S7 so với A2 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

S7 và A2 là hai loại thép công cụ thường được sử dụng trong các ứng dụng gia công, khuôn mẫu và va đập. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc các loại thép này khi cân bằng giữa độ bền, khả năng chống mài mòn, khả năng tôi và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép cho các bộ phận phải chịu được va đập lặp lại (ưu tiên độ bền) so với các bộ phận phải giữ được cạnh sắc và khả năng chống mài mòn (ưu tiên độ cứng).

Sự khác biệt chính giữa S7 và A2 nằm ở chiến lược hợp kim hóa và sự cân bằng giữa độ dẻo dai và khả năng tôi cứng/chống mài mòn: S7 nhấn mạnh vào khả năng chống va đập và độ dẻo, trong khi A2 nhấn mạnh vào khả năng tôi cứng bằng khí và chống mài mòn, nhưng lại giảm đi một phần độ dẻo dai. Vì cả hai đều có thể được xử lý nhiệt để đạt được nhiều tính chất khác nhau, chúng thường được so sánh về hình dạng dụng cụ tương tự, trong đó sự cân bằng giữa độ bền/độ mài mòn và khả năng chống va đập quyết định tuổi thọ sử dụng thành công.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tên gọi chung:
• AISI/SAE (cổ điển): A2, S7
• ASTM/ASME: ASTM A681 (thông số kỹ thuật của thép dụng cụ thường tham chiếu đến các ký hiệu AISI này); các tiêu chuẩn ASTM khác chi phối phương pháp xử lý và thử nghiệm.
• EN: Các ký hiệu thép công cụ tương đương của Châu Âu nằm trong loạt EN 36xx/6xxx trong một số hệ thống; việc ánh xạ trực tiếp một-một yêu cầu phải có bảng tham chiếu chéo.

• JIS/GB: Các tiêu chuẩn của Nhật Bản và Trung Quốc cung cấp các tiêu chuẩn tương đương tại địa phương; hãy kiểm tra các bảng tham chiếu chéo tại địa phương để biết thành phần hóa học và dung sai chính xác.

• Phân loại thép:

• A2: Thép dụng cụ hợp kim trung bình, tôi bằng khí (nhóm thép dụng cụ — thường gọi là loại "A").
• S7: Thép dụng cụ chống va đập (nhóm thép dụng cụ — dòng "S").
• Cả A2 và S7 đều không phải thép không gỉ hoặc HSLA; cả hai đều là thép dụng cụ cacbon/hợp kim.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	S7 (phạm vi điển hình, wt%)	A2 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,45 – 0,55	0,90 – 1,05
Mn	0,20 – 0,50	0,20 – 0,50
Si	0,20 – 1,00	0,20 – 1,00
P	≤ 0,03 (tối đa)	≤ 0,03 (tối đa)
S	≤ 0,03 (tối đa)	≤ 0,03 (tối đa)
Cr	1.30 – 2.00	3,75 – 4,75
Ni	— (thường thấp)	— (thường thấp)
Mo	0,80 – 1,50	0,90 – 1,30
V	0,10 – 0,30	0,15 – 0,40
Nb (Cb)	dấu vết, không điển hình	dấu vết, không điển hình
Ti	dấu vết, không điển hình	dấu vết, không điển hình
B	dấu vết, không điển hình	dấu vết, không điển hình
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Các phạm vi thành phần trên là phạm vi danh nghĩa điển hình được sử dụng trong thép công cụ thương mại; giới hạn chính xác phụ thuộc vào nhà cung cấp và tiêu chuẩn. Luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy. - A2 chứa hàm lượng carbon và crom cao hơn đáng kể so với S7. Hàm lượng C và Cr cao hơn trong A2 giúp tăng cường khả năng tôi cứng và chống mài mòn nhờ tỷ lệ thể tích martensite và carbide ổn định cao hơn. S7 sử dụng hàm lượng carbon thấp hơn và hợp kim hóa vừa phải để tối đa hóa độ bền và giảm thiểu gãy giòn khi va đập. - Molypden ở cả hai cấp đều góp phần tăng khả năng làm cứng và khả năng chống ram; vanadi tinh chế cacbua và kích thước hạt, cải thiện khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• A2 đã tôi và ram: ma trận martensitic với hợp kim cacbua (cacbua giàu Cr, Mo và V); phân tán cacbua tương đối mịn nếu được ủ và xử lý nhiệt đúng cách.

• S7 đã tôi và ram: martensite đã ram với ít cacbua thô hơn và giữ lại nhiều ma trận dẻo hơn; cấu trúc vi mô được tối ưu hóa để hấp thụ năng lượng.

• Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng:

• Thép A2 thường được tôi bằng phương pháp austenit hóa, sau đó làm nguội bằng không khí (tôi khí), rồi ram đến độ cứng cần thiết. Tôi khí giúp giảm biến dạng và thúc đẩy quá trình tôi đồng đều cho các kích thước tiết diện vừa phải. Hàm lượng cacbon/Cr cao hơn của thép A2 giúp tăng độ cứng cuối cùng và khả năng chống mài mòn sau khi tôi và ram.
• S7 thường được tôi bằng dầu hoặc bằng không khí/dầu tùy thuộc vào kích thước tiết diện và sau đó được ram để đạt được độ dẻo dai mong muốn. Các nhà sản xuất thường khuyến nghị các chu kỳ ram để cân bằng độ dẻo dai với độ bền được duy trì. S7 được thiết kế để duy trì độ dẻo dai cao hơn sau khi tôi và ram.
• Chuẩn hóa: Cả hai loại thép đều được hưởng lợi từ các chu trình chuẩn hóa hoặc ủ trước khi gia công để đồng nhất cấu trúc vi mô và giảm ứng suất bên trong. Quá trình xử lý nhiệt cơ học và rèn có kiểm soát giúp cải thiện hiệu suất va đập của thép S7 bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt.
• Phản ứng làm nguội:
• A2 có xu hướng giữ được độ cứng cao hơn ở nhiệt độ tôi cao so với S7 do có sự ổn định cacbua mạnh hơn từ Cr và Mo.
• S7 đạt được năng lượng va đập cao hơn ở mức độ cứng tương đương do hàm lượng carbon thấp hơn và hợp kim được tối ưu hóa để tăng độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	S7 (điển hình, đã xử lý nhiệt)	A2 (điển hình, đã xử lý nhiệt)
Độ bền kéo (xấp xỉ)	900 – 1.500 MPa (tùy thuộc vào nhiệt độ)	1.200 – 1.900 MPa (tùy thuộc vào độ cứng)
Giới hạn chảy (xấp xỉ)	700 – 1.200 MPa	1.000 – 1.600 MPa
Độ giãn dài (%)	6 – 15% (cao hơn khi tôi luyện để tăng độ dẻo dai)	4 – 12% (thấp hơn ở độ cứng cao)
Độ bền va đập (Charpy)	Cao — thường cao hơn đáng kể so với A2 ở độ cứng tương đương	Trung bình — thấp hơn S7 khi cả hai đều có độ cứng tương tự
Độ cứng (HRC sau khi T&T)	Thông thường có thể đạt được 40 – 55 HRC	Thông thường có thể đạt được 50 – 62 HRC

Ghi chú: - Tính chất phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt: nhiệt độ tôi cao hơn làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai. Các giá trị trên chỉ là phạm vi gần đúng thường gặp trong công nghiệp và cần được xác nhận với dữ liệu của nhà cung cấp cho các chu kỳ xử lý nhiệt cụ thể. - Loại nào bền hơn/dai hơn/dẻo hơn: A2 có thể đạt độ cứng và độ bền kéo cao hơn (giữ cạnh tốt hơn và chống mài mòn). S7 có độ bền va đập và độ dẻo tốt hơn ở mức độ bền tương đương, giúp giảm thiểu khả năng bị hỏng hóc nghiêm trọng khi chịu tải trọng va đập.

5. Khả năng hàn

• Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hàn: lượng cacbon tương đương và hợp kim quyết định xu hướng nứt và nhu cầu xử lý nhiệt trước/sau khi hàn.
• Công thức tính khả năng hàn phổ biến:
• Sử dụng lượng cacbon tương đương của IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Và Pcm toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Giải thích:
• Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn trong A2 làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với S7, cho thấy khả năng hình thành martensite và nứt hydro/đông đặc cao hơn khi hàn. Do đó, A2 thường đòi hỏi quá trình nung nóng sơ bộ, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và ram sau hàn cẩn thận hơn; độ dày hạn chế có thể cần kim loại điền đầy phù hợp và PWHT.
• Thép S7, với hàm lượng cacbon và Cr thấp hơn, thường có khả năng hàn tốt hơn thép A2 nhưng vẫn yêu cầu các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn đối với thép dụng cụ (làm sạch kim loại nền, kiểm soát nhiệt đầu vào, gia nhiệt trước và ram giảm ứng suất sau khi hàn). Cả hai đều không thân thiện với mối hàn như thép hợp kim thấp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả S7 và A2 đều không phải thép không gỉ; cả hai đều dễ bị ăn mòn tổng thể và ăn mòn rỗ trong môi trường khắc nghiệt.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình:
• Sơn, tra dầu, phủ phosphate và mạ kẽm (nếu cần) thường được sử dụng để bảo vệ các bộ phận. Mạ kẽm có thể không phù hợp với các dụng cụ hoàn thiện có yêu cầu nghiêm ngặt về dung sai kích thước hoặc cạnh cắt.
• Đối với môi trường yêu cầu khả năng chống ăn mòn, hãy chọn thép dụng cụ không gỉ hoặc hợp kim không gỉ thay vì A2 hoặc S7.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép dụng cụ không phải thép không gỉ, nhưng để minh họa: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với A2 và S7, PREN không phải là chỉ số có ý nghĩa vì chúng không được thiết kế để tạo thành lớp màng thụ động bảo vệ như thép không gỉ.

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

• Khả năng gia công:
• S7 (đã ủ/chuẩn hóa) thường dễ gia công hơn A2 do hàm lượng cacbon thấp hơn và khả năng tôi cứng thấp hơn. Khi được tôi cứng, cả hai đều khó gia công hơn; nên gia công ở trạng thái ủ.
• A2, do hàm lượng cacbua cao hơn và độ cứng cao hơn, có xu hướng làm cùn các cạnh cắt nhanh hơn và có thể yêu cầu dụng cụ cứng hơn.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Cả hai loại thép này đều không được tối ưu hóa cho việc tạo hình nguội đáng kể; cả hai thường được rèn hoặc gia công để tạo hình cuối cùng. Độ cứng cao hơn của thép A2 đồng nghĩa với việc thép này ít chịu được việc tạo hình sau khi xử lý nhiệt.
• Hoàn thiện:
• Mài và EDM là những phương pháp hoàn thiện phổ biến. A2 phản ứng tốt với mài để tạo ra các cạnh sắc nét nhờ khả năng chống mài mòn; S7 có thể được mài với dung sai chặt chẽ nhưng cần cẩn thận để tránh làm giảm độ dẻo dai do quá nhiệt.

8. Ứng dụng điển hình

A2 (thép công cụ tôi bằng khí)	S7 (thép công cụ chống sốc)
Khuôn dập, tạo hình và cắt trong đó khả năng chống mài mòn và giữ cạnh là rất quan trọng	Các công cụ tác động như đục, khuôn dập nguội, đục chịu va đập
Dụng cụ gia công nguội đòi hỏi sự ổn định về kích thước (ví dụ, một số khuôn, dao phay)	Các bộ phận búa và trình điều khiển, đục chịu lực nặng, đạn
Dao và dụng cụ cắt ưu tiên khả năng chống mài mòn và giữ lưỡi dao	Các công cụ và linh kiện trong môi trường rèn, dập và tác động mạnh
Gia công chính xác trong đó quá trình tôi cứng bằng khí làm giảm sự biến dạng	Các công cụ có tiết diện lớn, nơi tải trọng va chạm chiếm ưu thế và phải tránh gãy xương nghiêm trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A2 cho các ứng dụng yêu cầu khả năng giữ cạnh cao, chống mài mòn và ổn định kích thước sau khi làm nguội do khả năng làm cứng bằng không khí. - Chọn S7 khi va đập hoặc sốc lặp đi lặp lại là chế độ hỏng chủ yếu và độ dẻo dai/độ đàn hồi là tối quan trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• A2 thường có giá cao hơn một chút so với thép hợp kim thấp cơ bản do hàm lượng cacbon và crom cao hơn và cân bằng hợp kim của nó; so với S7, A2 có thể tương tự hoặc đắt hơn một chút do hàm lượng hợp kim cao hơn và nhu cầu chung về thép dụng cụ tôi bằng không khí.
• Giá của S7 có thể tương tự hoặc thấp hơn một chút tùy thuộc vào nhà cung cấp và thị trường; các thanh đặc biệt hoặc phần lớn có thể ảnh hưởng đến giá.
• Khả dụng:
• Cả A2 và S7 đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng sản phẩm thép công cụ thương mại (thanh tròn, thanh phẳng, tấm, khối). A2 thường được dự trữ do được sử dụng rộng rãi; S7 cũng phổ biến nhưng cần kiểm tra tình trạng sẵn có cho mặt cắt ngang lớn hoặc điều kiện đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	S7	A2
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn, nhưng vẫn cần được chăm sóc)	Thấp hơn (CE cao hơn, yêu cầu làm nóng trước/PWHT nghiêm ngặt)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai cao, độ bền vừa phải	Độ cứng và độ bền cao hơn, độ dẻo dai vừa phải
Trị giá	Trung bình (thường có sẵn)	Trung bình-cao hơn (được thả rộng rãi)

Sự giới thiệu: - Chọn S7 nếu bạn cần một loại thép dụng cụ có khả năng chống va đập, hấp thụ lực va đập mà không bị gãy giòn nghiêm trọng và có độ bền tốt cho các ứng dụng như đục, đục, búa và khuôn mẫu lớn, nơi ưu tiên khả năng chống va đập. - Chọn A2 nếu bạn cần khả năng giữ cạnh tốt hơn, khả năng chống mài mòn và độ ổn định kích thước sau khi làm nguội (làm cứng bằng khí), chẳng hạn như khuôn dập tinh, dụng cụ cắt và dụng cụ có độ cứng và khả năng chống mài mòn quyết định tuổi thọ sử dụng.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại vật liệu đều yêu cầu lựa chọn chu kỳ xử lý nhiệt cẩn thận để đạt được sự cân bằng mong muốn giữa độ cứng và độ dẻo dai. Đối với các linh kiện quan trọng, hãy xác thực chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp, yêu cầu hồ sơ xử lý nhiệt có thể truy xuất nguồn gốc và thực hiện các thử nghiệm cụ thể cho từng ứng dụng (kiểm tra độ cứng, độ va đập và cấu trúc vi mô) trước khi mua sắm toàn diện.