Trả lời trực tiếp: 4 mác thép hay gặp trong chế tạo cơ khí, mỗi loại một vai trò khác hẳn nhau: S45C (thép cacbon kết cấu thông dụng, làm trục/bánh răng tải trung bình — tương đương JIS với thép C45 hệ TCVN đã có), SCM440 (thép hợp kim Cr-Mo độ bền cao hơn, làm trục/bánh răng chịu tải lớn), SKD61 (thép làm khuôn dập nóng/đúc áp lực, chịu sốc nhiệt tốt), và thép gió HSS/SKH51 (làm dao cắt, giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao khi cắt gọt tốc độ lớn).
Nội dung thuộc chuyên trang Vật liệu & nhiệt luyện của cokhi.net — bảng tra tổng hợp theo tiêu chuẩn công khai (JIS chủ yếu, có đối chiếu ASTM/GB nơi tra được), số liệu dẫn nguồn rõ ràng theo đúng nguyên tắc "0 số bịa" toàn hệ — không thay thế chứng chỉ vật liệu (mill test certificate) của lô thép thực tế.
S45C — thép cacbon kết cấu thông dụng
S45C (JIS G4051) là thép cacbon trung bình tương đương AISI 1045 — hàm lượng carbon danh nghĩa 0,42-0,48%. Đây chính là mác thép được gọi là C45 trong hệ TCVN 1766 đã có bài riêng — xem thép C45: cơ tính theo TCVN 1766 để biết đầy đủ cơ tính và ứng dụng, bài này không lặp lại. Giới hạn bền kéo ở trạng thái chưa nhiệt luyện ≥600 MPa, giới hạn chảy ≥355 MPa; sau tôi nước có thể đạt 55-60 HRC, tôi dầu khoảng 50-55 HRC.
SCM440 — thép hợp kim Cr-Mo độ bền cao
SCM440 (JIS G4053) là thép hợp kim Crôm-Molypden, tương đương AISI 4140 và 42CrMo (GB/EN) — mác này đã có bài riêng đầy đủ tại thép hợp kim kết cấu: 40Cr, 42CrMo, 40CrNiMoA, bài này chỉ tóm tắt để so sánh cùng bảng. Thành phần chính: C 0,38-0,45%, Cr 0,90-1,20%, Mo 0,15-0,25% — Crôm tăng độ thấm tôi, Molypden tăng độ bền ở nhiệt độ cao và giảm giòn ram. Độ bền kéo ≥1.080 MPa ở trạng thái ủ, độ cứng sau tôi-ram khoảng 28-32 HRC — bền hơn S45C đáng kể nhờ hợp kim hóa, dùng cho trục/bánh răng chịu tải lớn hơn.
SKD61 — thép làm khuôn dập nóng, chịu sốc nhiệt
SKD61 (JIS) là thép công cụ làm việc nóng (hot-work tool steel), tương đương ASTM H13 và DIN X40CrMoV5-1 — nhóm thép hợp kim trung bình cacbon, Crôm-Molypden-Vanadi cao. Thành phần chính: C 0,35-0,42%, Cr 4,8-5,5%, Mo 1,0-1,5%, V 0,8-1,5% — hàm lượng Crôm cao hơn hẳn SCM440 là điểm phân biệt chính, cho khả năng chịu sốc nhiệt và giữ độ cứng ở nhiệt độ cao (còn khoảng 38-42 HRC ở 600°C). Sau tôi-ram (ram ở 550-650°C) đạt độ cứng làm việc khoảng 48-52 HRC. Dùng làm khuôn đúc áp lực (die casting), khuôn dập nóng, khuôn ép đùn — nơi bề mặt khuôn phải chịu chu kỳ nóng-lạnh lặp lại liên tục mà không nứt mỏi nhiệt. Đã nhắc tới trong bài chọn vật liệu làm khuôn như lựa chọn cho khuôn đúc áp lực — bài này giải thích sâu hơn về thành phần và cơ chế chịu nhiệt.
Thép gió HSS/SKH51 — làm dao cắt, giữ cứng ở nhiệt độ cao
HSS (High Speed Steel — thép gió, hay thép tốc độ cao) là nhóm thép công cụ làm dao cắt, phổ biến nhất hiện nay là mác M2 (JIS gọi là SKH51) — thành phần đặc trưng: C 0,85-0,90%, W (tungsten) 5,5-6,75%, Mo 4,5-5,5%, V 1,75-2,2%, Cr 3,75-4,5%. Tổ hợp Tungsten-Molypden-Vanadi cao tạo ra các hạt carbide cứng phân tán, cho khả năng giữ độ cứng ở nhiệt độ cao (red hardness/hot hardness) — vẫn cứng tới khoảng 550-600°C, trong khi thép cacbon thường mất độ cứng nhanh khi dao nóng lên do ma sát cắt. Sau nhiệt luyện đạt độ cứng 62-67 HRC. Đây chính là lý do HSS được chọn làm mũi khoan, dao phay, ta-rô — dao vẫn giữ được lưỡi cắt dù nhiệt độ tăng trong quá trình cắt liên tục, khác hẳn thép công cụ lạnh thông thường sẽ mềm đi nhanh ở cùng điều kiện. Xem thêm ứng dụng thực tế tại bảng vật liệu dao theo vật liệu phôi và chọn mũi khoan theo vật liệu.
