SKH9 so với M2 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SKH9 và M2 là hai loại thép công cụ tốc độ cao được sử dụng rộng rãi cho dụng cụ cắt, mũi khoan, ren, dụng cụ tạo hình và các chi tiết chịu mài mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn: lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn hóa khu vực, sự khác biệt tinh tế về thành phần, hoặc các cân nhắc về chuỗi cung ứng so với các mục tiêu hiệu suất cụ thể như khả năng chống mài mòn, độ bền hoặc khả năng chịu nhiệt.

Sự khác biệt quan trọng khi lựa chọn là SKH9 là ký hiệu tiêu chuẩn của Nhật Bản, còn M2 là ký hiệu của Mỹ/Quốc tế cho một dòng thép tốc độ cao vonfram-molypden rất giống nhau. Chúng thường được so sánh vì cùng thuộc một phân khúc hiệu suất (thép công cụ tốc độ cao đa dụng) và thường có thể thay thế cho nhau về thiết kế—tuy nhiên, nguồn gốc tiêu chuẩn, dung sai thông số kỹ thuật và quy trình xử lý của nhà cung cấp có thể ảnh hưởng đến lựa chọn cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• M2: Thường được tham chiếu trong các thông số kỹ thuật dựa trên AISI/ASM và ASTM/ASME (AISI M2; ASTM: thường được ghi trong danh sách thép tốc độ cao), được sử dụng rộng rãi trong chuỗi cung ứng của Bắc Mỹ và quốc tế.
• SKH9: Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản (JIS SKH9), được sử dụng trên khắp Nhật Bản và nhiều chuỗi cung ứng châu Á; cũng được chấp nhận ở nhiều thị trường xuất khẩu.
• EN/ISO: Các họ tương đương trong tiêu chuẩn Châu Âu thường được chỉ định là HS6-5-2-5 hoặc các loại vonfram-molypden HSS tương tự—sự tương đương chỉ mang tính gần đúng và phụ thuộc vào phạm vi nguyên tố cụ thể.
• GB (Trung Quốc): Các tiêu chuẩn của Trung Quốc có tên gọi riêng nhưng thường cung cấp các giá trị tương đương hóa học trực tiếp hoặc bảng tham chiếu chéo cho thép SKH và thép dòng M.

Phân loại: Cả SKH9 và M2 đều là thép dụng cụ thuộc nhóm thép gió (HSS) - thép hợp kim được thiết kế đặc biệt để có độ cứng cao và độ cứng đỏ (duy trì độ cứng ở nhiệt độ cắt cao). Chúng không phải là thép không gỉ hay thép HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình (%) cho SKH9 và M2. Lưu ý: bảng liệt kê các nguyên tố được yêu cầu; vonfram (W) là một nguyên tố hợp kim thiết yếu cho các loại thép này nhưng không nằm trong các cột của bảng—nội dung điển hình của nó được nêu bên dưới bảng.

Yếu tố	Phạm vi điển hình của SKH9 (JIS)	Phạm vi điển hình của M2 (AISI)
C	0,85–1,05	0,85–1,05
Mn	0,20–0,50	0,20–0,40
Si	0,15–0,40	0,20–0,45
P	≤0,03	≤0,03
S	≤0,03	≤0,03
Cr	3,75–4,50	3,75–4,50
Ni	- (dấu vết)	- (dấu vết)
Mo	4,50–5,50	4,50–5,50
V	1,70–2,20	1,70–2,20
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	dấu vết	dấu vết

