P20 so với NAK80 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

P20 và NAK80 là hai loại thép khuôn và dụng cụ được sử dụng rộng rãi cho khuôn ép nhựa và khuôn đúc khuôn. Các kỹ sư, nhóm mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa tổng chi phí sản phẩm, tuổi thọ dụng cụ, độ hoàn thiện bề mặt và bảo trì khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh lựa chọn điển hình bao gồm: lựa chọn vật liệu tiết kiệm chi phí cho khuôn mẫu số lượng lớn (nơi độ bền và khả năng gia công chiếm ưu thế) so với việc lựa chọn thép khuôn có khả năng chịu được thép không gỉ cho các chi tiết có độ bóng cao hoặc dễ bị ăn mòn (nơi độ hoàn thiện bề mặt và độ thụ động hóa là quan trọng).

Sự khác biệt thực tế chủ yếu chi phối nhiều quyết định thiết kế là hành vi bề mặt: NAK80 được thiết kế để mang lại khả năng giữ độ hoàn thiện bề mặt vượt trội, khả năng chống ăn mòn và vẻ ngoài bóng bẩy cho các chi tiết nhựa có độ bóng cao, trong khi P20 là loại thép khuôn tôi cứng thông thường hơn, được tối ưu hóa về giá cả phải chăng, khả năng gia công và độ bền đa năng. Do chúng chiếm nhiều không gian ứng dụng chồng chéo (đế khuôn, khoang khuôn, lõi khuôn), các nhà thiết kế thường so sánh chúng về mặt thẩm mỹ của chi tiết cuối cùng, bảo trì khuôn và các hạn chế về môi trường sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• P20
• Tên gọi chung: AISI/SAE P20, DIN 1.2312 (tương đương), nhiều tên thương mại của nhà cung cấp khác nhau (thép khuôn đã tôi trước).
• Phân loại: Thép dụng cụ hợp kim, thường được cung cấp ở trạng thái đã được tôi cứng trước.
• NAK80
• Tên gọi chung: Tên thương mại (NAK80) được một số nhà cung cấp Nhật Bản và toàn cầu sử dụng; đôi khi được gọi là loại thép không gỉ làm khuôn martensitic.
• Phân loại: Thép dụng cụ/khuôn thép không gỉ Martensitic (thép khuôn thép không gỉ).

Các tiêu chuẩn áp dụng để kiểm tra chứng chỉ nhà máy và đơn đặt hàng bao gồm thông số kỹ thuật ASTM/ASME cho thép khuôn và các tiêu chuẩn quốc gia liên quan (EN, JIS, GB) cho thép dụng cụ và thép dụng cụ không gỉ. Luôn xác nhận các chỉ định và chứng chỉ cụ thể của nhà cung cấp vì tên thương mại có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần danh nghĩa tiêu biểu được trích dẫn rộng rãi trong các bảng dữ liệu của nhà cung cấp. Các giá trị này được coi là phạm vi điển hình—luôn kiểm tra các chứng chỉ nhà máy cụ thể để mua hàng.

Yếu tố	P20 (phạm vi danh nghĩa điển hình, wt%)	NAK80 (phạm vi danh nghĩa điển hình, wt%)
C	0,25–0,35	0,03–0,12
Mn	0,35–0,60	0,10–0,60
Si	0,20–0,35	0,10–0,80
P	≤0,03	≤0,025
S	≤0,03	≤0,020
Cr	1,30–1,60	11,0–13,5
Ni	0,30–0,60	1.0–4.0
Mo	0,30–0,50	0,30–0,60
V	dấu vết–nhỏ	dấu vết
Nb (Cb)	—	dấu vết
Ti	—	dấu vết
B	—	dấu vết
N	—	dấu vết (trong các biến thể thép không gỉ)

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: yếu tố chính quyết định độ cứng và độ bền. Hàm lượng carbon cao hơn của thép P20 (so với các loại thép không gỉ ít carbon) giúp tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn sau khi tôi/ram, nhưng lại làm tăng nguy cơ nứt vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình hàn. NAK80 thường có hàm lượng carbon thấp hơn để cân bằng khả năng chống ăn mòn và tránh tình trạng giòn quá mức. - Crom và niken: Trong NAK80, hàm lượng Cr và Ni cao mang lại đặc tính không gỉ/thụ động, đồng thời cải thiện khả năng chống ăn mòn và khả năng đánh bóng. Trong P20, hàm lượng Cr và Ni vừa phải giúp cải thiện độ cứng và độ bền nhưng không mang lại đặc tính không gỉ. - Molypden và vanadi: Cải thiện khả năng làm cứng, làm cứng thứ cấp, khả năng chống rão và độ ổn định của cacbua — có lợi cho cả hai loại để tăng cường khả năng chống mài mòn. - Hợp kim vi mô khác (Nb, Ti, B): Tinh chỉnh kích thước hạt và kiểm soát lượng kết tủa; trong thép dụng cụ không gỉ, những hợp kim này thường có ở dạng vết để kiểm soát các đặc tính.

