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

Giới thiệu

S136 và 420 đều là thép không gỉ martensitic thường được cân nhắc cho các chi tiết đòi hỏi độ cứng, khả năng đánh bóng và khả năng chống ăn mòn nhất định. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với quyết định giữa thép không gỉ chuyên dụng dùng cho khuôn mẫu (S136) và thép không gỉ martensitic đa năng (420) khi cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ hoàn thiện bề mặt, chi phí và khả năng sản xuất.

Sự khác biệt thực tế chủ yếu giữa hai loại thép này nằm ở mục đích hợp kim hóa và gia công: S136 được điều chế và gia công để đạt độ hoàn thiện bề mặt cao, hàm lượng tạp chất thấp và khả năng chống ăn mòn tốt hơn cho các ứng dụng khuôn mẫu, trong khi 420 là loại thép không gỉ martensitic thuộc họ rộng hơn, được sử dụng khi các đặc tính thép không gỉ cứng dễ gia công được chấp nhận với chi phí thấp hơn. Những điểm tương đồng trong cùng họ (thép không gỉ martensitic) nhưng khác biệt về kiểm soát thành phần và gia công là nền tảng cho sự so sánh chung này.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• S136
• Không phải là số chuẩn ASTM/ISO quốc tế duy nhất; đây là tên gọi thép khuôn thương mại được các nhà cung cấp thép dụng cụ châu Âu và quốc tế sử dụng (thường được liệt kê trong danh mục thép khuôn).
• Được phân loại là thép dụng cụ/khuôn thép không gỉ chống ăn mòn (thép không gỉ martensitic, họ thép dụng cụ).
• Thường được cung cấp dưới dạng tấm, khối hoặc thành phần khuôn được đánh bóng và được tham chiếu trong các tiêu chuẩn nhà cung cấp thép công cụ (tên gọi độc quyền).
• 420
• Được chuẩn hóa theo nhiều thông số kỹ thuật như AISI/SAE 420 và trong các tiêu chuẩn sản phẩm ASTM (ví dụ: ASTM A276 cho thanh/que thép không gỉ).
• Cũng xuất hiện trong EN và JIS với các loại thép không gỉ martensitic có tính chất hóa học tương tự.
• Được phân loại là thép không gỉ martensitic (thép không gỉ có thể làm cứng).

Tóm tắt phân loại: - S136: Thép dụng cụ không gỉ (martensitic), cấp dùng cho dụng cụ/khuôn, tên thương mại. - 420: Thép không gỉ, martensitic, đạt tiêu chuẩn AISI/ASTM.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Tiêu chuẩn 420 (mô tả tiêu chuẩn AISI/ASTM)	S136 điển hình (đặc điểm thép khuôn thương mại)
C	0,15–0,40% (độ cứng, độ bền)	C được kiểm soát tương đối cao hơn (tối ưu hóa cho độ cứng/độ bóng)—cụ thể theo nhà cung cấp
Mn	≤ ~1% (khử oxy và cường độ)	Hàm lượng Mn thấp (giảm thiểu để đảm bảo vệ sinh và chống ăn mòn)
Si	≤ ~1% (khử oxy)	Si thấp (được kiểm soát để hỗ trợ khả năng đánh bóng và chất lượng bề mặt)
P	≤ ~0,04% (tạp chất)	Hàm lượng P rất thấp (kiểm soát khả năng ăn mòn và đánh bóng)
S	≤ ~0,03–0,04% (tạp chất)	Hàm lượng S rất thấp (các giải pháp thay thế cải thiện khả năng gia công có thể bao gồm hợp kim vi mô)
Cr	~12–14% (tính chất không gỉ, khả năng tôi luyện)	Cr tương tự (cung cấp khả năng chống ăn mòn); thành phần được kiểm soát chặt chẽ
Ni	Thường thấp hoặc không có (martensitic)	Thông thường là tối thiểu hoặc không có (duy trì phản ứng martensitic); một số biến thể thương mại có thể bao gồm dấu vết Ni
Mo	Thông thường không có trong 420	Một số biến thể S136 có thể bao gồm các chất bổ sung Mo nhỏ hoặc được sản xuất với khả năng kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn để cải thiện khả năng chống ăn mòn cục bộ
V	Dấu vết đến thấp (không phải là nguyên tố hợp kim chính trong tiêu chuẩn 420)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong các biến thể thép công cụ để tinh chế cacbua/hạt
Nb/Ti/B	Thông thường không có mặt (trừ dấu vết)	Có thể được các nhà cung cấp sử dụng với số lượng nhỏ để kiểm soát hạt và tạp chất trong các sản phẩm nung chảy S136 chuyên dụng
N	Thấp (thép không gỉ martensitic)	Thấp; được kiểm soát để tránh delta-ferrite/nitride ảnh hưởng đến khả năng đánh bóng

