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

Giới thiệu

D2 và D3 là loại thép dụng cụ gia công nguội được sử dụng rộng rãi, được chọn cho dao, khuôn, lưỡi cắt và các chi tiết chịu mài mòn, những bộ phận đòi hỏi khả năng chống mài mòn rất quan trọng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường xuyên phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép dụng cụ có hàm lượng crom cao, hàm lượng carbon cao, hơi khác nhau khi xác định các chi tiết cần cân bằng giữa tuổi thọ chịu mài mòn, khả năng giữ lưỡi, khả năng sản xuất và chi phí.

Sự khác biệt chính về vận hành giữa hai loại thép này là một loại có tỷ lệ cacbua tôi cao hơn (do hàm lượng cacbon và các nguyên tố tạo cacbua cao hơn) nhưng lại làm giảm độ bền tổng thể, trong khi loại còn lại cân bằng giữa khả năng chống mài mòn cao với độ bền và độ ổn định kích thước tốt hơn một chút. Vì cả hai thường có sẵn ở dạng sản phẩm tương tự (thanh, tấm và phôi tôi trước), nên chúng thường được so sánh về thiết kế vì một thay đổi nhỏ về hóa học hoặc xử lý nhiệt có thể làm thay đổi đáng kể tuổi thọ, nguy cơ gãy giòn và chi phí chế tạo sau này.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung nơi xuất hiện D2 và D3:
• ASTM / ASME: A681 (thép công cụ), tài liệu tham khảo sê-ri A600 về thông số kỹ thuật của thép công cụ
• EN: Ký hiệu thép công cụ EN ISO (có thể thay đổi)
• JIS: Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản (lớp thép dụng cụ)
• GB: Tiêu chuẩn thép công cụ của Trung Quốc
• Phân loại:
• Cả D2 và D3 đều là thép dụng cụ gia công nguội có hàm lượng cacbon cao, crom cao (họ thép dụng cụ, loại “D” — gia công nguội, hàm lượng crom cao).
• Chúng không phải là thép dụng cụ không gỉ theo nghĩa chống ăn mòn, cũng không phải là thép HSLA hay thép cacbon kết cấu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

• Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình được sử dụng trong công nghiệp. Giá trị chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật hoặc máy gia nhiệt; hãy coi các phạm vi này mang tính đại diện hơn là chỉ định.

Yếu tố	Phạm vi điển hình — D2 (wt%)	Phạm vi điển hình — D3 (wt%)
C	1,40 – 1,60	1,80 – 2,20
Mn	0,30 – 0,60	0,30 – 0,60
Si	0,20 – 0,40	0,20 – 0,40
P	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	11.0 – 13.0	11,0 – 14,0
Ni	≤ 0,30 (thường không đáng kể)	≤ 0,30 (thường không đáng kể)
Mo	0,70 – 1,20	0,30 – 1,00
V	0,10 – 0,60	0,30 – 2,00
Nb / Ti / B	Theo dõi đến 0,05 (nếu có)	Theo dõi đến 0,05 (nếu có)
N	Dấu vết	Dấu vết

Ghi chú: - D2 thường hướng đến sự cân bằng giữa hàm lượng crom cao và molypden vừa phải với vanadi vừa phải; nó tạo thành hỗn hợp các cacbua phức hợp (chủ yếu là loại M7C3, M23C6 và MC). - D3 thường chứa nhiều cacbon hơn và thường có nhiều vanadi hoặc các chất tạo thành cacbua khác theo tỷ lệ làm tăng cacbua chính (lớn) và tổng thể tích của cacbua cứng, giúp tăng khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo dai của ma trận.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon, Cr, V, Mo: ảnh hưởng đến tỷ lệ thể tích cacbua, độ cứng và khả năng tôi. Nhiều cacbon và vanadi hơn → cacbua cứng, ổn định hơn → khả năng chống mài mòn cao hơn. - Crom ở mức 11–14% cải thiện khả năng làm cứng và thúc đẩy quá trình hình thành cacbua nhưng không mang lại hiệu suất thép không gỉ cho các loại thép này (ma trận liên tục vẫn dễ bị ăn mòn nếu không có lớp phủ bảo vệ). - Molypden và vanadi làm mịn kích thước và phân bố cacbua, đồng thời cải thiện khả năng chịu nhiệt và tôi thứ cấp.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cả hai loại thép ở điều kiện ủ đều có nền ferritic (hoặc bainit tùy thuộc vào quy trình chế biến) với sự phân tán các cacbua giàu crom. D3 có xu hướng cho thấy tỷ lệ thể tích cao hơn của các cacbua sơ cấp lớn hơn do hàm lượng cacbon và/hoặc chất tạo thành cacbua cao hơn.
• Hành vi xử lý nhiệt:
• D2: tôi trong không khí; phản ứng tốt với quá trình nung nóng trước, austenit hóa (thường ở khoảng 1000–1020 °C tùy theo hướng dẫn của nhà cung cấp), làm nguội chậm để giảm thiểu biến dạng và các chu kỳ ram để đạt được độ cứng và độ dai mong muốn. D2 thể hiện độ ổn định kích thước tốt khi tôi trong không khí hoặc dầu tĩnh, và phát triển quá trình tôi thứ cấp từ hợp kim Mo/V.
• D3: đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ quá trình austenit hóa và ram vì hàm lượng cacbua cao hơn làm giảm thể tích ma trận dẻo. Nó có thể đạt được độ cứng cao hơn sau khi ram nhưng dễ bị nứt hơn trong quá trình tôi/ram và có thể dễ bị hỏng giòn nghiêm trọng hơn nếu quá trình ram không đủ.
• Các tuyến xử lý:
• Chuẩn hóa/tinh chỉnh: cả hai đều được hưởng lợi từ các chu trình chuẩn hóa thích hợp để phá vỡ các cacbua đúc sẵn và tạo ra kích thước hạt austenit trước đồng đều hơn.
• Xử lý nhiệt cơ học: kiểm soát hạt mịn và đồng nhất hóa làm giảm nguy cơ các cacbua nguyên sinh lớn đóng vai trò là vị trí bắt đầu nứt, đặc biệt quan trọng đối với D3.

