H11 so với H13 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

H11 và H13 là hai loại thép công cụ gia công nóng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi dụng cụ phải hoạt động ở nhiệt độ cao như đúc khuôn, đùn ép, rèn và dập nóng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa hai yếu tố hiệu suất hơi khác nhau: độ bền và khả năng chống sốc nhiệt so với độ cứng nóng và khả năng chống mỏi và mài mòn nhiệt lâu dài. Sự lựa chọn này ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ, chu kỳ bảo dưỡng, các thông số gia công (gia nhiệt trước, ram) và tổng chi phí sở hữu.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa H11 và H13 nằm ở sự cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống chịu chu kỳ nhiệt (mỏi nhiệt). H13 thường được ưa chuộng khi độ cứng nóng và khả năng chống mỏi nhiệt là yếu tố quan trọng; H11 thường được lựa chọn khi cần độ dai và độ dẻo cao hơn một chút và ưu tiên khả năng chống nứt dưới tác động cơ học mạnh. Những khác biệt này xuất phát từ chiến lược hợp kim hóa và cấu trúc vi mô thu được sau khi xử lý nhiệt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và chỉ định quốc tế chung:
• AISI/SAE: H11, H13
• DIN/EN: 1.2343 (H11), 1.2344 (H13) — thường được tham chiếu trong tài liệu châu Âu
• JIS: SKD5, SKH? (thay đổi tùy theo quốc gia và bản đồ cấp chính xác)
• GB (Trung Quốc): ký hiệu thép công cụ gia công nóng tương đương

• ASTM/ASME: tham khảo các thông số kỹ thuật thép công cụ và hình thức sản phẩm có liên quan

• Lớp vật liệu:

• Cả H11 và H13 đều là thép dụng cụ dùng cho các ứng dụng gia công nóng (thép dụng cụ gia công nóng). Chúng không phải là thép không gỉ hoặc HSLA. Chúng là thép hợp kim crom-molypden-vanadi, có thể tôi bằng khí hoặc dầu, được thiết kế để có độ ổn định nhiệt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Tỷ lệ phần trăm chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà sản xuất, nhưng hai loại này có chung một chiến lược hợp kim gia công nóng—carbon vừa phải, crom đáng kể, cộng với molypden và vanadi để tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng tôi và độ bền carbide. Để tránh trích dẫn các phạm vi số độc quyền, bảng dưới đây mô tả sự hiện diện/vai trò điển hình của từng nguyên tố.

Yếu tố	H11 — Cấp độ / vai trò điển hình	H13 — Cấp độ / vai trò điển hình
C (Cacbon)	Trung bình — cung cấp khả năng làm cứng martensitic và độ bền cơ bản	Trung bình — tương tự như H11; kiểm soát khả năng làm cứng và phản ứng tôi luyện
Mn (Mangan)	Thấp–trung bình — chất khử oxy, hỗ trợ khả năng làm cứng	Thấp-trung bình — vai trò tương tự
Si (Silic)	Thấp–trung bình — khử oxy, cường độ	Thấp-trung bình — tương tự
P (Phốt pho)	Dấu vết — giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai	Dấu vết — giữ ở mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Dấu vết — được kiểm soát để có thể gia công	Theo dõi — được kiểm soát
Cr (Crom)	Trung bình — khả năng làm cứng, khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao	Trung bình-cao — chìa khóa cho độ cứng nóng và khả năng chống cặn
Ni (Niken)	Thông thường không đáng kể	Thông thường không đáng kể
Mo (Molypden)	Trung bình — cải thiện sức bền ở nhiệt độ và khả năng chịu nhiệt	Trung bình — quan trọng đối với độ bền nóng và độ ổn định của cacbua
V (Vanadi)	Trung bình — tạo thành cacbua ổn định để chống mài mòn và có độ dẻo dai	Trung bình — góp phần phân tán cacbua mịn và khả năng chống mỏi nhiệt
Nb (Niobi)	Thông thường không có mặt	Thông thường không có mặt
Ti (Titan)	Dấu vết hoặc vắng mặt	Dấu vết hoặc vắng mặt
B (Bo)	Dấu vết (nếu có) — chất tăng cường khả năng làm cứng	Dấu vết (nếu có) — có thể được thêm vào với lượng nhỏ để cải thiện khả năng làm cứng
N (Nitơ)	Dấu vết — có thể ổn định một số đặc tính nitride/carbid	Dấu vết

