H13 so với SKD61 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

H13 và SKD61 là hai trong số những loại thép công cụ gia công nóng được chỉ định rộng rãi nhất, được sử dụng cho khuôn mẫu, khuôn đúc và các chi tiết dụng cụ chịu nhiệt độ cao, chu kỳ nhiệt và mài mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với quyết định lựa chọn giữa các mác thép này khi chỉ định vật liệu cho khuôn rèn nóng, khuôn đúc áp lực, khuôn đùn và thiết bị cắt nóng. Quyết định này thường cân bằng giữa khả năng tôi, khả năng chịu nhiệt và hiệu suất mỏi nhiệt với tính khả dụng, chi phí và quy ước đặt tên tại địa phương.

Sự khác biệt chính chủ yếu nằm ở danh pháp và nguồn gốc tiêu chuẩn: H13 là ký hiệu theo kiểu AISI/ASTM thường được sử dụng ở Bắc Mỹ và Châu Âu, trong khi SKD61 là ký hiệu theo JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản). Về mặt luyện kim, chúng là thép công cụ crom-molypden-vanadi gia công nóng tương đương về mặt chức năng với thành phần hóa học và tính chất gần giống nhau, nhưng việc lựa chọn có thể bị ảnh hưởng bởi các khoảng thời gian thành phần được phép nhỏ, các phương pháp xử lý nhiệt tại địa phương và tính khả dụng của chuỗi cung ứng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• AISI/SAE / ASTM: H13 — tên gọi chung của phương Tây dành cho thép công cụ gia công nóng.
• JIS: SKD61 — Tên gọi của Nhật Bản dành cho loại thép tương đương H13.
• DIN / EN: được liệt kê trong nhóm thép công cụ gia công nóng (loại crom-molypden-vanadi); thường được tham chiếu trong các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn của Châu Âu về thép công cụ.
• GB (Trung Quốc): có sẵn theo tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc đối với thép công cụ gia công nóng có phạm vi hóa chất tương đương.
• ISO: được tham chiếu trong phân loại thép công cụ quốc tế là loại thép Cr-Mo-V gia công nóng.

Phân loại: Cả H13 và SKD61 đều là thép công cụ (thép công cụ gia công nóng). Chúng là thép hợp kim được bổ sung Cr, Mo và V một cách có chủ đích để tăng khả năng tôi, khả năng chịu nhiệt và khả năng chống mài mòn cho ứng dụng ở nhiệt độ cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại này về cơ bản tương đương nhau về mặt khái niệm hợp kim: hàm lượng cacbon trung bình với hàm lượng Cr, Mo và V vừa phải để tăng cường khả năng tôi, khả năng chịu nhiệt và độ cứng thứ cấp. Bảng dưới đây thể hiện các dải thành phần điển hình thường thấy trong các tiêu chuẩn và bảng dữ liệu của nhà cung cấp.

Yếu tố	H13 điển hình (wt%)	SKD61 điển hình (wt%)
C	0,32 – 0,45	0,32 – 0,45
Mn	0,20 – 0,50	0,20 – 0,50
Si	0,80 – 1,20	0,80 – 1,20
P	≤ 0,030	≤ 0,030
S	≤ 0,030	≤ 0,030
Cr	4,75 – 5,50	4,75 – 5,50
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	1,10 – 1,75	1,10 – 1,75
V	0,80 – 1,20	0,80 – 1,20
Nb/Ti/B/N	theo dõi / thường được kiểm soát	theo dõi / thường được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon: kiểm soát khả năng tôi luyện và độ cứng tối đa; C cao hơn làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Crom: tăng khả năng làm cứng, chống mài mòn và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. - Molypden: cải thiện khả năng làm cứng và độ bền nhiệt độ cao (khả năng chịu nhiệt). - Vanadi: tinh chế cacbua và kích thước hạt, cải thiện khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai. - Silic và mangan: chất khử oxy và cải thiện độ bền; Mn dư thừa có thể tạo thành pha giòn nếu không được kiểm soát.

