Dụng cụ của bạn thường xuyên phải chịu tác động của chu kỳ nhiệt hoặc va đập và khả năng chống nứt, và khả năng sửa chữa tại chỗ dễ dàng hơn là ưu tiên hàng đầu. - Bạn cần sự kết hợp cân bằng giữa độ bền và hiệu suất làm việc nóng với các yêu cầu hàn/sửa chữa đơn giản hơn. - Độ cứng nóng đỉnh thấp hơn một chút có thể chấp nhận được để đổi lại khả năng chống gãy được cải thiện.

Chọn 1,2344 nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi khả năng làm cứng cao hơn, độ cứng nóng bền vững và khả năng chống mài mòn vượt trội ở nhiệt độ tôi cao. - Bạn đang thiết kế cho ứng suất nhiệt và mài mòn cao (khuôn rèn nặng, lõi đúc khuôn đòi hỏi khắt khe, đùn ép ở nhiệt độ cao). - Bạn có thể áp dụng các quy trình hàn, gia nhiệt trước và PWHT nghiêm ngặt hơn để sửa chữa và lắp ghép.

Lưu ý cuối cùng: Cả 1.2343 và 1.2344 đều là thép công cụ gia công nóng đã được chứng minh; việc lựa chọn nên được xác nhận bằng bảng dữ liệu của nhà cung cấp, lịch trình xử lý nhiệt cụ thể và thử nghiệm nguyên mẫu trong điều kiện dịch vụ tiêu biểu để xác nhận độ cứng, độ dẻo dai và tuổi thọ cho ứng dụng dự định.