Ghi chú: - S136 được sản xuất và chỉ định với khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn các tạp chất (P, S) và tạp chất phi kim loại; chiến lược hợp kim của nó nhấn mạnh vào sự phân bố đều, mịn của các cacbua và độ phân tách thấp để tối ưu hóa khả năng đánh bóng và khả năng chống ăn mòn nhất quán trên toàn bộ bề mặt. - 420 sử dụng hợp kim cân bằng đơn giản hơn để mang lại khả năng làm cứng và chống ăn mòn tiết kiệm; hàm lượng cacbon rộng trong họ 420 tạo ra các loại cấp phụ khác nhau (ví dụ: các biến thể 420A, 420B, 420C trước đây khác nhau về C).

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cả hai loại thép đều là thép không gỉ martensitic sau khi tôi thích hợp. Cấu trúc vi mô chủ yếu bao gồm martensitic với hàm lượng và hình thái khác nhau của crom carbide.
• S136: được sản xuất và xử lý nhiệt để tạo ra martensite mịn, đồng nhất với hàm lượng cacbua sơ cấp lớn thấp và phân bố cacbua thứ cấp được kiểm soát. Các nhà cung cấp có thể sử dụng phương pháp luyện kim bột hoặc phương pháp nấu chảy tinh chế để giảm sự phân tầng, mang lại bề mặt hoàn thiện vượt trội sau khi đánh bóng.

• 420: gia công hoặc nấu chảy thông thường; nền martensite với crom cacbua phân bố thô hơn so với thép khuôn được kiểm soát chặt chẽ. Mật độ cacbua phụ thuộc mạnh vào hàm lượng cacbon và lịch sử nhiệt.

• Phản ứng xử lý nhiệt:

• Cả hai loại thép đều đáp ứng với quá trình austenit hóa, tôi và ram. Độ cứng, độ bền và độ dai phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng cacbon, nhiệt độ austenit hóa, môi trường tôi và chế độ ram.
• S136 thường được cung cấp ở trạng thái đã được tôi cứng và hoàn thiện bề mặt; nó có thể xử lý ở nhiệt độ dưới 0 độ C hoặc nhiệt độ cực thấp và các chu trình ram được tối ưu hóa để duy trì khả năng chống ăn mòn và giảm thiểu biến dạng khi gia công.

• Thép 420 được xử lý nhiệt theo nhiều độ cứng khác nhau cho các ứng dụng khác nhau: các biến thể có hàm lượng carbon thấp hơn để gia công và có độ cứng vừa phải; các biến thể có hàm lượng carbon cao hơn để có độ cứng cao hơn sau khi tôi và ram.

• Xử lý thường hóa/nhiệt cơ:

• S136 được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa có kiểm soát và khả năng xử lý dưới 0 để giảm austenit giữ lại và tinh chế cacbua.
• 420 có thể được chuẩn hóa/ủ để cải thiện khả năng gia công trước khi tôi cứng lần cuối.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	S136 (hành vi điển hình)	420 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Cao khi được xử lý nhiệt hoàn toàn (được thiết kế để có độ cứng và cường độ nén cao trong khuôn)	Trung bình đến cao tùy thuộc vào hàm lượng carbon và xử lý nhiệt
Sức chịu lực	Cao trong tình trạng cứng	Trung bình đến cao
Độ giãn dài (%)	Thấp hơn ở trạng thái cứng (giòn ở độ cứng rất cao)	Độ dẻo tương đương hoặc cao hơn một chút ở cùng độ cứng nếu biến thể carbon thấp hơn
Độ bền va đập	Độ cứng từ trung bình đến thấp ở mức cao; các biến thể được tối ưu hóa và quá trình tôi luyện giúp cải thiện độ dẻo dai	Biến đổi; thép 420 có hàm lượng carbon thấp có xu hướng có độ dẻo dai tốt hơn so với các biến thể có độ cứng cao C
Độ cứng (HRC)	Được thiết kế để có độ cứng bề mặt cao và khả năng chống mài mòn (thường được cung cấp ở trạng thái tôi cứng, ram để làm dụng cụ)	Phạm vi độ cứng rộng; có thể được làm cứng đáng kể tùy thuộc vào carbon