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

Cấu trúc vi mô (điển hình): - P20: Martensite được tôi luyện bằng hợp kim carbide mịn (cr-carbide Cr/Mo). Thường được cung cấp ở trạng thái tôi luyện trước (ví dụ: ~28–32 HRC) ở trạng thái chuẩn hóa và ram; cấu trúc vi mô được tối ưu hóa để gia công và có độ dẻo dai. - NAK80: Ma trận thép không gỉ Martensitic với cacbua giàu crom và lớp bề mặt oxit crom thụ động khi được đánh bóng; thường được sản xuất ở trạng thái tôi cứng trước thích hợp để đánh bóng và chống ăn mòn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - P20: - Có thể được cung cấp ở dạng đã được làm cứng trước; nếu được làm cứng và ram, chu trình làm nguội và ram sẽ tạo ra martensite ram. Chuẩn hóa sẽ tinh chỉnh kích thước hạt. - Thấm nitơ thường được áp dụng để tăng độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn; tính chất thấm nitơ phụ thuộc vào các nguyên tố hợp kim tạo thành nitrua (ví dụ: V, Cr). - NAK80: - Xử lý nhiệt nhằm mục đích cân bằng độ cứng với các đặc tính của thép không gỉ. Các phương pháp thông thường bao gồm ủ dung dịch và làm nguội, sau đó là ram; cần kiểm soát cẩn thận để tránh nhạy cảm và duy trì khả năng chống ăn mòn. - Tính chất của thép không gỉ làm phức tạp quá trình xử lý ở nhiệt độ cao; cửa sổ tôi nhiệt khác với thép hợp kim cacbon và có thể cần chân không hoặc khí quyển được kiểm soát để tránh quá trình khử cacbon và oxy hóa.

Quá trình xử lý nhiệt cơ có thể ảnh hưởng đến kích thước hạt và sự phân bố của cacbua; đối với cả hai loại thép, kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn sẽ mang lại khả năng đánh bóng tốt hơn và độ cứng đồng đều hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây liệt kê các phạm vi đặc tính điển hình cho các điều kiện tôi cứng trước và trạng thái xử lý nhiệt thường được cung cấp. Vui lòng kiểm tra với giấy chứng nhận của nhà cung cấp để biết số liệu chính xác.

Tài sản	P20 (điển hình)	NAK80 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	800–1100	700–1000
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	600–900	500–850
Độ giãn dài (%)	10–18	8–18
Độ bền va đập (Charpy, J)	vừa phải (tùy thuộc vào tính khí)	trung bình đến tốt (tùy thuộc vào tình trạng)
Độ cứng (HRC)	28–32 (đã được làm cứng trước), có thể được xử lý nhiệt cao hơn	30–36 (biến thể thép không gỉ đã được tôi cứng trước)

Giải thích: - Độ bền: P20 trong điều kiện tôi luyện tương đương thường có độ bền danh nghĩa cao hơn một chút do hàm lượng cacbon và hỗn hợp hợp kim cao hơn; tuy nhiên, xử lý nhiệt có thể thu hẹp sự khác biệt. - Độ dẻo dai/dẻo dai: Cả hai loại đều đánh đổi độ cứng để lấy độ dẻo dai; công thức P20 có xu hướng ưu tiên độ dẻo dai và khả năng gia công thông thường, trong khi NAK80 cân bằng giữa khả năng đánh bóng và khả năng chống ăn mòn với độ dẻo dai vừa đủ. - Phạm vi độ cứng chồng chéo nhau; cấp độ được chọn phải phù hợp với mục tiêu về khả năng chống mài mòn và độ hoàn thiện bề mặt cuối cùng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim. Việc sử dụng công thức cacbon tương đương giúp đánh giá khả năng nứt vùng HAZ và yêu cầu gia nhiệt trước/sau.

