D2 so với D3 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

D2 và D3 là các thành viên của thép dụng cụ gia công nguội dòng D, thường được cân nhắc cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn và độ ổn định kích thước. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi chỉ định khuôn, chày, lưỡi cắt và các bộ phận chịu mài mòn cao khác. Các yếu tố quyết định điển hình bao gồm sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và độ bền, chi phí sản xuất và tính khả dụng, và các quy trình tiếp theo như hàn, gia công và bảo vệ bề mặt.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là sự cân bằng giữa các nguyên tố cacbon và cacbua cứng tạo thành: một loại được thiết kế để cung cấp tỷ lệ thể tích cacbua cứng cao hơn, do đó có khả năng chống mài mòn tốt hơn, nhưng lại làm giảm độ bền và độ dẻo dai khi gãy. Do sự đánh đổi này, D2 và D3 thường được so sánh khi kỹ sư phải lựa chọn giữa việc tối đa hóa tuổi thọ khi tiếp xúc với vật liệu mài mòn và tránh hư hỏng giòn khi va đập hoặc sốc.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• AISI / SAE: D2 (đã được thiết lập, chuẩn hóa rộng rãi); D3 (ít được tham chiếu hơn, vẫn có trong danh sách AISI nhưng ít phổ biến hơn).
• ASTM/ASME: A681 bao gồm thép công cụ nói chung (thực hành sản xuất và xử lý nhiệt), nhưng hãy tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp để biết các biện pháp kiểm soát thành phần cụ thể.
• EN: Các giá trị tương đương gần nhất ở châu Âu thường được đưa ra là X37CrMoV5-1 / 1.2379 đối với thép loại D2 (tên gọi có thể khác nhau).
• JIS / GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có các loại thép công cụ gia công nguội tương tự nhau (ví dụ: SKD11 thường được coi là tương đương với D2); các ký hiệu địa phương khác nhau và phải được tham chiếu chéo.

Phân loại: cả hai đều là thép dụng cụ gia công nguội có hàm lượng cacbon cao, crom cao (thép dụng cụ được thiết kế để chống mài mòn và ổn định kích thước thay vì chống ăn mòn thép không gỉ hoặc phục vụ kết cấu HSLA).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần thương mại điển hình (% khối lượng). Các giá trị hiển thị chỉ mang tính chất tham khảo; tham khảo tiêu chuẩn vật liệu hoặc chứng chỉ nhà máy để biết thành phần chính xác.

Yếu tố	D2 điển hình (wt%)	D3 điển hình (wt%)
C (cacbon)	1,4 – 1,6	1,9 – 2,2
Mn (mangan)	0,3 – 0,6	0,3 – 0,6
Si (silicon)	0,2 – 1,0	0,2 – 1,0
P (phốt pho)	≤ 0,03	≤ 0,03
S (lưu huỳnh)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (crom)	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni (niken)	≤ 0,3	≤ 0,3
Mo (molypden)	0,6 – 1,1	0,2 – 0,8
V (vanadi)	0,1 – 0,5	0,4 – 1,2
Nb / Ti / B / N	thường theo dõi / không xác định	thường theo dõi / không xác định

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Cacbon: tăng tiềm năng độ cứng thông qua sự hình thành martensite và carbide. Hàm lượng cacbon cao hơn trong D3 làm tăng tỷ lệ carbide cứng và độ cứng đạt được nhưng làm giảm độ dẻo dai của nền. - Crom: thúc đẩy tạo ra các cacbua crom cứng (loại phức hợp M7C3/M23C6 tùy thuộc vào thành phần), tăng khả năng chống mài mòn và khả năng làm cứng, đồng thời cải thiện khả năng chống ram; không đủ cao để mang lại các đặc tính của thép không gỉ. - Vanadi và molypden: tạo thành cacbua ổn định (VC, MoC) giúp tinh chế cacbua và cải thiện khả năng chống mài mòn cũng như độ dẻo dai; hàm lượng vanadi cao hơn trong D3 thường làm tăng mật độ cacbua cứng mịn nhưng cũng làm tăng khả năng mài mòn cho dụng cụ và làm dụng cụ cắt nhanh mòn hơn. - Silic và mangan: chất khử oxy và điều chỉnh độ bền thứ yếu; không có tính chất chống mài mòn. - Phốt pho và lưu huỳnh: giữ ở mức thấp để tránh giòn và giòn nóng.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình: - D2: nền martensite tôi luyện chứa một lượng đáng kể cacbua giàu crom (chủ yếu là cacbua M7C3 hoặc phức hợp Cr-Mo) với một số cacbua vanadi. Các cacbua được phân bố đều để tăng khả năng chống mài mòn trong khi vẫn giữ được nền tương đối cứng. - D3: hàm lượng cacbon và vanadi cao hơn làm tăng thể tích và thường là kích thước hoặc mật độ của vanadi cứng và crom cacbua; ma trận martensite tôi luyện tương ứng trở nên gầy hơn, tạo ra độ cứng cao hơn nhưng độ dẻo dai gãy thấp hơn.

