S136 so với 420 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa S136 và 420 là một quyết định thường xuyên đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất làm việc trên các linh kiện khuôn mẫu, chi tiết chính xác hoặc phần cứng dễ bị ăn mòn. Sự lựa chọn thường cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và độ hoàn thiện bề mặt với chi phí và tính dễ chế tạo — và thường được quyết định bởi chức năng của chi tiết, môi trường hoạt động dự kiến ​​và chi phí vòng đời cần thiết.

Ở cấp độ tổng thể, cả S136 và 420 đều là thép không gỉ martensitic, được sử dụng khi cần kết hợp độ cứng và khả năng chống ăn mòn, nhưng chúng được thiết kế với những ưu tiên khác nhau. Sự khác biệt thực tế quan trọng nhất là S136 là thép không gỉ làm khuôn được tối ưu hóa để tăng cường khả năng chống ăn mòn bề mặt và khả năng đánh bóng vượt trội, trong khi 420 là thép không gỉ martensitic đa dụng, có sẵn rộng rãi hơn và giá thành thấp hơn. Những khác biệt này ảnh hưởng đến chiến lược hợp kim hóa, phản ứng xử lý nhiệt, hoàn thiện bề mặt và tiêu chí lựa chọn trong công nghiệp.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• S136: Được cung cấp thương mại dưới dạng thép không gỉ làm khuôn (thường được các nhà cung cấp thép làm khuôn và OEM gọi như vậy). Nó thường được chỉ định cho dụng cụ và khuôn chèn khi cần khả năng chống ăn mòn và khả năng đánh bóng. Đây là thép dụng cụ không gỉ martensitic thuộc họ thép không gỉ làm khuôn chứ không phải là thép dụng cụ cacbon thông thường.
• 420: Được AISI/SAE chỉ định là AISI 420 / UNS S42000; đây là thép không gỉ martensitic theo tiêu chuẩn ASTM và nhiều tiêu chuẩn quốc tế. Nó được sử dụng rộng rãi làm thép dụng cụ và thép kỹ thuật không gỉ.

Phân loại điển hình theo loại: - S136 — thép không gỉ martensitic dùng làm khuôn/dụng cụ (họ thép dụng cụ có tính chất không gỉ). - 420 — thép không gỉ martensitic (hợp kim thép không gỉ đa dụng; thường được sử dụng trong kỹ thuật và đồ dùng nhà bếp).

(Số lượng tiêu chuẩn chính xác và tên thương mại có thể thay đổi tùy theo nhà cung cấp; luôn kiểm tra chéo chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp cho các đơn đặt hàng cụ thể.)

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây trình bày các nguyên tố hợp kim phổ biến cần quan tâm và sự hiện diện về mặt định tính trong mỗi loại. Nồng độ chính xác thay đổi tùy theo nhà cung cấp và dạng sản phẩm; hãy tham khảo chứng chỉ nhà máy để mua hàng.

