NAK80 so với S136 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

NAK80 và S136 là hai loại thép làm khuôn được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ép phun và gia công khuôn mẫu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với quyết định lựa chọn giữa các loại thép này khi thiết kế khuôn cho môi trường ăn mòn, bề mặt hoàn thiện có độ bóng cao hoặc các chi tiết đòi hỏi tuổi thọ cao. Việc lựa chọn thường cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng đánh bóng, khả năng tôi cứng, độ bền, chi phí và nhu cầu chế tạo tiếp theo.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này nằm ở sự nhấn mạnh về hợp kim và gia công: một loại được tối ưu hóa chủ yếu để tăng khả năng chống ăn mòn và khả năng đánh bóng vượt trội trong nhựa đúc, trong khi loại còn lại mang đến sự cân bằng khác biệt giữa khả năng chống ăn mòn với độ bền cơ học và độ dẻo dai được cải thiện cho các ứng dụng khuôn đúc chịu tải nặng. Cả hai đều được thảo luận ở đây về tiêu chuẩn, hóa học, cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt, hành vi cơ học, khả năng hàn, đặc tính ăn mòn, thuộc tính chế tạo, ứng dụng và các cân nhắc khi mua hàng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung và tên gọi thương mại gặp phải:
• S136: thường được gọi là thép không gỉ làm khuôn martensitic được sử dụng ở Châu Âu và trên toàn thế giới (thường được bán bởi nhiều nhà sản xuất theo tên gọi S136 hoặc tương đương).
• NAK80: tên gọi thép không gỉ dùng cho khuôn thương mại chủ yếu được các nhà sản xuất cụ thể sử dụng ở Châu Á và quốc tế; đôi khi được liệt kê trong tài liệu sản phẩm thay vì là tên gọi tiêu chuẩn quốc tế duy nhất.
• Các họ tiêu chuẩn điển hình để tham khảo về các thông số kỹ thuật và tương đương bao gồm:
• ASTM / ASME (thông số kỹ thuật thép dụng cụ và thép dụng cụ không gỉ)
• EN (Danh pháp tiêu chuẩn thép Châu Âu và các tiêu chuẩn tương đương)
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản; một số loại thương mại có nguồn gốc từ Nhật Bản)
• GB (Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc có thể liệt kê các loại thép không gỉ làm khuôn tương đương)
• Phân loại:
• Cả NAK80 và S136 đều là thép dụng cụ/thép khuôn không gỉ (thép khuôn không gỉ martensitic), nghĩa là chúng là thép dụng cụ có tính chất hóa học chống ăn mòn chứ không phải thép cacbon thông thường hoặc thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	NAK80 (sự hiện diện điển hình)	S136 (sự hiện diện điển hình)
C (Cacbon)	Thấp-trung bình (kiểm soát khả năng đánh bóng)	Thấp-trung bình (kiểm soát độ cứng và độ bóng của martensitic)
Mn (Mangan)	Thấp (khử oxy và kiểm soát độ bền)	Thấp
Si (Silic)	Thấp (chất khử oxy, hiệu quả tối thiểu)	Thấp
P (Phốt pho)	Dấu vết (giữ ở mức tối thiểu)	Dấu vết (giữ ở mức tối thiểu)
S (Lưu huỳnh)	Dấu vết (giữ ở mức tối thiểu để dễ đánh bóng)	Dấu vết (giữ ở mức tối thiểu)
Cr (Crom)	Trung bình-cao (cung cấp khả năng chống ăn mòn)	Cao (yếu tố chống ăn mòn chính)
Ni (Niken)	Thường thấp-trung bình (ổn định austenit, độ dẻo dai)	Thấp-trung bình
Mo (Molypden)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ (độ cứng, khả năng chống ăn mòn)	Thường có tác dụng cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ cứng
V (Vanadi)	Có thể tạo hợp kim vi mô (chất tạo thành cacbua)	Có thể tạo hợp kim vi mô (chất tạo thành cacbua)
Nb / Ti / B	Nói chung là có dấu vết hoặc không có, tùy thuộc vào nhà sản xuất	Nói chung là có dấu vết hoặc không có, tùy thuộc vào nhà sản xuất
N (Nitơ)	Thường được cố ý thêm vào một số biến thể NAK thương mại để tăng khả năng chống ăn mòn và làm cứng kết tủa	Có thể được kiểm soát nhưng nhìn chung là thấp; không phải là đặc điểm xác định điển hình