Công thức chung: - Tương đương carbon IIW (hướng dẫn định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tương đương cacbon điện kỹ thuật hàn quốc tế (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - P20: Hàm lượng cacbon cao hơn và sự hiện diện của Mo/Cr làm tăng giá trị tương đương cacbon so với thép cacbon thấp, làm tăng khả năng bị cứng vùng HAZ và nứt nguội trừ khi sử dụng quy trình gia nhiệt trước và ram sau hàn phù hợp. P20 thường yêu cầu quy trình hàn được kiểm soát hoặc sử dụng kim loại hàn có hàm lượng hydro thấp tương thích. - NAK80: Là thép không gỉ martensitic, hàm lượng Cr và Ni trong NAK80 làm thay đổi tính chất hàn; thép không gỉ martensitic có thể dễ bị ảnh hưởng bởi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt kim loại mối hàn nếu không được nung nóng trước, cũng như nếu nhiệt độ giữa các lớp hàn và tốc độ làm nguội không được kiểm soát. Niken cải thiện khả năng hàn ở một mức độ nào đó, nhưng nền thép không gỉ đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu độn cẩn thận và thường xuyên xử lý nhiệt sau hàn để phục hồi độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn. - Trong thực tế: Cả hai loại đều có thể hàn được, nhưng cần có kế hoạch hàn (gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn, ram sau khi hàn) và kim loại hàn đủ tiêu chuẩn. Đối với các bề mặt quan trọng về mặt thẩm mỹ, nên tránh các khu vực hàn hoặc mài và đánh bóng lại.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• P20: Không phải thép không gỉ. Bảo vệ chống ăn mòn bề mặt thường được yêu cầu ở những nơi có độ ẩm hoặc môi trường ăn mòn. Các biện pháp bảo vệ phổ biến bao gồm:
• Sơn, mạ hoặc phủ lớp phủ cục bộ (PVD/CVD) trên bề mặt hoàn thiện.
• Mạ kẽm không phải là phương pháp điển hình trong chế tạo dụng cụ; thay vào đó, thấm nitơ hoặc phủ bề mặt (TiN, CrN) được sử dụng để tăng khả năng chống mài mòn và giảm sự hình thành rỗ do ăn mòn.
• NAK80: Thép không gỉ martensitic có tính thụ động và khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với P20 khi được đánh bóng và bảo dưỡng. Để đánh giá đặc tính của thép không gỉ, các chỉ số ăn mòn như PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng cho các loại thép austenit và thép duplex: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lưu ý: PREN ít áp dụng trực tiếp cho thép không gỉ làm khuôn martensitic như NAK80, nhưng công thức minh họa mối tương quan giữa hàm lượng Cr/Mo/N với khả năng chống rỗ. Hàm lượng crom và độ hoàn thiện bề mặt của NAK80 là những yếu tố chính góp phần tạo nên khả năng chống ố và ăn mòn vượt trội trong quá trình sử dụng.
• Hậu quả thực tế: Đối với các bộ phận nhựa và khuôn có độ bóng cao hoạt động trong môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn, NAK80 làm giảm nhu cầu nhuộm màu và bảo trì; P20 yêu cầu các chiến lược bảo vệ (lớp phủ, môi trường được kiểm soát) để duy trì chất lượng bề mặt.

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

• Khả năng gia công:
• P20: Khả năng gia công tốt ở trạng thái tôi trước; được sử dụng rộng rãi vì dễ gia công với dung sai chặt chẽ và gia công EDM tốt. Chỉ cần dụng cụ cacbua và quy trình làm mát tiêu chuẩn là đủ.
• NAK80: Nhìn chung, khả năng gia công tốt đối với thép dụng cụ không gỉ, nhưng xu hướng tôi cứng và đặc tính của hợp kim không gỉ đòi hỏi hình dạng dụng cụ, tốc độ cắt và chất làm mát được tối ưu hóa. Bề mặt hoàn thiện có thể đạt được tuyệt vời với dụng cụ phù hợp.
• Khả năng định hình và uốn: Cả hai đều là thép công cụ—độ dẻo hạn chế so với thép mềm. Quá trình định hình thường được thực hiện trước khi tôi/ram cuối cùng. Tránh định hình mạnh sau khi tôi.
• Hoàn thiện và đánh bóng bề mặt:
• Đây là một điểm khác biệt quan trọng. NAK80 đánh bóng đến độ bóng gương dễ dàng hơn và duy trì độ bóng cao nhờ nền thép không gỉ và phân bố cacbua mịn. P20 có thể được đánh bóng đến độ bóng tốt nhưng dễ bị ố, oxy hóa hơn và cần thêm lớp phủ hoặc bảo dưỡng để duy trì độ bóng cao.

8. Ứng dụng điển hình

P20 — Công dụng điển hình	NAK80 — Công dụng điển hình
Khoang và lõi khuôn ép phun đa năng cho bề mặt không quan trọng	Khoang khuôn ép phun có độ bóng cao dành cho các bộ phận quang học, y tế và tiêu dùng
Khuôn mẫu lớn và các thành phần cấu trúc nơi chi phí và khả năng gia công chiếm ưu thế	Dụng cụ dễ bị ăn mòn (môi trường ẩm ướt) hoặc khuôn mẫu cần giữ độ bóng lâu dài
Nguyên mẫu và sản xuất khối lượng thấp đến trung bình khi cần gia công nhanh và EDM	Khuôn nhiều thành phần trong đó độ hoàn thiện bề mặt và tính thẩm mỹ của bộ phận được ưu tiên
Dụng cụ cần phủ nitơ hoặc PVD tiếp theo để chống mài mòn	Khuôn mẫu chính xác giúp giảm thiểu việc bảo trì và ố màu bằng thép không gỉ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn P20 để cân bằng giữa chi phí, tính khả dụng và khả năng gia công khi hình thức của chi tiết cuối cùng không quan trọng hoặc khi có thể áp dụng lớp phủ/thấm nitơ. - Chọn NAK80 cho các bộ phận có độ bóng cao, giảm vết bẩn và khi cần khả năng chống ăn mòn trong dụng cụ để duy trì vẻ ngoài và giảm thời gian ngừng hoạt động để bảo trì.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• P20 thường có giá thành rẻ hơn NAK80 tính theo kg do hàm lượng hợp kim thấp hơn và nguồn cung hàng hóa đa dạng. Đây là lựa chọn tiết kiệm chi phí cho các khuôn lớn và những nơi có hạn chế về ngân sách.
• NAK80 có giá cao hơn do hàm lượng hợp kim cao hơn (Cr, Ni) và quá trình xử lý để tạo ra các đặc tính không gỉ; dự kiến ​​chi phí vật liệu cao hơn và đôi khi chi phí xử lý nhiệt và hoàn thiện cũng cao hơn.
• Khả dụng:
• P20 được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, khối và thanh đã tôi cứng từ nhiều nhà cung cấp và phổ biến trong các xưởng đúc khuôn.
• NAK80 được sản xuất rộng rãi nhưng khả năng cung cấp ở kích thước tấm rất lớn hoặc kích thước không chuẩn có thể hạn chế hơn P20; thời gian giao hàng có thể lâu hơn tùy thuộc vào yêu cầu về độ dày và độ hoàn thiện.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	P20	NAK80
Khả năng hàn	Tốt với các điều khiển; CE cao hơn đòi hỏi sự cẩn thận	Thách thức; quy trình hàn thép không gỉ và PWHT thường cần thiết
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Mạnh mẽ và cứng cáp ở trạng thái đã được tôi cứng trước	Cân bằng tốt nhưng được tối ưu hóa để đánh bóng và chống ăn mòn
Trị giá	Thấp hơn (tiết kiệm hơn)	Cao hơn (hợp kim thép không gỉ cao cấp)

Khuyến nghị: - Chọn P20 nếu: - Ngân sách và tốc độ gia công/EDM được ưu tiên hàng đầu. - Bộ phận này không yêu cầu hoàn thiện bóng hoặc được bảo vệ/phủ lớp phủ. - Cần có đế khuôn lớn hoặc các thành phần có gia công nặng. - Chọn NAK80 nếu: - Độ hoàn thiện bề mặt cao, khả năng giữ độ bóng và khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng (các bộ phận quang học, y tế, tiêu dùng có độ bóng cao). - Bạn muốn giảm thiểu việc bảo trì dụng cụ đối với các vật liệu dễ bị ố màu hoặc môi trường sản xuất ẩm ướt. - Chi phí cao hơn được chứng minh bằng việc giảm thiểu việc phải làm lại, kéo dài tuổi thọ đánh bóng hoặc cải thiện chất lượng thẩm mỹ của các bộ phận đúc.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu nên được xác thực bằng cách so sánh bảng dữ liệu của nhà cung cấp, chạy thử nghiệm đánh bóng mẫu trong điều kiện quy trình dự kiến ​​và tính đến các quy trình hàn/sửa chữa và xử lý bề mặt. Khi độ hoàn thiện bề mặt hoặc khả năng chống ăn mòn quyết định đến việc chấp nhận chi tiết, việc thử nghiệm dụng cụ với vật liệu và chế độ đánh bóng cuối cùng được khuyến nghị mạnh mẽ.