ASP23 so với M2 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải lựa chọn giữa thép tốc độ cao rèn hoặc đúc thông thường và các biến thể luyện kim bột (PM) khi chỉ định các thành phần dụng cụ và chi tiết chịu mài mòn. Quyết định này phụ thuộc vào các yếu tố đánh đổi như chi phí nguyên liệu thô so với tuổi thọ sử dụng, độ dễ chế tạo so với hiệu suất yêu cầu, và khả năng chống gãy so với độ cứng duy trì ở nhiệt độ. Các bối cảnh điển hình bao gồm lựa chọn dụng cụ cắt, khuôn dập nguội và chèn chịu mài mòn — trong đó tuổi thọ, khả năng sửa chữa và chi phí sản xuất đều quan trọng.

Ở cấp độ cao hơn, sự khác biệt chính là một loại là thép tốc độ cao được xử lý PM, được thiết kế để phân phối cacbua sạch hơn, đồng đều hơn và cải thiện độ dẻo dai, trong khi loại còn lại là thép tốc độ cao rèn/đúc thông thường, được sử dụng rộng rãi làm chuẩn. Vì cả hai đều hướng đến độ cứng cao và độ cứng nóng, chúng thường được so sánh trong các ứng dụng gia công và mài mòn, nơi những khác biệt nhỏ về cấu trúc vi mô tạo ra tác động lớn đến vòng đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• M2
• Tiêu chuẩn: AISI/SAE M2; ký hiệu EN thường là HSS M2 (EN ISO 4957), JIS SKH51 (tương đương xấp xỉ), tương đương sê-ri GB T 12902.

• Phân loại: Thép công cụ tốc độ cao (truyền thống, rèn/đúc HSS).

• ASP23

• Tiêu chuẩn: ASP là tên thương mại được các nhà sản xuất thép bột sử dụng (ví dụ: Hitachi, Sumitomo, v.v.). ASP23 là họ thép tốc độ cao luyện kim bột; loại thép này có thể được liệt kê trong bảng dữ liệu của nhà cung cấp thay vì theo tiêu chuẩn quốc tế theo tên hóa học.
• Phân loại: Thép tốc độ cao luyện kim bột (PM-HSS), tức là một biến thể PM trong họ thép tốc độ cao/thép dụng cụ.

Lưu ý: Cả hai đều là thép công cụ/thép gió; không thép không gỉ hay HSLA nào cả. ASP23 là dạng PM của một loại thép gió tương tự như M2 nhưng được sản xuất theo tiêu chuẩn vệ sinh nghiêm ngặt hơn và kiểm soát cấu trúc vi mô tốt hơn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: (đối với ASP23, thành phần hóa học về cơ bản tương tự như M2; các nhà sản xuất kiểm soát tạp chất và có thể thêm hợp kim vi mô—xem ghi chú)

Yếu tố	M2 (phạm vi tiêu chuẩn điển hình)	ASP23 (PM HSS — mô tả danh nghĩa)
C	0,85–1,05%	Hàm lượng carbon danh nghĩa tương tự (≈0,8–1,0%); Kiểm soát PM của C và carbon hòa tan
Mn	0,15–0,40%	Tương tự; giữ ở mức thấp để kiểm soát sự phân tách
Si	0,15–0,45%	Tương tự; kiểm soát quá trình khử oxy và độ bền
P	≤0,03%	Giới hạn chặt chẽ hơn (P thấp hơn) để giảm độ giòn
S	≤0,03%	Hàm lượng S thấp hơn đáng kể trong cấp PM để cải thiện độ dẻo dai
Cr	3,75–4,5%	Mức Cr tương tự cho độ bền/độ cứng của ma trận
Ni	≤0,25%	Thông thường không đáng kể; tạp chất được kiểm soát
Mo	4,5–5,5%	Mo tương tự cho khả năng làm cứng thứ cấp
V	1,75–2,2%	Tương tự V; Xử lý PM tinh chế cacbua giàu V
Lưu ý	- / dấu vết	Có thể bao gồm thêm dấu vết Nb/Ti (ppm đến %) nhỏ để ổn định cacbua trong quá trình xử lý PM
Ti	- / dấu vết	Như trên; có thể bổ sung thêm một số chi tiết nhỏ
B	- / dấu vết	Không phải là nguyên tố hợp kim chính thường gặp; đôi khi có ở dạng vết
N	Dấu vết	Được kiểm soát và giảm thiểu trong sản phẩm PM để tránh hiện tượng giòn do nitride gây ra

