Thép công cụ H13: Tính chất và ứng dụng chính
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Thép công cụ H13 là thép công cụ hiệu suất cao được biết đến với độ bền, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu nhiệt độ cao đặc biệt. Được phân loại là thép công cụ làm việc nóng, H13 chủ yếu được hợp kim với crom, molypden và vanadi, góp phần tạo nên các đặc tính độc đáo của nó. Hàm lượng crom tăng cường khả năng làm cứng và chống ăn mòn, trong khi molypden cải thiện độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao. Vanadi được thêm vào để tinh chỉnh cấu trúc hạt, tăng cường khả năng chống mài mòn.
Tổng quan toàn diện
Thép công cụ H13 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao và khả năng chống mỏi nhiệt. Khả năng duy trì độ cứng và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao khiến thép này trở nên lý tưởng cho các ứng dụng gia công nóng, chẳng hạn như đúc khuôn và rèn. Độ dẫn nhiệt tuyệt vời và khả năng chống mềm dưới nhiệt của thép góp phần vào hiệu suất của thép trong các môi trường khắc nghiệt.
Thuận lợi:
- Độ bền cao: H13 có độ bền tuyệt vời, giảm nguy cơ nứt trong quá trình xử lý nhiệt.
- Chống mài mòn: Các thành phần hợp kim có khả năng chống mài mòn vượt trội, phù hợp cho các ứng dụng chịu tác động mạnh.
- Khả năng chịu nhiệt: H13 vẫn giữ được độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao, do đó rất lý tưởng cho dụng cụ gia công nóng.
Hạn chế:
- Khả năng chống ăn mòn: Mặc dù H13 có khả năng chống ăn mòn nhất định nhưng không hiệu quả bằng thép không gỉ trong môi trường có tính ăn mòn cao.
- Khả năng gia công: H13 có thể khó gia công do độ cứng của nó, đòi hỏi phải có dụng cụ và kỹ thuật chuyên dụng.
Theo truyền thống, H13 là mặt hàng chủ lực trên thị trường thép công cụ, với các ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và sản xuất. Tính linh hoạt và hiệu suất của nó đã khiến nó trở thành lựa chọn ưa thích của nhiều kỹ sư và nhà sản xuất.
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 | T20813 | Hoa Kỳ | Tương đương gần nhất với AISI H13 |
| AISI/SAE | H13 | Hoa Kỳ | Tên gọi thường dùng |
| Tiêu chuẩn ASTM | A681 | Hoa Kỳ | Tiêu chuẩn cho thép công cụ làm việc nóng |
| VI | 1.2344 | Châu Âu | Điểm tương đương ở Châu Âu |
| ĐẠI HỌC | X40CrMoV5-1 | Đức | Sự khác biệt nhỏ về thành phần |
| Tiêu chuẩn Nhật Bản | SKD61 | Nhật Bản | Các tính chất tương tự, thường được sử dụng thay thế cho nhau |
| Anh | 4Cr5MoSiV1 | Trung Quốc | Tương đương với những thay đổi nhỏ |
H13 thường được so sánh với các loại thép công cụ khác như D2 và S7, có thể có đặc tính chống mài mòn và độ bền khác nhau. Hiểu được những khác biệt tinh tế này là rất quan trọng để lựa chọn loại phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.
Thuộc tính chính
Thành phần hóa học
| Nguyên tố (Ký hiệu và Tên) | Phạm vi phần trăm (%) |
|---|---|
| C (Cacbon) | 0,32 - 0,45 |
| Cr (Crom) | 4,75 - 5,50 |
| Mo (Molipden) | 1,10 - 1,75 |
| V (Vanadi) | 0,80 - 1,20 |
| Si (Silic) | 0,80 - 1,20 |
| Mn (Mangan) | 0,20 - 0,60 |
| P (Phốt pho) | ≤ 0,03 |
| S (Lưu huỳnh) | ≤ 0,03 |
Các nguyên tố hợp kim chính trong H13 đóng vai trò quan trọng:
- Crom: Tăng khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn.
