Thép công cụ 2Cr13: Tổng quan toàn diện

Thép công cụ 2Cr13 là vật liệu đa năng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất khuôn nhựa, đặc biệt là những loại đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn. Là thép không gỉ martensitic ít carbon, thép này thường được sử dụng sau khi tôi và ram. Quá trình xử lý nhiệt này làm tăng cường các tính chất cơ học của thép, khiến thép phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Một trong những ưu điểm chính của thép 2Cr13 là khả năng gia công tốt, cho phép gia công và định hình hiệu quả. Sau khi xử lý nhiệt, thép này có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, đảm bảo tuổi thọ ngay cả trong môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, thép này có sự kết hợp tốt giữa độ bền và độ dẻo dai, giúp thép này đáng tin cậy dưới nhiều tải trọng khác nhau.

Trong khi khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt của thép 1Cr13 kém hơn một chút, thép 2Cr13 vẫn duy trì khả năng chống oxy hóa ổn định trong không khí lên đến 700℃. Điều này làm cho thép 2Cr13 phù hợp với các ứng dụng liên quan đến việc tiếp xúc với nhiệt độ vừa phải. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khả năng hàn và độ dẻo của thép 2Cr13 ở trạng thái ủ không thuận lợi bằng thép 1Cr13. Mặc dù vậy, thép 2Cr13 được biết đến với đặc tính đánh bóng tuyệt vời, đây là một lợi thế đáng kể trong chế tạo khuôn mẫu, nơi mà độ hoàn thiện bề mặt là rất quan trọng.

1. Thành phần hóa học của thép công cụ 2Cr13

Thành phần hóa học của thép 2Cr13 được chuẩn hóa theo GB/T 1220—2007. Các thành phần khối lượng điển hình của các nguyên tố chính của nó là:

• Cacbon (C): 0,16% – 0,25% (thường là khoảng 0,16%)
• Silic (Si): ≤1.00% (thường là ≤0.60%)
• Mangan (Mn): ≤1.00% (thường là ≤0.80%)
• Crom (Cr): 12.00% – 14.00%
• Lưu huỳnh (S): ≤0,030%
• Phốt pho (P): ≤0,040% (đôi khi được chỉ định là ≤0,035%)

Các nguyên tố này góp phần tạo nên tính chất độc đáo của thép, trong đó crom là nguyên tố hợp kim chính mang lại khả năng chống ăn mòn.

2. Thép công cụ 2Cr13 tương đương với một số tiêu chuẩn khác:

• DIN của Đức: Số vật liệu 1.4021, cấp X20Cr13
• Cử nhân Anh: Lớp S62
• Anh EN: Lớp 56B/56C
• Tiếng Pháp AFNOR: Cấp Z20C13
• Mã số thống nhất: S45830

Việc tham chiếu chéo này có thể hữu ích cho những khách hàng toàn cầu quen thuộc với các hệ thống tiêu chuẩn hóa khác nhau.

3. Tính chất vật lý của thép công cụ 2Cr13

Hiểu được các đặc tính vật lý của thép 2Cr13 là rất quan trọng đối với ứng dụng của nó trong nhiều bối cảnh kỹ thuật khác nhau. Sau đây là các đặc tính vật lý chính:

• Điểm nóng chảy: 1450 – 1510℃
• Tỉ trọng: 7,75 tấn/m³
• Nhiệt dung riêng (cₚ): 459,8 J/(kg·K)

Những tính chất này ảnh hưởng đến cách thép hoạt động trong quá trình gia công và sử dụng.

Nhiệt độ quan trọng:

• Aa₁: Khoảng 820℃
• Aa₃: Khoảng 950℃
• Ac₁: Khoảng 780℃

Những nhiệt độ này rất quan trọng đối với các quá trình xử lý nhiệt vì chúng quyết định sự chuyển đổi pha của thép.

Mô đun đàn hồi (E): Độ cứng của thép 2Cr13 giảm dần theo nhiệt độ:

• Ở 20℃: 210 – 223 GPa
• Ở 400℃: 193 GPa
• Ở 500℃: 184 GPa
• Ở 600℃: 172 GPa

Hệ số giãn nở tuyến tính (α): Chỉ số này đo mức độ giãn nở của thép khi được nung nóng:

• 20-100oC: 10,5 ×10⁻⁶ oC⁻¹
• 20-200oC: 11,0 ×10⁻⁶ oC⁻¹
• 20-300oC: 11,5 ×10⁻⁶ oC⁻¹
• 20-400oC: 12,0 ×10⁻⁶ oC⁻¹
• 20-500oC: 12,0 ×10⁻⁶ oC⁻¹

Độ dẫn nhiệt (λ): Chỉ ra mức độ dẫn nhiệt của thép:

• 20-100℃: 23,0 W/(m·K)
• 20-200℃: 23,4 W/(m·K)
• 20-300℃: 24,7 W/(m·K)
• 20-400℃: 25,5 W/(m·K)
• 20-500℃: 26,3 W/(m·K)

Điện trở suất (ρ): Ảnh hưởng đến hành vi của thép trong các ứng dụng điện:

• Ở 20℃: 0,55 ×10⁻⁷ Ω·m
• Ở 100℃: 0,65 ×10⁻⁷ Ω·m

Các tính chất này rất cần thiết để các nhà thiết kế và kỹ sư cân nhắc khi lựa chọn thép 2Cr13 cho các ứng dụng cụ thể, đặc biệt là những ứng dụng liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ hoặc các thành phần điện.

4. Xử lý nhiệt thép công cụ 2Cr13

Thích hợp xử lý nhiệt là điều cần thiết để giải phóng toàn bộ tiềm năng của thép 2Cr13. Các quy trình sau đây thường được sử dụng:

4.1 Rèn

• Sưởi ấm: Làm nóng thép từ từ cho đến khi đạt tới 850℃, với lò nung được tải ở mức ≤800℃.
• Nhiệt độ rèn: Bắt đầu rèn ở nhiệt độ 1160-1200℃ và kết thúc ở ≥850℃.
• Làm mát: Sau khi rèn, làm nguội trong cát hoặc ủ ngay. Do độ dẫn nhiệt kém, nên gia nhiệt dưới 850℃ phải từ từ.
• Sau khi rèn: Làm nguội từ từ các bộ phận rèn và tôi ngay lập tức.

4.2 Xử lý làm mềm

Để giảm độ cứng khi gia công:

• Ủ ở nhiệt độ cao: 750-800℃
• Phương pháp thay thế: Giữ ở 875-900℃ trong 1-2 giờ, sau đó làm mát ở 15-20℃/h xuống dưới 600℃, tiếp theo là làm mát bằng không khí. Điều này đạt được độ cứng 170-200 HB.

Cấu trúc thu được là ferit giàu crom với cacbua (Cr, Fe)₂₃C₆.

4.3 Làm nguội

• Nhiệt độ: Thông thường ở khoảng 1050℃.
• Làm mát: Đối với khuôn nhỏ, có thể làm mát bằng không khí để giảm thiểu biến dạng. Khuôn lớn hơn thường được làm nguội bằng dầu.

4.4 Làm nguội

Thép 2Cr13 thường được sử dụng trong hai điều kiện tôi luyện:

• Đối với độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn: Ủ ở nhiệt độ 200-350℃.
• Để có được sự cân bằng về sức mạnh, độ dẻo dai và độ bền: Ủ ở nhiệt độ 650-750℃.

Ghi chú: Tránh tôi luyện ở nhiệt độ 400-600℃ để tránh những đặc tính không mong muốn.

4.5 Đề xuất làm nguội và tôi luyện

• Làm nguội: Làm nguội dầu ở nhiệt độ 980-1000℃.
• Làm nguội: Thay đổi tùy theo tính chất mong muốn.

4.6 Ủ giảm ứng suất

• Ủ ở nhiệt độ 730-780℃ sau đó làm mát bằng không khí.
• Sau khi hàn, tôi để giảm ứng suất. Làm nguội chậm ở nhiệt độ cao có thể dẫn đến hình thành bainite.

4.7 Xử lý nhiệt trước khi tôi cứng

• Đun nóng đến 860-900℃ và làm nguội lò để đạt được 160-187 HBW.

4.8 Làm nguội và ram tiêu chuẩn

• Làm nguội: Đun nóng đến 1000-1050℃, sau đó làm nguội bằng dầu hoặc nước đến ≥45 HRC.
• Làm nguội: Ở nhiệt độ 660-670℃ với làm mát bằng không khí đến 20-23 HRC.

Các quy trình xử lý nhiệt này cho phép điều chỉnh các đặc tính của thép theo các yêu cầu ứng dụng cụ thể, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong nhiều tình huống khác nhau.

5. Tính chất cơ học của thép 2Cr13

Tính chất cơ học của thép 2Cr13 phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt mà nó trải qua. Dưới đây là các tính chất điển hình đạt được thông qua các quy trình khác nhau:

5.1 Sau khi làm nguội và ram

Đối với các mẫu được làm nguội từ 980-1000℃, làm mát bằng dầu và sau đó ram:

• Giới hạn chảy (Rp0.2): ≥440MPa
• Độ bền kéo (Rm): ≥640MPa
• Độ giãn dài (A): ≥20%
• Giảm Diện Tích (Z): ≥50%
• Năng lượng va chạm (Ku₂): ≥63J
• Độ cứng (HBW): 192-223

5.2 Điều kiện ủ

Đối với tấm và dải thép không gỉ martensitic cán nguội ủ:

• Giới hạn chảy (Rp0.2): ≥225MPa
• Độ bền kéo (Rm): ≥520MPa
• Độ giãn dài (A): ≥18%
• Uốn nguội (180°): ngày = 2 giờ
• Độ cứng (HBW): ≤223

5.3 Tính chất nhiệt độ cao

Sau khi tôi ở nhiệt độ 1000-1020℃, làm mát bằng dầu và ram ở nhiệt độ 720-750℃, thép thể hiện các tính chất sau ở nhiệt độ cao:

Nhiệt độ thử nghiệm (∘C)	Độ kéo (Rm​, MPa)	Năng suất (Rp0.2​, MPa)	Độ giãn dài (δ, %)	Đỏ. Diện tích (ψ, %)	Va chạm (αk​, J/cm2)
20	720	520	21.0	68.0	65-175
300	555	400	18.0	66.0	120
400	530	405	16.5	58.5	205
450	495	380	17.5	61.0	–
500	495	420	22.5	66.0	–
550	440	365	32.5	72.5	–

Những đặc tính này chứng minh khả năng duy trì độ bền và độ dẻo của thép ở nhiệt độ cao, khiến thép phù hợp cho các ứng dụng tiếp xúc với nhiệt.

6. Ứng dụng của thép 2Cr13

Do tính chất cân bằng của nó, thép 2Cr13 là sự lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nó đặc biệt phù hợp cho:

• Khuôn nhựa: Đặc biệt là những sản phẩm chịu tải trọng cao và có tính ăn mòn, bao gồm cả khuôn mẫu cho các sản phẩm nhựa trong suốt.
• Các thành phần chịu ứng suất cao: Chẳng hạn như cánh tua bin, trục và ống bơm dầu nóng, cánh quạt và tấm van máy ép thủy lực.
• Hàng công nghiệp và hàng tiêu dùng: Bao gồm các ứng dụng trong ngành công nghiệp giấy, thiết bị y tế và các đồ gia dụng như dao và đồ dùng ăn uống.

Ngoài ra, thép 2Cr13 có thể được sử dụng thay thế cho thép loại Cr12 trong sản xuất khuôn đột dập và kéo. Khi được xử lý bằng thấm cacbon, tôi và ram, nó có thể đạt được độ cứng bề mặt là 62-65 HRC và độ cứng lõi là 38-41 HRC, có khả năng kéo dài tuổi thọ của khuôn gấp 1-2 lần so với xử lý thép Cr12 truyền thống.

7. So sánh với các loại thép khác

Hiểu được cách so sánh thép 2Cr13 với các vật liệu tương tự có thể giúp lựa chọn loại thép phù hợp cho các nhu cầu cụ thể:

• So với thép 1Cr13: 2Cr13 có độ bền và độ cứng cao hơn sau khi tôi và ram, nhưng khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt thấp hơn một chút. Khả năng hàn và độ dẻo của nó ở trạng thái ủ cũng kém hơn.
• So với thép 30Cr13: 30Cr13 thậm chí còn có độ bền, độ cứng và khả năng tôi luyện cao hơn thép 2Cr13 (20Cr13) và 12Cr13 sau khi tôi. Nó có khả năng chống ăn mòn đối với axit nitric loãng và axit hữu cơ yếu ở nhiệt độ phòng, mặc dù kém hơn 12Cr13 và 20Cr13.
• So với thép 4Cr13: 4Cr13 có độ bền và độ cứng cao hơn 30Cr13 nhưng độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn thấp hơn, khả năng hàn kém hơn.
• So với thép 20Cr13: 20Cr13 có tính chất tương tự như 12Cr13 nhưng có độ bền, độ cứng cao hơn một chút, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn thấp hơn.

Những so sánh này làm nổi bật sự đánh đổi giữa các đặc tính khác nhau, cho phép các kỹ sư lựa chọn loại thép phù hợp nhất dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.