Xử lý nhiệt và phản ứng: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và phân phối các-bua. Cả hai cấp độ đều được hưởng lợi từ các chu trình chuẩn hóa có kiểm soát để đồng nhất cấu trúc trước khi tôi cứng. - Làm nguội: cả hai đều được làm nguội bằng khí hoặc bằng dầu tùy thuộc vào kích thước tiết diện và hướng dẫn của nhà cung cấp; D2 được biết đến với độ ổn định kích thước tốt do hàm lượng crom cao. D3, với hàm lượng cacbua cao hơn, cần được kiểm soát cẩn thận để tránh nứt nhiệt. - Ram: Việc cân bằng độ cứng và độ dẻo dai là rất quan trọng. Nhiều chu kỳ ram giúp giảm austenit dư và ổn định cacbua. Ram D3 sẽ giảm độ cứng đột ngột hơn để tăng độ dẻo dai nhưng không thể đạt đến mức độ dẻo dai của D2 ở độ cứng tương tự. - Xử lý nhiệt cơ học (đối với vật liệu rèn hoặc cán) có thể ảnh hưởng đến sự phân bố cacbua và độ cứng thứ cấp; kiểm soát hạt mịn cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh tính chất cơ học định tính và định lượng. Con số chính xác phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, kích thước tiết diện và nhiệt độ ram.

Tài sản	D2 (điển hình)	D3 (điển hình)
Độ bền kéo	Cao (ma trận chi phối)	Rất cao (chủ yếu là cacbua)
Sức chịu lực	Cao	Rất cao
Độ giãn dài (độ dẻo)	Thấp-trung bình đối với thép dụng cụ	Thấp hơn D2
Độ bền va đập (khả năng chống gãy)	Thấp đến trung bình (tốt hơn D3)	Thấp (độ dẻo dai kém hơn)
Độ cứng điển hình sau khi tôi cứng	~55–62 HRC (tùy thuộc vào ứng dụng)	~60–64 HRC (độ cứng có thể đạt được cao hơn)

Giải thích - D3 đạt độ cứng đỉnh cao hơn và khả năng chống mài mòn vượt trội nhờ tỷ lệ thể tích cacbua cao hơn nhờ hàm lượng cacbon tăng lên (và thường là vanadi). Điều này làm giảm độ dẻo và độ bền va đập. - D2 là một sự thỏa hiệp: độ cứng đỉnh thấp hơn một chút nhưng độ dẻo dai và độ ổn định kích thước tốt hơn, khiến nó ít có khả năng bị hỏng nghiêm trọng khi bị va đập hoặc lệch hướng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép dụng cụ có hàm lượng cacbon và crom cao là một thách thức.

Các công thức có liên quan (giải thích theo định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (dự đoán khả năng nứt mối hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải - Cả D2 và D3 đều cho thấy $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao chủ yếu do cacbon và crom; D3 thường có thành phần cacbon cao hơn và do đó có chỉ số khả năng hàn kém hơn. - Hướng dẫn thực hành: thường yêu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, vật tư tiêu hao hydro thấp và ram sau hàn (PWHT). Việc lựa chọn vật liệu hàn thường chuyển sang vật liệu hàn có độ cứng thấp hơn hoặc vật liệu hàn chứa niken để giảm nguy cơ nứt. Đối với các dụng cụ quan trọng, hàn sửa chữa thường được tránh hoặc được thực hiện dưới sự kiểm soát quy trình nghiêm ngặt; các phương án thay thế bằng gia công và hàn đồng có thể được ưu tiên hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả D2 và D3 đều không phải là thép không gỉ theo nghĩa thực tế: mặc dù cả hai đều chứa nhiều crom, nhưng chúng không phải là hợp kim chống ăn mòn dành cho môi trường ẩm ướt hoặc oxy hóa mà không có biện pháp bảo vệ.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: sơn, tra dầu, xử lý phosphate, thấm nitơ (để tăng độ cứng bề mặt và khả năng chống oxy hóa hạn chế) và phủ mạ điện cục bộ nếu cần. Lưu ý rằng thấm nitơ có thể cải thiện tuổi thọ bề mặt mà không làm thay đổi độ bền tổng thể nhưng bị hạn chế bởi sự phân bố cacbua.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho các loại thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không phù hợp với D2/D3 vì chúng không được thiết kế hoặc chứng nhận là thép không gỉ; do đó, PREN không áp dụng cho họ thép dụng cụ trong điều kiện sử dụng thông thường.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng gia công: Thép D2 có độ bền cao đối với dụng cụ cắt nhưng tương đối dễ gia công hơn trong điều kiện ủ (ủ mềm), và khả năng mài tốt ở trạng thái tôi so với thép giàu cacbua. Thép D3, với thể tích cacbua cao hơn và nhiều cacbua vanadi hơn, có tính mài mòn cao hơn đối với dụng cụ; nó làm giảm tuổi thọ dụng cụ khi gia công và có thể khó mài hoặc hoàn thiện hơn.
• Khả năng định hình và uốn: cả hai loại thép này thường phải được định hình ở trạng thái ủ; việc định hình nguội ở trạng thái tôi cứng hoặc ram cứng là không khả thi. Thép D3 dễ bị nứt hơn trong quá trình định hình do độ dẻo thấp hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: có thể đạt được độ hoàn thiện gương nhưng cần nhiều quy trình mài mòn hơn và cẩn thận hơn với D3 do cacbua bị kéo ra và mài mòn khác nhau trong quá trình đánh bóng.