Lưu ý: Vonfram (W) là nguyên tố hợp kim chính trong cả M2 và các hợp kim PM tương đương (thường chiếm vài phần trăm). Bảng này bỏ qua W theo danh sách cột được yêu cầu, nhưng W rất quan trọng: M2 chuẩn chứa khoảng 5–7% W làm nguyên tố làm cứng chính. ASP23 vẫn giữ nguyên vonfram như trong thành phần hóa học gốc. Thành phần chính xác của ASP23 là độc quyền của nhà cung cấp, nhưng chiến lược là kết hợp hợp kim chính của M2 để đạt độ cứng nóng đồng thời cải thiện độ sạch và phân bố kích thước cacbua.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Carbon + W/Mo/Cr/V tạo thành hỗn hợp MC, M6C và cacbua phức hợp mang lại độ cứng và khả năng chống mài mòn. - Crom góp phần làm tăng độ cứng và khả năng chịu nhiệt; molypden và vonfram làm tăng độ cứng nóng. - Vanadi tạo thành cacbua vanadi cứng (MC) có khả năng chống mài mòn; sự phân bố và kích thước của chúng ảnh hưởng mạnh đến độ dẻo dai và khả năng nghiền. - Hàm lượng tạp chất thấp hơn (S, P) và hợp kim vi mô được kiểm soát (Nb, Ti) trong thép PM hạn chế lớp màng giòn và cung cấp cấu trúc vi mô đồng đều hơn, cải thiện độ dẻo dai mà không làm giảm độ cứng.

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

Cấu trúc vi mô dưới quá trình xử lý tiêu chuẩn: - M2 (rèn/đúc) - Cấu trúc vi mô điển hình sau quá trình gia công thông thường: nền martensite tôi luyện với quần thể cacbua hai pha — các cacbua hợp kim lớn hơn (M6C, M2C) và các cacbua MC giàu vanadi nhỏ hơn. Các cacbua thô hơn và có thể bị phân tách tùy thuộc vào quá trình đông đặc và rèn. - ASP23 (PM) - Quá trình gia công PM tạo ra mạng lưới cacbua đồng nhất, mịn và phân bố đều, giảm sự phân tách và ít tạp chất phi kim loại hơn. Cacbua mịn hơn, dẫn đến độ dẻo dai và khả năng chống sứt mẻ tốt hơn.

Hành vi xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Được sử dụng để tinh chỉnh các kết cấu đúc/rèn; hiệu quả hơn trên M2 thông thường để phá vỡ sự phân tách nhưng không thể hoàn toàn phù hợp với tính đồng nhất của PM. - Trình tự làm cứng điển hình cho cả hai: austenit hóa ở nhiệt độ cao (austenit hóa chu kỳ thấp phù hợp với cấp độ), làm nguội bằng dầu hoặc bằng không khí (đôi khi là khí áp suất cao đối với cấp PM), sau đó là nhiều chu kỳ ram để đạt được độ cứng và độ dẻo dai mong muốn. - Phản ứng làm nguội và ram: - M2: Khả năng tôi tốt; cần kiểm soát cẩn thận nhiệt độ austenit hóa và ram để cân bằng austenit giữ lại, độ cứng và độ dai. - ASP23: Do giảm sự phân tách và các cacbua mịn hơn, ASP23 thường có độ dẻo dai được cải thiện ở độ cứng tương đương và có thể cho phản ứng đồng đều hơn trong quá trình ram với ít nguy cơ xuất hiện các điểm mềm hơn. - Xử lý nhiệt cơ ít liên quan đến các sản phẩm PM (thiêu kết/rèn được sử dụng trước khi hoàn thiện), trong khi M2 rèn được hưởng lợi từ lịch trình rèn và xử lý nhiệt có kiểm soát để giảm các cụm cacbua thô.

4. Tính chất cơ học

Giá trị của thép công cụ thay đổi rất nhiều tùy theo quá trình xử lý nhiệt; bảng dưới đây cung cấp góc nhìn so sánh, theo hướng ứng dụng thay vì đưa ra một thông số kỹ thuật duy nhất được đảm bảo.