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon chủ yếu quyết định độ cứng đạt được sau khi tôi và ram, đồng thời ảnh hưởng đến khả năng tôi cứng. Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ cứng tiềm năng và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Crom làm tăng khả năng làm cứng, độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa/bám cặn—quan trọng đối với công việc nóng. - Molypden và vanadi tạo thành cacbua ổn định giúp cải thiện khả năng chịu nhiệt (duy trì độ cứng sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao) và ảnh hưởng đến khả năng chống mỏi nhiệt. - Phân tán mịn các loại cacbua vanadi giúp ngăn ngừa sự hình thành và phát triển vết nứt dưới tải nhiệt tuần hoàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả H11 và H13 đều được xử lý để tạo ra nền martensitic tôi luyện với các hợp kim carbide phân tán (cr, mo, v carbide). Quá trình tôi luyện tạo ra martensitic; quá trình tôi luyện giúp giảm ứng suất và cho phép các carbide kết tủa và ổn định.

Phản ứng và lộ trình xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Dùng để tinh chỉnh cấu trúc hạt và đồng nhất các phần nặng trước khi tôi. Giúp tạo ra phản ứng độ cứng đồng đều. - Làm nguội: Môi trường làm nguội điển hình là dầu hoặc khí được kiểm soát; nhiệt độ austenit hóa và tốc độ làm nguội kiểm soát thành phần martensite cuối cùng và austenit dư. Cả hai cấp độ đều cần được kiểm soát cẩn thận để tránh nứt. - Ủ: Nhiều chu kỳ ủ ở nhiệt độ phù hợp với nhiệt độ sử dụng tạo ra sự cân bằng mong muốn về độ cứng, độ dẻo dai và độ ổn định nhiệt. Ủ giúp ổn định martensite và tạo ra các hợp kim cacbua (Mo, V, Cr). - Xử lý nhiệt cơ học: Rèn và cán có kiểm soát sau đó chuẩn hóa có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; cả hai loại thép đều phản ứng tích cực với các phương pháp này nhưng cần làm nguội có kiểm soát để duy trì khả năng tôi luyện.

Ghi chú so sánh: - Sự cân bằng hợp kim của H13 được tối ưu hóa để duy trì độ cứng cao hơn ở nhiệt độ cao (khả năng chịu nhiệt tốt hơn) và sự phân bố cacbua của nó có lợi cho khả năng chống mỏi nhiệt và mài mòn ở nhiệt độ làm việc nóng. - H11 được thiết kế theo hướng tăng độ dẻo dai và độ dai tổng thể trong khi vẫn duy trì độ bền nóng tốt; cấu trúc vi mô của nó có thể được điều chỉnh để tăng độ dẻo dai khi gãy trong khuôn rèn nóng chịu va đập mạnh.

4. Tính chất cơ học

Tính chất chính xác phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, kích thước tiết diện và nhiệt độ ram. Bảng dưới đây cung cấp các tính chất so sánh định tính trong điều kiện gia công nóng tôi và ram điển hình.

Tài sản	H11	H13
Độ bền kéo	Cao (sức mạnh tốt)	Cao (tương đương với H11; có thể duy trì mức cao hơn ở T cao)
Sức chịu lực	Cao	Cao; giữ nhiệt tốt hơn một chút ở nhiệt độ cao
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn một chút (dẻo hơn)	Thấp hơn một chút (cứng nhưng được tối ưu hóa về độ cứng)
Độ bền va đập	Thông thường tốt hơn (chống lại sự lan truyền vết nứt dưới tác động mạnh)	Rất tốt (được thiết kế cho tải nhiệt tuần hoàn), nhưng có thể thấp hơn một chút so với H11 về độ dẻo dai tổng thể
Độ cứng (nhiệt độ phòng sau khi tôi luyện)	Cao (có thể điều chỉnh)	Cao — thường giữ được độ cứng cao hơn ở nhiệt độ do hợp kim