Ghi chú: - Thành phần định lượng chính xác thay đổi tùy theo nhà sản xuất và cần được xác minh trên giấy chứng nhận nhà máy cho mỗi mẻ nấu. Bảng này báo cáo sự hiện diện điển hình và chiến lược hợp kim thay vì tỷ lệ phần trăm khối lượng riêng. - Tóm tắt chiến lược hợp kim: cả hai loại đều chủ yếu dựa vào crom để mang lại khả năng chống ăn mòn. Các biến thể NAK80 của một số nhà sản xuất nhấn mạnh vào nitơ và hợp kim được cân bằng cẩn thận để cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khi vẫn duy trì khả năng gia công và làm cứng xuyên suốt. S136 được thiết kế để có khả năng chống ăn mòn và đánh bóng cao, thường được tối ưu hóa cho môi trường khuôn mẫu cần giảm thiểu sự ố màu hoặc rỉ sét.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình được xử lý như sau:
• Cả hai loại thép này đều là thép không gỉ martensitic sau khi xử lý nhiệt thích hợp. Ở trạng thái ủ, chúng thường mềm, có cấu trúc vi mô ferritic/ủ một phần, thích hợp cho gia công.
• Các phương pháp xử lý nhiệt và phản ứng:
• Ủ: Thực hiện để làm mềm và ổn định thành phần khi gia công; tạo ra ferit/perlit tương đối mềm hoặc martensite đã ram tùy thuộc vào cấp độ và chu kỳ ủ chính xác.
• Làm cứng (Xử lý dung dịch/Austenit hóa và Làm nguội): Cả hai loại đều được austenit hóa ở nhiệt độ đặc trưng của từng loại để hòa tan các cacbua, sau đó làm nguội để tạo thành martensite. Sự phân bố cacbua và austenit dư chịu ảnh hưởng của hợp kim (Cr, Mo, N).
• Ủ: Nhiều chu kỳ ủ được sử dụng để đạt được độ cứng và độ dẻo dai mục tiêu; ủ làm giảm ứng suất bên trong và điều chỉnh độ dẻo dai bằng cách giảm một số độ cứng.
• Ảnh hưởng của hợp kim:
• Crom và molypden ổn định cacbua và ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt; hàm lượng Cr cao hơn hỗ trợ khả năng chống ăn mòn nhưng có thể ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố của cacbua, ảnh hưởng đến khả năng đánh bóng.
• Nitơ (nếu có) có thể làm tăng độ cứng và khả năng chống ăn mòn thông qua quá trình gia cường dung dịch rắn và kết tủa nitrit; nó cũng có thể làm giảm austenit giữ lại nếu sử dụng cẩn thận.
• Những cân nhắc khi xử lý:
• Kiểm soát nhiệt độ austenit hóa, mức độ làm nguội và lịch trình ram là rất quan trọng để tạo ra sự kết hợp cần thiết giữa độ cứng, độ đồng đều và khả năng đánh bóng.
• Quy trình nấu chảy lại bằng điện xỉ (ESR) hoặc nấu chảy chân không thường được sử dụng cho S136 và NAK80 cao cấp để đảm bảo độ sạch và phân phối cacbua mịn, yếu tố quan trọng đối với tính chất đánh bóng và chống ăn mòn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	NAK80 (định tính)	S136 (định tính)
Độ bền kéo	Trung bình đến cao sau khi làm cứng và ram	Từ trung bình đến cao; được tối ưu hóa với khả năng chống ăn mòn
Cường độ chịu kéo	Trung bình đến cao	Vừa phải
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo hợp lý ở mức độ cứng thấp hơn	Độ dẻo vừa phải; có thể thấp hơn ở độ cứng cao hơn
Độ bền va đập	Nói chung tốt cho thép khuôn không gỉ khi được xử lý nhiệt đúng cách	Tốt, nhưng có thể nhấn mạnh vào hiệu suất đánh bóng và chống ăn mòn hơn là độ bền cao
Độ cứng (HRC khi tôi luyện)	Có khả năng thay đổi từ tương đối mềm đến khá cứng, tùy thuộc vào tính khí	Cũng có khả năng phạm vi; độ cứng mục tiêu thường được kiểm soát để cân bằng độ dẻo dai và độ hoàn thiện bề mặt

Giải thích: - Cả hai loại đều có thể được xử lý nhiệt ở mức độ cứng tương tự nhau phù hợp cho khuôn ép phun; tuy nhiên, sự khác biệt nhỏ trong hợp kim có nghĩa là các biến thể NAK80 có thể có độ dẻo dai cao hơn một chút trong một số điều kiện tôi luyện, trong khi S136 thường được sử dụng khi khả năng chống ăn mòn và độ hoàn thiện bề mặt là tối quan trọng. - Các số liệu cơ học chính xác phụ thuộc vào hóa chất của nhà máy và lịch trình xử lý nhiệt được chọn; tham khảo bảng dữ liệu của nhà cung cấp để biết các giá trị kéo, độ bền và độ va đập cụ thể.

