Thép công cụ H21: Tính chất và ứng dụng chính

Thép công cụ H21 được phân loại là thép công cụ tốc độ cao, được thiết kế riêng cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn và độ bền cao. Thép này chủ yếu được hợp kim hóa với vonfram, molypden và crom, giúp tăng đáng kể độ cứng và khả năng chịu nhiệt. Loại thép này được biết đến với hiệu suất tuyệt vời trong các ứng dụng nhiệt độ cao, do đó phù hợp để sản xuất dụng cụ cắt, khuôn và khuôn đúc.

Tổng quan toàn diện

Thép công cụ H21 là một phần của danh mục thép công cụ tốc độ cao AISI/SAE, đặc trưng bởi khả năng duy trì độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao. Các nguyên tố hợp kim chính bao gồm vonfram (W), molypden (Mo), crom (Cr) và vanadi (V). Các nguyên tố này góp phần tạo nên độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu mỏi nhiệt của thép.

Các đặc điểm quan trọng của Thép công cụ H21 bao gồm:

• Độ cứng cao : Đạt độ cứng từ 60 HRC trở lên sau khi xử lý nhiệt.
• Khả năng chống mài mòn tuyệt vời : Thích hợp cho các ứng dụng chịu ứng suất cao, nơi cần quan tâm đến khả năng mài mòn.
• Độ bền tốt : Duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc dưới tải trọng va đập.

Thuận lợi :
- Hiệu suất vượt trội trong môi trường nhiệt độ cao.
- Giữ nguyên độ sắc bén và chống biến dạng trong quá trình cắt.
- Ứng dụng đa dạng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Hạn chế :
- Khó gia công hơn so với thép hợp kim thấp hơn.
- Cần xử lý nhiệt chính xác để đạt được tính chất tối ưu.
- Chi phí cao hơn so với thép công cụ tiêu chuẩn.

Theo truyền thống, H21 là lựa chọn ưa thích của những người làm dụng cụ do độ cứng và độ dẻo dai cân bằng, khiến nó trở thành vật liệu chính trong sản xuất dụng cụ và khuôn mẫu chính xác.

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	T20821	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI H21
AISI/SAE	H21	Hoa Kỳ	Tên gọi thường dùng
Tiêu chuẩn ASTM	A681	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép công cụ
VI	1.2561	Châu Âu	Tính chất tương tự, sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SKD6	Nhật Bản	Lớp tương đương với những thay đổi nhỏ

Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi H21 và SKD6 có thể có độ cứng tương tự nhau, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn của chúng có thể khác nhau do sự khác biệt về các nguyên tố hợp kim và quy trình xử lý nhiệt.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,30 - 0,50
Cr (Crom)	4,00 - 5,00
Mo (Molipden)	1,00 - 1,50
W (Vonfram)	11.00 - 13.00
V (Vanadi)	0,50 - 1,00

Vai trò chính của vonfram trong Thép công cụ H21 là tăng cường độ cứng và khả năng chống mài mòn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Molypden góp phần tạo nên độ bền và độ dẻo dai, trong khi crom cải thiện khả năng chống ăn mòn và khả năng làm cứng. Vanadi hỗ trợ tinh chỉnh cấu trúc hạt, giúp tăng cường độ dẻo dai.

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	1800 - 2200MPa	261 - 319 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	1500 - 1900MPa	217 - 276 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	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	58 - 62HRC	58 - 62HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20 °C	20 - 30 giờ	15 - 22 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 H21 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. Độ bền va đập của nó đảm bảo rằng nó có thể chịu được những cú sốc đột ngột mà không bị gãy.

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 - 1450 °C	2600 - 2642 °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

Mật độ của Thép công cụ H21 góp phần tạo nên tổng trọng lượng và độ ổn định của nó trong các ứng dụng. Điểm nóng chảy cao của nó cho phép nó duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt, trong khi độ dẫn nhiệt rất quan trọng đối với quá trình tản nhiệt trong quá trình gia công.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	5%	25 °C	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10%	60 °C	Nghèo	Không khuyến khích
Natri Hydroxit	50%	25 °C	Tốt	Sức đề kháng vừa phải

Thép công cụ H21 có khả năng chống clorua khá tốt, có thể dẫn đến rỗ, đặc biệt là trong môi trường biển. Hiệu suất của nó trong điều kiện axit kém, khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến axit mạnh. So với các loại thép công cụ khác, chẳng hạn như D2 hoặc M2, khả năng chống ăn mòn của H21 thường thấp hơn, đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý trong 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	540 °C	1000 °F	Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	600 °C	1112 °F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	700 °C	1292 °F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá điểm này

Thép công cụ H21 vẫn giữ được độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao, lý tưởng cho các ứng dụng như gia công nóng. Tuy nhiên, cần lưu ý tránh tiếp xúc lâu với nhiệt độ trên 600 °C vì điều này có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và phân hủy vật liệu.

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	Nên làm nóng trước
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn

Thép công cụ H21 có thể hàn được, nhưng cần cân nhắc cẩn thận về quy trình hàn và vật liệu hàn. Thường cần phải nung nóng trước để tránh nứt và nên xử lý nhiệt sau khi hàn để khôi phục các đặc tính cơ học.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép dụng cụ H21	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	50%	100%	Thách thức hơn khi gia công
Tốc độ cắt điển hình	20 m/phút	30 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Thép công cụ H21 khó gia công hơn thép hợp kim thấp hơn do độ cứng của nó. Sử dụng thép tốc độ cao hoặc dụng cụ cacbua và tối ưu hóa tốc độ cắt có thể cải thiện khả năng gia công.

Khả năng định hình

Thép công cụ H21 không dễ tạo hình do độ cứng và độ bền cao. Nhìn chung không nên tạo hình nguội, trong khi có thể tạo hình nóng một cách cẩn thận để tránh nứt. Cần cân nhắc bán kính uốn tối thiểu trong quá trình chế tạo.

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 °C / 1472 - 1562 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ cứng, cải thiện khả năng gia công
Làm cứng	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	30 - 60 phút	Dầu	Đạt được độ cứng cao
Làm nguội	500 - 600 °C / 932 - 1112 °F	1 - 2 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 của Thép công cụ H21. Quá trình làm cứng biến đổi thép thành cấu trúc martensitic, trong khi quá trình ram làm giảm ứng suất dư và độ giòn, tăng cường 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
Hàng không vũ trụ	Dụng cụ cắt	Độ cứng cao, chống mài mòn	Độ chính xác và độ bền
Ô tô	Khuôn ép nhựa	Độ bền, khả năng chịu nhiệt	Sản xuất khối lượng lớn
Chế tạo	Khuôn dập	Khả năng chống mài mòn, chịu va đập	Tuổi thọ dụng cụ dài

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Dụng cụ tạo hình kim loại
- Gia công nguội
- Dụng cụ cắt tốc độ cao

Thép công cụ H21 được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng duy trì độ cứng và độ dẻo dai trong điều kiện khắc nghiệt, đảm bảo độ bền và độ tin cậy.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép dụng cụ H21	AISI D2	Thép tốc độ cao M2	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Độ cứng	Cao	Cao	Rất cao	H21 mang lại sự cân bằng giữa độ bền và độ cứng
Chống ăn mòn	Hội chợ	Tốt	Hội chợ	D2 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn
Khả năng hàn	Vừa phải	Nghèo	Nghèo	H21 có thể được hàn cẩn thận
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Nghèo	D2 dễ gia công hơn H21
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Cao	H21 có hiệu quả về mặt chi phí cho các công cụ hiệu suất cao
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Ít phổ biến hơn	H21 có sẵn rộng rãi trên thị trường thép công cụ

Khi lựa chọn Thép công cụ H21, 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 nhiệt độ cao, khả năng gia công và khả năng hàn của nó đòi hỏi phải xử lý cẩn thận. Việc lựa chọn giữa H21 và các loại thay thế như D2 hoặc M2 phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể, bao gồm khả năng chống mài mòn, độ bền và khả năng chống ăn mòn.

Tóm lại, Thép công cụ H21 là vật liệu đa năng, vượt trội trong các ứng dụng khắt khe, trở thành lựa chọn ưu tiên cho các nhà sản xuất và thợ làm dụng cụ tìm kiếm độ bền và hiệu suất.