Bảng tra tổng hợp 4 mác thép
| Mác thép | Nhóm | Thành phần chính | Độ cứng sau nhiệt luyện | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|---|
| S45C (≈ C45/AISI 1045) | Thép cacbon kết cấu | C 0,42-0,48% | 50-60 HRC (tôi) | Trục, bánh răng tải trung bình |
| SCM440 (≈ 42CrMo/AISI 4140) | Thép hợp kim kết cấu | C 0,38-0,45%, Cr 0,9-1,2%, Mo 0,15-0,25% | 28-32 HRC (tôi-ram) | Trục, bánh răng tải lớn |
| SKD61 (≈ H13/X40CrMoV5-1) | Thép công cụ làm việc nóng | C 0,35-0,42%, Cr 4,8-5,5%, Mo 1-1,5%, V 0,8-1,5% | 48-52 HRC (tôi-ram) | Khuôn dập nóng, khuôn đúc áp lực |
| HSS/SKH51 (≈ M2) | Thép gió (thép tốc độ cao) | C 0,85-0,90%, W 5,5-6,75%, Mo 4,5-5,5%, V 1,75-2,2%, Cr 3,75-4,5% | 62-67 HRC | Mũi khoan, dao phay, ta-rô |
FAQ
S45C và C45 có phải cùng một loại thép không? Đúng — S45C là ký hiệu JIS, C45 là ký hiệu quen dùng theo hệ TCVN/Nga-Đức, cùng chỉ thép cacbon kết cấu với hàm lượng carbon danh nghĩa khoảng 0,45%.
Vì sao SKD61 chịu được sốc nhiệt tốt hơn SCM440? Vì hàm lượng Crôm của SKD61 (4,8-5,5%) cao hơn nhiều lần SCM440 (0,9-1,2%), kết hợp Molypden và Vanadi cao — tổ hợp này giữ được độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao, chống nứt mỏi nhiệt khi khuôn chịu chu kỳ nóng-lạnh lặp lại liên tục.
Thép gió HSS khác gì thép công cụ nhiệt luyện thông thường (như SKD61)? HSS được thiết kế để GIỮ ĐỘ CỨNG khi CHÍNH BẢN THÂN DAO nóng lên do ma sát cắt liên tục (tới khoảng 550-600°C) — SKD61 chịu nhiệt tốt nhưng ở vai trò khuôn tiếp xúc kim loại nóng chảy/nóng dẻo bên ngoài, không phải bản thân dụng cụ tự sinh nhiệt khi làm việc.
Vì sao SCM440 bền hơn S45C dù cùng là thép "trục/bánh răng"? Vì SCM440 có thêm Crôm và Molypden hợp kim hóa (S45C hầu như chỉ có carbon là nguyên tố chính) — hai nguyên tố này tăng độ thấm tôi và độ bền ở tải trọng/nhiệt độ cao hơn, phù hợp chi tiết chịu tải lớn hơn mà S45C không đủ.
Thuật ngữ
- Độ thấm tôi (hardenability): khả năng thép tôi cứng đều vào sâu bên trong tiết diện, không chỉ ở lớp bề mặt — Crôm và Molypden là 2 nguyên tố hợp kim tăng độ thấm tôi phổ biến nhất.
- Giữ cứng ở nhiệt độ cao (hot hardness/red hardness): khả năng vật liệu duy trì độ cứng cắt gọt ở nhiệt độ cao — thuộc tính quyết định của thép gió HSS.
- Thép công cụ làm việc nóng (hot-work tool steel): nhóm thép công cụ dùng cho khuôn/dụng cụ tiếp xúc kim loại ở nhiệt độ cao (khuôn đúc áp lực, khuôn dập nóng), khác thép công cụ làm việc lạnh (cold-work, như SKD11) dùng cho khuôn dập ở nhiệt độ thường.
Tài liệu tham khảo
- SteelJIS, SKD61 — Datasheet, Chemical composition, Standards and Properties: http://steeljis.com/jis_steel_datasheet.php?name_id=164
- AstmSteel/Otai Special Steel, S45C Steel For Machine Structural Use JIS G4051: https://www.astmsteel.com/product/jis-s45c-steel-machine-structural/
- Belinker, SCM440 / AISI 4140 / 42CrMo4 Alloy Steel Guide: https://belinker.co.kr/blog/en/scm440-aisi-4140-alloy-steel-guide
- Songshun Steel, AISI M2 Steel - JIS SKH51: https://songshunsteel.com/product/m2-skh51-13343-steel/
Xem thêm
- Thép C45: cơ tính theo TCVN 1766 →
- Thép hợp kim kết cấu: 40Cr, 42CrMo, 40CrNiMoA →
- Ký hiệu mác thép TCVN – JIS – ASTM – GB →
Xem thêm trong chủ đề này: chọn vật liệu làm khuôn → · bảng vật liệu dao theo vật liệu phôi → · chọn mũi khoan theo vật liệu → · lò nhiệt luyện: phân loại, nguyên lý, cách chọn → · nguyên lý tôi ram thấm cacbon →