Giải thích: - S136 thường đạt được độ cứng bề mặt cao và tính toàn vẹn bề mặt với các cacbua được kiểm soát cẩn thận, giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và khả năng đánh bóng nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai tổng thể nếu đẩy đến độ cứng cực độ. - Tính chất của thép 420 thay đổi nhiều hơn theo cấp độ carbon. Thép 420 hàm lượng carbon thấp hơn dẻo hơn và bền hơn ở độ cứng vừa phải; thép 420 hàm lượng carbon cao hơn có độ cứng gần bằng S136 nhưng có thể có nhiều cacbua hơn và độ hoàn thiện bề mặt khó dự đoán hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, độ tôi (Cr và hợp kim), và hàm lượng tạp chất/vi hợp kim. Hai chỉ số thực nghiệm phổ biến hữu ích cho việc diễn giải định tính:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Tham số loại Dearden và O'Neill ($P_{cm}$): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Hàm lượng carbon và crom cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). S136, do được tối ưu hóa cho độ cứng cao và hàm lượng carbon hiệu dụng cao hơn cùng với hàm lượng cacbua mịn, nhìn chung sẽ khó hàn hơn so với các biến thể 420 carbon thấp. - Khả năng hàn 420 khác nhau tùy theo từng loại lớp nền: thép 420 có hàm lượng carbon thấp tương đối dễ hàn hơn; thép 420 và S136 có hàm lượng carbon cao hơn cần phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn để tránh nứt vùng HAZ và hình thành martensite quá mức. - Ngoài ra, chiến lược làm sạch nghiêm ngặt và ít tạp chất của S136 có nghĩa là quá trình hàn có thể làm thay đổi cục bộ tình trạng bề mặt, có khả năng làm giảm khả năng chống ăn mòn gần mối hàn trừ khi được hàn và xử lý sau cẩn thận.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ martensitic, khả năng chống ăn mòn nói chung chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng crom và tình trạng bề mặt. Cả thép S136 và 420 đều không có khả năng chống rỗ như thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ duplex khi tiếp xúc với môi trường giàu clorua.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng để đánh giá khả năng chống rỗ ở các loại thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Ứng dụng của PREN:
• Đối với cả S136 và 420, giá trị PREN đều khiêm tốn vì hàm lượng Mo và N thấp; bề mặt sạch hơn của S136 và thành phần hóa học được kiểm soát thường mang lại hiệu suất chống ăn mòn cục bộ tốt hơn so với 420 thông thường sau khi đánh bóng và trong môi trường ít gây ăn mòn hơn.
• Các lựa chọn thay thế không gỉ / bảo vệ:
• Khi cần tăng cường khả năng chống ăn mòn cho bất kỳ loại nào, hãy cân nhắc các phương pháp xử lý bề mặt: niken không điện, mạ crom cứng (lưu ý các hạn chế về môi trường/quy định), thấm nitơ (để chống mài mòn, hạn chế ăn mòn), thụ động hóa hoặc lớp phủ chắn (sơn, lớp phủ polyme).
• Để có khả năng chống chịu môi trường vượt trội hơn những gì các loại thép martensitic này mang lại, hãy cân nhắc thép không gỉ austenitic, hợp kim duplex hoặc hợp kim gốc Ni.