4. Tính chất cơ học

• Các giá trị này phụ thuộc rất nhiều vào mục tiêu xử lý nhiệt (độ cứng) và hình dạng sản phẩm. Bảng dưới đây tóm tắt các phạm vi tôi/ram điển hình được sử dụng trong thực tế sản xuất.

Tài sản	Điển hình — D2 (đã xử lý nhiệt)	Điển hình — D3 (đã xử lý nhiệt)
Độ bền kéo (MPa)	~900 – 1.700	~1.000 – 1.900
Giới hạn chảy (MPa)	~700 – 1.400	~800 – 1.600
Độ giãn dài (%)	~4 – 12	~2 – 6
Độ bền va đập (Charpy V, J)	~10 – 30 (tùy thuộc vào độ cứng)	~5 – 20 (trung bình thấp hơn)
Độ cứng (HRC)	~56 – 62 điển hình; có thể được điều chỉnh để thấp hơn	~58 – 64 điển hình; có thể đạt HRC đỉnh cao hơn

Giải thích: - D3 thường có độ cứng cạnh cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn do hàm lượng cacbua và hàm lượng cacbon tổng thể cao hơn, nhưng điều này lại làm giảm độ dẻo và độ bền va đập. - D2 thường được chọn khi cần sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và khả năng chống mài mòn; nó ít bị mẻ hoặc gãy giòn hơn trong nhiều ứng dụng gia công nguội.

5. Khả năng hàn

• Khả năng hàn bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon cao và hợp kim tạo thành cacbua mạnh ở cả hai loại, tạo ra vùng chịu nhiệt (HAZ) cứng, giòn và nứt nếu quy trình không được kiểm soát.
• Hai chỉ số khả năng hàn thực nghiệm thường được sử dụng:
• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (tham số khả năng hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Giải thích định tính:
• Cả D2 và D3 thường cho giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao so với thép mềm; hàm lượng carbon cao hơn và Cr/Mo/V cao hơn đẩy các chỉ số lên, cho thấy yêu cầu về làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau hàn cao hơn.
• D3 (nhiều cacbon hơn và có thể nhiều V hơn) thường có khả năng hàn kém hơn D2 và thường yêu cầu phải nung nóng trước mạnh hơn, quy trình hàn nhiệt đầu vào thấp hơn hoặc tránh hàn bằng cách cố định cơ học hoặc vật liệu thay thế cho các cụm hàn.
• Hướng dẫn thực tế: hàn sửa chữa chỉ nên được thực hiện bởi thợ hàn có trình độ với các quy trình cụ thể (kiểm soát quá trình nung nóng trước, tránh phun bi hạn chế, sử dụng hợp kim hàn phù hợp và giảm ứng suất/rau sau khi hàn).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép không gỉ D2 và D3 đều không chống ăn mòn mặc dù có hàm lượng crom đáng kể. Chúng sẽ bị gỉ sét trong môi trường ẩm ướt hoặc nước nếu không được bảo vệ.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Lớp phủ bảo vệ: sơn, sơn tĩnh điện hoặc lớp phủ chống mài mòn chuyên dụng (ví dụ: crom cứng, PVD trên bề mặt dưới tới hạn).
• Có thể mạ kẽm đối với một số dạng sản phẩm nhưng không phù hợp với các bộ phận bằng thép dụng cụ vì lớp mạ kẽm có thể không chịu được sự mài mòn mạnh và chu kỳ tôi luyện ở nhiệt độ cao.
• Việc bôi trơn và môi trường được kiểm soát sẽ kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.
• Chỉ số PREN không áp dụng ở đây vì đây không phải là loại thép không gỉ được thiết kế để chống ăn mòn, mà chỉ để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Các tính toán PREN thông thường chỉ có ý nghĩa đối với các loại thép không gỉ austenit/duplex, không có ý nghĩa đối với thép dụng cụ gia công nguội dòng D.

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

• Khả năng gia công:
• Cả hai đều khó gia công hơn thép hợp kim thấp; quá trình gia công thường được thực hiện ở trạng thái ủ. Thép D3 thường mài mòn dụng cụ nhiều hơn do hàm lượng cacbua cao hơn và có thể yêu cầu tốc độ tiến dao chậm hơn, dụng cụ nặng hơn và thay dụng cụ thường xuyên hơn.
• Khả năng định hình:
• Việc tạo hình nguội bị hạn chế trong điều kiện xử lý nhiệt; việc tạo hình nên được thực hiện ở trạng thái ủ. Hàm lượng cacbua cao hơn trong D3 làm giảm độ dẻo và khả năng tạo hình so với D2.
• Mài và hoàn thiện:
• D3 đòi hỏi chiến lược mài mạnh hơn và vật liệu mài mòn cao cấp hơn vì cacbua làm giảm tuổi thọ vật liệu mài mòn và có thể khiến bánh xe bị bóng.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Có thể đánh bóng đến độ mịn mong muốn nhưng có thể cần nhiều bước mài; cacbua sẽ bị kéo ra nếu mài/làm nóng không đúng cách.

8. Ứng dụng điển hình

D2 — Công dụng điển hình	D3 — Công dụng điển hình
Máy cắt và lưỡi cắt	Khuôn dập chính xác, có độ mài mòn cao, nơi cần khả năng chống mài mòn cực cao
Dụng cụ dập nguội	Đục lỗ tinh xảo trong đó khả năng giữ cạnh rất cao là rất quan trọng
Khuôn đùn khi cần độ dẻo dai	Dụng cụ dập dài hạn, trong đó việc đục lỗ không liên tục có thể chấp nhận được để kéo dài tuổi thọ sử dụng tổng thể
Tấm mài mòn, cuộn nạp liệu	Các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn tối đa và ít quan tâm đến độ bền

Cơ sở lựa chọn: - Chọn cấp độ dựa trên nhu cầu sử dụng có yêu cầu chống mài mòn (ưu tiên hàm lượng cacbua cao hơn) hay cần khả năng chống mẻ và gãy dưới tải trọng va đập (ưu tiên tùy chọn hàm lượng cacbon thấp hơn một chút/thành phần ma trận cao hơn). - Cân nhắc quá trình xử lý hạ nguồn: nếu cần hàn, tạo hình hoặc uốn chặt, thì tùy chọn ít cacbua hơn sẽ giúp giảm rủi ro chế tạo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Giá D3 thường đắt hơn một chút so với D2 tính theo kg do hàm lượng hợp kim cao hơn và độ khó gia công cao hơn (khó gia công và nghiền hơn). Tuy nhiên, sự chênh lệch này thường không đáng kể và phụ thuộc vào thị trường.
• Khả dụng:
• Cả hai đều là thép công cụ đã qua xử lý, được sản xuất rộng rãi và thường có sẵn ở các dạng sản phẩm thông dụng (thanh, dẹt, phôi đã tôi cứng). Thời gian giao hàng có thể thay đổi tùy theo kích thước, độ hoàn thiện và thành phần hóa học đặc biệt.
• Tổng chi phí sở hữu:
• Hãy xem xét vòng đời: một thành phần D3 đắt tiền hơn có tuổi thọ dài hơn đáng kể giữa các lần mài lại hoặc thay thế có thể tiết kiệm hơn mặc dù chi phí ban đầu cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	D2	Ngày 3
Khả năng hàn	Công bằng (yêu cầu kiểm soát)	Kém hơn (điều khiển/làm nóng trước cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt hơn cho độ cứng tương tự	Khả năng chống mài mòn cao hơn nhưng độ bền kém hơn
Trị giá	Vừa phải	Cao hơn một chút (chi phí gia công và mài mòn dụng cụ)

Khuyến nghị: - Chọn D2 nếu bạn cần sự cân bằng thực tế giữa khả năng chống mài mòn cao với độ dẻo dai tốt hơn, chế tạo dễ dàng hơn và nguy cơ sứt mẻ thấp hơn — điển hình cho dụng cụ gia công nguội đa năng (kéo, khuôn, dao) khi thỉnh thoảng cần khả năng chống va đập. - Chọn D3 nếu mục tiêu chính là tối đa hóa khả năng chống mài mòn và giữ cạnh và thiết kế hoặc quy trình có thể chịu được độ dẻo dai giảm và các quy trình chế tạo/hàn nghiêm ngặt hơn — điển hình cho khuôn dập khối lượng lớn, dài hạn hoặc dập tinh, trong đó việc mài lại tốn kém và việc đánh đổi bằng mẻ là điều có thể chấp nhận được.

Lưu ý cuối cùng: hiệu suất chính xác phụ thuộc vào tính chất hóa học, chu trình xử lý nhiệt và hình dạng linh kiện. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy xác nhận thép ứng viên bằng bảng dữ liệu xử lý nhiệt của nhà cung cấp, linh kiện thử nghiệm và nếu cần, thử nghiệm độ mòn và nứt gãy trong phòng thí nghiệm trong điều kiện vận hành thực tế.