DC53 so với SKD11 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

DC53 và SKD11 là hai loại thép công cụ gia công nguội được sử dụng rộng rãi cho mũi đột, khuôn dập, lưỡi cắt và các dụng cụ chịu mài mòn cao khác. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như khả năng chống mài mòn so với độ bền, phản ứng xử lý nhiệt so với chi phí quy trình, và tính khả dụng so với hiệu suất khi lựa chọn giữa chúng. Lựa chọn thực tế thường phụ thuộc vào sự khác biệt về cân bằng hợp kim và phản ứng xử lý nhiệt: một loại được thiết kế để mang lại độ bền cao hơn và khả năng xử lý nhiệt dễ dàng hơn cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe, trong khi loại còn lại là thép công cụ chống mài mòn cổ điển với hàm lượng carbon cao, hàm lượng crom cao, được tối ưu hóa để đạt độ cứng và khả năng chống mài mòn tối đa.

Cả hai loại thép đều thuộc họ thép cán nguội loại D (Cr cao) và được so sánh vì chúng chiếm nhiều không gian ứng dụng chồng lấn, nhưng chúng phản ứng khác nhau với lịch trình làm nguội/ram, tạo ra các cấu trúc vi mô và phân bố cacbua khác nhau, do đó mang lại sự đánh đổi rõ rệt giữa độ bền và độ dẻo dai.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• SKD11
• Tiêu chuẩn: JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) ký hiệu SKD11
• Tiêu chuẩn tương đương quốc tế: AISI/ASTM D2 về cơ bản là tương đương (với một số khác biệt nhỏ về thành phần)
• Thể loại: Thép dụng cụ cacbon cao, crom cao gia công nguội (thép dụng cụ, tôi bằng khí/tôi bằng ép)
• DC53
• Thường được cung cấp dưới dạng biến thể độc quyền hoặc do nhà cung cấp chỉ định của thép công cụ gia công nguội loại D. Trong danh mục của nhà cung cấp, nó thường được gọi là vật liệu loại D đã được cải tiến, được thiết kế để tăng độ bền và khả năng tôi cứng.
• Thể loại: Thép công cụ gia công nguội (nhóm thép loại D), thường được tiếp thị là biến thể có độ bền cao hơn

Phân loại: Cả hai đều là thép công cụ (không phải thép không gỉ hoặc HSLA). Chúng là hợp kim có hàm lượng carbon cao, hàm lượng crom cao, dùng cho gia công nguội và chống mài mòn hơn là sử dụng cho kết cấu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là các phạm vi thành phần điển hình (wt%). Thành phần chính xác thay đổi tùy theo nhà máy/nhà cung cấp—luôn tham khảo giấy chứng nhận của nhà máy khi mua hàng.

Yếu tố	SKD11 điển hình (xấp xỉ wt%)	DC53 điển hình (xấp xỉ wt%)
C	1,40 – 1,60	1,00 – 1,50
Mn	0,20 – 0,60	0,20 – 0,60
Si	0,20 – 0,50	0,20 – 0,60
P	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	11.0 – 13.0	10,0 – 13,0
Ni	≤ 0,30	≤ 0,40
Mo	0,70 – 1,20	0,20 – 1,20
V	0,10 – 0,50	0,20 – 1,00
Lưu ý	—	theo dõi (phụ thuộc vào nhà cung cấp)
Ti	—	theo dõi (phụ thuộc vào nhà cung cấp)
B	—	dấu vết (hiếm khi được thêm vào)
N	—	dấu vết (nếu hợp kim vi mô)

Ghi chú: - SKD11 là hợp kim D2 tương đối cổ điển: hàm lượng C và Cr cao tạo thành cacbua dồi dào (chủ yếu là M7C3/M23C6 và cacbua phức hợp), mang lại khả năng chống mài mòn và khả năng tôi cứng. - DC53 thường được thiết kế để duy trì thuộc họ thép D nhưng có sự điều chỉnh hợp kim vi mô có chủ đích (ví dụ, mức V/Mo hơi khác nhau, kiểm soát chặt chẽ hơn hàm lượng tạp chất hoặc bổ sung một lượng nhỏ như Nb/Ti) để tinh chỉnh kích thước cacbua và cải thiện độ dẻo dai cũng như khả năng tôi xuyên suốt. - Hiệu ứng hợp kim: C và Cr cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và hình thành các cacbua cứng (cải thiện khả năng chống mài mòn). Mo và V thúc đẩy các cacbua mịn hơn và quá trình tôi cứng thứ cấp, cải thiện khả năng chống mẻ và chống mỏi. Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, Ti) có thể định hình ranh giới hạt và cải thiện độ dẻo dai nếu được kiểm soát đúng cách.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - SKD11 (họ D2): nền ferritic/martensitic với tỷ lệ thể tích cao các cacbua crom lớn. Sau quá trình austenit hóa thông thường và tôi dầu/khí, độ cứng đạt được chủ yếu nhờ martensite cộng với các cacbua ổn định. Mạng cacbua có thể tương đối thô nếu không được tối ưu hóa, giúp tăng khả năng chống mài mòn nhưng lại làm giảm độ dẻo dai. - DC53: được thiết kế để tạo ra một quần thể cacbua mịn hơn, phân bố đồng đều hơn và một nền martensite đồng nhất hơn. Cấu trúc vi mô có xu hướng cho thấy các cacbua thứ cấp nhỏ hơn và ít mạng cacbua liên tục hơn ở các mức độ cứng tương đương.

Hành vi xử lý nhiệt: - Thực hành thông thường cho cả hai loại: nung nóng sơ bộ (khử khí), austenit hóa trong phạm vi điển hình của thép D (thường trong khoảng 1000–1050 °C tùy thuộc vào thành phần hóa học và kích thước tiết diện), tôi dầu/khí và ram để đạt được độ cứng mong muốn. Có thể sử dụng nhiều lần ram để ổn định các đặc tính. - SKD11: phản ứng với quá trình tôi và ram thông thường với độ cứng cao (thường đạt 56–62 HRC). Do hàm lượng cacbon và crom cao, thép SKD11 dễ bị tôi và có thể hình thành austenit dư—cần có lịch trình ram cẩn thận (và đôi khi xử lý nhiệt độ dưới 0 độ C) để ổn định các tính chất. - DC53: được thiết kế để cải thiện độ cứng và độ dẻo dai. Nó chịu được các tiết diện dày hơn và quá trình tôi ít mạnh hơn, đồng thời giảm nguy cơ nứt. Phản ứng ram thường mang lại độ cứng đỉnh thấp hơn một chút ở các mức xử lý tương đương nhưng độ dẻo dai va đập tốt hơn.

Gia công nhiệt cơ (cho thanh rèn/thanh cán): - Cán/rèn có kiểm soát và ủ dưới tới hạn giúp DC53 đạt được cấu trúc vi mô đồng nhất hơn. Trong một số trường hợp, SKD11 được hưởng lợi từ quá trình xử lý nhiệt độ thấp để giảm hàm lượng austenit dư nếu cần độ ổn định kích thước cực cao.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào kích thước tiết diện và quá trình xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi điển hình sau khi tôi và ram tiêu chuẩn để sử dụng làm dụng cụ. Đây chỉ là thông số đại diện; hãy kiểm tra với dữ liệu của nhà cung cấp.

Tài sản	SKD11 (điển hình sau Q+T)	DC53 (điển hình sau Q+T)
Độ cứng (HRC)	56 – 62 HRC	54 – 60 HRC
Độ bền kéo (xấp xỉ)	1500 – 2200 MPa (tùy thuộc vào HRC)	1300 – 2000 MPa
Giới hạn chảy (xấp xỉ)	900 – 1600 MPa	800 – 1500 MPa
Độ giãn dài (A%)	2 – 8% (độ cứng thấp ở mức cao)	4 – 10% (thường cao hơn SKD11 ở cùng độ cứng)
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Thấp — thường là các giá trị thấp hơn (ví dụ: phạm vi J một chữ số ở HRC cao)	Cao hơn — độ dẻo dai được cải thiện (có thể cao hơn vài J)