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

• Khả năng gia công:
• Các biến thể 420 ít carbon dễ gia công hơn trong điều kiện ủ. S136, do hàm lượng carbon cao hơn và dễ tôi luyện, cùng với độ cứng tiềm năng cao như được cung cấp, có thể khó gia công hơn; nhiều tấm S136 được cung cấp ở dạng tôi luyện trước và có thể cần gia công EDM hoặc mài thay vì gia công thông thường.
• Khả năng định hình:
• Cả hai hợp kim đều bị hạn chế về khả năng định hình nguội khi tôi cứng. Ở điều kiện ủ, 420 có thể được định hình khá tốt; khả năng định hình của S136 phụ thuộc vào nhiệt độ của nhà cung cấp nhưng chủ yếu tập trung vào chế tạo khuôn hơn là tạo hình tấm.
• Hoàn thiện bề mặt:
• S136 được tối ưu hóa để đánh bóng và hoàn thiện bề mặt có độ bóng cao, chú trọng đến hàm lượng tạp chất thấp và phân tán cacbua mịn.
• Thép 420 có thể được đánh bóng nhưng thường tạo ra lớp hoàn thiện gương không đồng đều như thép S136 trừ khi được xử lý đặc biệt.

8. Ứng dụng điển hình

S136 (Thép không gỉ dùng cho khuôn mẫu)	420 (thép không gỉ Martensitic)
Khuôn ép nhựa chất lượng cao với khoang được đánh bóng gương	Dao kéo, dụng cụ phẫu thuật (một số loại), trục, bộ phận van
Khuôn mẫu cần đánh bóng liên tục và khả năng chống ăn mòn vừa phải	Các chi tiết cố định, linh kiện bơm, các bộ phận kết cấu cần thép không gỉ và độ cứng
Chèn đúc khuôn, dụng cụ gia công nguội trong đó độ hoàn thiện bề mặt và khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng	Các thành phần cứng đa năng, nơi chi phí và tính khả dụng thúc đẩy sự lựa chọn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn S136 khi bề mặt hoàn thiện, khả năng giữ độ bóng và khả năng chống ăn mòn đồng đều trong khoang khuôn là tối quan trọng. - Chọn 420 cho các bộ phận thép không gỉ cứng có giá thành phải chăng, nơi khả năng đánh bóng tuyệt vời không quá quan trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 420: Có sẵn rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng thanh, que, tấm và lá; giá thành thường thấp hơn do luyện kim được tiêu chuẩn hóa và nguồn cung ứng rộng rãi.
• S136: Thép khuôn chuyên dụng có sẵn từ các nhà cung cấp và phân phối thép công cụ; thường có giá thành cao hơn trên mỗi kg và đôi khi thời gian giao hàng dài hơn đối với các kích thước lớn hoặc bề mặt hoàn thiện đặc thù. S136 thường được cung cấp ở dạng đã được tôi cứng và đánh bóng trước, giúp tăng giá trị cho các ứng dụng gia công.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	S136	420
Khả năng hàn	Trung bình đến khó (cần kiểm soát)	Biến đổi — dễ dàng hơn cho các biến thể C thấp
Độ bền – Độ dẻo dai (khi cung cấp)	Độ cứng và độ bền cao; độ dẻo dai phụ thuộc vào nhiệt độ	Thay đổi; các loại thép C thấp hơn có độ bền tốt hơn ở mức độ vừa phải
Trị giá	Cao hơn (xử lý chuyên biệt, có kiểm soát)	Thấp hơn (được chuẩn hóa, có sẵn rộng rãi)

Kết luận và khuyến nghị: - Chọn S136 nếu: - Ứng dụng của bạn yêu cầu độ bóng sáng như gương, tính toàn vẹn bề mặt đồng nhất và khả năng chống ăn mòn cục bộ được cải thiện cho dụng cụ hoặc khuôn. - Bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn và chế tạo có thể hạn chế hơn (EDM, mài, hàn chuyên dụng/xử lý sau hàn). - Chọn 420 nếu: - Bạn cần loại thép không gỉ có khả năng làm cứng, tiết kiệm chi phí cho các thành phần thông thường không yêu cầu khả năng đánh bóng tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn khuôn hàng đầu. - Bạn cần có sẵn nhiều dạng sản phẩm và gia công thông thường dễ dàng hơn (đối với các biến thể có hàm lượng carbon thấp).

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép phải được lựa chọn dựa trên nền thép cụ thể, quy trình gia công của nhà cung cấp (ví dụ: tôi cứng trước hay ủ) và lịch trình xử lý nhiệt dự kiến. Đối với các chi tiết gia công quan trọng hoặc các bộ phận có bề mặt hoàn thiện cao, hãy tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp thép để biết công thức xử lý nhiệt, điều kiện giao hàng và khuyến nghị về mối hàn/sửa chữa phù hợp với loại hợp kim đã chọn.