Thép công cụ: Tính chất và ứng dụng chính được giải thích

Thép công cụ là một loại thép được thiết kế riêng để sản xuất công cụ và khuôn. Nó được đặc trưng bởi độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng giữ lưỡi cắt sắc bén. Thép công cụ thường được phân loại thành một số loại phụ dựa trên các đặc tính và ứng dụng của chúng, bao gồm thép gia công nguội, thép gia công nóng và thép tốc độ cao. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép công cụ bao gồm cacbon, crom, molypden, vanadi và vonfram, mỗi nguyên tố đều góp phần vào hiệu suất chung của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép công cụ chủ yếu được phân loại là thép hợp kim cacbon cao, được thiết kế để chịu được mức độ ứng suất và mài mòn cao. Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim làm tăng độ cứng, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, khiến chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực sản xuất. Thép công cụ thường được sử dụng trong sản xuất dụng cụ cắt, khuôn, khuôn đúc và các thành phần khác đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao.

Đặc điểm chính:
- Độ cứng: Thép dụng cụ có thể đạt được độ cứng cao thông qua xử lý nhiệt, khiến chúng trở nên lý tưởng để cắt và định hình vật liệu.
- Chống mài mòn: Các nguyên tố hợp kim góp phần mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời, giúp dụng cụ duy trì được lưỡi cắt trong thời gian dài.
- Độ dẻo dai: Mặc dù có độ cứng, nhiều loại thép dụng cụ vẫn có độ dẻo dai tốt, giúp ngăn ngừa tình trạng sứt mẻ và nứt trong quá trình sử dụng.

Ưu điểm (Pros):
- Độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội.
- Ứng dụng đa dạng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
- Có khả năng xử lý nhiệt để tăng cường tính chất.

Hạn chế (Nhược điểm):
- Có thể đắt hơn các loại thép khác.
- Một số loại có thể khó gia công hoặc hàn.
- Dễ bị ăn mòn nếu không được xử lý hoặc phủ đúng cách.

Theo truyền thống, thép công cụ đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển sản xuất, cho phép sản xuất các thành phần có độ chính xác cao. Vị thế thị trường của chúng vẫn vững mạnh nhờ những tiến bộ liên tục trong công nghệ luyện kim và 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	T1	Hoa Kỳ	Thép tốc độ cao có khả năng chống mài mòn tuyệt vời.
AISI/SAE	A2	Hoa Kỳ	Thép dụng cụ tôi bằng khí, độ bền tốt.
Tiêu chuẩn ASTM	A681	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép công cụ.
VI	1.2379	Châu Âu	Thép dụng cụ gia công nguội có khả năng chống mài mòn cao.
ĐẠI HỌC	X100CrMoV5	Đức	Tương đương với A2, với một số khác biệt nhỏ về thành phần.
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SKD11	Nhật Bản	Tương tự như D2, được biết đến với độ cứng cao.
Anh	Cr12MoV	Trung Quốc	Tương đương với D2, được sử dụng cho các ứng dụng làm việc nguội.
Tiêu chuẩn ISO	4957	Quốc tế	Tiêu chuẩn cho thép công cụ.

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép công cụ. Đáng chú ý, trong khi các loại như A2 và D2 ​​thường được coi là tương đương, A2 có độ bền tốt hơn, khiến nó được ưa chuộng hơn cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống va đập cao hơn.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,5 - 1,5
Cr (Crom)	0,5 - 5,0
Mo (Molipden)	0,1 - 2,0
V (Vanadi)	0,1 - 1,0
W (Vonfram)	0,5 - 20,0
Mn (Mangan)	0,2 - 1,0
Si (Silic)	0,1 - 1,0

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép công cụ bao gồm:
- Cacbon (C): Tăng độ cứng và độ bền thông qua xử lý nhiệt.
- Crom (Cr): Tăng khả năng chống mài mòn và khả năng làm cứng.
- Molypden (Mo): Cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mềm ở nhiệt độ cao.
- Vanadi (V): Tăng khả năng chống mài mòn và cải thiện cấu trúc hạt.

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 - 1200MPa	100 - 175 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	500 - 1000MPa	73 - 145 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	5-20%	5-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	50 - 65HRC	50 - 65HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20°C	20 - 40J	15 - 30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các đặc tính cơ học này làm cho thép công cụ đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng cơ học cao, chẳng hạn như các hoạt động cắt và tạo hình. Độ bền kéo và độ bền chảy cao đảm bảo rằng các công cụ có thể chịu được lực đáng kể mà không bị biến dạng, trong khi độ cứng cho phép sử dụng lâu dài mà không bị mài mòn.