Lưu ý quan trọng: Cả SKH9 và M2 đều chứa một tỷ lệ vonfram (W) đáng kể, thường trong khoảng 5,5–6,75% (thay đổi tùy theo nhà sản xuất). Vonfram cộng với molypden là các nguyên tố hợp kim chính mang lại độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn cao trong nhóm mác thép này. Các nguyên tố hợp kim bổ sung nhỏ ngoài bảng (vết tích Ti, Nb, B) có thể có trong các mẻ nấu chảy cụ thể để kiểm soát hình thái cacbua và kích thước hạt; việc hợp kim hóa vi mô này phụ thuộc vào nhà cung cấp.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Hợp chất cacbon + cacbua bền (W, Mo, V, Cr) tạo ra cacbua liên kim cứng có khả năng chống mài mòn và cho phép tôi luyện đến độ cứng cao. - Crom và vanadi góp phần tạo nên các nhóm cacbua cứng, cải thiện khả năng chống mài mòn và độ cứng đỏ. - Molypden và vonfram cải thiện tính chất làm cứng thứ cấp và duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao (độ cứng đỏ của dụng cụ cắt). - Silic và mangan có hàm lượng nhỏ để khử oxy và kiểm soát độ bền; hàm lượng của chúng cũng ảnh hưởng đến độ dẻo dai và khả năng gia công.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ, cả hai loại thép đều cho thấy ma trận ferritic với mạng lưới các cacbua chính và phụ (các cacbua phức hợp bao gồm các loại M6C, MC trong đó M = W, Mo, V, Cr). - Sau khi austenit hóa và làm nguội, cấu trúc vi mô trở thành martensit với các cacbua được giữ lại; quá trình ram tiếp theo tạo ra quá trình làm cứng thứ cấp do kết tủa các cacbua hợp kim mịn, điều này rất quan trọng đối với độ cứng ở nhiệt độ cao của HSS.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Austenit hóa: Các phạm vi austenit hóa tương đương được sử dụng cho cả SKH9 và M2; kiểm soát nhiệt độ và thời gian hòa tan cacbua và phân phối hợp kim. - Làm nguội: Làm nguội bằng dầu hoặc bằng khí cưỡng bức là phương pháp phổ biến; cả hai loại thép đều cần làm nguội có kiểm soát để tránh nứt. - Ủ: Nhiều chu kỳ ủ ở nhiệt độ cao tạo ra quá trình tôi thứ cấp. Lịch trình ủ xác định độ cứng cuối cùng (độ cứng HRC điển hình ở mức 60 cho dụng cụ cắt) và cân bằng độ dẻo dai. - Chuẩn hóa: Được sử dụng để tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô trước khi làm cứng cuối cùng; phổ biến hơn trong thực tế tại xưởng hơn là trong sản xuất cuối cùng đối với HSS. - Xử lý nhiệt cơ: Các phương pháp của nhà cung cấp như nấu chảy chân không, nấu chảy lại bằng điện xỉ (ESR) hoặc nấu chảy cảm ứng chân không (VIM) giúp cải thiện độ sạch và độ dẻo dai; nhà sản xuất có thể chỉ định các tuyến đường nấu chảy này.

Nhìn chung, SKH9 và M2 phản ứng rất giống nhau với các chu trình xử lý nhiệt HSS tiêu chuẩn; sự khác biệt phát sinh từ dung sai thành phần nhỏ và các tuyến luyện thép ảnh hưởng đến sự phân bố cacbua và độ sạch.

4. Tính chất cơ học

Bảng: tính chất cơ học định tính so sánh (điển hình, phụ thuộc vào xử lý nhiệt)

Tài sản	SKH9 (điển hình sau khi xử lý nhiệt HSS đúng cách)	M2 (điển hình sau khi xử lý nhiệt HSS đúng cách)
Độ bền kéo	Cao (cấp độ HSS; phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	Cao (tương đương với SKH9)
Cường độ chịu kéo	Cao (tương đương với hành vi kéo)	Cao (tương đương với SKH9)
Độ giãn dài	Thấp đến trung bình (độ giòn tăng theo độ cứng)	Thấp đến trung bình (tương tự)
Độ bền va đập	Trung bình đến thấp (phụ thuộc vào sự phân bố cacbua và xử lý nhiệt)	Trung bình đến thấp (tương tự)
Độ cứng (độ bền sử dụng)	Thông thường trong phạm vi HRC cao (phạm vi thép công cụ HSS)	Thông thường trong phạm vi HRC cao (phạm vi thép công cụ HSS)

Ghi chú: - Các giá trị số về độ bền kéo, độ bền chảy và độ va đập cực kỳ nhạy cảm với lịch trình xử lý nhiệt chính xác, tình trạng mẫu và hình thái cacbua; cả hai loại đều được thiết kế để có độ cứng và độ cứng đỏ hơn là độ dẻo. - Trên thực tế, độ cứng (HRC) sau khi austenit hóa thích hợp và ram nhiều lần là đặc tính được chỉ định phổ biến nhất cho các dụng cụ cắt; cả SKH9 và M2 đều có thể đạt HRC ở mức từ thấp đến trung bình là 60 tùy thuộc vào quá trình ram.

