1.2344 so với 1.2343 – 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 các loại thép công cụ gia công nóng có liên quan chặt chẽ khi thiết kế khuôn và dụng cụ, vốn phải chịu được chu kỳ nhiệt, mài mòn cơ học và ứng suất tiếp xúc cao. Hai loại thép được ký hiệu theo tiêu chuẩn Đức thường được so sánh là 1.2344 và 1.2343. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường tập trung vào khả năng tôi và độ bền nóng so với độ bền khía và chi phí—tức là khi nào nên ưu tiên khả năng chống mỏi nhiệt và biến dạng (thường đòi hỏi hàm lượng hợp kim và khả năng tôi cao hơn) và khi nào nên ưu tiên khả năng chống va đập và dễ chế tạo.

Sự khác biệt thực tế chính là 1.2344 thường tương ứng với thép công cụ gia công nóng loại H13 (hàm lượng cacbon, molypden và vanadi cao hơn một chút) và được chỉ định khi cần độ cứng và độ bền nóng cao, trong khi 1.2343 tương ứng với thành phần loại H11 (hàm lượng hợp kim thấp hơn một chút) và được lựa chọn khi ưu tiên độ dẻo dai cao hơn một chút, gia công dễ dàng hơn và chi phí thấp hơn. Do nhóm kim loại cơ bản và ứng dụng của chúng trùng lặp, các nhà thiết kế so sánh chúng cho công việc đúc khuôn, rèn, đùn và dập nóng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN/DIN: 1.2344 (X40CrMoV5-1, thường được coi là H13); 1.2343 (X37CrMoV5-1, thường được coi là H11).
• ASTM/ASME: Thường được tham chiếu theo các tiêu chuẩn thép công cụ AISI/UNS tương đương (họ H11/H13); số ASTM trực tiếp một-một không thay thế được mã định danh EN.
• JIS/GB: Có các từ tương đương tại địa phương trong danh mục JIS/GB nhưng thuật ngữ thì khác nhau; hãy kiểm tra bảng tham chiếu chéo để có kết quả chính xác.
• Phân loại: Cả hai đều là thép công cụ gia công nóng (họ thép công cụ), không phải thép không gỉ hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng — phạm vi thành phần điển hình (% khối lượng, theo thông số kỹ thuật loại EN và thông lệ công nghiệp phổ biến). Các giá trị hiển thị là phạm vi điển hình; tham khảo chứng chỉ vật liệu để biết thành phần hóa học của lô chính xác.

Yếu tố	1.2344 (loại H13) điển hình	1.2343 (loại H11) điển hình
C	0,32 – 0,45	0,32 – 0,40
Mn	0,30 – 0,80	0,30 – 0,60
Si	0,80 – 1,20	0,80 – 1,20
P	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	4,8 – 5,5	4,8 – 5,5
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	1,10 – 1,75	0,80 – 1,20
V	0,80 – 1,20	0,30 – 0,60
Nb/Ti/B/N	≤ dấu vết (thường là không có)	≤ dấu vết (thường là không có)
N	thường rất thấp	thường rất thấp

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon thiết lập khả năng làm cứng và độ cứng cơ bản; hàm lượng carbon cao hơn hỗ trợ độ cứng khi ram cao hơn nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai khi kết hợp với khả năng làm cứng cao. - Crom góp phần tăng độ cứng, độ bền nóng và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. - Molypden làm tăng độ bền nhiệt độ cao, khả năng làm cứng và khả năng chống mềm trong quá trình sử dụng. - Vanadi tạo thành cacbua rất cứng giúp tăng cường khả năng chống mài mòn và làm cứng thứ cấp; V cao hơn (như trong 1,2344) cải thiện khả năng chống mài mòn nóng. - Silic và mangan là chất khử oxy và ảnh hưởng đến độ dẻo dai và độ bền.

Chiến lược chung: Mo và V cao hơn một chút ở 1.2344 mang lại độ bền nóng và khả năng chống mài mòn tốt hơn (tốt hơn cho chu kỳ nhiệt mạnh), trong khi hợp kim thấp hơn một chút ở 1.2343 mang lại độ dẻo dai và khả năng gia công.

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

Cấu trúc vi mô điển hình (cả hai loại): ma trận martensite tôi luyện với sự phân tán các hợp kim cacbua (chủ yếu là cacbua loại M7C3/M23C6 giàu crom và cacbua loại MC giàu vanadi).

