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

Giới thiệu

H13 (ký hiệu AISI/ASTM) và SKD61 (ký hiệu JIS) là hai trong số những loại thép công cụ gia công nóng được chỉ định phổ biến nhất trên toàn thế giới. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi chỉ định khuôn, khuôn đúc và dụng cụ tạo hình nóng — các yếu tố thường được cân nhắc bao gồm khả năng chịu nhiệt, tuổi thọ sử dụng, khả năng hàn và sự tuân thủ chuỗi cung ứng. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường quy về việc ưu tiên sự phù hợp của thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn (điều này ảnh hưởng đến chứng chỉ kiểm định, dung sai kích thước và tiêu chí chấp nhận) so với hóa học vật liệu và thực hành xử lý nhiệt chi phối hiệu suất vận hành.

Cả hai loại thép này đều rất giống nhau về mặt hóa học và luyện kim; sự khác biệt thực tế chủ yếu nằm ở các tiêu chuẩn, dung sai cho phép và các yêu cầu về điều kiện giao hàng. Vì chúng hội tụ trên cùng một chiến lược hợp kim (thép gia công nóng Cr-Mo-V), chúng thường có chức năng thay thế cho nhau, nhưng không phải lúc nào cũng có thể thay thế cho nhau trên giấy tờ trong các hợp đồng được quy định hoặc khi yêu cầu truy xuất nguồn gốc và chứng nhận theo một tiêu chuẩn cụ thể.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• H13: Các tiêu chuẩn và tên gọi chung bao gồm AISI H13, SAE J431 (lịch sử), ASTM A681 (thanh thép dụng cụ), tiêu chuẩn AMS (dành cho nền hàng không vũ trụ) và nhiều tiêu chuẩn tương đương EN/ISO (thường được gọi là X40CrMoV5-1 / 1.2344 tùy thuộc vào thông số kỹ thuật chính xác và điều kiện giao hàng).
• SKD61: JIS G4404 (SKD61) là tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản. Vật liệu tương đương thường được tham chiếu chéo với các cấp thép công cụ AISI H13 hoặc DIN/EN, nhưng chi tiết có thể khác nhau tùy theo nhà máy và thông số kỹ thuật.
• Phân loại: Cả H13 và SKD61 đều là thép dụng cụ gia công nóng (thép hợp kim/thép dụng cụ), không phải thép không gỉ, không phải HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Phạm vi điển hình H13 (wt%)	Phạm vi điển hình SKD61 (wt%)
C	0,32–0,45	0,32–0,45
Mn	0,20–0,60	0,20–0,50
Si	0,80–1,20	0,70–1,20
P	≤0,03 (vết)	≤0,03 (vết)
S	≤0,03 (vết)	≤0,03 (vết)
Cr	4,75–5,50	4,75–5,50
Ni	≤0,30	≤0,30
Mo	1,10–1,75	1,10–1,50
V	0,80–1,20	0,80–1,20
Nb, Ti, B, N	≤dấu vết	≤dấu vết

Ghi chú: - Các loại thép này là thép thương mại thông thường; thành phần chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà máy. SKD61 và H13 sử dụng cùng một chiến lược hợp kim: cacbon tầm trung cho độ cứng và độ mài mòn, crom đáng kể cho khả năng chống ram và chống oxy hóa, molypden và vanadi cho quá trình tôi thứ cấp, độ bền ở nhiệt độ cao, và phân tán cacbua cho khả năng chống mài mòn. - Sự khác biệt nhỏ giữa các tiêu chuẩn thường xuất hiện ở giới hạn tạp chất, nguyên tố vết và cửa sổ thành phần cho phép hơn là ở phương pháp hợp kim cơ bản.