- Molypden: Tăng cường độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao.
- Vanadi: Cải thiện cấu trúc hạt, tăng khả năng chống mài mòn.
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 | 1.700 - 2.100MPa | 247 - 304 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%) | Làm nguội & tôi luyện | Nhiệt độ phòng | 1.500 - 1.800MPa | 218 - 261 ksi | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ giãn dài | Làm nguội & tôi luyện | Nhiệt độ phòng | 10-15% | 10-15% | Tiêu chuẩn ASTM E8 |
| Độ cứng (HRC) | Làm nguội & tôi luyện | Nhiệt độ phòng | 48 - 54HRC | 48 - 54HRC | Tiêu chuẩn ASTM E18 |
| Sức mạnh tác động | Làm nguội & tôi luyện | -20 °C | 20 - 30 tháng | 15 - 22 ft-lbf | Tiêu chuẩn ASTM E23 |
Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ giãn dài tốt, khiến H13 phù hợp với các ứng dụng chịu tải cơ học đáng kể và yêu cầu tính toàn vẹn về mặt cấu trúc.
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 | - | 1.400 - 1.500 °C | 2.552 - 2.732 °F |
| Độ dẫn nhiệt | Nhiệt độ phòng | 25 W/m·K | 14,5 BTU·in/h·ft²·°F |
| Nhiệt dung riêng | Nhiệt độ phòng | 460 J/kg·K | 0,11 BTU/lb·°F |
| Điện trở suất | Nhiệt độ phòng | 0,0005 Ω·m | 0,0003 Ω·trong |
| Hệ số giãn nở nhiệt | Nhiệt độ phòng | 11,5 x 10⁻⁶/K | 6,4 x 10⁻⁶/°F |
Các tính chất vật lý quan trọng như độ dẫn nhiệt và điểm nóng chảy rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao, đảm bảo rằng H13 có thể hoạt động hiệu quả mà không làm mất đi tính toàn vẹn về mặt cấu trúc.
Chống ăn mòn
| Chất ăn mòn | Sự tập trung (%) | Nhiệt độ (°C) | Xếp hạng sức đề kháng | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| Clorua | 5-10 | 25 - 60 | Hội chợ | Nguy cơ ăn mòn rỗ |
| Axit sunfuric | 10 - 30 | 25 - 50 | Nghèo | Không khuyến khích |
| Axit axetic | 5-20 | 25 - 60 | Hội chợ | Dễ bị SCC |
| Khí quyển | - | - | Tốt | Sức đề kháng vừa phải |
Thép công cụ H13 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 có tính ăn mòn cao. So với thép không gỉ như 304 hoặc 316, H13 ít có khả năng chống rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất, điều này có thể hạn chế việc sử dụng trong các ứng dụng cụ thể.
Khả năng chịu nhiệt
| Tài sản/Giới hạn | Nhiệt độ (°C) | Nhiệt độ (°F) | Nhận xét |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa | 500 | 932 | Thích hợp cho việc tiếp xúc kéo dài |
| Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa | 600 | 1,112 | Tiếp xúc trong thời gian ngắn mà không bị suy thoái |
| Nhiệt độ đóng băng | 700 | 1.292 | Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ trên |
| Cân nhắc về sức bền biến dạng | 400 | 752 | Bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ trên này |
H13 duy trì các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng làm việc nóng. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để tránh tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ vượt quá giới hạn đóng cặn của nó, điều này có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và phân hủy.
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 | ER80S-D2 | Hỗn hợp Argon + CO2 | Nên làm nóng trước |
| TIG | ER80S-D2 | Khí Argon | Xử lý nhiệt sau khi hàn |
| Dán | E7018 | - | Yêu cầu làm nóng trước |
H13 có thể hàn được, nhưng phải cẩn thận để tránh nứt. Nên gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn để giảm ứng suất và đảm bảo tính toàn vẹn.