Giải thích: - SKD11 thường đạt độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn do có hàm lượng cacbon và cacbua hiệu dụng cao hơn. - DC53 thường cứng hơn (khả năng chống mẻ và nứt vỡ nghiêm trọng tốt hơn) ở độ cứng tương đương do có các hợp kim và cacbua mịn hơn giúp cải thiện độ bền của ma trận. - Độ dẻo và độ bền va đập vốn có hạn chế ở thép dụng cụ Cr cao C cao; DC53 hướng đến việc chuyển sự cân bằng sang độ dẻo dai cho các ứng dụng khuôn mẫu đòi hỏi khắt khe.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép dụng cụ Cr cao, C cao thường gặp nhiều thách thức do khả năng tôi cứng cao (nguy cơ nứt nguội), hình thành các cấu trúc vi mô giòn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) và sự phân tách của cacbua.

Hai chỉ số thường được sử dụng: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (thông 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: - Cả SKD11 và DC53 đều cho giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối cao do hàm lượng C và Cr (và Mo/V) cao. Giá trị cao cho thấy khả năng hàn kém và nguy cơ nứt vùng HAZ cao nếu không có quy trình chuyên biệt. - Hướng dẫn thực hành: làm nóng trước, sử dụng vật liệu hàn phù hợp hoặc gốc niken, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và thực hiện ram sau khi hàn. Hàm lượng carbon thấp hơn một chút hoặc hợp kim vi mô được sửa đổi của DC53 có thể giúp hàn dễ dàng hơn một chút so với SKD11 cổ điển, nhưng vẫn cần các quy trình hàn chuyên biệt cho cả hai loại.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SKD11 và DC53 đều không phải là thép không gỉ; hàm lượng crom của chúng cao nhưng chủ yếu bị ràng buộc trong cacbua, do đó chúng không có khả năng chống ăn mòn bền vững như hợp kim thép không gỉ.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình: sơn, tra dầu, phốt phát hóa hoặc mạ kẽm (đối với các chi tiết có thể phủ lớp phủ). Đối với dụng cụ tiếp xúc với môi trường ăn mòn, có thể sử dụng lớp phủ hy sinh (niken, crom cứng, lớp phủ PVD/CVD) hoặc thấm nitơ/cấy ion để bảo vệ bề mặt và tăng khả năng chống mài mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép dụng cụ không phải thép không gỉ trong thực tế, nhưng chỉ số là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với SKD11/DC53, không thể giả định khả năng chống ăn mòn đáng kể; phương pháp xử lý bề mặt hoặc lớp phủ thường được chỉ định khi quan tâm đến vấn đề ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép mềm. Ở điều kiện ủ, SKD11 và DC53 có thể được gia công bằng dụng cụ carbide; tốc độ cắt thấp hơn và lực cắt lớn hơn. Cấu trúc vi mô của DC53 (nếu được tối ưu hóa) có thể mang lại khả năng gia công tốt hơn một chút và tuổi thọ dụng cụ dài hơn so với SKD11 ở cùng độ cứng do có ít carbide lớn hơn.
• Mài và hoàn thiện: Cả hai đều đáp ứng tốt với quá trình mài chính xác; tuy nhiên, hàm lượng cacbua cao hơn trong SKD11 có thể làm tăng độ mài mòn của bánh xe. Hãy sử dụng loại bánh xe và chất làm mát phù hợp.
• Khả năng tạo hình: Tạo hình nguội bị hạn chế do độ bền cao và độ dẻo thấp; tạo hình/rèn nóng trong phạm vi được kiểm soát và xử lý nhiệt sau đó thường được sử dụng cho các thành phần lớn.
• Hoàn thiện bề mặt và lớp phủ: Lớp phủ PVD (TiN, TiCN), mạ crom cứng hoặc thấm nitơ là những phương pháp tiêu chuẩn để cải thiện tuổi thọ của dụng cụ.