Hợp kim vi mô nhỏ và các nguyên tố vi lượng (Nb, Ti, B) có thể có trong các sản phẩm nóng chảy hiện đại để kiểm soát kích thước hạt và cải thiện quá trình làm cứng; những yếu tố này thường được kiểm soát chặt chẽ theo từng tiêu chuẩn và nhà máy.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cán/chuẩn hóa: ma trận martensitic ram với hợp kim cacbua phân tán và có thể có austenit giữ lại tùy thuộc vào quá trình chế biến. - Sau khi tôi và ram: martensite được ram với các hợp kim cacbua phân bố đều (các hợp kim cacbua Cr, Mo, V). Quá trình tôi thứ cấp do kết tủa cacbua trong quá trình ram là một đặc tính quan trọng để có khả năng chịu nhiệt độ cao.

Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và giảm sự phân tách; đặc trưng cho rèn lớn và tạo ra cấu trúc ban đầu đồng nhất trước khi làm cứng. - Làm nguội (dầu hoặc chân không): austenit hóa (thường ở 1000–1050 °C, tùy thuộc vào kích thước tiết diện và tiêu chuẩn), sau đó làm nguội để đạt được chuyển biến martensitic. Cả H13 và SKD61 đều phản ứng tương tự nhau; gia nhiệt sơ bộ đầy đủ và làm nguội có kiểm soát giúp giảm thiểu biến dạng và nứt. - Ủ: nhiều chu kỳ ủ (thường là 2–3) ở nhiệt độ ủ cao (ví dụ: 500–600 °C) để đạt được độ cứng và độ dai cần thiết. Cả hai loại đều có quá trình tôi thứ cấp; việc lựa chọn nhiệt độ ủ cân bằng giữa độ cứng và độ dai và khả năng chống mỏi nhiệt. - Gia công nhiệt cơ: rèn nóng sau đó chuẩn hóa có kiểm soát giúp cải thiện độ bền va đập và giảm sự phân tách; T&T cuối cùng tối ưu hóa các đặc tính.

Vì tính chất hóa học rất giống nhau nên quá trình tiến hóa của cấu trúc vi mô và phản ứng với xử lý nhiệt có thể hoán đổi cho nhau, mặc dù các phương pháp xử lý nhiệt của từng nhà cung cấp và hiệu ứng kích thước nhiệt có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể về tính chất cuối cùng.

4. Tính chất cơ học

Các phạm vi tính chất cơ học điển hình được hiển thị cho các điều kiện tôi và ram thường được sử dụng trong chế tạo dụng cụ (các giá trị chỉ mang tính chất chỉ dẫn; hãy chỉ định tiêu chuẩn xử lý nhiệt và thử nghiệm chính xác khi mua vật liệu).

Tài sản	H13 điển hình (đã tôi và ram)	SKD61 điển hình (đã tôi và ram)
Độ bền kéo (Rm)	1100 – 1600 MPa	1100 – 1600 MPa
Giới hạn chảy (Rp0.2)	900 – 1400 MPa	900 – 1400 MPa
Độ giãn dài (A%)	6 – 12%	6 – 12%
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	10 – 40 J (tùy thuộc vào độ cứng/xử lý nhiệt)	10 – 40 J (tùy thuộc vào độ cứng/xử lý nhiệt)
Độ cứng (HRC)	40 – 55 HRC (phạm vi sản xuất điển hình)	40 – 55 HRC (phạm vi sản xuất điển hình)

Cái nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn? - Cả hai loại thép đều không có ưu điểm về độ bền nội tại; cả hai đều được thiết kế để có độ cứng và khả năng chịu nhiệt độ cao. Độ bền và độ dẻo dai cuối cùng phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng carbon chính xác, nhiệt độ xử lý nhiệt, chế độ ram và kích thước tiết diện. - Độ dẻo dai thường giảm khi độ cứng tăng (nhiệt độ tôi cao hơn làm giảm độ cứng nhưng tăng độ dẻo dai). Cả hai loại đều có sự đánh đổi như nhau. - Trên thực tế, sự khác biệt về độ dẻo dai hoặc độ dai giữa H13 và SKD61 thường nằm trong quá trình và sự thay đổi nhiệt độ chứ không phải là đặc trưng của một tên gọi cụ thể.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép dụng cụ gia công nóng bị giới hạn bởi hàm lượng cacbon và khả năng tôi cứng. Những cân nhắc chính: - Hàm lượng cacbon tương đương: C, Cr, Mo, V cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và dễ nứt ở vùng HAZ. - Sử dụng phương pháp gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và ram sau khi hàn để giảm thiểu nứt và nứt nguội do hydro gây ra.

