Thép không gỉ 2Cr13: Tính chất và ứng dụng chính

Thép không gỉ 2Cr13, còn được gọi là thép không gỉ loại 420 , là thép không gỉ martensitic chủ yếu được đặc trưng bởi hàm lượng crom cao, thường vào khoảng 12-14%. Loại thép này được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, góp phần tạo nên sự kết hợp độc đáo giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn. Các nguyên tố hợp kim chính trong 2Cr13 bao gồm crom (Cr), cacbon (C) và mangan (Mn), mỗi nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép không gỉ 2Cr13 được biết đến với độ cứng và khả năng chống mài mòn tuyệt vời, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và sức mạnh. Hàm lượng crom cao làm tăng khả năng chống ăn mòn, trong khi hàm lượng carbon cho phép tôi luyện thông qua xử lý nhiệt. Loại thép này thường được sử dụng trong các ứng dụng như dao kéo, dụng cụ phẫu thuật và nhiều thành phần công nghiệp khác nhau.

Thuận lợi:
- Độ cứng cao: 2Cr13 có thể đạt được độ cứng cao thông qua xử lý nhiệt, lý tưởng cho các công cụ cắt và ứng dụng chống mài mòn.
- Khả năng chống ăn mòn: Hàm lượng crom mang lại khả năng chống oxy hóa và ăn mòn tốt, đặc biệt là trong môi trường có tính ăn mòn nhẹ.
- Khả năng định hình tốt: Có thể định hình thành nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, tạo nên tính linh hoạt trong sản xuất.

Hạn chế:
- Độ giòn: Khi được làm cứng, 2Cr13 có thể trở nên giòn, điều này có thể hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống va đập cao.
- Vấn đề về khả năng hàn: Loại thép này có thể khó hàn do dễ bị nứt.
- Hiệu suất nhiệt độ cao hạn chế: Mặc dù hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng, nhưng các tính chất cơ học của nó có thể suy giảm ở nhiệt độ cao.

Trong lịch sử, 2Cr13 có ý nghĩa quan trọng trong sự phát triển của thép không gỉ, đặc biệt là trong sản xuất các công cụ và dụng cụ đòi hỏi sự kết hợp giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn. Vị thế thị trường của nó vẫn vững mạnh, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp mà những đặc tính này là tối quan trọng.

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	S42000	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với 2Cr13
AISI/SAE	420	Hoa Kỳ	Sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn ASTM	A276	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép không gỉ
VI	1.4021	Châu Âu	Tên gọi tương đương ở Châu Âu
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUS420J2	Nhật Bản	Tính chất tương tự với những thay đổi nhỏ

Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi 420 và 2Cr13 thường có thể hoán đổi cho nhau, các quy trình xử lý nhiệt cụ thể và các cấu trúc vi mô kết quả có thể dẫn đến sự thay đổi về hiệu suất, đặc biệt là về độ cứng và độ dẻo dai.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Cr (Crom)	12.0 - 14.0
C (Cacbon)	0,15 - 0,40
Mn (Mangan)	0,50 - 1,00
Si (Silic)	0,40 tối đa
P (Phốt pho)	0,04 tối đa
S (Lưu huỳnh)	0,03 tối đa

Vai trò chính của crom trong 2Cr13 là tăng cường khả năng chống ăn mòn và cải thiện độ cứng. Carbon góp phần vào khả năng làm cứng thép thông qua xử lý nhiệt, trong khi mangan hỗ trợ khử oxy và cải thiện độ dẻo dai. Silic được đưa vào để cải thiện độ bền và khả năng chống oxy hóa.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	520 - 750MPa	75 - 109 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	350 - 550MPa	51 - 80 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	15-25%	15-25%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	50 - 58HRC	50 - 58HRC	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 giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ cứng đáng kể, làm cho 2Cr13 phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn và biến dạng dưới tải. Tuy nhiên, độ giãn dài thấp hơn của nó cho thấy độ dẻo hạn chế, có thể là mối quan tâm trong các ứng dụng chịu tải trọng động.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,75 g/cm³	0,28 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1450 - 1510 °C	2642 - 2750 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	25 W/m·K	17,3 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,7 µΩ·m	0,7 µΩ·trong

Mật độ của 2Cr13 cho thấy đây là vật liệu tương đối nặng, góp phần tạo nên độ bền của nó. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến các quy trình nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt ở mức trung bình, khiến nó phù hợp với các ứng dụng cần tản nhiệt, trong khi nhiệt dung riêng cho biết cần bao nhiêu năng lượng để thay đổi nhiệt độ của vật liệu.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20-60 / 68-140	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit	10-20	20-40 / 68-104	Nghèo	Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất
Dung dịch kiềm	5-15	20-60 / 68-140	Tốt	Nói chung là kháng cự
Khí quyển	-	-	Tốt	Hoạt động tốt trong môi trường nhẹ nhàng