Quá trình hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon kiểm soát độ cứng và khả năng chống mài mòn nhưng làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ nứt. - Crom có ​​khả năng làm cứng, chịu được nhiệt độ cao và chống oxy hóa. - Molypden cải thiện khả năng chịu nhiệt và làm cứng thứ cấp. - Vanadi tạo thành cacbua ổn định giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và tinh chỉnh kích thước hạt, tăng cường độ dẻo dai. - Silic và mangan là chất khử oxy và góp phần tăng độ bền; Mn quá nhiều có thể làm giảm độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa: cấu trúc martensite hoặc bainit/pearlitic ram tùy thuộc vào quá trình làm nguội; cấu trúc vi mô ủ mềm chứa cacbua phân tán trong ferit/pearlitic để có thể gia công. - Sau chu trình tôi và ram tiêu chuẩn: nền martensite được ram với các cacbua crom/molypden/vanadi phân tán, mang lại độ bền và độ cứng nóng cao. Quá trình tôi thứ cấp từ Mo và V tạo ra độ cứng tăng cường sau khi ram ở nhiệt độ cao, thường thấy ở thép gia công nóng. - SKD61 và H13 phát triển về cơ bản các thành phần vi cấu trúc giống nhau trong các chu trình xử lý nhiệt tương đương.

Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng của chúng: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và đồng nhất cấu trúc vi mô; khuyến nghị trước khi gia công thô cho các phần lớn. - Làm cứng (austenit hóa và làm nguội): austenit hóa thường ở nhiệt độ 1000–1050 °C (nhiệt độ chính xác theo thông số kỹ thuật), sau đó là làm nguội bằng dầu hoặc bằng khí tùy thuộc vào kích thước tiết diện và độ dẻo yêu cầu. Tạo ra martensite và austenite giữ lại. - Ủ: nhiều chu kỳ ủ (thường là 2–3) được sử dụng để giảm ứng suất dư và đạt được độ cứng mong muốn, đồng thời thúc đẩy quá trình tôi thứ cấp (do cacbua Mo và V). Nhiệt độ ủ cao hơn làm giảm độ cứng nhưng cải thiện độ dẻo dai. - Xử lý nhiệt cơ (dành cho rèn và khuôn lớn): nhiệt độ rèn được kiểm soát và ủ dưới tới hạn giúp giảm sự phân tách và tinh chế cacbua, cải thiện độ dẻo dai và tuổi thọ chịu mỏi.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	H13 điển hình (đã tôi và ram)	SKD61 điển hình (đã tôi và ram)
Độ bền kéo	~1000–1800 MPa (tùy thuộc vào quá trình tôi luyện)	~1000–1800 MPa (phạm vi tương tự)
Sức chịu lực	~800–1500 MPa	~800–1500 MPa
Độ giãn dài (A%)	~5–12%	~5–12%
Độ bền va đập (Charpy V)	~15–45 J (tùy thuộc vào độ cứng/tôi luyện)	~15–45 J (tương đương)
Độ cứng (HRC)	~40–52 HRC (phạm vi hoạt động điển hình)	~40–52 HRC

Giải thích: - Cả hai loại thép đều có độ bền và độ dẻo dai tương tự nhau vì chúng có chung các nguyên tố hợp kim chính. Sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo dai chủ yếu được kiểm soát bởi hàm lượng carbon và quy trình ram chứ không phải nhãn H13 hay SKD61. - Độ dẻo dai được tăng cường thông qua quá trình chuẩn hóa và ram cẩn thận, cũng như giảm độ dày của mặt cắt và thực hiện xử lý nhiệt thích hợp. - Sự khác biệt thực tế hiếm khi nằm ở các tính chất cơ học nội tại mà nằm ở các điều kiện giao hàng được đảm bảo, hướng dẫn xử lý nhiệt và tiêu chí chấp nhận được chỉ định bởi tiêu chuẩn đã chọn.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn cho cả hai loại: - Chỉ số cacbon tương đương và thành phần tương đương được sử dụng để đánh giá rủi ro nứt nguội và yêu cầu gia nhiệt trước/sau gia nhiệt. Các công thức thực nghiệm phổ biến bao gồm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Và