Diễn giải: Cả hai loại thép đều không "mạnh hơn" rõ rệt về độ bền kéo khi được xử lý nhiệt tương đương; yếu tố phân biệt chính là sự phân bố cacbua và độ sạch của thép, có thể hơi thiên về quy trình chế biến của một nhà sản xuất. Độ dẻo dai thường là sự đánh đổi với độ cứng; quá trình ram cẩn thận được sử dụng để đạt được sự cân bằng cần thiết.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép tốc độ cao thường kém hơn so với thép hợp kim thấp vì hàm lượng cacbon cao và các nguyên tố tạo cacbua mạnh làm tăng khả năng tôi và dễ bị nứt.

Công thức dự đoán hữu ích (chỉ giải thích định tính): - Carbon tương đương (IIW) thường được sử dụng để ước tính khả năng nứt nguội: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm là một chỉ số khả năng hàn khác: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Cả SKH9 và M2 đều có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối cao do C, Cr, Mo, V và W (W cũng làm tăng khả năng tôi nhưng không nằm trong các công thức cụ thể này). Do đó, cần dự kiến ​​yêu cầu gia nhiệt trước cao, nhiệt độ giữa các lớp hàn thấp để tránh sốc nhiệt và cần xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để giảm ứng suất và ram martensite. - Thực hành điển hình: tránh hàn thép tốc độ cao nếu có thể. Nếu cần hàn, hãy sử dụng quy trình gia nhiệt sơ bộ có kiểm soát, quy trình nhiệt đầu vào thấp, kim loại hàn phù hợp hoặc chuyên dụng, và ram sau hàn để khôi phục độ bền. Ngoài ra, có thể hàn bằng phương pháp hàn đồng hoặc ghép nối cơ học các chi tiết nếu khả thi.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SKH9 và M2 đều không phải là thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn trong môi trường khí quyển hoặc nước bị hạn chế hơn so với thép không gỉ.
• Các chiến lược bảo vệ thông thường: tra dầu, sơn, phốt phát hóa hoặc mạ kẽm khi cần thiết; đối với dụng cụ cắt, sự ăn mòn thường được kiểm soát bằng cách bôi trơn và bảo quản hơn là lớp phủ.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng vì đây không phải là loại thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Việc sử dụng lớp phủ cứng (TiN, TiAlN, CrN, DLC) thường được dùng để cải thiện độ mài mòn bề mặt và giảm thiểu sự ăn mòn trong quá trình cắt; lớp phủ cũng làm tăng hiệu suất ở nhiệt độ cao.

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

• Khả năng gia công: Ở trạng thái ủ, cả hai vật liệu đều dễ gia công; ở trạng thái tôi, chúng có tính mài mòn do chứa cacbua. M2 thường được sử dụng làm thép công cụ và có quy trình mài và hoàn thiện được ghi chép rõ ràng; SKH9 có đặc tính rất giống nhau.
• Mài và hoàn thiện: Thường cần sử dụng đá mài kim cương hoặc CBN để tôi thép HSS và kiểm soát chất làm mát là rất quan trọng để tránh nứt nhiệt.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: Giống như hầu hết các loại thép dụng cụ, tạo hình nguội bị hạn chế; tạo hình nóng thì có thể thực hiện được nhưng cần có chu trình nhiệt được kiểm soát để tránh các vấn đề kết tủa cacbua.
• Hoàn thiện bề mặt: Đánh bóng và bám dính lớp phủ có tác dụng tương tự nhau đối với cả hai loại; quy trình phủ được hưởng lợi từ bề mặt sạch và quá trình chuẩn bị bề mặt được kiểm soát.

8. Ứng dụng điển hình

SKH9 (sử dụng điển hình)	M2 (sử dụng điển hình)
Dụng cụ cắt đa năng theo tiêu chuẩn Nhật Bản/Châu Á (mũi khoan, mũi taro, dao phay, dao doa)	Dụng cụ cắt đa năng trong ngành gia công Bắc Mỹ/Quốc tế (máy khoan, máy ren, máy phay, máy doa)
Các công cụ tạo hình và gia công nguội yêu cầu các đặc tính HSS và thông số kỹ thuật JIS bắt buộc	Dụng cụ cắt hiệu suất cao và dụng cụ máy công cụ có tham chiếu ASTM/AISI/ISO đến M2 được chỉ định
Các thành phần chống mài mòn cần độ cứng đỏ cấp HSS	Ứng dụng HSS rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp (hàng không vũ trụ, dụng cụ ô tô, khuôn mẫu)

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên mức độ ưu tiên về thông số kỹ thuật (khách hàng hoặc hợp đồng yêu cầu JIS hoặc AISI/ASTM), nguồn cung ứng trong chuỗi cung ứng hoặc các yêu cầu về quy trình cụ thể của nhà cung cấp (ví dụ: ESR, VIM về độ sạch). - Cả hai loại đều được lựa chọn cho cùng một phạm vi hoạt động: cắt tốc độ cao, độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai loại thép này đều có giá tương đương với thép tốc độ cao thông thường. Sự khác biệt nhỏ về chi phí xuất phát từ nguồn cung cấp theo khu vực, giá thị trường vonfram và molypden, và quy trình sản xuất thép (phí bảo hiểm sản phẩm ESR/VIM).
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Các thanh, phôi và phôi dụng cụ tôi cứng trước ở cả SKH9 và M2 đều có sẵn rộng rãi từ các nhà cung cấp thép chuyên dụng. Sở thích theo khu vực ảnh hưởng đến việc dự trữ: M2 phổ biến hơn ở Bắc Mỹ và Châu Âu, SKH9 phổ biến hơn ở Nhật Bản và một số khu vực Châu Á.
• Thời gian hoàn thành và phí bảo hiểm: Các quy trình dành riêng cho nhà cung cấp (thép sạch, các biến thể nấu chảy lại) thường đắt hơn nhưng mang lại độ bền và hiệu suất được cải thiện.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh ngắn gọn

Thuộc tính	SKH9	M2
Khả năng hàn	Kém (độ cứng cao; đòi hỏi quy trình cẩn thận)	Kém (tương tự)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao; độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình xử lý	Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao; độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình xử lý
Trị giá	Có thể so sánh; có thể áp dụng các phương sai theo khu vực	Có thể so sánh; có thể áp dụng các phương sai theo khu vực

Kết luận và hướng dẫn thực hành: - Chọn SKH9 nếu chuỗi mua sắm hoặc sản xuất của bạn tuân theo tiêu chuẩn JIS/Nhật Bản, nếu dụng cụ hoặc bộ phận thay thế được chỉ định theo tiêu chuẩn JIS hoặc nếu nhà cung cấp địa phương cung cấp cho SKH9 khả năng truy xuất nguồn gốc và quy trình xử lý dành riêng cho nhà cung cấp (ESR/VIM) đáp ứng các yêu cầu về độ bền của bạn. - Chọn M2 nếu bản vẽ, thông số kỹ thuật hoặc tiêu chuẩn công nghiệp của bạn yêu cầu AISI/ASTM/ISO M2, nếu bạn yêu cầu nhà cung cấp phù hợp với nguồn cung ứng ở Bắc Mỹ hoặc quốc tế hoặc nếu bạn cần sự sẵn có và khả năng hoán đổi của nhiều nhà cung cấp với các tham chiếu M2.

Lưu ý cuối cùng: Về mặt luyện kim, SKH9 và M2 thuộc cùng một họ HSS và có chức năng tương đương nhau cho hầu hết các ứng dụng khi được sản xuất và xử lý nhiệt theo các tiêu chuẩn tương đương. Các yếu tố quyết định bao gồm sự tuân thủ thông số kỹ thuật, quy trình xử lý của nhà cung cấp (độ sạch và phương pháp nấu chảy lại), và các biện pháp kiểm soát xử lý nhiệt quyết định sự phân bố cacbua, độ dẻo dai và hiệu suất dụng cụ cuối cùng.