Yếu tố	S136 (điển hình, định tính)	420 (điển hình, định tính)
C (Cacbon)	Trung bình — được thiết kế để đạt được độ cứng và độ cứng bề mặt đồng thời cho phép đánh bóng	Trung bình — phạm vi thương mại rộng; kiểm soát độ cứng và độ bền cuối cùng
Mn (Mangan)	Thấp-trung bình (được kiểm soát để hạn chế austenit còn lại và tạp chất)	Thấp-trung bình (khử oxy, ảnh hưởng đến khả năng làm cứng)
Si (Silic)	Thấp (khử oxy)	Thấp (khử oxy)
P (Phốt pho)	Dấu vết / thấp (giữ ở mức thấp để tăng độ bền và khả năng chống ăn mòn)	Dấu vết / thấp
S (Lưu huỳnh)	Rất thấp (giảm thiểu để cải thiện khả năng đánh bóng và chống ăn mòn)	Thường cao hơn S136 ở các cấp cũ hơn (cải thiện khả năng gia công, giảm khả năng chống ăn mòn)
Cr (Crom)	Tương đối cao (để cung cấp khả năng chống gỉ và chống ăn mòn)	Cao (12–14% theo cách cổ điển; mang lại hiệu ứng không gỉ)
Ni (Niken)	Thấp (có thể có ở dạng vết)	Thấp (thường thấp để theo dõi)
Mo (Molypden)	Rất thấp hoặc không có (một số loại khuôn cố tình kiểm soát Mo để cân bằng độ ăn mòn và độ dẻo dai)	Thường thấp hoặc không có (trừ khi được chỉ định)
V (Vanadi)	Thấp-trung bình (nếu có, để chống mài mòn và tinh chỉnh hạt)	Thấp (có thể có ở một số biến thể)
Nb, Ti, B	Thông thường được kiểm soát hoặc không có (chất ổn định và hợp kim vi mô được kiểm soát để cải thiện khả năng đánh bóng và các đặc tính)	Thường không có hoặc ở lượng rất nhỏ
N (Nitơ)	Thấp (tránh trong nhiều biến thể vì ảnh hưởng đến độ ăn mòn và độ dẻo dai)	Thấp (thường)

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào (cấp độ cao) - Crom: nguyên tố chính quyết định tính chất của thép không gỉ. Hàm lượng Cr cao và phân bố đều với hàm lượng lưu huỳnh thấp giúp tăng khả năng chống ăn mòn bề mặt và rỗ. - Carbon: tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn sau khi tôi và ram nhưng làm tăng khả năng làm cứng martensite và dễ nứt vùng cứng và giảm khả năng chống ăn mòn nếu kết hợp với hàm lượng tạp chất cao. - Lưu huỳnh và mangan: hàm lượng S cao hơn sẽ cải thiện khả năng gia công nhưng làm giảm khả năng đánh bóng và khả năng chống ăn mòn; S136 giữ hàm lượng S ở mức rất thấp đối với lớp hoàn thiện gương. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti): được thêm vào với số lượng nhỏ để tinh chế cacbua và cải thiện sự cân bằng giữa độ mài mòn/độ dẻo dai; sự hiện diện của chúng được kiểm soát chặt chẽ trong thép khuôn để bảo vệ bề mặt hoàn thiện.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Cả S136 và 420 đều được thiết kế để tạo thành martensite sau khi tôi thích hợp. Ở trạng thái ủ, chúng chứa ferrite/pearlite hoặc cấu trúc martensite đã ủ tùy thuộc vào quy trình chế biến. Cấu trúc vi mô sau khi tôi là martensite cộng với austenite và carbide giữ lại; quá trình ram giúp giảm độ cứng và ổn định cấu trúc vi mô.

Hành vi xử lý nhiệt và những cân nhắc - S136: thường được cung cấp ở trạng thái ủ chân không hoặc tôi trước, tập trung vào độ sạch và phân phối cacbua được kiểm soát. Nó chấp nhận các chu kỳ tôi và ram tiêu chuẩn để đạt được độ cứng mong muốn trong khi vẫn duy trì khả năng chống ăn mòn. Vì S136 được chỉ định cho bề mặt hoàn thiện chất lượng cao, nên xử lý nhiệt chân không hoặc khí quyển được kiểm soát thường được sử dụng để hạn chế quá trình thoát cacbon và oxit bề mặt. - 420: phản ứng theo dự đoán với quá trình tôi thông thường (austenit hóa → tôi → ram). Quá trình xử lý nhiệt của 420 rất linh hoạt và có thể được tối ưu hóa để đạt độ dẻo dai hoặc độ cứng cao hơn tùy thuộc vào nhiệt độ ram. Xử lý nhiệt khí quyển thường được sử dụng trong các xưởng cơ khí tổng hợp.

Chuẩn hóa, tôi và ram, và xử lý nhiệt cơ - Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt ở cả hai loại thép và hữu ích trước khi gia công. - Tôi và ram thiết lập sự cân bằng giữa độ cứng và độ dai. S136 thường sử dụng chu trình austenit hóa và ram bảo thủ hơn kết hợp với xử lý chân không để duy trì khả năng ăn mòn. - Xử lý nhiệt cơ học (cán và làm nguội có kiểm soát) có liên quan nhiều hơn đến sản xuất thanh/tấm; tính chất cuối cùng của cả hai loại thép đều được xác định phần lớn bởi quá trình xử lý nhiệt tiếp theo.

4. Tính chất cơ học

Vì cả hai loại đều nhạy cảm với xử lý nhiệt, nên giá trị tuyệt đối phụ thuộc vào nhà cung cấp, lịch trình xử lý nhiệt và dạng sản phẩm. Bảng dưới đây cung cấp góc nhìn so sánh định tính về xu hướng cơ học điển hình thay vì các giá trị số cố định.

Tài sản	S136	420
Độ bền kéo	Cao khi được làm cứng hoàn toàn (được thiết kế để có độ cứng bề mặt cao)	Cao khi cứng hoàn toàn (phạm vi đạt được tương tự tùy thuộc vào C)
Sức chịu lực	Cao sau khi tôi luyện đến độ cứng khuôn điển hình	Có thể so sánh; thay đổi theo nhiệt độ
Độ giãn dài (độ dẻo)	Trung bình — có xu hướng kéo dài thấp hơn ở độ cứng cao hơn	Trung bình — có thể tùy chỉnh; một số biến thể 420 mang lại độ dẻo tốt hơn ở độ cứng thấp hơn
Độ bền va đập	Độ cứng từ trung bình đến thấp ở mức rất cao (thép làm khuôn thường phải hy sinh một phần độ dẻo dai để có được độ cứng và chất lượng bề mặt)	Trung bình — có thể cao hơn một chút so với S136 ở độ cứng tương đương tùy thuộc vào lượng cacbon và quá trình chế biến
Độ cứng (đã cứng)	Độ cứng đạt được cao và độ cứng bề mặt duy trì sau khi đánh bóng	Độ cứng đạt được cao; phạm vi thương mại rộng tùy thuộc vào carbon

Diễn giải - Cả hai loại thép đều có thể được tôi luyện đến độ cứng tương đương nhau, phù hợp cho gia công dụng cụ và các chi tiết chịu mài mòn; cân bằng cơ học cuối cùng phụ thuộc vào hàm lượng carbon và quá trình ram. Trọng tâm sản xuất và chế biến của S136 là tạo ra cấu trúc vi mô và bề mặt hoàn thiện sạch sẽ, hỗ trợ khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn, nhưng có thể được chỉ định với các lựa chọn carbon và ram khác đôi chút so với mác thép 420 thông thường.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ martensitic gặp nhiều thách thức so với thép không gỉ austenitic do hàm lượng cacbon và hợp kim thúc đẩy martensitic cứng và giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Hai chỉ số khả năng hàn được sử dụng rộng rãi:

