D2 so với SKD11 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

D2 và SKD11 là hai loại thép công cụ gia công nguội có hàm lượng cacbon cao, crom cao được chỉ định phổ biến nhất trên toàn thế giới. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa chúng khi chỉ định khuôn, chày, lưỡi cắt và các thành phần chống mài mòn: ưu tiên khả năng chống mài mòn và độ ổn định kích thước, hay ưu tiên tính khả dụng tại địa phương, tuyến đường gia công và chi phí chuỗi cung ứng. Lựa chọn thực tế thường ít phụ thuộc vào sự khác biệt lớn về công nghệ luyện kim mà phụ thuộc nhiều hơn vào tuyến đường xử lý nhiệt, quy trình gia công của nhà cung cấp (ví dụ: nấu chảy chân không so với phương pháp thông thường) và dạng phôi theo khu vực.

Ở cấp độ cao hơn, sự khác biệt chính nằm ở nguồn gốc tiêu chuẩn: một loại có lịch sử gắn liền với truyền thống thép công cụ của Hoa Kỳ/Châu Âu, còn loại kia gắn liền với hệ thống JIS của Nhật Bản. Về mặt hóa học và chức năng, chúng gần như tương đương nhau, nhưng những khác biệt nhỏ về thành phần và quy trình chế tạo tạo ra những khác biệt tinh tế về độ tôi, sự phân bố cacbua và khả năng kiểm soát tạp chất, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng khi sử dụng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• D2: Thường được tìm thấy trong AISI/ASTM/SAE (AISI D2 / ASTM A681, v.v.), EN (dưới dạng X155CrVMo12 hoặc các ký hiệu tương tự tùy theo nguồn) và các ký hiệu khu vực khác. Được phân loại là thép dụng cụ gia công nguội có hàm lượng cacbon cao, hàm lượng crom cao.
• SKD11: Tiêu chuẩn JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản), thường được ký hiệu là SKD11 (tương đương với họ D2). Cũng được sản xuất theo tiêu chuẩn ISO và bởi các nhà sản xuất thép Nhật Bản với mã sản phẩm riêng.
• Thể loại: Cả hai đều là thép dụng cụ không gỉ (hàm lượng crom cao nhưng chủ yếu dùng làm thép dụng cụ chống mài mòn chứ không phải thép không gỉ chống ăn mòn). Chúng là thép dụng cụ hợp kim, được thiết kế cho các ứng dụng gia công nguội và chịu mài mòn nặng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Phạm vi điển hình — D2 (điển hình AISI/ASTM)	Phạm vi điển hình — SKD11 (tiêu chuẩn JIS)
C	1,40–1,60% khối lượng	1,40–1,60% khối lượng
Mn	0,30–0,60% khối lượng	0,20–0,60% khối lượng
Si	0,20–0,60% khối lượng	0,20–0,60% khối lượng
P	≤0,03% khối lượng	≤0,03% khối lượng
S	≤0,03% khối lượng	≤0,03% khối lượng
Cr	11,0–13,0% khối lượng	11,0–13,0% khối lượng
Ni	≤0,30% khối lượng	≤0,30% khối lượng
Mo	0,70–1,20% khối lượng	0,70–1,20% khối lượng
V	0,80–1,20% khối lượng	0,70–1,20% khối lượng
Lưu ý	—	dấu vết (hiếm)
Ti	—	dấu vết (hiếm)
B	—	dấu vết (hiếm)
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Phạm vi chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn, nhà sản xuất thép và lô sản phẩm. Bảng liệt kê các phạm vi danh nghĩa thường được công bố. - Chiến lược hợp kim: Hàm lượng cacbon cao cộng với hàm lượng crom cao tạo ra một ma trận hình thành các cacbua crom cứng dồi dào (loại M7C3/M23C6 chính và cacbua MC giàu V/Mo), mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Mo và V tinh luyện các cacbua, tăng khả năng tôi thứ cấp và cải thiện khả năng chịu nhiệt độ cao; Si và Mn hỗ trợ quá trình khử oxy và tăng cường độ bền; hàm lượng P và S thấp được kiểm soát để tránh giòn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ: cacbua cầu hóa trong nền ferit hoặc perlit (mềm để gia công và định hình). - Sau khi austenit hóa và tôi: nền martensitic với tỷ lệ thể tích cao các cacbua crom cứng và các cacbua loại MC thứ cấp (giàu V/Mo). Do hàm lượng cacbua lớn, độ cứng và khả năng chống mài mòn của nền cao nhưng độ dẻo dai lại khiêm tốn so với thép dụng cụ cacbon thấp. - Quá trình tôi luyện tạo ra độ dẻo dai được duy trì bằng cách giảm độ giòn của martensite trong khi vẫn bảo quản được cacbua để chống mài mòn.

Hành vi xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (hoặc ủ dưới tới hạn) làm mịn kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô, nhưng quá trình tôi hoàn toàn đòi hỏi phải austenit hóa thích hợp và làm nguội nhanh. - Làm nguội và ram: D2/SKD11 được tôi luyện bằng không khí ở một mức độ nhất định, nhưng nhiều quy trình gia công sử dụng tôi luyện bằng dầu/nước tùy thuộc vào kích thước tiết diện và tính chất mong muốn. Ram theo nhiều chu kỳ thường được sử dụng để ổn định kích thước và giảm austenit dư. - Xử lý nhiệt cơ học (ví dụ, khử khí chân không, rèn và cán có kiểm soát) có thể tạo ra các loại cacbua mịn hơn và hàm lượng tạp chất thấp hơn; SKD11/D2 rèn, nóng chảy chân không thường có độ dẻo dai và hiệu suất chịu mỏi được cải thiện so với sản phẩm nóng chảy thông thường.

4. Tính chất cơ học

Tính chất (điển hình; phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	D2 (phạm vi điển hình)	SKD11 (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (đã tôi cứng và ram)	1200–2200 MPa	1200–2200 MPa
Độ bền kéo (đã tôi cứng và ram)	800–1600 MPa	800–1600 MPa
Độ giãn dài (A%, cứng)	2–8%	2–8%
Độ bền va đập (Charpy V‑notch, tôi luyện)	thấp đến trung bình; ~3–20 J	thấp đến trung bình; ~3–20 J
Độ cứng (ủ)	~170–220 HB (≈ 160–220 HB)	~170–220 HB
Độ cứng (đã tôi luyện và ram)	HRC 56–62 (phạm vi dịch vụ điển hình 57–60 HRC)	HRC 56–62 (phạm vi dịch vụ điển hình 57–60 HRC)

Giải thích: - Cả hai loại thép đều có độ cứng rất cao và khả năng chống mài mòn tuyệt vời nhờ hàm lượng cacbua dồi dào. Độ bền kéo và độ bền chảy cao sau khi tôi cứng; độ giãn dài và độ bền va đập tương đối thấp so với thép cacbon thấp. - Sự khác biệt nhỏ: SKD11 và D2 ​​chồng chéo nhau đáng kể. Sự khác biệt nhỏ về vanadi, molypden hoặc phương pháp nấu chảy/khử khí có thể dẫn đến độ dai hoặc khả năng kiểm soát kích thước cacbua hơi khác nhau.

5. Khả năng hàn

Hàm lượng carbon cao và hàm lượng crom đáng kể khiến cả hai loại thép này đều khó hàn: - Độ cứng cao và hàm lượng cacbon tương đương dự đoán nguy cơ hình thành martensite, nứt nguội và nứt do hydro trong và gần mối hàn. - Công thức dự đoán hữu ích (diễn giải theo hướng định tính): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số Pcm (bảo thủ hơn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Diễn giải: Cả D2 và SKD11 thường cho giá trị CE và Pcm cao, biểu thị khả năng hàn thấp. Hướng dẫn thực tế: - Tránh hàn nếu có thể—nên sử dụng phương pháp nối cơ học, hàn đồng (có cân nhắc đến việc làm nóng trước) hoặc thiết kế lại. - Nếu cần hàn: sử dụng kim loại hàn có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt trước ở mức vừa đủ (thường là 150–300 °C tùy thuộc vào độ dày), kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và thực hiện xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) — thường là ram để giảm ứng suất và giảm độ cứng. - Đối với các dụng cụ quan trọng, hãy cân nhắc chỉ sử dụng các thành phần hàn ở những khu vực không chịu ứng suất cao hoặc sử dụng các kỹ thuật chèn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả D2 và SKD11 đều không phải là thép không gỉ mặc dù hàm lượng crom tương đối cao (~11–13%): hàm lượng cacbon cao tạo thành crom cacbua và làm giảm hàm lượng crom nền xuống dưới mức cần thiết cho khả năng chống ăn mòn thụ động. Do đó, môi trường điển hình sẽ thúc đẩy quá trình oxy hóa và ăn mòn theo thời gian.
• Các tùy chọn bảo vệ bề mặt:
• Lớp phủ: Lớp phủ cứng PVD/CVD (TiN, AlTiN, DLC) có khả năng chống mài mòn và ăn mòn trượt.
• Quá trình mạ hoặc điện hóa có thể thực hiện được nhưng có thể bị hạn chế do độ bám dính trên các bề mặt rất cứng.
• Xử lý rào cản: sơn, phủ dầu hoặc lớp phủ chuyển đổi cho các ứng dụng lưu trữ và ít mài mòn.
• Đối với môi trường ăn mòn mạnh, hãy chọn hợp kim chống ăn mòn (thép dụng cụ không gỉ hoặc thép phủ).
• Công thức PREN về khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ không áp dụng ở đây, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — D2/SKD11 không đạt hoặc không có ý định đạt ngưỡng PREN về khả năng chống ăn mòn.

