A653 CS-B so với CS-C – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Tiêu chuẩn ASTM A653 bao gồm thép tấm mạ kẽm nhúng nóng, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, thiết bị gia dụng, khung phụ ô tô và các ứng dụng kết cấu nhẹ. Trong tiêu chuẩn này, ký hiệu "CS" biểu thị thép cacbon chất lượng thương mại được cung cấp với các cấp thép phụ khác nhau. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa CS-B và CS-C khi chỉ định thép tấm mạ kẽm: sự đánh đổi thường là chi phí so với việc kiểm soát quy trình và vật liệu chặt chẽ hơn, ảnh hưởng đến khả năng định hình, hình thức bề mặt và tính đồng nhất về mặt cơ học.

Sự khác biệt thực tế chính giữa CS-B và CS-C là mức độ kiểm soát vật liệu và dung sai chất lượng: CS-B là cấp thép thương mại cơ bản dành cho mục đích sử dụng chung, trong khi CS-C phản ánh cấp thép thương mại với các yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn về hóa học, bề mặt và cơ học. Những khác biệt này ảnh hưởng đến việc lựa chọn khi hiệu suất tạo hình, khả năng hàn và độ hoàn thiện bề mặt là yếu tố quan trọng, hoặc khi chi phí thấp nhất là yêu cầu tối quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính:
• ASTM/ASME: ASTM A653 / A653M — Tấm thép mạ kẽm nhúng nóng (mạ kẽm).
• EN: Có các nhóm sản phẩm tương đương trong các tiêu chuẩn EN (ví dụ: EN 10346 dành cho thép mạ kẽm liên tục), mặc dù tên gọi trực tiếp theo cấp độ một-một có khác nhau.
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn quốc gia khác xác định các loại thép mạ kẽm thương mại tương đương; các ký hiệu và dung sai có thể khác nhau.
• Phân loại vật liệu:
• Cả CS-B và CS-C đều là thép cacbon (hàm lượng cacbon thấp, chất lượng thương mại).
• Chúng không phải là thép hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ hoặc loại HSLA — chúng được coi là loại thép mềm thông dụng thích hợp để mạ kẽm và tạo hình.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	CS-B (định tính)	CS-C (định tính)
C (Cacbon)	Carbon thấp, kiểm soát thương mại tiêu chuẩn	Hàm lượng carbon thấp, thường thấp hơn một chút hoặc được kiểm soát chặt chẽ hơn
Mn (Mangan)	Được kiểm soát về độ bền (mức độ thương mại điển hình)	Tương tự như CS-B; có thể được chỉ định chặt chẽ hơn
Si (Silic)	Có ở mức thấp; ảnh hưởng đến phản ứng mạ kẽm	Mức thấp tương tự; có thể áp dụng biện pháp kiểm soát chặt chẽ hơn
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp như tạp chất (giới hạn thương mại)	Thường thấp hơn mức tối đa để cải thiện khả năng tạo hình
S (Lưu huỳnh)	Có mặt như tạp chất; được kiểm soát	Thường được giảm hoặc kiểm soát để đảm bảo chất lượng bề mặt
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Nói chung không có hoặc chỉ có với lượng rất nhỏ	Thông thường không có; dấu vết hợp kim vi mô không có khả năng có trong các loại CS tiêu chuẩn
N (Nitơ)	Thấp, không phải là nguyên tố hợp kim cố ý	Thấp; kiểm soát có thể chặt chẽ hơn để tránh giòn

