SPHC против SPHD – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

SPHC и SPHD — это два часто указываемых сорта горячекатаной стали по японскому промышленному стандарту (JIS), используемые в производстве, автомобильных компонентах, общей конструкции и легком производстве. Инженеры и команды по закупкам часто выбирают между ними, балансируя стоимость, формуемость, свариваемость и механические характеристики, необходимые для штампованных, согнутых или сварных деталей.

Основное техническое различие, имеющее значение для выбора компонентов, заключается в том, что SPHD производится и указывается для обеспечения более высокой пластичности (долговечности и формуемости) по сравнению с SPHC, который является сортом горячекатаной стали общего назначения. Поскольку оба сорта являются низкоуглеродными, низколегированными сталями, дилемма выбора обычно сосредоточена на характеристиках формования (глубокая вытяжка, обширное сгибание) по сравнению с широкой доступностью и более низкой стоимостью продукта коммерческого качества.

1. Стандарты и обозначения

• JIS: SPHC и SPHD — это сорта, обозначенные JIS, в семействе горячекатаных низколегированных сталей.
• Другие стандарты:
• ASTM/ASME: Грубые эквиваленты — это стали общего назначения с низким содержанием углерода (например, коммерческие сорта ASTM A1011), но прямое соответствие не следует предполагать без ссылки на конкретные требования к свойствам и сертификации.
• EN: Похожие роли играют стали EN, такие как S235JR/S235J0 для конструкционных или общих горячекатаных продуктов; снова, перекрестные ссылки должны быть подтверждены химическими и механическими требованиями.
• GB (Китай): Различные стали семейства Q235 обслуживают аналогичные рынки.
• Классификация: Оба сорта SPHC и SPHD являются низкоуглеродными, не нержавеющими углеродными сталями (не HSLA, не инструментальная сталь, не нержавеющая). Они предназначены для формования и общего конструкционного использования, а не для высокопрочных или коррозионно-стойких применений.

2. Химический состав и стратегия легирования

Оба сорта SPHC и SPHD разработаны как низкоуглеродные, низколегированные стали. Они полагаются на минимальное целенаправленное легирование; стратегия легирования заключается в том, чтобы поддерживать низкое содержание углерода и остаточных элементов для обеспечения хорошей холодной формуемости, свариваемости и низкой стоимости.

Объяснение: Намерение легирования для обоих сортов заключается в минимальных добавках: достаточно марганца и кремния для дегазации и базовой прочности, при этом содержание элементов, которые увеличивают закаливаемость или снижают пластичность (углерод, хром, молибден и т. д.), должно быть низким. Спецификации SPHD и обработка на заводе нацелены на улучшение пластичности через более строгие пределы и контроль процесса, а не через значительное химическое легирование.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура: - Микроструктура в состоянии прокатки для обоих сортов обычно состоит из феррита с карбидными включениями (характерно для низкоуглеродных горячекатаных сталей). Объемная доля карбидов мала, поскольку содержание углерода низкое. - Морфология включений и размер зерна зависят от практики производства стали и графиков прокатки/отжига.

Реакция на обработку: - SPHC: Производится как общий горячекатаный продукт с контролируемым охлаждением. Микроструктура обычно грубая феррит/перлит. Нормализация редко применяется для этих коммерческих сортов; улучшения механических свойств с помощью термообработки ограничены, поскольку они не предназначены для закаливания/отпуска. - SPHD: Хотя химически схож, SPHD обрабатывается и указывается для улучшенной формуемости. Это может включать более строгий контроль температуры окончания горячей прокатки, контролируемое охлаждение для уточнения структуры зерна и потенциальный легкий отжиг для улучшения пластичности. Эффект заключается в более тонкой ферритной микроструктуре и более чистом населении включений, что улучшает формуемость.

Эффекты общих термообработок и термомеханических процессов: - Отжиг (интеркритический или полный) увеличит пластичность для обоих сортов, но SPHD с большей вероятностью будет поставляться с историей обработки, направленной на сохранение пластичности. - Закалка и отпуск или тяжелые термические обработки не являются типичными для этих сортов; они не формулируются для мартенситных закаливающих реакций из-за низкого содержания углерода и отсутствия элементов закаливаемости. - Термомеханический контроль (контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение) может умеренно увеличить прочность без ущерба для пластичности — обычно это путь для сталей HSLA, а не SPHC/SPHD.

4. Механические свойства

Ниже представлено качественное сравнение, отражающее типичное поведение этих коммерческих сортов горячекатаной стали JIS. Для расчетов проектирования следует использовать конкретные сертификаты завода и спецификации на закупку.

Объяснение: Критическим фактором выбора является формуемость: SPHD нацелен на обеспечение более высокого удлинения и превосходного поведения пластической деформации (глубокая вытяжка, сильное сгибание) по сравнению с общим SPHC. Различия в прочности обычно небольшие и перекрываются; выбор SPHD редко связан с увеличением прочности, а скорее с предсказуемым и улучшенным пластическим поведением во время формования.