• 1.2344: Nhờ hàm lượng Mo và V cao hơn, cấu trúc vi mô sẽ bao gồm tỷ lệ thể tích lớn hơn của các cacbua vanadi mịn và hiệu ứng làm cứng thứ cấp mạnh hơn trong quá trình ram. Điều này giúp duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao và cải thiện khả năng chống mềm hóa trong quá trình sử dụng.
• 1.2343: Thể hiện martensite tôi luyện tương tự nhưng có ít cacbua vanadi hơn; sự phân bố cacbua có xu hướng thô hơn, có thể cải thiện độ dẻo dai của khía.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Lộ trình điển hình: chuẩn hóa/ủ để tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó → austenit hóa (thường ở khoảng 1000–1050 °C đối với họ H11/H13; nhiệt độ chính xác phụ thuộc vào kích thước mặt cắt và tính chất hóa học) → làm nguội (không khí/dầu tùy thuộc vào mặt cắt và tốc độ làm nguội cần thiết) → ram nhiều giai đoạn để ổn định quá trình làm cứng thứ cấp. - 1.2344 phản ứng mạnh với quá trình tôi thứ cấp trong quá trình ram do Mo và V; quá trình ram cẩn thận tạo ra độ cứng nóng bền. Tuy nhiên, do khả năng tôi cao hơn, nó dễ bị cấu trúc vi mô cứng ở các phần dày hơn trừ khi được gia nhiệt sơ bộ và làm nguội có kiểm soát. - 1.2343 thường dễ tránh nứt khi tôi và đạt được sự cân bằng tôi luyện tốt ở kích thước tiết diện vừa phải.

4. Tính chất cơ học

Bảng — mô tả so sánh (điển hình, phụ thuộc vào xử lý nhiệt).

Tài sản	1.2344 (loại H13)	1.2343 (loại H11)
Độ bền kéo	Cao (phụ thuộc vào độ cứng/độ nóng)	Trung bình–Cao
Cường độ chịu kéo	Cao	Trung bình–Cao
Độ giãn dài	Trung bình (thấp hơn ở độ cứng cao hơn)	Cao hơn một chút (dẻo hơn)
Độ bền va đập	Tốt, nhưng thấp hơn 1,2343 ở độ cứng tương đương	Độ dẻo dai tốt hơn ở độ cứng tương đương
Độ cứng (điển hình là đã tôi và ram)	44–52 HRC (phụ thuộc vào dịch vụ)	42–50 HRC (phụ thuộc vào dịch vụ)

Diễn giải: Sau các chu kỳ tôi và ram tương tự, 1.2344 thường đạt được độ cứng và độ bền nhiệt độ cao tương đương hoặc cao hơn một chút so với 1.2343 do Mo và V tăng lên; tuy nhiên, 1.2343 có thể cứng hơn một chút và dễ uốn cong hơn trước các cú sốc nhiệt/cơ học, đặc biệt là trong các ứng dụng có khía sắc hoặc va đập mạnh.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phải được xử lý thận trọng đối với cả hai loại vì hàm lượng hợp kim và hàm lượng cacbon tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng và giòn nếu quy trình hàn không được kiểm soát.

Chỉ số hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Ước tính nung nóng trước khi hàn):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Cả 1.2344 và 1.2343 đều có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ ở mức trung bình đến cao so với thép mềm; các giá trị tính toán thường chỉ ra yêu cầu về nung nóng trước, nhiệt độ giữa các mối hàn được kiểm soát và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để tránh nứt. - 1,2344 thường tạo ra CE/Pcm cao hơn một chút do Mo/V cao hơn, làm giảm khả năng hàn một chút so với 1,2343. - Khuyến nghị: sử dụng quy trình ít hydro, làm nóng trước và duy trì nhiệt độ giữa các đường hàn để giảm độ cứng HAZ và thực hiện PWHT hoặc tôi mối hàn để khôi phục độ dẻo dai.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 1.2344 và 1.2343 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình do có chứa crom (~5%). Đối với hầu hết các dụng cụ gia công nóng, hiện tượng oxy hóa bề mặt và đóng cặn ở nhiệt độ cao là vấn đề đáng lo ngại.
• Bảo vệ điển hình: bầu khí quyển được kiểm soát (trong quá trình xử lý nhiệt và bảo dưỡng nếu có thể), bề mặt cứng cho các khu vực bị mài mòn cục bộ, lớp phủ (PVD/CVD để chống mài mòn), mạ (niken, nếu có), sơn hoặc lớp phủ chống oxit để lưu trữ và bảo trì thường xuyên.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không phù hợp với các loại thép dụng cụ không phải thép không gỉ này. Đối với hợp kim thép không gỉ, PREN:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ — chỉ số này không áp dụng cho thép công cụ 1.2344/1.2343.