Khả năng gia công
| Thông số gia công | H13 | AISI 1212 | Ghi chú/Mẹo |
|---|---|---|---|
| Chỉ số khả năng gia công tương đối | 60% | 100% | Yêu cầu dụng cụ chuyên dụng |
| Tốc độ cắt điển hình (Tiện) | 30 - 50 m/phút | 80 - 120 m/phút | Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất |
Thép H13 khó gia công hơn các loại thép hợp kim thấp hơn, đòi hỏi phải lựa chọn tốc độ cắt và dụng cụ cẩn thận để đạt được kết quả tối ưu.
Khả năng định hình
H13 không thực sự phù hợp để tạo hình nguội do độ cứng của nó. Các quy trình tạo hình nóng được ưa chuộng hơn, cho phép biến dạng tốt hơn mà không bị nứt. Thép thể hiện sự cứng khi làm việc, có thể làm phức tạp các hoạt động tạo hình nguội.
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 - 850 / 1.472 - 1.562 | 1 - 2 giờ | Không khí | Giảm độ cứng, cải thiện khả năng gia công |
| Làm nguội | 1.000 - 1.050 / 1.832 - 1.922 | 30 - 60 phút | Dầu | Đạt được độ cứng cao |
| Làm nguội | 500 - 600 / 932 - 1.112 | 1 - 2 giờ | Không khí | Giảm độ giòn, tăng độ dai |
Quá trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô của H13, chuyển đổi nó từ austenit thành martensit, giúp tăng cường độ cứng và khả năng chống mài mòn.
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 |
|---|---|---|---|
| Ô tô | Đúc khuôn | Độ bền cao, chống mài mòn | Độ bền dưới áp lực cao |
| Hàng không vũ trụ | Khuôn rèn | Khả năng chịu nhiệt, độ bền ở nhiệt độ cao | Hiệu suất trong điều kiện khắc nghiệt |
| Chế tạo | Dụng cụ dập nóng | Khả năng chịu mỏi nhiệt | Tuổi thọ dụng cụ dài trong sản xuất |
Các ứng dụng khác bao gồm:
- Khuôn ép phun
- Khuôn đùn
- Dụng cụ tạo hình kim loại
H13 được chọn cho các ứng dụng này vì khả năng chịu được nhiệt độ cao và ứng suất cơ học, đảm bảo độ bền và độ tin cậy trong quá trình sản xuất.
Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn
| Tính năng/Thuộc tính | H13 | Ngày 2 | S7 | Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi |
|---|---|---|---|---|
| Tính chất cơ học chính | Độ bền cao | Khả năng chống mài mòn cao | Khả năng chống va đập cao | H13 mang lại sự cân bằng giữa độ bền và khả năng chống mài mòn |
| Góc nhìn ăn mòn chính | Hội chợ | Nghèo | Hội chợ | H13 phù hợp hơn với môi trường ít ăn mòn |
| Khả năng hàn | Vừa phải | Nghèo | Hội chợ | H13 yêu cầu thực hành hàn cẩn thận |
| Khả năng gia công | Thách thức | Vừa phải | Tốt | H13 cần dụng cụ chuyên dụng |
| Khả năng định hình | Nghèo | Hội chợ | Tốt | H13 ít có khả năng định hình hơn các phương án thay thế |
| Chi phí tương đối xấp xỉ | Vừa phải | Thấp | Vừa phải | Chi phí thay đổi tùy theo điều kiện thị trường |
| Khả năng cung cấp điển hình | Chung | Chung | Ít phổ biến hơn | H13 có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau |
Khi lựa chọn H13, hãy cân nhắc các đặc điểm hiệu suất của nó liên quan đến các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Mặc dù nó có độ bền và khả năng chịu nhiệt tuyệt vời, khả năng gia công và khả năng chống ăn mòn của nó có thể hạn chế việc sử dụng nó trong một số môi trường nhất định. Hiểu được những sự đánh đổi này là điều cần thiết để tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật.