Thép 15N20: Tính chất và ứng dụng chính

Thép 15N20 là loại thép hợp kim thấp, hàm lượng cacbon cao, được biết đến với độ bền và khả năng chống mài mòn đặc biệt, chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các công cụ và linh kiện hiệu suất cao. Được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, loại thép này chứa một lượng lớn niken và crom, giúp tăng cường các tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép 15N20 là:

• Niken (Ni) : Cải thiện độ dẻo dai và độ bền.
• Crom (Cr) : Tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn.
• Cacbon (C) : Tăng độ bền và độ cứng.

Đặc điểm và tính chất

Thép 15N20 có đặc điểm là độ cứng tuyệt vời, độ bền kéo cao và khả năng chống mỏi tốt. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn và độ bền cao, chẳng hạn như trong sản xuất lưỡi dao, lò xo và các thành phần khác chịu ứng suất cao.

Thuận lợi:
- Khả năng chống mài mòn cao do có chứa carbon.
- Độ bền tuyệt vời, phù hợp cho các ứng dụng chịu va đập.
- Khả năng gia công và hàn tốt khi được xử lý đúng cách.

Hạn chế:
- Khả năng chống ăn mòn hạn chế hơn so với thép không gỉ.
- Cần xử lý nhiệt cẩn thận để đạt được tính chất cơ học mong muốn.

Trong lịch sử, thép 15N20 đóng vai trò quan trọng trong sản xuất dao và dụng cụ chất lượng cao, đặc biệt là trong ngành sản xuất dao kéo, nơi các đặc tính của thép này được đánh giá cao.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	G15N20	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn tương đương gần nhất với AISI 5160 với một số khác biệt nhỏ.
AISI/SAE	15N20	Hoa Kỳ	Thường được sử dụng trong chế tạo công cụ.
Tiêu chuẩn ASTM	A681	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép công cụ.
VI	1.6510	Châu Âu	Tương đương với AISI 15N20 với một số thay đổi nhỏ về thành phần.
Tiêu chuẩn Nhật Bản	S15C	Nhật Bản	Tính chất tương tự nhưng có các nguyên tố hợp kim khác nhau.

Sự khác biệt giữa các loại này thường nằm ở tỷ lệ phần trăm cụ thể của các nguyên tố hợp kim, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của thép trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, trong khi cả 15N20 và AISI 5160 đều là thép cacbon cao, sự hiện diện của niken trong 15N20 làm tăng độ dẻo dai của nó so với 5160.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,75 - 0,85
Ni (Niken)	1,50 - 2,00
Cr (Crom)	0,50 - 1,00
Mn (Mangan)	0,40 - 0,60
Si (Silic)	0,15 - 0,30
P (Phốt pho)	≤ 0,030
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,030

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim chính trong thép 15N20 bao gồm:

• Carbon : Tăng độ cứng và độ bền, cần thiết cho khả năng chống mài mòn.
• Niken : Tăng cường độ dẻo dai và độ dai, giúp thép chịu được va đập mà không bị gãy.
• Crom : Góp phần tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn, cải thiện hiệu suất của thép trong môi trường mài mòn.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	800 - 900MPa	116.000 - 130.000 psi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	600 - 700MPa	87.000 - 101.500 psi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	10-15%	10-15%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Ủ	Nhiệt độ phòng	30-40HRC	30-40HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20 °C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép 15N20 đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao, chẳng hạn như trong sản xuất dao và dụng cụ cắt. Khả năng giữ độ cứng trong khi vẫn duy trì độ dẻo cho phép thép hoạt động tốt dưới tải trọng cơ học.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/(m·K)	34,5 BTU/(giờ·ft·°F)
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 J/(g·K)	0,11 BTU/(lb·°F)
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,00065 Ω·m	0,000038 Ω·trong
Hệ số giãn nở nhiệt	Nhiệt độ phòng	11,5 x 10⁻⁶ /K	6,4 x 10⁻⁶ /°F

Ý nghĩa thực tiễn của các tính chất vật lý của thép 15N20 bao gồm:

• Mật độ : Mật độ tương đối cao của thép này góp phần tạo nên trọng lượng tổng thể và sự cân bằng của các dụng cụ được làm từ loại thép này, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng như làm dao.
• Độ dẫn nhiệt : Độ dẫn nhiệt cho phép tản nhiệt hiệu quả trong quá trình cắt, giảm nguy cơ hư hỏng do nhiệt cho cả dụng cụ và phôi.
• Hệ số giãn nở nhiệt : Tính chất này quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi tính ổn định về kích thước vì nó ảnh hưởng đến cách vật liệu ứng xử khi nhiệt độ thay đổi.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Nước mặn	3,5%	25 °C / 77 °F	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ.
Axit axetic	5%	20 °C / 68 °F	Nghèo	Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất.
Axit sunfuric	10%	25 °C / 77 °F	Nghèo	Không khuyến khích sử dụng.
Clorua	1%	30 °C / 86 °F	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn cục bộ.

Thép 15N20 có khả năng chống ăn mòn vừa phải, phù hợp với một số môi trường nhất định nhưng không lý tưởng cho các ứng dụng tiếp xúc với tác nhân ăn mòn mạnh. Thép này đặc biệt dễ bị rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường clorua, điều này có thể hạn chế việc sử dụng trong các ứng dụng hàng hải.

Khi so sánh với các loại thép khác, chẳng hạn như thép không gỉ 440C và AISI 5160, 15N20 cho thấy khả năng chống ăn mòn kém hơn nhưng độ bền và khả năng chống mài mòn vượt trội. Điều này khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng mà hiệu suất cơ học được ưu tiên hơn khả năng chống ăn mòn.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	300 °C	572 °F	Thích hợp để tiếp xúc trong thời gian dài.
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400 °C	752 °F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn.
Nhiệt độ thang đo	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá mức này.

Ở nhiệt độ cao, thép 15N20 vẫn giữ được các đặc tính cơ học nhưng có thể bắt đầu bị oxy hóa nếu không được bảo vệ đúng cách. Hiệu suất của thép ở nhiệt độ cao khiến thép phù hợp với các ứng dụng như dụng cụ làm việc nóng, nhưng phải cẩn thận để tránh tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ vượt quá giới hạn đóng cặn của thép.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER70S-6	Hỗn hợp Argon + CO2	Kết quả tốt khi áp dụng đúng kỹ thuật.
TIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Cần phải làm nóng trước để có kết quả tốt nhất.
Dán	E7018	-	Phù hợp với các phần dày hơn.

Thép 15N20 thường được coi là có thể hàn được, nhưng nên gia nhiệt trước để giảm thiểu nguy cơ nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn cũng có thể tăng cường các đặc tính cơ học của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép 15N20	Thép AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	15N20 khó gia công hơn.
Tốc độ cắt điển hình	30 m/phút	50 m/phút	Điều chỉnh tốc độ dựa trên dụng cụ.

Khả năng gia công của thép 15N20 ở mức trung bình; nó đòi hỏi các công cụ sắc bén và tốc độ cắt phù hợp để đạt được bề mặt hoàn thiện tốt. Độ mài mòn của công cụ có thể đáng kể do độ cứng của nó.

Khả năng định hình

Thép 15N20 có khả năng định hình hạn chế, đặc biệt là trong các ứng dụng gia công nguội. Nên định hình nóng để tránh nứt và phải chú ý cẩn thận đến bán kính uốn cong để tránh hỏng hóc.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo.
Làm nguội	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 phút	Dầu	Tăng độ cứng và sức mạnh.
Làm nguội	200 - 300 °C / 392 - 572 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai.

Trong quá trình xử lý nhiệt, thép 15N20 trải qua những biến đổi luyện kim đáng kể. Làm nguội làm tăng độ cứng thông qua sự hình thành martensite, trong khi tôi luyện cho phép điều chỉnh độ cứng và độ dẻo dai, tạo ra sự cân bằng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Đồ dùng ăn uống	Dao hiệu suất cao	Độ cứng, độ dẻo dai cao	Vẫn giữ được độ sắc bén khi chịu lực.
Ô tô	lò xo	Khả năng chống mỏi cao	Chịu được các chu kỳ tải lặp đi lặp lại.
Sản xuất công cụ	Dụng cụ cắt	Khả năng chống mài mòn, độ bền	Thích hợp cho các ứng dụng chịu áp lực cao.
Hàng không vũ trụ	Linh kiện máy bay	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng	Cần thiết cho các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng.

Các ứng dụng khác bao gồm:

• • Lò xo hiệu suất cao trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.
• • Dụng cụ chuyên dụng cho ứng dụng gia công và cắt.
• • Các thành phần trong môi trường chịu ứng suất cao, chẳng hạn như khuôn và khuôn dập.

Thép 15N20 được lựa chọn cho các ứng dụng này do sự kết hợp độc đáo giữa độ cứng, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, khiến nó trở nên lý tưởng cho các bộ phận phải chịu được ứng suất cơ học đáng kể.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép 15N20	Thép AISI 5160	Thép không gỉ 440C	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Độ bền tốt	Độ cứng cao	15N20 có khả năng chống va đập vượt trội.
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng công bằng	Sức đề kháng công bằng	Sức đề kháng tuyệt vời	15N20 ít phù hợp với môi trường có tính ăn mòn.
Khả năng hàn	Tốt	Vừa phải	Tốt	Nên làm nóng trước ở nhiệt độ 15N20.
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	15N20 cần được gia công cẩn thận.
Khả năng định hình	Giới hạn	Tốt	Giới hạn	Nên tạo hình nóng cho 15N20.
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Cao hơn	Tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng hiệu suất cao.
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Có sẵn rộng rãi	15N20 có sẵn cho các ứng dụng chuyên dụng.

Khi lựa chọn thép 15N20, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, hiệu quả về chi phí và tính khả dụng của nó. Mặc dù nó có hiệu suất tuyệt vời trong các ứng dụng cụ thể, nhưng những hạn chế về khả năng chống ăn mòn và khả năng tạo hình của nó phải được cân nhắc so với các yêu cầu của mục đích sử dụng dự định.

Tóm lại, thép 15N20 là vật liệu đa năng, vượt trội trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và khả năng chống mài mòn cao, khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên trong ngành sản xuất dao kéo và dụng cụ. Các đặc tính độc đáo của nó, kết hợp với quá trình xử lý và chế biến cẩn thận, cho phép tạo ra các thành phần hiệu suất cao đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe.