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 được chỉ định phổ biến nhất cho các ứng dụng gia công nguội và chịu mài mòn cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường xuyên cân nhắc giữa khả năng chống mài mòn, độ bền, chi phí và khả năng sản xuất khi lựa chọn. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thực tế thường tập trung vào việc tiêu chuẩn và chuỗi cung ứng nào thuận tiện nhất trong khi vẫn đảm bảo độ cứng và tuổi thọ cần thiết — nói tóm lại, cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và phản ứng xử lý nhiệt với độ giòn khi sử dụng và độ khó chế tạo.

Cả hai loại thép này đều rất giống nhau về mặt hóa học và chức năng: một loại được định nghĩa trong tiêu chuẩn Bắc Mỹ/Châu Âu và loại còn lại theo tiêu chuẩn Nhật Bản, và chúng thường được coi là gần tương đương nhau trong bản vẽ và thông số kỹ thuật. Sự khác biệt nhỏ về dung sai thành phần, giới hạn tạp chất và xử lý nhiệt thương mại (và do đó hiệu suất trong các ứng dụng khắc nghiệt hoặc quy trình cụ thể) là những lý do chính khiến chúng tiếp tục được so sánh.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• AISI/ASTM: AISI D2 / UNS T30402, thường được tham chiếu ở Bắc Mỹ.
• JIS: SKD11 (JIS G4404), thường được tham chiếu ở Nhật Bản và nhiều chuỗi cung ứng châu Á.
• EN / ISO: EN 1.2379 (thường được sử dụng làm mã định danh châu Âu cho họ này).
• GB: Các chất tương đương của Trung Quốc thường được xác định theo tên dòng Cr (ví dụ: biến thể Cr12MoV) trong các tiêu chuẩn GB.

Phân loại: Cả D2 và SKD11 đều là thép dụng cụ gia công nguội có hàm lượng cacbon cao, hàm lượng crom cao (loại thép dụng cụ, không phải thép không gỉ). Chúng được hợp kim hóa để có khả năng chống mài mòn và độ cứng cao, và được sử dụng chủ yếu trong khuôn dập nguội, dụng cụ cắt và các chi tiết chịu mài mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%). Các giá trị là phạm vi điển hình được sử dụng trong thương mại; tham khảo giấy chứng nhận của nhà máy để biết thành phần hóa học của lô chính xác.

Yếu tố	Điển hình — AISI D2 (wt%)	Tiêu chuẩn — JIS SKD11 (wt%)
C	1,40 – 1,60	1,40 – 1,60
Mn	0,30 – 1,00	0,10 – 1,00
Si	0,20 – 0,60	0,10 – 0,60
P	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	0,70 – 1,20	0,20 – 1,00
V	0,30 – 1,10	0,20 – 0,80
Nb/Ti/B	thường không có hoặc có dấu vết	thường không có hoặc có dấu vết
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Cả hai loại đều dựa vào hàm lượng cacbon và crom cao để tạo thành ma trận martensitic với mật độ dày đặc các cacbua giàu crom (góp phần chống mài mòn). - Molypden và vanadi được thêm vào để tinh chỉnh loại và phân bố cacbua, tăng khả năng tôi và cải thiện phản ứng tôi thứ cấp. Sự khác biệt nhỏ về phạm vi Mo và V giữa các tiêu chuẩn có thể ảnh hưởng đến hình thái cacbua và đặc tính ram. - Phốt pho và lưu huỳnh được kiểm soát ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và khả năng gia công.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn thông qua sự hình thành martensite và carbide nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Crom (mức cao) tạo ra crom cacbua cứng và cải thiện khả năng làm cứng; ở mức này, nó mang lại khả năng chống ăn mòn hạn chế nhưng không làm cho thép không gỉ. - Vanadi và molypden tạo ra cacbua cứng, ổn định và làm chậm quá trình thô hóa của cacbua trong quá trình ram, cải thiện khả năng chống mài mòn và độ cứng nóng. - Silic và mangan có ở mức vừa phải để khử oxy và tăng độ bền.

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

Cấu trúc vi mô điển hình (sau khi xử lý nhiệt tiêu chuẩn): ma trận martensitic chứa mạng lưới/phân tán các hợp kim cacbua giàu crom (chủ yếu là loại M7C3/M23C6 tùy thuộc vào thành phần hóa học và phương pháp xử lý) cộng với các hợp kim cacbua MC cứng hơn khi hàm lượng vanadi đáng kể.

Đặc điểm xử lý nhiệt: - Ủ / điều kiện mềm: cacbua hình cầu trong ma trận ferritic/pearlitic để dễ gia công (thường được sử dụng để gia công trước). - Làm cứng: nhiệt độ austenit hóa cao (thường nằm trong phạm vi phù hợp với thép có hàm lượng C cao và hàm lượng Cr cao) tạo ra nền martensitic khi tôi. Do hàm lượng Cr và hợp kim cao hơn, các chi tiết cần được austenit hóa ở mức cao và làm nguội có kiểm soát để tránh nứt. - Ram: một chuỗi các chu trình ram đạt được độ cứng và độ dai mong muốn. Quá trình tôi thứ cấp (do sự kết tủa của các cacbua giàu Mo và V) có thể xảy ra; việc lựa chọn nhiệt độ ram ảnh hưởng đáng kể đến độ dai cuối cùng và austenit giữ lại. - Chuẩn hóa và xử lý nhiệt cơ: vai trò hạn chế so với làm nguội và ram vì các cacbua có sẵn quyết định hành vi mài mòn; tuy nhiên, rèn/chuẩn hóa có kiểm soát có thể đồng nhất hóa sự phân bố cacbua và giảm sự phân tách.

Sự khác biệt giữa D2 và SKD11: - Sự khác biệt về cấu trúc vi mô rất khó nhận biết và chủ yếu phát sinh từ dung sai hóa học nhỏ và quy trình sản xuất. Một tiêu chuẩn có thể chỉ định hàm lượng vanadi hoặc molypden cao hơn một chút, tạo ra các cacbua MC mịn hơn và khả năng chống mài mòn được cải thiện đôi chút sau khi xử lý nhiệt. Trong hầu hết các ứng dụng, những khác biệt này chỉ là thứ yếu so với việc kiểm soát quá trình xử lý nhiệt và chế biến.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất điển hình sau khi làm nguội và ram thích hợp (đại diện — phụ thuộc vào quy trình).

Tài sản	AISI D2 (phạm vi điển hình)	JIS SKD11 (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo	~1000 – 2000 MPa (tùy thuộc vào quy trình)	~1000 – 2000 MPa (tùy thuộc vào quy trình)
Sức chịu lực	Không thường được chỉ định riêng; cao và gần với UTS ở trạng thái cứng	Tương tự
Độ giãn dài (Ao)	~3 – 12% (giảm khi độ cứng tăng)	~3 – 12%
Độ bền va đập (Charpy)	Thấp đến trung bình; phụ thuộc nhiều vào quá trình tôi luyện	Thấp đến trung bình; tương tự
Độ cứng (HRC)	Thông thường là 55 – 62 HRC sau khi tôi cứng và ram	Thông thường là 55 – 62 HRC

Giải thích: - Cả hai loại thép đều đạt độ cứng và độ bền kéo cao khi được xử lý nhiệt đúng cách. Độ dẻo và khả năng chống va đập bị hạn chế ở độ cứng cao; tôi luyện ở độ cứng thấp hơn giúp tăng độ dẻo dai nhưng lại làm giảm tuổi thọ. - Cả hai loại thép này đều không “bền” so với thép kết cấu hợp kim thấp — mục tiêu thiết kế của chúng là khả năng chống mài mòn ở độ cứng cao. Những khác biệt nhỏ về thành phần hóa học có thể thay đổi điểm cân bằng tối ưu, nhưng không làm thay đổi hành vi cơ bản.

5. Khả năng hàn

Hàm lượng cacbon và crom cao làm tăng khả năng tôi cứng và thể tích cacbua; cả hai yếu tố này đều làm giảm khả năng hàn. Những cân nhắc chính: - Xử lý nhiệt trước và sau khi hàn (PWHT) thường là cần thiết để tránh nứt nguội và để tôi luyện martensite hình thành trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. - Sự kết tủa và phân tách cacbua có thể làm phức tạp thêm tính chất của vùng hàn nóng chảy.

Các biểu thức dự đoán hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Chỉ số $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy cần phải gia nhiệt trước và kiểm soát PWHT chặt chẽ hơn, đồng thời tăng khả năng nứt.

• Tham số quốc tế $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Tương tự, giá trị $P_{cm}$ cao hơn cho thấy quy trình hàn nghiêm ngặt hơn.

Hướng dẫn định tính: - Cả D2 và SKD11 đều khó hàn trong điều kiện tôi cứng; hàn thường được tránh, ngoại trừ khi sửa chữa bằng các quy trình chuyên biệt (gia nhiệt sơ bộ có kiểm soát, đầu vào nhiệt thấp, kim loại điền đầy phù hợp và PWHT). Hàn đồng, gia công cơ khí, hoặc tạo hình bằng EDM và tạo hình bằng hợp kim điền đầy tương thích là những phương án thay thế phổ biến.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Những loại thép này không phải là thép không gỉ mặc dù có hàm lượng Cr cao; crom chủ yếu có mặt để tạo thành cacbua cứng. Khả năng chống ăn mòn chỉ ở mức trung bình so với thép không gỉ.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: sơn, lớp phủ polymer, phosphat hóa và mạ điện để chống ăn mòn trong khí quyển — và mạ kẽm nếu cần (lưu ý đến độ giòn của lớp phủ ở các cạnh sắc). Đối với dụng cụ, các phương pháp xử lý bề mặt như thấm nitơ, lớp phủ lắng đọng hơi vật lý (PVD) (TiN, DLC) hoặc mạ crôm cứng được sử dụng để kéo dài tuổi thọ và giảm ma sát/mài mòn.
• PREN không áp dụng cho thép dụng cụ không phải thép không gỉ, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này chỉ có ý nghĩa đối với các hợp kim thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn đáng kể—D2/SKD11 không được đánh giá theo cách này.

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

• Gia công: Cả hai đều tương đối dễ gia công ở trạng thái ủ sau khi cầu hóa. Ở trạng thái tôi cứng, chúng khó gia công và thường được gia công bằng phương pháp mài, EDM hoặc gia công cacbua cắt chậm với các thiết lập cứng.
• Tạo hình và uốn: Hạn chế ở trạng thái tôi cứng; nên tạo hình ở trạng thái ủ. Nguy cơ nảy ngược và nứt tăng theo hàm lượng cacbon và độ cứng.
• Hoàn thiện bề mặt: Mài và đánh bóng là tiêu chuẩn đối với các công cụ cuối cùng; xử lý bằng nhiệt độ thấp và phủ PVD thường được sử dụng để kéo dài tuổi thọ.
• Xử lý nhiệt và nứt khi tôi: Do khả năng làm cứng cao nên việc kiểm soát mức độ làm tôi và hình dạng chi tiết là điều cần thiết để tránh nứt khi tôi và biến dạng.

8. Ứng dụng điển hình

AISI D2 – Ứng dụng điển hình	JIS SKD11 – Ứng dụng điển hình
Lưỡi cắt khuôn, dao cắt, lưỡi cắt, khuôn dập và khuôn cắt	Đục lỗ, khuôn chính xác, lưỡi cắt, dao cắt
Tấm mài mòn, khuôn tạo hình, dụng cụ đùn cho vật liệu không chứa sắt	Khuôn dập nguội, khuôn nhựa chèn cho một số ứng dụng (đã được làm cứng trước)
Gia công kim loại tấm dài hạn, gia công cán cho cán nhẹ	Dụng cụ mài mòn cao khi nguồn cung từ các nhà máy theo tiêu chuẩn JIS thuận tiện