Chỉ số khả năng hàn chung: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Chỉ số Pcm (Boehler): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Cả H13 và SKD61 đều thể hiện các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương tự nhau do tính chất hóa học gần như giống hệt nhau; cả hai đều được coi là có độ hàn trung bình đến khó nếu không có quy trình đặc biệt. - Thực hành được khuyến nghị: gia nhiệt trước có kiểm soát (thường là 150–300 °C tùy thuộc vào độ dày), vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát, phun bi nếu cần và giảm ứng suất/ra nhiệt sau hàn để khôi phục độ tôi và giảm ứng suất còn lại. - Hàn thường được sử dụng cho các sửa chữa nhỏ; đối với các dụng cụ quan trọng, thường chỉ nên hàn các phần sẽ được xử lý nhiệt lại và ram sau khi hàn để khôi phục các đặc tính.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• H13 và SKD61 không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn của chúng bị hạn chế. Việc lựa chọn nên cân nhắc đến khả năng bảo vệ bề mặt và môi trường.
• Chiến lược bảo vệ bề mặt:
• Lớp phủ bảo vệ (PVD/CVD) có tác dụng giảm mài mòn, không chỉ chống ăn mòn.
• Mạ kẽm thường không áp dụng được cho dụng cụ bằng thép công cụ do lo ngại về nhiệt độ và độ bám dính.
• Sơn, tra dầu hoặc chuyển đổi thành dạng cromat để bảo vệ khi lưu trữ.
• Nitơ hóa cục bộ hoặc làm cứng bề mặt có thể tăng cường khả năng chống mài mòn và ăn mòn bề mặt khi cần thiết; lưu ý rằng nitơ hóa làm thay đổi tính chất hóa học của bề mặt và có thể ảnh hưởng đến trạng thái mỏi.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho các loại thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Điều này không áp dụng cho H13/SKD61 vì chúng là thép dụng cụ không gỉ và không phụ thuộc vào hàm lượng Cr để hình thành lớp màng ăn mòn thụ động như hợp kim thép không gỉ.

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

• Khả năng gia công: ở trạng thái ủ/làm mềm, các loại thép này có thể gia công bằng dụng cụ carbide; tốc độ cắt và bước tiến dao nên được giữ ở mức an toàn so với thép hợp kim thấp. Thép H13/SKD61 đã tôi cứng yêu cầu dụng cụ carbide hoặc ceramic hiệu suất cao.
• Mài và EDM: cả hai loại đều đáp ứng tốt với quá trình mài trong phòng dụng cụ và EDM; EDM thường được sử dụng để tạo và sửa đổi khoang phức tạp.
• Tạo hình/uốn cong: bị hạn chế khi cứng; ở trạng thái mềm, có thể thực hiện các quy trình tạo hình nóng và lạnh tiêu chuẩn, nhưng phải cân nhắc đến khả năng đàn hồi và làm cứng khi gia công.
• Hoàn thiện bề mặt: nhờ hợp kim cacbua, có thể đánh bóng mịn đến độ bóng như gương nhưng có thể cần đến chất mài mòn chuyên dụng và thời gian chu kỳ dài hơn.

