Thép công cụ M2: Tính chất và ứng dụng chính

Thép công cụ M2 (M2 HSS) là thép tốc độ cao (HSS) được phân loại là thép công cụ, được thiết kế chuyên dụng cho các công cụ cắt và các ứng dụng hiệu suất cao. Nó chủ yếu bao gồm sắt, với các nguyên tố hợp kim quan trọng bao gồm molypden, vonfram, crom và vanadi. Các nguyên tố này góp phần tạo nên độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng duy trì các cạnh cắt ở nhiệt độ cao.

Tổng quan toàn diện

Thép công cụ M2 nổi tiếng với độ cứng và khả năng chống mài mòn đặc biệt, khiến nó trở thành lựa chọn ưa thích cho nhiều ứng dụng cắt và gia công khác nhau. Các thành phần hợp kim chính trong M2 bao gồm:

• Molypden (Mo) : Tăng cường khả năng làm cứng và cải thiện khả năng chống mài mòn.
• Vonfram (W) : Tăng khả năng chịu nhiệt độ cao của thép mà không làm mất độ cứng.
• Crom (Cr) : Góp phần chống ăn mòn và tăng độ bền.
• Vanadi (V) : Cải thiện khả năng chống mài mòn và tinh chỉnh cấu trúc hạt.

Các nguyên tố này kết hợp lại cho phép M2 đạt được độ cứng cao (thường là khoảng 62-65 HRC) sau khi xử lý nhiệt, đồng thời vẫn có độ dẻo dai và khả năng chống biến dạng nhiệt tốt.

Ưu điểm của thép công cụ M2:
- Độ cứng cao : Giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao, lý tưởng cho các ứng dụng cắt tốc độ cao.
- Khả năng chống mài mòn tuyệt vời : Thích hợp cho các dụng cụ chịu mài mòn đáng kể.
- Tính linh hoạt : Có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm máy khoan, máy cắt ren và máy phay.

Hạn chế của thép công cụ M2:
- Độ giòn : Mặc dù cứng, thép này có thể giòn hơn so với các loại thép khác, điều này có thể dẫn đến nứt trong một số điều kiện nhất định.
- Chi phí : Nói chung đắt hơn thép chất lượng thấp, có thể cần cân nhắc trong một số ứng dụng.

Thép công cụ M2 giữ vị trí quan trọng trên thị trường như một tiêu chuẩn cho các công cụ cắt tốc độ cao, với ý nghĩa lịch sử có từ khi phát triển vào đầu thế kỷ 20. Khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt đã khiến nó trở thành mặt hàng chủ lực trong ngành sản xuất và gia công.

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	T11302	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI M2
AISI/SAE	M2	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn thép tốc độ cao
Tiêu chuẩn ASTM	A600	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép công cụ tốc độ cao
VI	1.3343	Châu Âu	Cấp độ tương đương theo tiêu chuẩn Châu Âu
ĐẠI HỌC	X153CrMoV12	Đức	Những khác biệt nhỏ về thành phần cần lưu ý
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SKH51	Nhật Bản	Tính chất tương tự, nhưng có sự thay đổi nhỏ về thành phần
Anh	W18Cr4V	Trung Quốc	Tương đương gần nhất với sự khác biệt nhỏ

Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương này thường nằm ở tỷ lệ phần trăm cụ thể của các nguyên tố hợp kim, có thể ảnh hưởng đến các đặc tính hiệu suất như độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn và khả năng gia công. Ví dụ, trong khi cả M2 và SKH51 đều có độ cứng tương tự nhau, thì sự thay đổi nhỏ về hàm lượng vanadi có thể ảnh hưởng đến cấu trúc hạt và do đó là khả năng chống mài mòn.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,78 - 0,83
Cr (Crom)	3,75 - 4,50
Mo (Molipden)	5,00 - 6,75
W (Vonfram)	5,50 - 6,75
V (Vanadi)	1,75 - 2,20
Mn (Mangan)	0,20 - 0,40
Si (Silic)	0,20 - 0,30
P (Phốt pho)	≤ 0,030
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,030

Các nguyên tố hợp kim chính trong Thép công cụ M2 đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các tính chất của nó:

• Cacbon (C) : Cần thiết để đạt được độ cứng và độ bền cao thông qua xử lý nhiệt.
• Molypden (Mo) : Tăng khả năng làm cứng và góp phần chống mài mòn.
• Vonfram (W) : Tăng khả năng chống mềm của thép ở nhiệt độ cao.
• Vanadi (V) : Cải thiện khả năng chống mài mòn và tinh chỉnh cấu trúc vi mô, tạo ra độ dẻo dai tốt hơn.