8. Ứng dụng điển hình

D2 — Công dụng điển hình	D3 — Công dụng điển hình
Khuôn định hình nguội, dụng cụ cắt và cắt phôi, lưỡi cắt, dao cắt, thước đo, khuôn đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và khả năng chống sốc	Các ứng dụng mài mòn nghiêm trọng trong đó khả năng chống mài mòn tối đa là ưu tiên hàng đầu và độ bền có thể bị giảm sút; dao cắt chuyên dụng hoặc dao mài mòn, một số miếng chèn chịu mài mòn lâu dài
Khối khuôn có độ ổn định về kích thước và khả năng chịu nhiệt là quan trọng	Các ứng dụng đòi hỏi độ cứng cao nhất có thể và khả năng chống mài mòn khi độ giòn có thể chấp nhận được
Hoạt động dập và cắt dài hạn	Dụng cụ thích hợp cho những nơi có tuổi thọ sử dụng sau mỗi lần mài lại rất quan trọng và tải trọng va đập là tối thiểu

Cơ sở lựa chọn - Chọn cấp độ phù hợp với chế độ ứng suất: nếu dự kiến ​​va đập, sốc hoặc uốn cong lặp đi lặp lại, hãy ưu tiên tùy chọn cứng hơn (D2). Nếu chi tiết bị mài mòn liên tục hoặc mài mòn vi mô tác động thấp chiếm ưu thế và có thể thiết kế để tránh va đập, cấp độ cứng cao hơn (D3) có thể kéo dài thời gian bảo trì.

9. Chi phí và tính khả dụng

• D2 được sản xuất rộng rãi, có mặt ở nhiều thị trường và có nhiều dạng sản phẩm (tấm, thanh, phôi đã tôi cứng, phôi phẳng). Việc ứng dụng rộng rãi trong chế tạo dụng cụ giúp giá thành sản phẩm ở mức vừa phải.
• D3 ít phổ biến hơn và do đó thường đắt hơn tính theo kilôgam; khả năng cung cấp có thể bị giới hạn ở các nhà cung cấp chuyên dụng hoặc các sản phẩm nóng chảy theo đơn đặt hàng. Ngoài ra, chi phí gia công và chế tạo dụng cụ cho D3 thường cao hơn do hàm lượng cacbua mài mòn và tuổi thọ dụng cụ ngắn hơn.
• Đối với kế hoạch mua sắm, cần xem xét tổng chi phí vòng đời (bao gồm gia công, xử lý nhiệt, tuổi thọ sử dụng và chu kỳ mài lại) thay vì chỉ xem xét giá nguyên liệu thô.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	D2	Ngày 3
Khả năng hàn	Khó (nhưng tốt hơn D3)	Khó hơn (rủi ro cao hơn do C cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt hơn ở độ cứng nhất định	Độ cứng đỉnh cao và khả năng chống mài mòn cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi, giá cả phải chăng	Ít phổ biến hơn, chi phí vật liệu và chế biến cao hơn

Khuyến nghị kết luận - Chọn D2 nếu: bạn cần thép dụng cụ gia công nguội cân bằng, có khả năng chống mài mòn cao, độ bền gãy và độ ổn định kích thước tốt hơn. Các trường hợp điển hình: phôi gia công dài hạn, khuôn dập đa năng, các ứng dụng chịu va đập hoặc lệch tâm không liên tục. - Chọn D3 nếu: chế độ hỏng hóc chính là mài mòn và bạn có thể thiết kế để tránh va đập hoặc sốc; nếu mục tiêu chính là tối đa hóa độ cứng và thời gian giữa các lần mài lại và chi phí chế tạo/gia công cao hơn có thể chấp nhận được.

Lưu ý cuối cùng: cả hai loại đều yêu cầu thông số kỹ thuật cẩn thận về xử lý nhiệt, ảnh hưởng của kích thước tiết diện và bảo vệ sau xử lý. Luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy, bảng dữ liệu kỹ thuật của nhà cung cấp và, đối với các công cụ quan trọng, hãy thực hiện xác nhận ứng dụng cụ thể (thử nghiệm nguyên mẫu và phân tích chế độ hỏng) trước khi triển khai sản xuất toàn diện.