5. Khả năng hàn

• Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hàn: lượng cacbon tương đương, các nguyên tố hợp kim làm tăng khả năng tôi (Cr, Mo, V) và sự có mặt của nitơ hoặc hợp chất cacbua.
• Công thức hữu ích để đánh giá khả năng hàn (giải thích theo hướng định tính thay vì theo hướng số):
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Giải thích định tính:
• Cả NAK80 và S136 đều là thép dụng cụ không gỉ có hợp kim giúp tăng khả năng tôi luyện so với thép cacbon thông thường; do đó, thường cần phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và ram sau khi hàn để tránh nứt.
• Nitơ trong một số biến thể NAK80 có thể làm phức tạp quá trình hàn bằng cách thay đổi hành vi đông đặc và thúc đẩy độ xốp; S136 có hàm lượng Cr và Mo cao có thể dễ bị cứng lại theo kiểu martensitic ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.
• Đối với các khuôn quan trọng, việc hàn thường được giảm thiểu; khi cần thiết, hãy sử dụng kim loại hàn phù hợp được thiết kế cho thép dụng cụ không gỉ martensitic và tuân theo quy trình xử lý nhiệt trước và sau khi hàn do nhà cung cấp khuyến nghị.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép khuôn không gỉ, khả năng chống ăn mòn vốn có bắt nguồn từ crom (và đôi khi là Mo, N). Sử dụng chỉ số:
• Số tương đương khả năng chống kết tủa (PREN) hữu ích đối với thép không gỉ austenit nhưng có thể được sử dụng để cung cấp thông tin chi tiết theo hướng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Diễn giải: PREN áp dụng tốt nhất cho các loại thép austenit; đối với thép không gỉ làm khuôn martensitic, công thức này chỉ ra hướng nhưng không phải là yếu tố dự đoán chắc chắn về hành vi ăn mòn khi sử dụng.
• Các lựa chọn thay thế không gỉ:
• Nếu chọn thép dụng cụ không gỉ, các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn tiêu chuẩn bao gồm mạ kẽm, sơn, mạ điện hoặc phủ lớp phủ cục bộ. Đối với thép khuôn không gỉ như NAK80 và S136, tính thụ động bề mặt giúp giảm nhu cầu bảo vệ hy sinh trong nhiều môi trường đúc.
• Ghi chú thực tế:
• S136 thường được lựa chọn khi cần khả năng chống bám bẩn lâu dài và môi trường ăn mòn nhẹ, đặc biệt đối với khuôn làm mát bằng nước hoặc khuôn sản xuất nhựa ăn mòn hoặc môi trường đúc ăn mòn.
• Độ hoàn thiện bề mặt và độ sạch của cấu trúc vi mô (ít tạp chất phi kim loại) rất quan trọng đối với khả năng chống ăn mòn và độ sáng bóng; thép ESR hoặc thép xử lý chân không là lựa chọn tốt nhất.

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

• Khả năng gia công:
• Cả hai loại thép ở trạng thái ủ đều có thể gia công khá tốt; tuy nhiên, thép dụng cụ martensitic không gỉ có thể bị cứng lại khi gia công và đòi hỏi dụng cụ, tốc độ và lượng ăn dao phù hợp.
• Dụng cụ cacbua và thiết lập máy ổn định được khuyến nghị cho mục đích gia công có độ chính xác cao.
• Khả năng định hình:
• Các loại thép này thường không được sử dụng để tạo hình rộng rãi; có thể uốn cong trong điều kiện ủ nhưng cần chú ý đến hiện tượng đàn hồi và nứt cạnh.
• Hoàn thiện:
• Đánh bóng đến độ bóng gương là một yêu cầu phổ biến; S136 thường được lựa chọn vì khả năng đánh bóng vượt trội khi được sản xuất với cấu trúc vi mô sạch và kích thước cacbua mịn.
• Các phương pháp xử lý bề mặt (nitơ hóa, mạ crom) đôi khi được sử dụng tùy thuộc vào nhu cầu hao mòn và ăn mòn; tính chất thấm nitơ phụ thuộc vào tính chất hóa học của cơ sở (sự hiện diện của N và tính chất khuếch tán).