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Công thức Pcm tương đương (BE cũ): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn ngụ ý nguy cơ nứt vùng HAZ cao hơn và cần xử lý nhiệt trước/sau hàn. Cả S136 và 420 thường yêu cầu quy trình hàn cẩn thận: nung nóng trước, cấp nhiệt thấp, và ram sau hàn hoặc khử ứng suất là những biện pháp phổ biến. - S136 có thể ít dễ uốn hơn nếu loại này có hàm lượng carbon cao hơn hoặc độ sạch được kiểm soát chặt chẽ hơn (để tránh nhạy cảm và giữ được độ hoàn thiện bề mặt). Ngược lại, một số biến thể 420 được pha chế cho kỹ thuật chung có thể chứa tạp chất sunfua và hàm lượng Mn cao hơn, giúp hàn tại xưởng dễ dàng hơn nhưng lại làm giảm khả năng chống ăn mòn. - Đối với các cụm lắp ráp quan trọng, hàn phải được chứng nhận theo thông số kỹ thuật quy trình (PQR/WPS) và thử nghiệm; hàn bằng đồng thau hoặc cố định cơ học có thể được ưu tiên cho các bề mặt khuôn có tính toàn vẹn cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ martensitic có hàm lượng crom trong khoảng 12–14%, khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình — đủ dùng cho nhiều môi trường trong nhà, không ăn mòn và cho việc đúc phun nhiều loại polymer. S136 được thiết kế để có khả năng chống ăn mòn bề mặt cao hơn và khả năng đánh bóng gương bằng cách kiểm soát lưu huỳnh, tạp chất phi kim loại và quá trình khử cacbon bề mặt.
• Trong môi trường khắc nghiệt, cả S136 và 420 đều không đạt được khả năng chống rỗ hoặc chống ăn mòn chung của thép không gỉ austenit (304/316) hoặc thép không gỉ hai pha. Khi đánh giá khả năng chống ăn mòn cục bộ, Hệ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) rất hữu ích: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với các hóa chất S136 và 420 điển hình (Mo thấp và N thấp), giá trị PREN ở mức khiêm tốn; do đó, S136 đạt được khả năng chống ăn mòn bề mặt thực tế tốt hơn chủ yếu thông qua độ sạch và phân phối Cr được tối ưu hóa thay vì PREN cao do bổ sung Mo hoặc N.

Các tùy chọn bảo vệ bề mặt cho các tình huống không lý tưởng - Nếu cần bảo vệ thêm cho một số bộ phận: có thể sử dụng mạ niken không điện, phủ PVD, thấm nitơ (nếu phù hợp với mục tiêu chống ăn mòn và độ cứng) hoặc phủ polymer. Đối với lớp phủ chống ăn mòn thông thường ở cấp độ 420 (nếu lựa chọn vì lý do chi phí), có thể sử dụng lớp phủ tiêu chuẩn (mạ kẽm không phải là lựa chọn phổ biến cho các bộ phận thép không gỉ) và sơn hoặc xử lý thụ động.

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

• Khả năng gia công: Thép 420 ở dạng ủ hoặc gia công tự do thường dễ gia công hơn thép S136 tôi cứng. Thép S136 thường được cung cấp ở dạng tôi cứng trước hoặc ủ chân không; quá trình gia công nên được thực hiện ở trạng thái mềm hơn, sau đó là xử lý nhiệt cuối cùng và mài/đánh bóng hoàn thiện.
• Mài và đánh bóng: S136 được tối ưu hóa để có thể đánh bóng như gương; hàm lượng lưu huỳnh thấp và khả năng kiểm soát tạp chất tạo ra bề mặt hoàn thiện vượt trội với ít khuyết tật bề mặt hơn. 420 có thể được đánh bóng đến độ sáng bóng cao nhưng có thể tạo ra nhiều đặc điểm bề mặt hơn do tạp chất.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: Cả hai đều bị hạn chế về khả năng tạo hình nguội khi được làm cứng; quá trình tạo hình nên được thực hiện trong điều kiện ủ.
• Hoàn thiện bề mặt: Quá trình xử lý S136 khuyến khích đánh bóng điện hóa hoặc đánh bóng cơ học cuối cùng cho khuôn quang học hoặc y tế; 420 có thể được hoàn thiện nhưng thường đòi hỏi phải hiệu chỉnh nhiều hơn các khuyết tật bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

S136 (sử dụng điển hình)	420 (sử dụng điển hình)
Khuôn và lõi ép phun có độ bóng cao (nhựa, bộ phận quang học)	Dao kéo, lưỡi dao và dao đa dụng
Chèn khuôn chống ăn mòn cho các bộ phận y tế hoặc tiếp xúc với thực phẩm	Trục, linh kiện van và dụng cụ chung
Khuôn mẫu cho các thiết bị y tế và các thành phần chính xác đòi hỏi độ hoàn thiện như gương	Khuôn mẫu đơn giản, đồ gá và dụng cụ cầm tay trong đó chi phí là một yếu tố
Các thành phần mà chất lượng bề mặt và khả năng chống lại các chất ăn mòn nhẹ là yếu tố quan trọng	Các bộ phận bơm, vòng bi và linh kiện yêu cầu làm bằng thép không gỉ với chi phí thấp hơn