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

• Gia công: Hiệu quả tốt nhất khi được thực hiện ở trạng thái làm mềm/ủ; độ cứng ủ thông thường khoảng 170–220 HB. Độ cứng trên 45 HRC làm giảm đáng kể tốc độ gia công thông thường; mài hoặc EDM thường được sử dụng cho các kích thước hoàn thiện.
• Mài và EDM: Cả hai loại đều đáp ứng tốt với quá trình mài và EDM; hàm lượng cacbua ảnh hưởng đến lựa chọn bánh xe và thông số tia lửa.
• Tạo hình và uốn: Hạn chế khi tôi cứng. Trong điều kiện ủ, có thể tạo hình nguội nhưng có thể xảy ra hiện tượng đàn hồi và nứt cacbua. Để tạo hình chính xác, hãy xử lý nhiệt hoặc cơ học trước khi tạo hình.
• Hoàn thiện bề mặt: Sự phân tán cacbua có thể tạo ra vết dụng cụ; việc hoàn thiện và đánh bóng thường đòi hỏi sự cẩn thận đối với các dụng cụ có yêu cầu độ nhám bề mặt thấp.

8. Ứng dụng điển hình

D2 — Công dụng điển hình	SKD11 — Công dụng điển hình
Khuôn dập và đột dập nguội (dập, đột dập)	Khuôn dập nguội và khuôn đột dập
Lưỡi cắt, lưỡi cắt và dao cắt	Lưỡi cắt, dao cắt tỉa và lưỡi cắt
Dụng cụ kéo và đùn nguội	Dụng cụ kéo và đùn nguội
Các bộ phận mài mòn, khuôn cán, khuôn cắt	Khuôn dập liên tục và dụng cụ chính xác
Khuôn đùn cho một số vật liệu không mài mòn	Khuôn mẫu và dụng cụ chính xác cần kiểm soát cacbua mịn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép có yêu cầu khả năng chống mài mòn cao, độ ổn định kích thước và khả năng giữ cạnh ở nhiệt độ làm việc trung bình. Việc lựa chọn thường phụ thuộc vào tính khả dụng, chuyên môn của nhà cung cấp, khả năng xử lý nhiệt và liệu vật liệu cần nung chảy chân không hay rèn để có độ bền cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Nhìn chung tương đương nhau; cả hai đều có giá từ trung bình đến cao do hàm lượng hợp kim và yêu cầu xử lý. Giá cả dao động theo thị trường hợp kim toàn cầu (Cr, V, Mo) và quy trình xử lý (chân không so với thông thường).
• Tình trạng sẵn có: D2 được cung cấp rộng rãi ở Bắc Mỹ và Châu Âu; SKD11 thường được các nhà cung cấp Châu Á dự trữ. Các chuỗi cung ứng toàn cầu thường dự trữ cả hai loại thép này dưới nhiều tên thương mại và hình thức khác nhau (thanh, tấm, khối đã tôi cứng).
• Dạng sản phẩm: SKD11 có thể có sẵn ở một số kích thước hệ mét hoặc dạng đã tôi cứng ở Châu Á; D2 có thể có hệ sinh thái nhà cung cấp rộng hơn ở những khu vực trước đây áp dụng tiêu chuẩn ASTM/AISI.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	D2	SKD11
Khả năng hàn	Thấp	Thấp
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng cao/chống mài mòn; độ dẻo dai vừa phải	Rất giống nhau; sự khác biệt nhỏ phụ thuộc vào quá trình nấu chảy và chế biến
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi trên thị trường Hoa Kỳ/EU	Có sẵn rộng rãi ở Châu Á; giá chung tương tự

Khuyến nghị: - Chọn D2 nếu bạn muốn nhà cung cấp và nguồn cung vật liệu tuân thủ các quy ước ASTM/AISI, hoặc nếu kho/quy trình xử lý tại địa phương (xử lý nhiệt, nấu chảy chân không, dịch vụ EDM) cho D2 dễ tiếp cận hơn. D2 là lựa chọn mặc định an toàn cho các thông số kỹ thuật thép công cụ gia công nguội trong nhiều chuỗi cung ứng phương Tây. - Chọn SKD11 nếu bạn đang tìm nguồn cung ứng ở châu Á hoặc ưa chuộng quy trình gia công và kiểm soát chất lượng theo phong cách Nhật Bản, hoặc khi nhà cung cấp có thể cung cấp SKD11 đúc chân không hoặc rèn với quy trình kiểm soát tạp chất và khả năng truy xuất nguồn gốc xử lý nhiệt đã được ghi chép. SKD11 về cơ bản là đối tác của JIS và có thể tiết kiệm hơn hoặc dễ dàng tìm thấy trên các kênh mua sắm ở châu Á.

Lưu ý cuối cùng: Về mặt luyện kim, D2 và SKD11 gần như tương đương nhau; do đó, các yếu tố quyết định cho thông số kỹ thuật kỹ thuật nên là thông số xử lý nhiệt, chất lượng luyện kim của nhà cung cấp (tạp chất, nấu chảy chân không), hình dạng kích thước và tính thực tế của chế tạo tại chỗ và xử lý sau thay vì mong đợi sự khác biệt lớn về hiệu suất nội tại.