5. Свариваемость

Свариваемость как SPHC, так и SPHD обычно хороша благодаря низкому содержанию углерода и легирующих элементов, но микроалюминирование и обработка могут влиять на восприимчивость к холодным трещинам и закаливанию зоны термического влияния (HAZ).

Общие формулы оценки свариваемости: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (параметр свариваемости): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация (качественная): - Для этих низкоуглеродных сортов значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ обычно низкие, что указывает на хорошую общую свариваемость с использованием стандартных сварочных материалов для углеродной стали и процедур предварительного нагрева. - Улучшенная пластичность SPHD снижает риск деформации и трещин, вызванных сваркой, во время операций формования, но поскольку SPHD может поставляться с несколько более низкой текучестью и более высокой пластичностью, практика сварки должна учитывать потенциальную остаточную деформацию в тонких листах. - Предварительный нагрев и постсварочная термообработка обычно не требуются для умеренных толщин, но всегда следуйте спецификациям сварочной процедуры (WPS) в зависимости от толщины, ограничения и условий эксплуатации.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни SPHC, ни SPHD не являются нержавеющими сталями; они подвержены коррозии в атмосферных и промышленных условиях.
• Стандартные защиты:
• Горячее цинкование, электроцинкование или предварительно окрашенные/покрытые системы обеспечивают жертвенную или барьерную защиту.
• Органические покрытия (краски, порошковые покрытия) распространены для готовых деталей.
• Масло или временные ингибиторы ржавчины могут использоваться во время хранения и транспортировки.
• Индекс PREN не применим к этим не нержавеющим сталям. Если оцениваются нержавеющие альтернативы, можно использовать индекс PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Допуски на коррозию (толщина материала, выбор покрытий) основаны на окружающей среде и ожидаемом сроке службы; цинкование является распространенным экономичным выбором для конструкционных воздействий.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Формуемость: SPHD оптимизирован для формования (вытяжка, глубокая вытяжка, множественное сгибание) и будет показывать меньше разрывов, лучшее сопротивление образованию складок и более высокое равномерное удлинение, чем SPHC при эквивалентных историях обработки.
• Сгибание: SPHD допускает более узкие радиусы сгиба и более глубокие вытяжки с уменьшенным риском трещин на краях.
• Обрабатываемость: Оба сорта имеют умеренную обрабатываемость; SPHC с немного более высоким содержанием серы (если указано для улучшения обрабатываемости) может быть легче обрабатывать, но стандартная практика заключается в выборе подкатегорий с улучшенной обрабатываемостью, когда это необходимо.
• Резка и штамповка: Оба сорта легко штампуются; SPHD может лучше работать на высокоскоростных прессах, когда требуются сложные вытяжки.
• Вторичные операции (формование после сварки, термическое выпрямление) должны учитывать остаточные напряжения; более высокая пластичность SPHD часто снижает изменчивость возврата при формовании.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте SPHC для широкой доступности, более низкой стоимости и когда операции формования просты или когда более высокая текучесть может быть приемлемой. - Выбирайте SPHD, когда процесс включает глубокую вытяжку, сильное сгибание или другие операции формования с высоким напряжением, где требуются предсказуемое пластическое поведение и более высокое удлинение.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: SPHC обычно является более дешевым продуктом общего назначения из-за более широких объемов производства и менее строгого контроля процесса. SPHD может иметь умеренную надбавку из-за более строгого контроля химии, обработки и гарантированных показателей формуемости.
• Доступность: SPHC широко доступен в различных толщинах и рулонах от нескольких заводов. Доступность SPHD может быть немного более ограниченной по заводу и региону, но обычно он имеется в наличии для цепочек поставок автомобильной и бытовой техники. Доступность формы продукта (рулон, лист, плита) варьируется в зависимости от завода и рынка; всегда подтверждайте сроки поставки у поставщиков.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы

Рекомендация: - Выбирайте SPHC, если ваши требования приоритетны по доступности и стоимости для общих конструкционных и штампованных деталей, где глубокое формование и максимальная пластичность не критичны. - Выбирайте SPHD, если ваши детали подвергаются значительной пластической деформации (глубокая вытяжка, сильное сгибание, многоступенчатое формование) и вам требуется предсказуемое, более высокое удлинение и улучшенная формуемость даже за умеренную надбавку.

Заключительная заметка: SPHC и SPHD — это родственные сорта низкоуглеродной горячекатаной стали с перекрывающимися характеристиками. Основное инженерное решение зависит от формуемости — выбирайте сорт, соответствующий степени формования, проверяйте сертификаты завода на химические и механические пределы и подтверждайте процедуры формования и сварки на представительных партиях материала перед полной производственной серией.