Tài sản	M2 (HSS thông thường)	ASP23 (PM HSS)
Độ bền kéo	Cao (phạm vi thép tốc độ cao điển hình)	Có thể so sánh với cao hơn một chút do cấu trúc vi mô đồng nhất
Cường độ chịu kéo	Cao	Có thể so sánh hoặc cải thiện đôi chút
Độ giãn dài	Thấp đến trung bình (thép dụng cụ: nhỏ %)	Tương tự hoặc được cải thiện một chút (độ bền tốt hơn cho phép sử dụng trong các hình học đòi hỏi khắt khe hơn)
Độ bền va đập	Trung bình đến thấp (nhạy cảm với độ thô và tạp chất của cacbua)	Cao hơn M2 ở độ cứng tương đương do có cacbua mịn hơn và ít tạp chất hơn
Độ cứng (HRC)	Thông thường lên đến ~62–66 HRC sau khi làm cứng/rau tùy thuộc vào chu kỳ ram	Độ cứng tối đa tương tự có thể đạt được; duy trì độ cứng đồng đều hơn và thường có độ dẻo dai tốt hơn ở HRC nhất định

Diễn giải - Khả năng chịu lực và độ cứng tương đương nhau vì cả hai đều có chung cơ sở hợp kim; tuy nhiên, cấu trúc vi mô PM của ASP23 thường mang lại độ bền gãy cao hơn và khả năng chống nứt vỡ nghiêm trọng được cải thiện. - Độ giãn dài của thép công cụ vốn có giới hạn; những cải tiến cấp PM mang tính gia tăng nhưng có ý nghĩa đối với các dụng cụ chịu tải trọng va đập hoặc ứng suất tuần hoàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép tốc độ cao thường bị hạn chế do độ cứng cao và hàm lượng hợp kim tạo thành cacbua. Những cân nhắc quan trọng: - Hàm lượng cacbon và hợp kim làm tăng khả năng tôi cứng và khiến vùng chịu nhiệt (HAZ) trở nên cứng, giòn như martensite. - Hợp kim vi mô và ít tạp chất trong thép PM làm giảm sự phân tách nhưng không loại bỏ được nguy cơ nứt do mối hàn.

Các chỉ số hữu ích (diễn giải định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ $CE_{IIW}$ cao hơn ngụ ý khả năng xảy ra độ cứng và nứt HAZ cao hơn — nhấn mạnh nhu cầu kiểm soát quá trình nung nóng trước/xuyên lớp. - Pcm: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ Giá trị $P_{cm}$ cao hơn cho thấy nguy cơ nứt tăng lên và cần có quy trình hàn đặc biệt.

Hướng dẫn định tính: - Cả M2 và ASP23 đều yêu cầu phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn nếu không thể tránh khỏi việc hàn. - Hàm lượng tạp chất thấp hơn của ASP23 giúp giảm xu hướng nứt mối hàn một phần, nhưng hàm lượng hợp kim cao có nghĩa là hàn vẫn còn là một thách thức và thường tránh đối với các dụng cụ quan trọng — phương pháp hàn bằng đồng thau, hàn thiếc hoặc nối cơ học thường được ưa chuộng hơn. - Đối với hàn sửa chữa, hãy chọn kim loại hàn được thiết kế cho thép tốc độ cao và lên kế hoạch tôi luyện giảm ứng suất.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả M2 và ASP23 đều không gỉ; khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình và chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng crom (~4%), hàm lượng này không đủ cho môi trường ăn mòn thực sự.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ bề mặt (PVD/CVD, TiN, AlTiN) cho dụng cụ cắt nhằm giảm thiểu sự mài mòn và ăn mòn trong quá trình sử dụng.
• Lớp phủ chắn (mạ niken, mạ crom), sơn hoặc mạ kẽm cho các bộ phận không phải dụng cụ khi có thể.
• Quá trình thấm cacbon/nitơ hóa cục bộ thường không phổ biến vì hàm lượng hợp kim cao và cacbua hạn chế hiệu quả khuếch tán.
• PREN không áp dụng cho các hợp kim không phải thép không gỉ này. Đối với các loại thép không gỉ, bạn sẽ sử dụng: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ — nhưng chỉ số này không áp dụng cho M2/ASP23.

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

• Cắt và mài:
• ASP23 (PM) thường có khả năng mài tốt hơn và độ mài mòn dụng cụ đồng đều hơn vì kích thước cacbua nhỏ hơn và phân bố đều hơn.
• M2 có thể có cacbua thô hơn, có thể gây ra hiện tượng mài mòn cao hơn trên đá mài và tuổi thọ dụng cụ kém dự đoán hơn.
• Khả năng gia công (làm cứng trước)
• Cả hai loại thép này đều dễ gia công hơn khi ủ hoặc ở trạng thái "mềm"; thép PM có thể khó gia công hơn một chút do phân bố hạt cứng đồng nhất nếu không được ủ hoàn toàn.
• Khả năng định hình và uốn cong
• Cả hai đều có độ dẻo kém hơn so với thép kết cấu; quá trình tạo hình bị hạn chế và phải được thực hiện trong điều kiện ủ với độ đàn hồi thích hợp.
• Hoàn thiện
• Cấu trúc cacbua mịn hơn của ASP23 thường mang lại bề mặt hoàn thiện vượt trội sau khi mài/đánh bóng cho các dụng cụ cắt.

8. Ứng dụng điển hình

ASP23 (PM HSS)	M2 (HSS thông thường)
Chèn cắt và dụng cụ cắt hiệu suất cao trong đó độ mài mòn và độ bền đồng đều là yếu tố quan trọng	Các công cụ cắt tốc độ cao đa năng (máy khoan, máy tiện, máy phay) có chuỗi cung ứng đã được thiết lập
Khuôn và đột dập cho độ mài mòn trung bình đến cao, nơi cần khả năng chống mỏi	Dụng cụ tiêu chuẩn trong các ứng dụng có chi phí thấp hơn hoặc khi lợi thế của PM là không cần thiết
Máy doa, dụng cụ siêu nhỏ và dụng cụ chính xác có tuổi thọ cao đòi hỏi độ ổn định cạnh liên tục	Phạm vi rộng các công cụ mà độ nhạy về chi phí quan trọng hơn tuổi thọ tối đa
Các thành phần chống mài mòn chuyên dụng có độ bền gãy được cải thiện giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng	Dụng cụ có thể sửa chữa và các ứng dụng cũ với lịch trình xử lý nhiệt được hiểu rõ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn ASP23 khi bạn cần độ bền chống gãy tốt hơn, hiệu suất nhất quán trên nhiều loại dụng cụ, tuổi thọ dụng cụ dài hơn và khả năng chống mẻ vượt trội — đặc biệt là đối với các hoạt động có khối lượng lớn hoặc rủi ro cao. - Chọn M2 khi chi phí, tính khả dụng và các đường dẫn xử lý thông thường là những hạn chế chính và khi hành vi đã biết của HSS rèn/đúc là chấp nhận được.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép PM (ASP23) thường đắt hơn tính theo kg so với thép M2 thông thường do quá trình sản xuất bột, phun sương, thiêu kết và cố kết làm tăng chi phí quy trình. Tuy nhiên, chi phí vòng đời có thể ưu tiên thép PM do thời gian ngừng hoạt động ngắn hơn và tuổi thọ dụng cụ dài hơn.
• Tính khả dụng: M2 được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng thanh, tấm và phôi dụng cụ hoàn thiện. ASP23 có sẵn từ các nhà cung cấp và phân phối thép PM lớn nhưng có thể yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn hoặc số lượng đặt hàng tối thiểu cho các dạng sản phẩm đặc biệt; nó thường có sẵn ở dạng phôi dụng cụ, thanh tôi trước và phôi thiêu kết.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	ASP23 (PM HSS)	M2 (HSS thông thường)
Khả năng hàn	Kém — tốt hơn một chút so với M2 do độ sạch sẽ	Kém — nguy cơ nứt cao
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tuyệt vời ở độ cứng tương đương (độ dẻo dai tốt hơn)	Độ bền tốt, độ dẻo dai thấp hơn ở cùng độ cứng
Chi phí (nguyên liệu thô)	Cao hơn	Thấp hơn

Kết luận và khuyến nghị - Chọn ASP23 nếu: - Bạn cần tuổi thọ dụng cụ dài hơn, độ bền chống gãy được cải thiện và hiệu suất có thể dự đoán được trên nhiều lô sản xuất. - Ứng dụng cắt hoặc tạo hình với tải trọng va đập cao hoặc thời gian ngừng hoạt động ngắn hơn có thể biện minh cho chi phí vật liệu cao hơn. - Bạn cần khả năng mài vượt trội và phân bổ cacbua đồng đều hơn cho các công cụ chính xác.

• Chọn M2 nếu:
• Ngân sách và tính khả dụng ngay lập tức là những yếu tố chính và ứng dụng này được hỗ trợ tốt bởi HSS thông thường.
• Hình dạng dụng cụ và điều kiện tải không dễ bị sứt mẻ hoặc gãy nghiêm trọng và các giao thức xử lý nhiệt đã được thiết lập được tuân thủ.
• Bạn cần một loại thép cơ sở dễ hiểu và có sẵn rộng rãi cho các quy trình cũ.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều dựa trên quy trình xử lý nhiệt và kiểm soát quy trình cẩn thận để đạt được hiệu suất. Đối với các công cụ quan trọng, hãy xác nhận bảng dữ liệu của nhà cung cấp về thành phần hóa học chính xác của ASP23 và yêu cầu các khuyến nghị xử lý nhiệt cũng như dữ liệu hiệu suất thực nghiệm (kiểm tra tuổi thọ dụng cụ) so với M2 trong quy trình cụ thể trước khi lựa chọn cuối cùng.