8. Ứng dụng điển hình

H13 (AISI) — Công dụng điển hình	SKD61 (JIS) — Ứng dụng điển hình
Khuôn đúc nóng (nhôm, kẽm)	Khuôn đúc khuôn nóng
Khuôn rèn (rèn rơi, rèn lật)	Khuôn rèn và dụng cụ đùn nóng
Khuôn đùn cho hợp kim nhiệt độ cao	Dụng cụ đùn và lưỡi cắt nóng
Khuôn dập nóng	Khuôn dập nóng và khuôn tạo hình nóng
Khuôn ép nhựa cho polyme chịu nhiệt độ cao (một số mục đích sử dụng được lựa chọn)	Khuôn mẫu cho nhựa kỹ thuật và gia công composite

Cơ sở lựa chọn: - Chọn các loại thép này khi dụng cụ phải chống biến dạng dẻo, duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao và chống mỏi nhiệt. Việc lựa chọn giữa H13 và SKD61 thường phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của từng khu vực hoặc khả năng cung cấp của nhà cung cấp hơn là sự khác biệt về hiệu suất vật liệu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: H13 và SKD61 có chi phí nguyên liệu thô tương đương nhau; giá thị trường thay đổi tùy theo khu vực, nhà máy và hình thức cung cấp (thép thanh tròn, thép tấm, thép khối rèn, thép tấm tôi cứng). SKD61 có thể dễ dàng được dự trữ hơn ở châu Á; còn thép H13 có thể phổ biến hơn ở Bắc Mỹ và châu Âu.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi và có sẵn tại nhiều nhà máy ở nhiều dạng khác nhau, bao gồm thanh, tấm, rèn và phôi đã tôi cứng. Thời gian giao hàng phụ thuộc vào kích thước và trạng thái xử lý nhiệt.
• Tiết kiệm chi phí: mua các thanh thép có kích thước tiêu chuẩn hoặc các tấm thép đã được làm cứng trước thường giúp giảm chi phí so với các khối thép rèn theo yêu cầu hoặc các khối thép đã được tôi và ram theo lô nhỏ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt — so sánh định tính

Thuộc tính	H13	SKD61
Khả năng hàn	Trung bình-khó (cần phải thực hiện thủ thuật)	Trung bình-khó (cần phải thực hiện thủ thuật)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao với khả năng chịu nhiệt tốt; độ dẻo dai được đánh đổi bằng độ cứng cao hơn	Tương đương: độ bền và khả năng chịu nhiệt cao, sự đánh đổi tương tự
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi ở Châu Mỹ/Châu Âu; tên thông số kỹ thuật phổ biến	Có sẵn rộng rãi ở Châu Á; tên thông số kỹ thuật JIS phổ biến

Kết luận và khuyến nghị thực tế: - Chọn H13 nếu bạn chỉ định theo danh pháp AISI/ASTM, tìm nguồn cung ứng từ các nhà cung cấp hoặc nhà máy trích dẫn vật liệu theo tiêu chuẩn H13 hoặc nếu dụng cụ sẽ được sản xuất và bảo trì ở những khu vực mà H13 là thuật ngữ tiêu chuẩn. - Chọn SKD61 nếu bạn đang làm việc theo thông số kỹ thuật dựa trên JIS, tìm nguồn cung ứng từ các nhà cung cấp Châu Á hoặc đơn đặt hàng mua và tài liệu chất lượng của bạn tham chiếu SKD61 là cấp hợp đồng. - Đối với các quyết định quan trọng về dụng cụ, hãy tập trung vào: dung sai thành phần chính xác, hướng dẫn xử lý nhiệt cụ thể (lịch trình austenit hóa và ram), mục tiêu độ cứng và độ dai yêu cầu, và các tiêu chí chấp nhận cơ học hoặc không phá hủy rõ ràng. Vì H13 và SKD61 tương đương về mặt luyện kim, nên việc mua sắm cần chú trọng đến điều kiện xử lý nhiệt, khả năng truy xuất nguồn gốc và chứng nhận nhà máy thay vì chỉ chú trọng đến tên mác thép.

Nếu bạn cần một điều khoản thông số kỹ thuật mẫu hoặc danh sách kiểm tra mua sắm để đảm bảo hiệu suất tương đương khi thay thế tên (H13 ↔ SKD61) giữa các nhà cung cấp, tôi có thể cung cấp một mẫu ngắn gọn, sẵn sàng sử dụng.