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	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	0,0000015Ω·m	0,0000009 Ω·trong

Các đặc tính vật lý chính như mật độ và độ dẫn nhiệt rất quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi quản lý nhiệt. Điểm nóng chảy cao cho thấy thép công cụ có thể duy trì tính toàn vẹn ở nhiệt độ cao, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ cao.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	5-10	20 - 60 / 68 - 140	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit	10 - 30	20 - 40 / 68 - 104	Nghèo	Dễ bị ăn mòn
Dung dịch kiềm	5-15	20 - 60 / 68 - 140	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải

Thép công cụ thường có khả năng chống ăn mòn hạn chế, đặc biệt là trong môi trường axit. Chúng dễ bị rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất, đặc biệt là khi tiếp xúc với clorua. So với thép không gỉ, thép công cụ cần lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý bề mặt để tăng khả năng chống 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	500	932	Thích hợp cho việc sử dụng lâu dài
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	600	1112	Tiếp xúc ngắn hạn
Nhiệt độ đóng băng	700	1292	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền kéo dài bắt đầu từ khoảng	400	752	Hiệu suất có thể giảm ở nhiệt độ trên mức này

Thép công cụ duy trì độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng liên quan đến nhiệt. Tuy nhiên, quá trình oxy hóa có thể xảy ra ở nhiệt độ cao, đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ hoặc lựa chọn vật liệu cẩn thận cho các ứng dụng cụ thể.

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	ER80S-D2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E7018	-	Không khuyến khích sử dụng cho thép cacbon cao

Thép công cụ có thể khó hàn do hàm lượng cacbon cao, có thể dẫn đến nứt. Việc gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau khi hàn thường là cần thiết để giảm thiểu những vấn đề này.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép công cụ (A2)	Thép chuẩn (AISI 1212)	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	A2 khó gia công hơn 1212
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	50 m/phút	Sử dụng công cụ cacbua cho A2

Gia công thép công cụ đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận về tốc độ cắt và dụng cụ. Dụng cụ cacbua được khuyến nghị vì độ bền và hiệu quả của chúng trong việc cắt vật liệu cứng.

Khả năng định hình

Thép công cụ thường không phù hợp với các quy trình tạo hình rộng rãi do độ cứng và độ giòn cao. Tạo hình nguội bị hạn chế, trong khi tạo hình nóng có thể thực hiện được với khả năng kiểm soát nhiệt độ thích hợp.

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, cải thiện khả năng gia công
Làm nguội	800 - 1200 / 1472 - 2192	30 - 60 phút	Dầu hoặc không khí	Tăng độ cứng
Làm nguội	150 - 650 / 302 - 1202	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép công cụ, tăng cường độ cứng và độ dẻo dai của chúng. Sự chuyển đổi từ austenite sang martensite trong quá trình tôi là rất quan trọng để đạt được các tính chất cơ học mong muốn.

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	Dụng cụ cắt	Độ cứng cao, chống mài mòn	Độ bền và độ chính xác
Hàng không vũ trụ	Khuôn mẫu cho vật liệu composite	Độ bền, khả năng chịu nhiệt	Yêu cầu hiệu suất cao
Chế tạo	Khuôn dập	Độ cứng, khả năng chống va đập	Tuổi thọ dụng cụ dài
Gia công kim loại	Lưỡi cắt	Chống mài mòn, giữ cạnh	Hiệu quả trong việc cắt

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Dụng cụ ép phun
- Dụng cụ tạo hình cho tấm kim loại
- Đục và khuôn dập kim loại

Thép công cụ được lựa chọn vì khả năng chịu được độ mài mòn cao và giữ được độ sắc bén, khiến chúng trở nên không thể thiếu trong các quy trình sản xuất.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép công cụ (A2)	Lớp thay thế 1 (D2)	Lớp thay thế 2 (H13)	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Khả năng chống mài mòn tuyệt vời	Độ bền cao	A2 mang lại sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Nghèo	Tốt	H13 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn
Khả năng hàn	Thách thức	Khó	Vừa phải	A2 đòi hỏi kỹ thuật hàn cẩn thận
Khả năng gia công	Vừa phải	Thấp	Vừa phải	D2 khó gia công hơn A2
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao	Vừa phải	D2 thường đắt hơn
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Ít phổ biến hơn	A2 có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau

Khi lựa chọn thép công cụ, cần cân nhắc các yếu tố như chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học cụ thể so với yêu cầu của ứng dụng. Thép công cụ như A2 thường được ưa chuộng vì tính linh hoạt của chúng, trong khi D2 có thể được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn vượt trội. H13 được ưa chuộng trong các ứng dụng nhiệt độ cao do độ bền và độ ổn định nhiệt tuyệt vời.

Tóm lại, thép công cụ là một loại vật liệu quan trọng trong ngành sản xuất, cung cấp sự kết hợp độc đáo giữa độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền. Hiểu được các đặc tính, ứng dụng và hạn chế của chúng là điều cần thiết để các kỹ sư và nhà sản xuất lựa chọn loại phù hợp cho nhu cầu cụ thể của họ.