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng các loại thép này khi cần khả năng chống mài mòn cao ở độ cứng cao và yêu cầu độ dẻo dai ở mức trung bình. Lựa chọn dựa trên chế độ mài mòn cụ thể (bám dính hay mài mòn), hình dạng chi tiết và lộ trình gia công. Đối với nhu cầu chịu va đập mạnh hoặc độ dẻo dai cao, hãy cân nhắc các loại thép dụng cụ thay thế (ví dụ: AISI O1 cho độ dẻo dai trung bình hoặc thép H-series cho gia công nóng).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai đều là chi phí trung bình cho thép công cụ; giá cả phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim, kích thước thanh/tấm và vị trí thị trường. Sự khác biệt nhỏ về Mo và V có thể ảnh hưởng đôi chút đến giá.
• Tình trạng sẵn có: D2 được cung cấp rộng rãi ở Bắc Mỹ và Châu Âu; SKD11 thường được lưu kho tại Nhật Bản và Châu Á. Mạng lưới nhà máy toàn cầu đồng nghĩa với việc cả hai loại thép này thường có sẵn trên toàn thế giới, nhưng kích thước phôi, sản phẩm tấm tôi cứng trước và hình dạng thanh thép sẽ khác nhau tùy theo khu vực.
• Hình dạng sản phẩm: Thanh tròn, thanh phẳng, tấm, khối tôi cứng trước và phôi mài chính xác; khối EDM và tấm tôi cứng trước thường được cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh (định tính).

Đặc điểm	AISI D2	JIS SKD11
Khả năng hàn	Kém đến thách thức	Kém đến thách thức
Sự đánh đổi giữa sức mạnh và độ bền	Độ mài mòn rất cao làm giảm độ bền	Độ mài mòn rất cao làm giảm độ bền
Chi phí / Khả năng cung cấp tại địa phương	Có sẵn rộng rãi ở NA/EU; giá cả phải chăng	Có sẵn rộng rãi ở Nhật Bản/Châu Á; giá cả phải chăng

Chọn D2 nếu... - Chuỗi cung ứng hoặc bản vẽ của bạn tham chiếu đến các tiêu chuẩn Bắc Mỹ/Châu Âu và bạn cần loại thép dụng cụ gia công nguội chịu mài mòn cao với sự hỗ trợ rộng rãi từ nhà cung cấp tại các khu vực đó. - Bạn cần có các phương pháp xử lý nhiệt cụ thể hoặc chứng nhận của nhà cung cấp theo tiêu chuẩn ASTM/AISI/EN. - Bạn thích các mục tiêu Mo/V hơi khác nhau đôi khi được cung cấp theo thông số kỹ thuật D2 để cải thiện đáng kể khả năng làm cứng thứ cấp.

Chọn SKD11 nếu... - Cơ sở mua sắm hoặc sản xuất của bạn hoạt động theo thông số kỹ thuật của JIS và bạn muốn có sự ổn định về nguồn cung tại địa phương, thời gian giao hàng ngắn hơn hoặc có lợi thế về chi phí từ các nhà máy ở Châu Á. - Ứng dụng của khuôn mẫu là khuôn mẫu gia công nguội tiêu chuẩn (dập phôi, cắt khuôn, cắt xẻ) trong đó SKD11 thường được dự trữ và xử lý nhiệt. - Bạn muốn tìm nguồn cung cấp có chứng chỉ chất lượng/hóa chất theo tiêu chuẩn JIS để kiểm soát nhà cung cấp.

Lưu ý cuối cùng: Đối với các dụng cụ quan trọng và chi tiết có giá trị cao, hãy chỉ định phạm vi độ cứng cần thiết, mục tiêu độ bền sau xử lý nhiệt và yêu cầu chứng chỉ nhà máy và hồ sơ xử lý nhiệt. Sự khác biệt nhỏ về thành phần hóa học và quy trình giữa D2 và SKD11 thường không quan trọng bằng việc xử lý nhiệt nhất quán, kiểm soát cacbua và hoàn thiện bề mặt để đạt được tuổi thọ dụng cụ lâu dài.