8. Ứng dụng điển hình

SKD11 (sử dụng điển hình)	DC53 (sử dụng điển hình)
Khuôn đột dập và đột lỗ cho tấm kim loại	Khuôn dập có độ bền cao và các thành phần khuôn dập liên tục
Lưỡi cắt và máy cắt	Khuôn dập sâu hoặc ứng dụng có nguy cơ bị sứt mẻ
Dụng cụ rèn nguội	Đấm và khuôn dập khi cần cải thiện tuổi thọ chịu mỏi
Tấm cán và tấm mài mòn	Gia công khuôn mẫu dài hạn khi cần phải tôi cứng hoàn toàn
Dao cắt và các thành phần chống mài mòn	Dụng cụ cắt gọt nặng, nơi việc giảm nứt trong quá trình xử lý nhiệt là rất quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SKD11 khi yêu cầu chính là khả năng chống mài mòn tối đa và độ cứng cao nhất có thể đạt được và khi hình dạng dụng cụ cho phép xử lý nhiệt cẩn thận và hạn chế rủi ro hỏng giòn. - Chọn DC53 khi dụng cụ phải chịu tác động, va đập liên tục hoặc hình học phức tạp, trong đó độ dẻo dai được tăng cường và quá trình tôi cứng tốt hơn giúp giảm các chế độ hỏng hóc như mẻ và nứt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• SKD11 (tương đương D2) được sản xuất rộng rãi và nhìn chung có giá thành cạnh tranh; có sẵn ở dạng thanh, tấm và phôi đã tôi cứng từ nhiều nhà cung cấp toàn cầu.
• DC53 thường là biến thể độc quyền hoặc chuyên biệt; chi phí có thể cao hơn do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn, quy trình xử lý đặc biệt hoặc nguồn cung hạn chế. Tính khả dụng phụ thuộc vào các nhà cung cấp khu vực và liệu vật liệu có được lưu kho ở dạng sản phẩm mong muốn hay không.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai đều có sẵn dưới dạng thanh và tấm ủ, khối tôi cứng trước và phôi dụng cụ mài trước. Thời gian giao hàng cho hợp kim tùy chỉnh hoặc kích thước cán/rèn dung sai chặt chẽ sẽ lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	SKD11	DC53
Khả năng hàn	Kém (CE/Pcm cao)	Kém đến trung bình (tốt hơn một chút nếu hàm lượng C/hợp kim vi mô thấp hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng và khả năng chống mài mòn rất cao, độ dẻo dai thấp hơn	Khả năng chống mài mòn cao với độ dẻo dai được cải thiện và tôi cứng hoàn toàn
Trị giá	Trung bình / có sẵn rộng rãi	Trung bình-cao / chuyên biệt, chi phí có thể cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn SKD11 nếu: bạn yêu cầu khả năng chống mài mòn và chống mài mòn tối đa ở độ cứng cao (56–62 HRC), hình dạng chi tiết cho phép xử lý nhiệt tỉ mỉ, và chi phí/tính khả dụng là ưu tiên hàng đầu. Vật liệu này thường được sử dụng cho lưỡi cắt, dao cắt rãnh và dụng cụ gia công chịu mài mòn cao, sản xuất trong thời gian ngắn. - Chọn DC53 nếu: ứng dụng đòi hỏi khả năng chống sứt mẻ tốt hơn, độ dẻo dai được cải thiện ở các tiết diện dày hơn, hoặc độ bền cao hơn trong quá trình xử lý nhiệt và vận hành. DC53 được ưu tiên sử dụng cho khuôn dập liên tục, khuôn dập chịu va đập và dụng cụ cắt gọt khi việc giảm nguy cơ gãy xương quan trọng hơn việc giảm nhẹ độ cứng tối đa.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều là thép công cụ hiệu suất cao, hiệu suất thực tế phụ thuộc rất nhiều vào kích thước tiết diện, lịch trình xử lý nhiệt và các quy trình xử lý sau (ví dụ: xử lý nhiệt độ thấp, hoàn thiện, phủ). Để đưa ra quyết định về mua sắm và kỹ thuật, hãy yêu cầu chứng chỉ nhà máy, khuyến nghị xử lý nhiệt của nhà cung cấp, và nếu có thể, hãy thử nghiệm dụng cụ và phân tích chế độ hỏng để xác thực lựa chọn tốt nhất cho ứng dụng cụ thể của bạn.