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

• Gia công: Cả hai loại đều gia công tốt nhất ở điều kiện ủ. 1.2344, có hàm lượng vanadi cao hơn, thường có khả năng gia công thấp hơn một chút vì cacbua vanadi cứng làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ; khuyến nghị sử dụng dụng cụ cacbua và thiết lập cứng.
• Mài và hoàn thiện: Cả hai đều có thể được mài hiệu quả; 1.2344 có thể cần được xử lý thường xuyên hơn do có chứa cacbua cứng.
• Tạo hình/uốn: Đây là thép công cụ—việc tạo hình nguội vật liệu đã tôi cứng bị hạn chế. Bất cứ khi nào cần tạo hình, hãy thực hiện các thao tác trong điều kiện ủ và lên kế hoạch xử lý nhiệt sau khi tạo hình.
• EDM & xử lý bề mặt: EDM thường được sử dụng cho các hình dạng phức tạp; có thể cần xử lý nhiệt sau EDM hoặc mài bề mặt để loại bỏ lớp đúc lại và khôi phục các đặc tính mong muốn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng — các ứng dụng tiêu biểu và cơ sở lựa chọn.

1.2344 (loại H13) sử dụng	1.2343 (loại H11) sử dụng
Khuôn đúc nóng cho khuôn đúc (nhôm, kẽm)	Khuôn rèn nóng nơi độ bền là yếu tố quan trọng
Dụng cụ đùn nóng	Khuôn dập nóng tập trung vào khả năng chống sốc
Lưỡi rèn và lưỡi cắt nóng	Các thành phần mà gia công và chi phí được ưu tiên
Các công cụ tiếp xúc với chu kỳ nhiệt độ cao và hao mòn nóng	Khối khuôn và dụng cụ trong chu kỳ nhiệt ít khắc nghiệt hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 1.2344 khi yêu cầu độ bền nhiệt cao, khả năng chống mềm ở nhiệt độ sử dụng cao và khả năng chống mài mòn trong chu kỳ nhiệt là rất quan trọng. - Chọn 1.2343 khi ứng dụng có độ dẻo dai cao hơn một chút, dễ gia công và chi phí hợp kim thấp hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Cả hai loại thép này đều là thép công cụ tiêu chuẩn của Châu Âu và có sẵn ở dạng thanh, khối, tấm và phôi rèn từ các nhà cung cấp lớn.
• Chi phí tương đối: 1.2344 thường có giá cao hơn một chút so với 1.2343 do hàm lượng Mo/V cao hơn và chi phí sản xuất liên quan. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm thường tốt cho cả hai, nhưng kích thước tùy chỉnh và độ sạch cao cấp (xử lý chân không, ESR) sẽ làm tăng thời gian giao hàng và giá thành.
• Mẹo mua sắm: yêu cầu chứng chỉ nhà máy về hóa chất và độ cứng, và chỉ định yêu cầu xử lý nhiệt hoặc điều kiện giao hàng (ủ, chuẩn hóa, làm cứng và ram) để phù hợp với các ưu đãi của nhà cung cấp với nhu cầu ứng dụng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt — các thuộc tính tương đối (Cao / Trung bình / Thấp).

Thuộc tính	1.2344 (loại H13)	1.2343 (loại H11)
Khả năng hàn	Trung bình (cần làm nóng trước/PWHT)	Tốt hơn một chút (nhưng vẫn cần được chăm sóc)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền nóng và khả năng chống mài mòn cao hơn; độ dẻo dai vừa phải	Độ dẻo dai và độ bền của khía tốt hơn ở độ cứng tương tự
Trị giá	Trung bình-Cao	Trung bình

Kết luận bằng các khuyến nghị có thể thực hiện được: - Chọn 1.2344 (loại H13) nếu: dụng cụ của bạn phải chịu chu kỳ nhiệt khắc nghiệt, nhiệt độ làm việc cao hoặc mài mòn nóng và bạn cần độ cứng và độ cứng nóng cao hơn. Điển hình: khuôn đúc khuôn, khuôn đùn, khuôn rèn nhiệt độ cao. - Chọn 1.2343 (loại H11) nếu: nhu cầu chính của bạn là cải thiện độ bền va đập, gia công/xử lý dễ dàng hơn và là giải pháp thay thế có chi phí thấp hơn cho dụng cụ gia công nóng được sử dụng trong điều kiện nhiệt độ ít khắc nghiệt hơn hoặc khi hình dạng linh kiện có độ nhạy khía cao.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều là thép công cụ gia công nóng đã được chứng minh. Lựa chọn tốt nhất phụ thuộc vào sự kết hợp giữa kích thước tiết diện, nhiệt độ làm việc dự kiến, loại tải (tĩnh so với tuần hoàn, mài mòn so với va đập) và quy trình sản xuất (rèn so với gia công so với phụ gia). Hãy nêu rõ các khoảng thời gian xử lý nhiệt cần thiết, quy trình gia nhiệt/hàn trước và mục tiêu độ dai/độ cứng mong muốn trong hồ sơ mua sắm để đảm bảo vật liệu và quy trình gia công mang lại hiệu suất làm việc mong muốn.