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

• Diễn giải: Cả H13 và SKD61 đều có hàm lượng cacbon vừa phải và hợp kim đáng kể (Cr, Mo, V) làm tăng CE và $P_{cm}$. Điều này có nghĩa là:
• Thông thường cần phải gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp để tránh nứt lạnh do hydro gây ra.
• Có thể cần phải xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) hoặc ram để khôi phục độ dẻo dai và giảm ứng suất dư ở các bộ phận quan trọng khi sử dụng.
• Việc lựa chọn vật liệu hàn phải phù hợp với tính chất hóa học và thích ứng với xu hướng làm cứng thứ cấp/cacbua.
• Hướng dẫn thực tế: Có thể hàn bằng các quy trình thích hợp (vật liệu tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, làm nóng trước, làm nguội chậm), nhưng hàn sửa chữa dụng cụ gia công nóng chịu ứng suất cao đòi hỏi phải kiểm soát luyện kim và các chu trình ram tiếp theo.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả H13 và SKD61 đều là thép dụng cụ không gỉ; khả năng chống ăn mòn của chúng không đáng kể so với thép không gỉ. Chúng chống oxy hóa và đóng cặn ở nhiệt độ cao tốt hơn thép cacbon thông thường nhờ hàm lượng Cr, nhưng không chống ăn mòn trong môi trường ẩm ướt hoặc hóa chất mạnh.
• Các chiến lược bảo vệ bề mặt phổ biến:
• Lớp phủ bảo vệ (PVD/CVD) có khả năng chống mài mòn và ăn mòn nhẹ.
• Thấm nitơ hoặc thấm cacbon bề mặt để tăng độ cứng bề mặt và cải thiện khả năng chống mỏi/mài mòn (phải tính đến ứng suất dư và độ biến dạng).
• Sơn, lớp phủ epoxy hoặc mạ kẽm cho dịch vụ không nhiệt độ cao (mạ kẽm không phù hợp với bề mặt khuôn nhiệt độ cao).
• Công thức PREN cho hợp kim thép không gỉ không áp dụng được cho H13/SKD61, nhưng để đầy đủ hơn, biểu thức PREN là:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Chỉ sử dụng PREN để đánh giá khả năng chống rỗ của thép không gỉ; phương pháp này không áp dụng cho thép dụng cụ gia công nóng.

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

• Khả năng gia công: Ở trạng thái ủ, cả hai loại thép đều gia công khá tốt; độ cứng và hàm lượng cacbua làm tăng độ mài mòn của dụng cụ khi tôi cứng. Các nguyên tố tạo cacbua (V, Mo) làm tăng độ mài mòn, làm giảm tuổi thọ dụng cụ khi phay/khoan độ chính xác cao, trừ khi sử dụng dụng cụ cacbua.
• Khả năng tạo hình: Tạo hình nguội bị hạn chế trên vật liệu đã tôi cứng. Có thể tạo hình phôi ủ mềm; rèn nóng/rèn sau đó xử lý nhiệt có kiểm soát thường được sử dụng để sản xuất khối khuôn và phôi rèn lớn.
• Mài và EDM là các hoạt động hoàn thiện tiêu chuẩn cho các dụng cụ cứng; EDM thường được sử dụng cho các khoang phức tạp và công việc sửa chữa.
• Các phương pháp xử lý bề mặt như thấm nitơ có thể làm giảm khả năng gia công và đòi hỏi phải điều chỉnh các thao tác hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

H13 (AISI) Công dụng điển hình	SKD61 (JIS) Ứng dụng điển hình
Khuôn đúc khuôn nóng	Khuôn đúc khuôn nóng
Khuôn rèn nóng và chèn	Khuôn đùn nóng và pít-tông
Lưỡi cắt nóng và đục	Khuôn rèn và dụng cụ đúc khuôn
Lõi khuôn ép nhựa (chu kỳ nhiệt cao)	Dụng cụ tạo hình nhiệt độ cao
Dụng cụ chịu nhiệt cho nhôm và đồng thau	Các thành phần ép và khuôn để tạo hình nóng

Cơ sở lựa chọn: - Cả hai loại đều được lựa chọn cho các ứng dụng gia công nóng, trong đó khả năng chống mỏi nhiệt, mềm nhiệt và mài mòn là những yêu cầu chính. - Lựa chọn dựa trên loại tải, tần suất chu kỳ, nhiệt độ vận hành và tuổi thọ bề mặt yêu cầu; hiệu suất luyện kim tương tự nhau, do đó các cân nhắc về mặt hậu cần và hợp đồng (thông số kỹ thuật, chứng nhận) thường quyết định việc lựa chọn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Nhìn chung tương đương nhau tính theo kg vì thành phần hóa học và quy trình chế biến tương đương. Các yếu tố thị trường khu vực có thể khiến SKD61 tiết kiệm hơn ở Châu Á, trong khi H13 (được chỉ định theo ASTM/AMS) có thể được ưa chuộng hơn và dễ dàng dự trữ hơn ở Bắc Mỹ và Châu Âu.
• Hình dạng sản phẩm và tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi ở dạng thanh, tấm, rèn và khối đã tôi cứng. Tính khả dụng của các hình dạng sản phẩm cụ thể (khối rèn lớn, tấm mài chính xác) phụ thuộc vào năng lực nhà máy và hàng tồn kho của từng khu vực.
• Thời gian hoàn thành: Việc chỉ định một tiêu chuẩn cụ thể (JIS so với ASTM/AMS) có thể ảnh hưởng đến thời gian hoàn thành và giấy tờ kiểm tra; đối với các thành phần quan trọng, hãy xác nhận trước chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và các độ lệch được phép.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	H13	SKD61
Khả năng hàn	Trung bình; cần làm nóng trước/PWHT	Trung bình; các biện pháp phòng ngừa hàn giống hệt nhau
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao với độ dẻo dai tốt sau khi HT đúng cách	Số dư tương đương theo HT tương đương
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi trên toàn cầu; được ưu tiên trong bối cảnh ASTM/AMS	Có sẵn rộng rãi, thường tiết kiệm hơn ở Châu Á; được chứng nhận JIS

Khuyến nghị: - Chọn H13 nếu: chuỗi cung ứng, hợp đồng hoặc yêu cầu chứng nhận của bạn yêu cầu thông số kỹ thuật AISI/ASTM/AMS, hoặc nếu quy trình tìm nguồn cung ứng và kiểm tra của bạn được thiết lập dựa trên các tiêu chuẩn đó. Đây là lựa chọn thực tế cho hoạt động mua sắm tại Bắc Mỹ và Châu Âu, nơi các thủ tục giấy tờ và tiêu chí chấp nhận ưu tiên H13/ASTM. - Chọn SKD61 nếu: hoạt động mua sắm của bạn tập trung tại Nhật Bản hoặc Châu Á, tài liệu hợp đồng tham chiếu tiêu chuẩn JIS, hoặc bạn yêu cầu khả năng tương thích với tài liệu kiểm tra nhà máy được chứng nhận JIS. SKD61 có thể mang lại lợi thế về chi phí hoặc thời gian giao hàng tại các thị trường này. - Về mặt chức năng, hãy chọn một trong hai loại khi nhu cầu chính là độ cứng khi nóng, khả năng chống mỏi nhiệt và khả năng chống mài mòn — nhưng luôn chỉ rõ hướng dẫn xử lý nhiệt, phạm vi chấp nhận độ cứng và kiểm tra/chứng nhận bắt buộc để đảm bảo sản phẩm được giao đáp ứng mục đích kỹ thuật.

Lưu ý cuối cùng: Xét về hiệu suất luyện kim, H13 và SKD61 về cơ bản là các hợp kim tương đương nhau. Yếu tố quyết định đối với nhiều người dùng công nghiệp là sự tuân thủ tiêu chuẩn, tài liệu chuỗi cung ứng và dung sai liên quan, chứ không phải sự khác biệt đáng kể về hành vi sử dụng. Khi chỉ định dụng cụ, hãy bao gồm các thông số xử lý nhiệt rõ ràng, phạm vi độ cứng chấp nhận được và quy trình hàn sửa chữa để đảm bảo hiệu suất có thể dự đoán được bất kể vật liệu được dán nhãn H13 hay SKD61.