8. Ứng dụng điển hình

NAK80	S136
Khuôn mẫu cần cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học được cải thiện; các thành phần lõi/khoang cần ứng suất cao hơn hoặc khả năng chống ăn mòn vừa phải.	Khuôn có độ bóng cao, chống ăn mòn dành cho nhựa (đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt hoặc làm mát bằng nước), khuôn yêu cầu bề mặt hoàn thiện tuyệt vời và khả năng chống bẩn.
Khuôn mẫu và khuôn sản xuất ưu tiên khả năng gia công ở trạng thái ủ và có thể kiểm soát quá trình xử lý nhiệt ở giai đoạn sau.	Khuôn ép phun chính xác cho các bộ phận quang học hoặc trang trí, trong đó hình thức bề mặt và độ ố màu tối thiểu là rất quan trọng.
Các chi tiết chèn, lõi, thanh trượt trong khuôn có thể cần thêm độ bền hoặc độ dẻo dai trong thời gian dài.	Khuôn mỹ phẩm cao cấp, khuôn thiết bị y tế và khuôn tiếp xúc với polyme ăn mòn hoặc làm sạch mạnh.

Cơ sở lựa chọn: lựa chọn dựa trên yêu cầu chủ đạo—khả năng chịu tải và mài mòn so với khả năng chống ăn mòn và đánh bóng tối đa.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Cả hai đều là thép dụng cụ không gỉ chuyên dụng và thường có giá cao hơn thép khuôn thông thường (ví dụ: P20). Chi phí tương đối phụ thuộc vào thị trường, nhà máy và quy trình chế biến (ESR/chân không nóng chảy làm tăng chi phí).
• S136, đặc biệt khi được cung cấp dưới dạng ESR hoặc vật liệu tinh luyện chân không, thường có giá cao hơn so với thép dụng cụ không gỉ thông thường.
• Giá NAK80 phụ thuộc vào nhà sản xuất, lượng nitơ bổ sung và quy trình chế biến; giá có thể cạnh tranh với các loại thép không gỉ làm khuôn khác nhưng phải kiểm tra chi phí chính xác với nhà cung cấp.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai đều có sẵn ở dạng khối, tấm, thanh và tấm tôi cứng từ các nhà cung cấp thép công cụ lớn; thời gian giao hàng thay đổi tùy theo nhà máy và sản phẩm có phải là ESR hay được xử lý đặc biệt hay không.
• Nhìn chung, tính khả dụng toàn cầu là tốt, nhưng việc mua các phần lớn hoặc các điều kiện xử lý cụ thể (tấm đã được làm cứng và đánh bóng trước) có thể cần thời gian giao hàng lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	NAK80	S136
Khả năng hàn	Trung bình — cần phải làm nóng trước / tôi sau khi hàn cẩn thận	Trung bình — Nguy cơ cứng hóa vùng HAZ; cần hàn có kiểm soát
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt — cân bằng về độ dẻo dai trong nhiều biến thể	Tốt — cân bằng, chú trọng vào độ bóng/ăn mòn hơn là độ bền tối đa
Trị giá	Trung bình đến cao (tùy thuộc vào nhà cung cấp/quy trình)	Trung bình đến cao — thường cao hơn khi xử lý ESR hoặc xử lý nóng chảy chân không

Sự giới thiệu: - Chọn NAK80 nếu bạn cần thép khuôn không gỉ có khả năng cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn với độ bền cơ học và độ dẻo dai được cải thiện cho các khuôn chịu tải trọng cao hơn, ứng suất cơ học lặp đi lặp lại hoặc khi luyện kim tăng cường nitơ mang lại lợi ích về hiệu suất. - Chọn S136 nếu ưu tiên là khả năng chống ố tối đa, khả năng đánh bóng vượt trội và có thành tích đã được chứng minh trong các ứng dụng khuôn mẫu có độ bóng cao, chống ăn mòn (ví dụ, khuôn mẫu mỹ phẩm, y tế hoặc làm mát bằng nước, trong đó vẻ ngoài bề mặt và khả năng chống ăn mòn lâu dài là rất quan trọng).

Lưu ý kết luận: NAK80 và S136 đều là những ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng khuôn chống ăn mòn. Cấp độ chính xác phụ thuộc vào sự tương tác cụ thể của môi trường làm việc (tiếp xúc với chất ăn mòn, môi trường làm mát), độ hoàn thiện bề mặt yêu cầu, điều kiện tải trọng và mài mòn, cũng như các hạn chế về chế tạo. Luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy, khuyến nghị xử lý nhiệt của nhà cung cấp và tiến hành xử lý thử nghiệm khi cần hiệu suất hoặc chất lượng quan trọng.