Cơ sở lựa chọn - Chọn S136 cho khuôn mẫu và dụng cụ có độ hoàn thiện bề mặt, khả năng chống ăn mòn từ chất lỏng trong quy trình hoặc chất tẩy rửa và độ ổn định kích thước lâu dài ở trạng thái đánh bóng là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 420 khi tính nhạy cảm về giá, tính khả dụng rộng rãi và tính chất chung của thép không gỉ quan trọng hơn khả năng đánh bóng tối ưu và khả năng chống ăn mòn chuyên biệt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 420: phổ biến rộng rãi, được sản xuất bởi nhiều nhà máy trên toàn thế giới dưới dạng thanh, tấm, lá và rèn. Nhìn chung, chi phí đơn vị thấp hơn thép làm khuôn chuyên dụng do sản lượng lớn và có nhiều nhà cung cấp.
• S136: thép không gỉ chuyên dụng làm khuôn, thường có sẵn thông qua các nhà phân phối thép công cụ và một số nhà máy được chọn. Giá thành trên mỗi kg cao hơn do phải trải qua quá trình xử lý bổ sung (ví dụ: nấu chảy chân không, kiểm soát tạp chất) và số lượng sản xuất hạn chế hơn. Tính khả dụng của thép S136 ở các kích thước phôi dụng cụ tiêu chuẩn khá tốt, nhưng có thể kém phổ biến hơn thép 420 ở dạng hàng hóa.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	S136	420
Khả năng hàn	Từ trung bình đến khó; yêu cầu các thủ tục đủ điều kiện	Trung bình đến khó khăn; phụ thuộc vào C và biến thể
Sức mạnh-Độ dẻo dai (cân bằng)	Độ cứng cao với độ dẻo dai vừa phải (được tối ưu hóa cho tính toàn vẹn bề mặt)	Có thể đạt được độ cứng tương đương; có thể được điều chỉnh để có độ dẻo dai hơn
Trị giá	Cao hơn (thép khuôn chuyên dụng)	Thấp hơn (thép không gỉ martensitic hàng hóa)

Chọn S136 nếu... - Bạn cần vật liệu khuôn hoặc dụng cụ có độ hoàn thiện bề mặt vượt trội, khả năng đánh bóng gương và khả năng chống ăn mòn bề mặt tốt hơn trong môi trường làm sạch khắc nghiệt hoặc xử lý polymer. S136 là lựa chọn ưu tiên cho khuôn ép phun giá trị cao, dụng cụ y tế và các ứng dụng không chấp nhận khuyết tật bề mặt và rỗ ăn mòn.

Chọn 420 nếu... - Bạn cần một loại thép không gỉ martensitic phổ biến, giá thành thấp hơn cho các dụng cụ thông thường, dao kéo, trục hoặc các bộ phận không yêu cầu độ bóng cao và khả năng chống ăn mòn tối ưu. Hãy sử dụng 420 khi bạn cần sự linh hoạt trong xử lý nhiệt và có nhiều lựa chọn nhà cung cấp.

Ghi chú cuối cùng - Cả hai loại thép đều nhạy cảm với xử lý nhiệt và yêu cầu thông số kỹ thuật chính xác về thành phần nhà cung cấp, dạng sản phẩm và chu kỳ xử lý nhiệt dự kiến ​​khi mua hàng. Đối với các chi tiết quan trọng, hãy yêu cầu chứng nhận nhà máy, chỉ định tình trạng bề mặt (ví dụ: ủ chân không, tôi cứng trước) và kiểm tra quy trình hàn và hoàn thiện trước khi sản xuất.