Thép công cụ cacbon: Tính chất và ứng dụng chính

Thép công cụ cacbon là một loại thép chủ yếu bao gồm cacbon và được sử dụng để sản xuất công cụ và khuôn. Nó được phân loại là thép cacbon cao, thường chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, giúp tăng đáng kể độ cứng và khả năng chống mài mòn. Nguyên tố hợp kim chính trong thép công cụ cacbon là cacbon, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ cứng, độ bền và hiệu suất tổng thể của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép công cụ cacbon được biết đến với độ cứng tuyệt vời và khả năng duy trì độ sắc bén, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các công cụ cắt, khuôn và các ứng dụng khác mà khả năng chống mài mòn là rất quan trọng. Hàm lượng cacbon cao góp phần hình thành các cấu trúc vi mô cứng, chẳng hạn như martensite, khi trải qua các quá trình xử lý nhiệt như làm nguội và ram.

Thuận lợi:
- Độ cứng cao: Thép công cụ cacbon có thể đạt được độ cứng cao, thích hợp để làm dụng cụ cắt và định hình.
- Khả năng chống mài mòn: Khả năng chống mài mòn của các loại thép này rất vượt trội, cho phép chúng chịu được điều kiện mài mòn.
- Hiệu quả về mặt chi phí: Nhìn chung, thép công cụ cacbon tiết kiệm hơn so với thép công cụ hợp kim, khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng.

Hạn chế:
- Độ giòn: Hàm lượng cacbon cao có thể dẫn đến độ giòn, khiến thép dễ bị nứt khi va chạm.
- Độ bền hạn chế: So với các loại thép công cụ khác, thép công cụ cacbon có độ bền thấp hơn, đây có thể là một bất lợi trong một số ứng dụng nhất định.
- Dễ bị ăn mòn: Thép dụng cụ cacbon dễ bị gỉ nếu không được bảo dưỡng đúng cách vì chúng thiếu các nguyên tố hợp kim giúp tăng khả năng chống ăn mòn.

Theo truyền thống, thép công cụ cacbon đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của các công cụ và máy móc công nghiệp, với các ứng dụng trải dài từ công cụ cầm tay đến các thành phần máy móc phức tạp. Vị thế thị trường của chúng vẫn vững mạnh nhờ sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.

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	T1	Hoa Kỳ	Thép công cụ tốc độ cao, tính chất tương tự
AISI/SAE	AISI D2	Hoa Kỳ	Thép dụng cụ có hàm lượng cacbon cao, crom cao
Tiêu chuẩn ASTM	A681	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép công cụ
VI	1.2379	Châu Âu	Tương đương với AISI D2, khả năng chống mài mòn cao
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SKD11	Nhật Bản	Tương tự như D2, với sự khác biệt nhỏ về thành phần
ĐẠI HỌC	X153CrMoV12	Đức	Thép công cụ cacbon cao với crom và molypden

Sự khác biệt giữa các cấp tương đương có thể rất nhỏ nhưng lại có tác động lớn. Ví dụ, trong khi AISI D2 và JIS SKD11 thường được coi là tương đương, SKD11 có thể có độ bền và đặc tính chống mài mòn hơi khác nhau do các thành phần hợp kim cụ thể của nó.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,5 - 1,5
Mn (Mangan)	0,3 - 0,9
Si (Silic)	0,1 - 0,4
Cr (Crom)	0,5 - 1,5
Mo (Molipden)	0,1 - 0,5
P (Phốt pho)	≤ 0,03
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,03

Vai trò chính của cacbon trong thép công cụ cacbon là tăng cường độ cứng và độ bền thông qua việc hình thành các cấu trúc vi mô cứng trong quá trình xử lý nhiệt. Mangan cải thiện khả năng làm cứng và độ dẻo dai, trong khi crom và molypden góp phần chống mài mòn và ổn định ở nhiệt độ cao.

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	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	700 - 900MPa	101,5 - 130 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	600 - 800MPa	87 - 116 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	5-10%	5-10%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	58 - 65HRC	58 - 65HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20°C	20 - 30 giờ	14,8 - 22,1 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 thép công cụ cacbon phù hợp với các ứng dụng liên quan đến tải trọng cơ học và độ mài mòn cao, chẳng hạn như dụng cụ cắt và khuôn. Tuy nhiên, giá trị độ giãn dài thấp hơn cho thấy xu hướng giòn, cần phải xem xét trong thiết kế.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	45 W/m·K	31,2 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0006 Ω·m	0,0004 Ω·trong

Mật độ của thép công cụ cacbon cho thấy vật liệu này chắc chắn, trong khi điểm nóng chảy của nó cho thấy độ ổn định nhiệt tốt. Độ dẫn nhiệt ở mức trung bình, có lợi cho việc tản nhiệt trong các ứng dụng cắt. Nhiệt dung riêng tương đối thấp, cho thấy nó nóng lên nhanh chóng, có thể có lợi trong các quy trình gia công.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Nước	0 - 100	20	Nghèo	Dễ bị rỉ sét nếu không được bảo vệ
Axit (HCl)	0 - 10	20	Nghèo	Dễ bị ăn mòn rỗ
kiềm	0 - 10	20	Hội chợ	Sức đề kháng hạn chế, cần lớp phủ
Clorua	0 - 5	20	Nghèo	Nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất

Thép công cụ cacbon có khả năng chống ăn mòn kém, đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt hoặc khi tiếp xúc với điều kiện axit hoặc clo. Khả năng dễ bị ăn mòn này đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ hoặc bảo dưỡng thường xuyên để ngăn ngừa rỉ sét. So với thép không gỉ, chẳng hạn như AISI 304, có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, thép công cụ cacbon ít phù hợp hơn cho các ứng dụng có khả năng tiếp xúc với môi trường 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	200	392	Ngoài ra, các thuộc tính bị suy thoái
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	300	572	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	500	932	Nguy cơ oxy hóa vượt quá mức này

Ở nhiệt độ cao, thép công cụ cacbon có thể mất độ cứng và độ bền, khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao nếu không được xử lý nhiệt đúng cách. Quá trình oxy hóa có thể xảy ra ở nhiệt độ trên 500 °C, dẫn đến sự xuống cấp bề mặt.

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	Argon + CO2	Nên làm nóng trước
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E7018	Không có	Không lý tưởng cho các phần dày

Thép công cụ cacbon có thể hàn được, nhưng phải cẩn thận để tránh 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 dai.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép công cụ cacbon	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	70	100	Thép công cụ cacbon ít có khả năng gia công hơn thép 1212
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	50 m/phút	Điều chỉnh dựa trên độ mòn của dụng cụ

Khả năng gia công ở mức trung bình; mặc dù thép công cụ cacbon có thể gia công được nhưng cần phải lựa chọn cẩn thận các dụng cụ cắt và thông số để tránh mài mòn quá mức.

Khả năng định hình

Thép công cụ cacbon thường không dễ định hình như thép cacbon thấp hơn. Định hình nguội có thể dẫn đến quá trình làm cứng khi gia công, trong khi định hình nóng khả thi hơn nhưng đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ cẩn thận để tránh bị giòn.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	700 - 800	1 - 2 giờ	Không khí	Làm mềm, cải thiện khả năng gia công
Làm nguội	800 - 900	30 phút	Dầu hoặc Nước	Làm cứng, tạo thành martensit
Làm nguội	150 - 300	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 thép công cụ cacbon. Làm nguội biến đổi thép thành cấu trúc martensitic cứng, trong khi ram giảm độ giòn và tăng độ dẻo dai.

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
Chế tạo	Dụng cụ cắt	Độ cứng cao, chống mài mòn	Cần thiết cho hiệu suất cắt
Ô tô	Khuôn dập	Độ bền, sức mạnh	Cần thiết cho các ứng dụng có ứng suất cao
Hàng không vũ trụ	Dụng cụ gia công	Độ cứng, độ ổn định kích thước	Độ chính xác và độ bền là rất quan trọng

Các ứng dụng khác bao gồm:
* Dụng cụ cầm tay (đục, búa)
* Khuôn ép nhựa
* Jigs và đồ gá trong sản xuất

Thép công cụ cacbon được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng giữ được các cạnh sắc và chống mài mòn, khiến nó trở nên lý tưởng cho các công cụ và khuôn.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép công cụ cacbon	AISI D2	Tiêu chuẩn AISI 4140	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Khả năng chống mài mòn cao hơn	Độ bền tốt hơn	D2 có khả năng chống mài mòn tốt hơn nhưng đắt hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Nghèo	Hội chợ	Tốt	4140 phù hợp hơn với môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Vừa phải	Nghèo	Tốt	4140 có thể hàn dễ dàng hơn
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	D2 khó gia công hơn thép công cụ cacbon
Chi phí tương đối xấp xỉ	Thấp	Vừa phải	Vừa phải	Thép công cụ cacbon có hiệu quả về mặt chi phí cho nhiều ứng dụng
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Vừa phải	Cao	Thép công cụ cacbon có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép công cụ cacbon, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học cụ thể cần thiết cho ứng dụng. Mặc dù thép này có độ cứng và khả năng chống mài mòn tuyệt vời, nhưng những hạn chế về độ bền và khả năng chống ăn mòn của nó phải được đánh giá dựa trên nhu cầu sử dụng dự kiến.