2Cr13 có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và dung dịch kiềm tốt nhưng dễ bị rỗ trong môi trường clorua và nứt do ăn mòn ứng suất trong điều kiện axit. So với các loại thép không gỉ khác như 304 và 316, khả năng chống ăn mòn của 2Cr13 thấp hơn, đặc biệt là trong môi trường có tính ăn mòn cao. Trong khi 304 có khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt hơn, độ cứng của 2Cr13 khiến nó được ưa chuộng hơn cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài 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	400	752	Thích hợp cho nhiệt độ vừa phải
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	600	1112	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600	1112	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	300	572	Bắt đầu suy thoái đáng kể

Ở nhiệt độ cao, 2Cr13 vẫn duy trì được độ bền lên đến khoảng 400 °C (752 °F) nhưng có thể bị oxy hóa và đóng cặn ở nhiệt độ cao hơn. Độ bền kéo dài của nó giảm đáng kể khi vượt quá 300 °C (572 °F), hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

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
TIG	ER420	Khí Argon	Nên làm nóng trước
MIG	ER420	Hỗn hợp Argon + CO2	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E420	-	Không khuyến khích cho các phần dày

Hàn 2Cr13 có thể là một thách thức do dễ bị nứt. Việc nung nóng trước khi hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn thường là cần thiết để giảm ứng suất và cải thiện độ dẻo. Việc lựa chọn kim loại phụ cẩn thận là rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và hiệu suất.

Khả năng gia công

Thông số gia công	2Cr13	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	Khả năng gia công vừa phải
Tốc độ cắt điển hình	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Sử dụng công cụ cacbua

2Cr13 có khả năng gia công vừa phải, có thể cải thiện bằng các điều kiện cắt và dụng cụ thích hợp. Các công cụ cacbua được khuyến nghị để gia công hiệu quả và duy trì tốc độ cắt tối ưu có thể kéo dài tuổi thọ của công cụ.

Khả năng định hình

2Cr13 có khả năng định hình hạn chế, đặc biệt là ở trạng thái cứng. Có thể định hình nguội, nhưng phải cẩn thận để tránh nứt. Định hình nóng có thể được thực hiện ở nhiệt độ cao, cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp hơn, nhưng cần kiểm soát cẩn thận tốc độ làm mát để tránh biến dạng.

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	800 - 900 / 1472 - 1652	1-2 giờ	Không khí	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Làm nguội	1000 - 1100 / 1832 - 2012	30 phút	Dầu hoặc Nước	Đạt được độ cứng cao
Làm nguội	200 - 600 / 392 - 1112	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dẻo dai

Các quy trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của 2Cr13. Ủ làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo, trong khi làm nguội sau đó là ram tăng độ cứng đồng thời giảm độ giòn. Hiểu được những chuyển đổi này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của các thành phần được làm từ loại thép này.

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)
Thuộc về y học	Dụng cụ phẫu thuật	Độ cứng cao, chống ăn mòn	Độ bền và vệ sinh
Chế tạo	Dụng cụ cắt	Khả năng chống mài mòn, độ cứng	Tuổi thọ dài
Ô tô	Các thành phần van	Độ bền, khả năng chống ăn mòn	Độ tin cậy dưới áp lực
Hàng không vũ trụ	Linh kiện động cơ	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao	Hiệu suất ở nhiệt độ cao

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Đồ dùng nhà bếp
- Dao công nghiệp
- Trục bơm
- Chốt

2Cr13 thường được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng giữa độ cứng và khả năng chống ăn mòn. Khả năng duy trì các cạnh sắc của nó làm cho nó lý tưởng cho các công cụ cắt, trong khi độ bền của nó có lợi cho các thành phần cấu trúc.

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

Tính năng/Thuộc tính	2Cr13	AISI 304	AISI 316	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Độ dẻo tốt	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời	2Cr13 cứng hơn nhưng ít dẻo hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Công bằng trong clorua	Xuất sắc	Xuất sắc	2Cr13 có khả năng chống rỗ kém hơn
Khả năng hàn	Thách thức	Tốt	Tốt	2Cr13 cần cẩn thận hơn khi hàn
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Vừa phải	2Cr13 khó gia công hơn 304
Khả năng định hình	Giới hạn	Tốt	Tốt	2Cr13 ít có khả năng định hình hơn 304
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp	Vừa phải	2Cr13 có thể đắt hơn do quá trình xử lý
Khả năng cung cấp điển hình	Vừa phải	Cao	Cao	304 và 316 được lưu trữ phổ biến hơn

Khi lựa chọn 2Cr13, cần cân nhắc đến độ cứng và khả năng chống mài mòn, đây là những ưu điểm trong các ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, cần cân nhắc đến những hạn chế về khả năng hàn và khả năng tạo hình của nó so với các yêu cầu của ứng dụng. Hiệu quả về chi phí và tính khả dụng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp cạnh tranh.

Tóm lại, thép không gỉ 2Cr13 là vật liệu đa năng với sự kết hợp độc đáo các đặc tính khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Hiểu được các đặc điểm, ưu điểm và hạn chế của nó là điều cần thiết để các kỹ sư và nhà thiết kế đưa ra quyết định sáng suốt khi lựa chọn vật liệu.