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	1.800 - 2.000MPa	261 - 290 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	1.600 - 1.800MPa	232 - 261 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	2-5%	2-5%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	62 - 65HRC	62 - 65HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20 °C	20 - 30 giờ	15 - 22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Tính chất cơ học của Thép công cụ M2 làm cho nó đặc biệt phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao và khả năng chống mài mòn. Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao cho phép nó chịu được tải trọng cơ học đáng kể, trong khi độ cứng đảm bảo tuổi thọ trong các ứng dụng cắt. Độ giãn dài tương đối thấp cho thấy rằng mặc dù nó chắc chắn, nhưng nó có thể dễ bị gãy hơn khi chịu ứng suất quá mức.

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	-	1.200 - 1.300 °C	2.192 - 2.372 °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 µm/m·K	6,4 µin/in·°F

Các tính chất vật lý của Thép công cụ M2 có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng của nó. Ví dụ, điểm nóng chảy cao cho phép nó duy trì tính toàn vẹn ở nhiệt độ cao, điều này rất quan trọng đối với các công cụ cắt tốc độ cao. Mật độ cho thấy đây là một vật liệu chắc chắn, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng cho thấy nó có thể tản nhiệt hiệu quả trong quá trình gia công.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Nước	-	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét
Axit	Pha loãng	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ rỗ
Dung dịch kiềm	-	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải
Clorua	-	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất cao (SCC)

Thép công cụ M2 có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong điều kiện khí quyển. Tuy nhiên, thép này dễ bị gỉ khi tiếp xúc với độ ẩm và hiệu suất của thép này trong môi trường có tính axit hoặc giàu clorua có thể dẫn đến sự xuống cấp đáng kể. So với các loại thép công cụ khác, chẳng hạn như D2 (nhiều cacbon, nhiều crom), khả năng chống ăn mòn của thép M2 kém hơn, khiến thép này ít phù hợp hơn cho các ứng dụng liên quan đến việc tiếp xúc với các tác nhân 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	1.004 °F	Thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	600 °C	1.112 °F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ thang đo	700 °C	1.292 °F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	500 °C	932 °F	Bắt đầu mất sức

Thép công cụ M2 hoạt động tốt ở nhiệt độ cao, duy trì độ cứng và độ bền lên đến khoảng 540 °C (1.004 °F). Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên phạm vi này có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và đóng cặn, có thể làm giảm tính toàn vẹn của vật liệu. Độ bền biến dạng trở thành mối quan tâm ở khoảng 500 °C (932 °F), khi đó vật liệu có thể bắt đầu biến dạng dưới tải trọng liên tục.

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	ER80S-D2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E7018	-	Không khuyến khích cho các phần dày

Thép công cụ M2 thường không được khuyến khích sử dụng để hàn do hàm lượng cacbon cao, có thể dẫn đến nứt. Nếu cần hàn, việc gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn là rất quan trọng để giảm thiểu nguy cơ khuyết tật. Việc lựa chọn kim loại phụ cũng rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và duy trì các đặc tính mong muốn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép công cụ M2	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	M2 khó gia công hơn
Tốc độ cắt điển hình	20 m/phút	50 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Thép công cụ M2 có chỉ số khả năng gia công thấp hơn so với các loại thép dễ gia công hơn như AISI 1212. Điều này có nghĩa là gia công M2 đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng hơn về dụng cụ và tốc độ cắt. Các công cụ cacbua được khuyến nghị để đạt được kết quả tối ưu và nên sử dụng chất làm mát để quản lý nhiệt trong quá trình gia công.

Khả năng định hình

Thép công cụ M2 không thực sự phù hợp cho các quy trình tạo hình do độ cứng và độ giòn cao. Tạo hình nguội thường không khả thi, trong khi tạo hình nóng có thể thực hiện được ở nhiệt độ cao, nhưng cần kiểm soát cẩn thận để tránh nứt. Đặc tính làm cứng khi gia công của vật liệu cũng có thể làm phức tạp các hoạt động tạo hình.

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 / 1.472 - 1.562 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ cứng, cải thiện khả năng gia công
Làm cứng	1.200 - 1.250 °C / 2.192 - 2.282 °F	30 - 60 phút	Dầu hoặc không khí	Đạt được độ cứng cao
Làm nguội	500 - 600 °C / 932 - 1.112 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Quá trình xử lý nhiệt của Thép công cụ M2 bao gồm các quá trình austenit hóa, tôi và ram. Trong quá trình austenit hóa, thép được nung ở nhiệt độ cao để hòa tan các cacbua và tạo thành cấu trúc austenit đồng nhất. Quá trình tôi làm nguội thép nhanh chóng, giữ độ cứng, trong khi ram làm giảm độ giòn và tăng độ dai. Các biến đổi luyện kim trong quá trình xử lý này tác động đáng kể đến cấu trúc vi mô, tạo ra sự phân bố mịn các cacbua góp phần vào khả năng chống mài mòn tuyệt vời của thép.

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)
Hàng không vũ trụ	Dụng cụ cắt cho cánh tuabin	Độ cứng cao, chống mài mòn	Cần thiết để cắt chính xác ở tốc độ cao
Ô tô	Mũi khoan và vòi	Độ bền, hiệu suất nhiệt độ cao	Cần thiết cho việc gia công vật liệu cứng
Chế tạo	Máy cắt phay	Chống mài mòn, giữ cạnh	Duy trì hiệu quả cắt theo thời gian
Công cụ	Đấm và chết	Độ cứng, khả năng chống va đập	Cần thiết cho việc hình thành các hoạt động

Các ứng dụng khác của Thép công cụ M2 bao gồm:

• Dụng cụ chế biến gỗ : Dùng để cắt và định hình chính xác.
• Dụng cụ y tế : Nơi có khả năng chống mài mòn cao là rất quan trọng.
• Dụng cụ tạo hình kim loại : Chẳng hạn như khuôn và khuôn đúc.

Thép công cụ M2 được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng duy trì các cạnh sắc bén và chịu được sự khắc nghiệt của gia công tốc độ cao, khiến nó trở nên lý tưởng cho các công cụ đòi hỏi cả độ bền và độ chính xác.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép công cụ M2	Thép công cụ D2	Thép công cụ A2	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	Độ bền tốt	M2 vượt trội trong các ứng dụng tốc độ cao, trong khi D2 có khả năng chống mài mòn tốt hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Tốt	Hội chợ	D2 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn do hàm lượng crom cao hơn
Khả năng hàn	Nghèo	Hội chợ	Tốt	A2 có khả năng hàn tốt hơn, phù hợp với nhiều ứng dụng hơn
Khả năng gia công	Vừa phải	Thấp	Cao	A2 dễ gia công hơn, trong khi M2 đòi hỏi nhiều sự chăm sóc hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao	Vừa phải	Vừa phải	M2 đắt hơn do các thành phần hợp kim của nó
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Chung	Tất cả các loại đều có sẵn rộng rãi, nhưng M2 có thể có thời gian giao hàng lâu hơn

Khi lựa chọn Thép công cụ M2, các cân nhắc như chi phí, tính khả dụng và yêu cầu ứng dụng cụ thể là rất quan trọng. Hiệu suất cao của nó trong các ứng dụng cắt biện minh cho chi phí của nó, nhưng đối với các ứng dụng mà khả năng chống ăn mòn hoặc khả năng hàn quan trọng hơn, các loại thay thế như D2 hoặc A2 có thể phù hợp hơn. Ngoài ra, việc lựa chọn M2 nên cân nhắc các quy trình gia công và chế tạo cụ thể để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ tối ưu trong ứng dụng dự định.

Tóm lại, M2 Tool Steel là vật liệu đa năng và hiệu suất cao, vượt trội trong các ứng dụng đòi hỏi độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Các đặc tính độc đáo của nó khiến nó trở thành mặt hàng chủ lực trong ngành công cụ và khuôn mẫu, trong khi việc cân nhắc cẩn thận các hạn chế của nó đảm bảo rằng nó được sử dụng hiệu quả trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau.