Tính chất của thép công cụ 5CrNiMo

Thép công cụ 5CrNiMo là thép công cụ hợp kim thấp đáng tin cậy được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng gia công nóng, đặc biệt là trong khuôn rèn. Tại Aobo Steel, với kinh nghiệm sâu rộng trong lĩnh vực rèn thép công cụ, chúng tôi hiểu các đặc tính và yêu cầu gia công cần thiết để đạt được hiệu suất tối ưu từ loại thép này.

1. Thành phần hóa học của thép công cụ 5CrNiMo

Thành phần hóa học điển hình của thép 5CrNiMo là:

• Cacbon (C): 0.50% – 0.60%
• Silic (Si): ≤ 0,40%
• Mangan (Mn): 0.50% – 0.80%
• Crom (Cr): 0.50% – 0.80%
• Niken (Ni): 1.40% – 1.80%
• Molypden (Mo): 0.15% – 0.30%

Sự kết hợp của các nguyên tố hợp kim này mang lại sự cân bằng tốt các đặc tính cần thiết cho các ứng dụng gia công đòi hỏi khắt khe.

2. Tính chất của thép công cụ 5CrNiMo

2.1 Tính chất cơ học

• Sự cân bằng: 5CrNiMo có sự kết hợp chắc chắn giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, giúp vật liệu này linh hoạt cho cả ứng dụng làm việc nóng và lạnh.
• Độ dẻo và độ bền: Thép có độ dẻo và khả năng chịu va đập tốt.
• Hiệu suất nhiệt độ: Nó duy trì các tính chất cơ học tương đối ổn định ở nhiệt độ phòng và lên đến 500-600°C.
• Độ cứng: Độ cứng có thể đạt được phụ thuộc trực tiếp vào các thông số làm nguội và ram được sử dụng. Làm nguội từ 850 °C đến 1000 °C, sau đó là ram thích hợp, thường tạo ra các giá trị độ cứng trong khoảng từ HRC 30 thấp đến HRC 50 thấp. Nhiệt độ làm nguội cao hơn thường làm tăng độ cứng sau khi tôi, trong khi nhiệt độ ram cao hơn làm giảm độ cứng nhưng cải thiện độ dai.
• Độ bền va đập: Xử lý nhiệt có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền va đập. Trong khi nhiệt độ tôi cao hơn ban đầu có thể làm giảm độ bền, thì quá trình tôi luyện đúng cách sẽ tăng cường tính chất này. Cấu trúc vi mô martensite mong muốn đạt được sau khi tôi luyện góp phần tạo nên độ bền tốt hơn.

2.2 Tính chất vật lý

• Sự giãn nở vì nhiệt: Hệ số giãn nở tuyến tính tăng theo nhiệt độ, từ khoảng 12.55×10−6°C−1 (100-250°C) đến 15.0×10−6°C−1 (600-700°C). Điều này quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến thay đổi nhiệt độ.
• Mô đun đàn hồi: Giảm khi nhiệt độ tăng, từ khoảng 209.720 MPa (nhiệt độ phòng) đến 186.200 MPa (500°C).
• Mô đun cắt: Cũng giảm theo nhiệt độ, từ 83.300 MPa (nhiệt độ phòng) đến 73.500 MPa (500°C).
• Độ dẫn nhiệt: Giảm nhẹ ở nhiệt độ cao hơn, từ ~0,44 W/(m·K) (nhiệt độ phòng/100°C) đến ~0,35 W/(m·K) (500°C).

2.3 Hiệu suất nhiệt độ cao

• Sức mạnh: Trong khi vẫn duy trì độ cứng có thể sử dụng là ~300 HBW ở 500°C, độ bền của nó giảm đáng kể so với nhiệt độ phòng, có khả năng giảm một nửa ở 500°C. Nó có độ ổn định nóng thấp hơn và phản ứng làm cứng thứ cấp yếu hơn so với thép gia công nóng hợp kim cao hơn do thành phần của nó.
• Độ cứng: Độ cứng ở nhiệt độ cao giảm đáng kể ở mức trên 600°C.

3. Ứng dụng thép công cụ 5CrNiMo

Với đặc tính này, 5CrNiMo thường được sử dụng cho:

• Khuôn rèn: Thích hợp cho khuôn rèn búa và khuôn ép cỡ lớn và vừa, đặc biệt là những khuôn có hình dạng phức tạp hoặc chịu tải trọng va đập.
• Gia công nóng: Được sử dụng để cắt và tỉa khuôn nóng.
• Khuôn nhựa: Đặc tính đánh bóng tốt của nó làm cho nó phù hợp với một số thành phần khuôn nhựa. Các cấp độ biến đổi (như 5CrNiMnMoVSCa) được sử dụng cho khuôn ép phun chính xác.
• Khuôn đùn: Có thể sử dụng cho quá trình đùn nóng.
• Thành phần khuôn: Thường được sử dụng làm thân chính cho khuôn composite có chèn chống mài mòn tốt hơn.
• Linh kiện thiết bị rèn: Các thành phần như đầu búa và thanh dẫn hướng.
• Khuôn dập nguội: Áp dụng trong một số trường hợp làm việc trong môi trường lạnh.

4. Xử lý nhiệt thép công cụ 5CrNiMo

Xử lý nhiệt đúng cách là điều cần thiết cho hiệu suất của 5CrNiMo. Kinh nghiệm của Aobo Steel đảm bảo xử lý đúng cách qua các giai đoạn sau:

4.1 Ủ

• Thông thường được thực hiện sau khi rèn để làm mềm thép khi gia công.
• Phương pháp phổ biến: Ủ thông thường (760-780°C) hoặc Ủ đẳng nhiệt (850-870°C, giữ ~680°C).
• Làm mát: Làm mát lò đến <500°C, sau đó làm mát bằng không khí. Độ cứng mục tiêu: 197-241 HBW.

4.2 Làm nguội

• Phạm vi tiêu chuẩn: 830-860°C. Nên làm nóng trước theo từng giai đoạn (ví dụ: 600-650°C).
• Phương pháp: Làm nguội bằng dầu là phổ biến. Làm nguội chậm (làm nguội đến 750-780°C trong không khí trước khi tra dầu) có thể làm giảm sự biến dạng. Đảm bảo làm nguội nhanh qua các phạm vi chuyển đổi quan trọng đối với cấu trúc martensitic, đặc biệt là ở các phần lớn hơn.
• Làm nguội ở nhiệt độ cao (~900-950°C) có thể tạo ra thép martensitic có độ dẻo dai tốt hơn, nhưng điều cần thiết là phải tránh sự phát triển quá mức của hạt.

4.3 Làm nguội

• Thực hiện ngay sau khi làm nguội.
• Khuôn rèn: Ủ ở nhiệt độ 490-580°C để đạt độ cứng 34-47 HRC, tùy thuộc vào kích thước và mục đích sử dụng.
• Chuôi khuôn: Được tôi luyện ở nhiệt độ cao hơn (620-660°C) để tăng độ dẻo dai (30-37 HRC).
• Lưu ý: Tránh tôi luyện ở nhiệt độ từ 300 °C đến 450 °C vì nguy cơ giòn do tôi luyện. Tôi luyện hai lần thường có lợi.

4.4 Xử lý bề mặt

• Có thể áp dụng phương pháp xử lý thấm nitơ, boron hóa hoặc tổng hợp để tăng độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn và tuổi thọ chịu mỏi.

5. So sánh với các loại thép công cụ khác

• so với 5CrMnMo: 5CrNiMo thường có khả năng làm cứng tốt hơn và đặc tính chịu nhiệt độ cao, phù hợp với khuôn lớn hơn. 5CrMnMo có thể được chọn cho khuôn nhỏ hơn đòi hỏi độ bền cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn độ dẻo dai.
• so với các loại mới hơn (ví dụ: 4CrMnSiMoV, 5Cr2NiMoVSi): Các loại thép này được phát triển để khắc phục những hạn chế của 5CrNiMo, cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống mỏi.
• so với Cấp hợp kim cao (ví dụ: H13/4Cr5MoSiV1, 3Cr2W8V): 5CrNiMo có độ bền nóng và khả năng chống mài mòn thấp hơn. H13 và các loại tương tự được ưa chuộng cho nhiệt độ rất cao hoặc điều kiện mài mòn.

6. Cân nhắc về chất lượng và rèn

Hiệu suất cuối cùng phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng luyện kim của thép, bao gồm kiểm soát tạp chất và tính đồng nhất, cũng như các phương pháp rèn phù hợp.

• Kiểm soát chất lượng: Các quy trình như tinh luyện chân không giúp tăng cường độ sạch của thép.
• Rèn: Giảm có kiểm soát và làm nguội chậm sau khi rèn là rất quan trọng để ngăn ngừa các khuyết tật bên trong, mà 5CrNiMo dễ mắc phải. Hơn 20 năm kinh nghiệm rèn của Aobo Steel đảm bảo các yếu tố này được quản lý đúng cách.

7. Tóm tắt

5CrNiMo là loại thép công cụ hợp kim thấp đa năng và tiết kiệm, mang lại sự cân bằng tốt giữa độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn cho nhiều ứng dụng khuôn rèn nóng và một số ứng dụng gia công nguội. Việc đạt được kết quả tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt chính xác và vật liệu đầu vào chất lượng. Mặc dù có nhiều hợp kim mới hơn, 5CrNiMo vẫn là lựa chọn tiêu chuẩn cho nhiều yêu cầu về dụng cụ.