Giải thích: - H13 thường duy trì độ cứng vượt trội ở nhiệt độ cao và khả năng chống mỏi nhiệt và mài mòn nhiệt rất tốt. H11 có xu hướng có độ dẻo dai và độ bền gãy khối tốt hơn một chút, khiến nó trở nên hấp dẫn ở những nơi có va đập cơ học và nguy cơ nứt vỡ nghiêm trọng cao hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép dụng cụ gia công nóng bị hạn chế so với thép hợp kim thấp—thường cần phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để tránh nứt và phục hồi các đặc tính cần thiết.

Các yếu tố chính: - Kiểm soát độ cứng và khả năng chịu nứt nguội hiệu quả. Cả hai loại đều có hàm lượng cacbon trung bình và hợp kim đáng kể; chúng được coi là "có thể hàn được nếu có biện pháp phòng ngừa". - Hợp kim vi mô (Mo, V, Cr) làm tăng khả năng tôi cứng và tăng nguy cơ hình thành martensite trong vùng HAZ; điều này làm tăng nguy cơ nứt nếu không có quá trình nung nóng sơ bộ và PWHT thích hợp. - Sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc vượt trội và PWHT thích hợp thường được sử dụng trong hàn sửa chữa để khôi phục độ dẻo dai và khả năng chịu nhiệt.

Công thức thực nghiệm hữu ích để đánh giá khả năng hàn: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (dự báo tương đương cacbon-mangan và độ nhạy nứt 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: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn cho thấy nguy cơ tạo ra vùng HAZ martensitic cứng, dễ nứt cao hơn và do đó yêu cầu nung nóng sơ bộ và tôi luyện sau hàn (PWHT) nghiêm ngặt hơn. Cả H11 và H13 thường yêu cầu nung nóng sơ bộ và ram sau hàn ở mức trung bình đến cao do hàm lượng hợp kim của chúng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả H11 và H13 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế so với thép không gỉ. Để bảo vệ, các biện pháp thông thường bao gồm sơn, phủ dung môi, mạ kẽm (nếu phù hợp với hình dạng chi tiết) hoặc xử lý bề mặt tại chỗ.
• Các lựa chọn kỹ thuật bề mặt để tăng tuổi thọ và khả năng chống ăn mòn/mài mòn:
• Thấm nitơ hoặc thấm nitơ ferritic (cần kiểm soát quy trình cẩn thận đối với thép dụng cụ để tránh tôi quá mức).
• Mạ crom cứng hoặc lớp phủ PVD/CVD cho bề mặt dụng cụ (giảm độ bám dính và mài mòn).
• Lớp phủ phun nhiệt có khả năng chống mài mòn hoặc oxy hóa cực tốt.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không liên quan đến H11/H13 không gỉ trong quá trình lựa chọn thực tế: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này áp dụng cho hợp kim thép không gỉ; hàm lượng Cr điển hình trong H11/H13 không đủ để phân loại chúng là thép không gỉ chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• Trong điều kiện ủ/hoàn thiện trước, cả hai loại đều gia công khá tốt khi sử dụng dụng cụ cacbua; khả năng gia công giảm đi sau khi xử lý nhiệt (điều kiện tôi cứng).
• H13, với cấu trúc vi mô chịu nhiệt, có thể gây mài mòn dụng cụ nhiều hơn một chút do có chứa các cacbua vanadi mịn.
• Mài và EDM:
• Cả hai đều phản ứng tốt với gia công bằng tia lửa điện (EDM) đối với dụng cụ cứng nhưng cần phải tôi luyện tiếp theo để phục hồi các đặc tính sau vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt EDM.
• Khả năng định hình:
• Ép nguội bị hạn chế; ép nóng và rèn có kiểm soát là phổ biến trong gia công thanh/rèn. H11 có thể được ưu tiên khi cần độ dẻo cao hơn trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều chấp nhận mài, đánh bóng và phủ thông thường; chuẩn bị bề mặt cẩn thận để tránh ứng suất dư có thể gây nứt do nhiệt.

8. Ứng dụng điển hình

H11 — Ứng dụng điển hình	H13 — Ứng dụng điển hình
Khuôn rèn nóng trong đó va đập cơ học mạnh và độ bền gãy là mối quan tâm chính (khuôn rèn rơi lớn, khuôn dập)	Khuôn đúc khuôn, khuôn đùn, khuôn dập nóng trong đó độ cứng nóng bền vững và khả năng chống mỏi nhiệt là rất quan trọng
Một số ứng dụng đấm và cắt đòi hỏi độ dẻo dai tốt	Đục và lõi gia công nóng, chèn ống phân phối, lõi đúc khuôn chịu tải nhiệt tuần hoàn
Chèn vào nơi có độ dẻo và khả năng chống sốc giúp giảm nguy cơ gãy xương nghiêm trọng	Các công cụ và khuôn mẫu hoạt động ở nhiệt độ cao liên tục và chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại

Cơ sở lựa chọn: - Chọn H13 khi ứng dụng liên quan đến nhiệt độ bề mặt cao, chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại và tiếp xúc mài mòn—khả năng chống nhiệt và cấu trúc cacbua của H13 cải thiện tuổi thọ khi chịu mỏi nhiệt và mài mòn. - Chọn H11 khi rủi ro chính là va đập cơ học, tải trọng nặng hoặc khi cần độ dẻo/độ bền cao hơn một chút để tránh hỏng giòn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Cả H11 và H13 đều là thép công cụ gia công nóng thông dụng; giá cả thay đổi tùy theo thị trường hợp kim toàn cầu. H13 được sử dụng phổ biến hơn trên toàn thế giới, điều này có thể giúp tiết kiệm chi phí hơn một chút ở một số thị trường do quy mô và sự trưởng thành của chuỗi cung ứng.
• Các biến thể đặc biệt hoặc thanh cao cấp nấu chảy chân không làm tăng chi phí cho cả hai loại.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai đều có sẵn ở dạng thanh, tấm, rèn và phôi dụng cụ đã tôi cứng trước từ các nhà phân phối thép lớn. H13 có xu hướng phổ biến rộng rãi hơn trong ngành công nghiệp và có hệ sinh thái nhà cung cấp cũng như kiến ​​thức hàn/xử lý nhiệt rộng lớn hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	H11	H13
Khả năng hàn	Tốt — cần làm nóng trước và PWHT	Công bằng — các yêu cầu tương tự, thường nhạy cảm hơn một chút do khả năng làm cứng
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ dai tốt hơn	Duy trì độ cứng và độ bền tốt hơn ở nhiệt độ cao; khả năng chống mỏi nhiệt vượt trội
Chi phí / Khả dụng	Tốt	Rất tốt (phổ biến hơn một chút trên toàn cầu)

Sự giới thiệu: - Chọn H13 nếu dụng cụ của bạn phải tiếp xúc với nhiệt độ làm việc cao, chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại (mỏi nhiệt) hoặc yêu cầu khả năng chống mài mòn nóng vượt trội (ví dụ: đúc khuôn, đùn, dập nóng). - Chọn H11 nếu ứng dụng của bạn ưu tiên độ dẻo dai và độ bền gãy khối lớn hơn để chống lại va đập cơ học và tải trọng va đập mạnh (ví dụ: khuôn rèn lớn chịu tác động mạnh) và có thể chấp nhận độ cứng ở nhiệt độ cao thấp hơn một chút.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Đối với các công cụ quan trọng, hãy chỉ định rõ ràng các quy trình xử lý nhiệt (nung nóng sơ bộ, austenit hóa, môi trường tôi, lịch trình ram), xem xét các ảnh hưởng đến độ dày tiết diện và lập kế hoạch bảo trì (tái chế, quy trình hàn) với nhà xử lý nhiệt và nhà cung cấp của bạn. Việc chạy thử và theo dõi các chế độ hỏng hóc ban đầu (vết nứt mỏi nhiệt so với gãy cơ học) là rất cần thiết để xác nhận lựa chọn cấp độ trong quy trình cụ thể của bạn.