Ghi chú: - Cả CS-B và CS-C đều không được hợp kim hóa một cách có chủ đích để tăng độ cứng hoặc khả năng chống ăn mòn; chiến lược hợp kim của chúng là duy trì thép hợp kim thấp, ít cacbon được tối ưu hóa cho khả năng mạ kẽm, khả năng định hình và sản xuất tiết kiệm. - Khi cần hiệu suất chặt chẽ hơn (ví dụ, cải thiện cường độ chịu kéo hoặc khả năng tạo hình), nhà sản xuất có thể cung cấp các loại thép khác theo ASTM (DQ, DDQ, BQ, v.v.) hoặc các tùy chọn HSLA và cán nguội thay vì dựa vào các loại thép nền CS.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu quyết định độ bền và khả năng tôi luyện. Hàm lượng cacbon thấp hơn giúp hàn và tạo hình dễ dàng hơn; hàm lượng Mn cao hơn một chút làm tăng độ bền nhưng có thể làm tăng khả năng tôi luyện. - Silic, phốt pho và lưu huỳnh thường được kiểm soát chặt chẽ vì chúng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, phản ứng mạ kẽm (đặc biệt là silic) và khả năng định hình. Ít tạp chất hơn giúp mạ kẽm đồng đều hơn và ít khuyết tật bề mặt hơn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả CS-B và CS-C đều là loại thép có hàm lượng cacbon thấp, sau quá trình cán nguội/nóng và ủ thông thường trong sản xuất, sẽ thể hiện cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit với một lượng nhỏ perlit tùy thuộc vào hàm lượng cacbon và lịch sử làm nguội. - Vì đây là những tấm mạ kẽm thương mại dùng để định hình thay vì xử lý nhiệt nên cấu trúc vi mô chủ yếu được thiết kế bằng cách cán và ủ có kiểm soát để tạo ra ma trận ferritic đồng nhất với đặc tính hạt mịn để tăng độ dẻo.

Phản ứng với quá trình xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa: Không thường được áp dụng cho các tấm thương mại A653; chuẩn hóa sẽ tinh chỉnh kích thước hạt và tăng nhẹ độ bền nhưng không phải là phương pháp điển hình cho các sản phẩm này. - Làm nguội và ram: Không liên quan — các loại này không được thiết kế để xử lý nhiệt làm cứng và thiếu hợp kim cần thiết cho quá trình chuyển đổi martensitic đáng kể. - Gia công nhiệt cơ: Các biến thể cán nguội và cán nguội có thể trải qua quá trình ủ để phục hồi độ dẻo. CS-C, với thành phần hóa học và kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn, có thể thể hiện hành vi kết tinh lại và chất lượng bề mặt ổn định hơn sau khi ủ so với CS-B.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	CS-B (hành vi thương mại điển hình)	CS-C (hành vi thương mại điển hình)
Độ bền kéo	Độ bền kéo tiêu chuẩn thấp đến trung bình điển hình cho tấm nhẹ	Phạm vi tương tự; thường phân phối tương tự hoặc chặt chẽ hơn một chút
Sức chịu lực	Năng suất khiêm tốn để hình thành	Có thể so sánh; kiểm soát chặt chẽ hơn có thể làm giảm sự phân tán trong năng suất
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt cho các hoạt động tạo hình	Có thể so sánh hoặc tốt hơn một chút do kiểm soát carbon/tạp chất chặt chẽ hơn
Độ bền va đập	Không phải là thông số kỹ thuật chính; đủ ở nhiệt độ phòng	Tương tự; không có đảm bảo độ bền đặc biệt nào
Độ cứng	Thấp, phù hợp với thép mềm	Tương tự

Giải thích: - Vì cả hai đều là loại thép thương mại có hàm lượng carbon thấp nên mức độ tính chất cơ học tuyệt đối nhìn chung là tương tự nhau và được kiểm soát bởi mức độ sản xuất và gia công nguội thay vì sự khác biệt lớn về thành phần. - Quy trình kiểm soát và hóa học chặt chẽ hơn của CS-C thường mang lại ít sự phân tán về tính chất cơ học hơn, điều này có thể quan trọng khi cần độ đàn hồi khi tạo hình hoặc dung sai kích thước nhất quán trên nhiều lô.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là:

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

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

Giải thích và hướng dẫn định tính: - Cả CS-B và CS-C đều có hàm lượng cacbon thấp và hợp kim thấp; do đó, hàm lượng cacbon tương đương được tính toán của chúng thấp và chúng thường có khả năng hàn tuyệt vời khi sử dụng các phương pháp nung chảy và điện trở thông thường. - Việc kiểm soát chặt chẽ hơn đối với cacbon và tạp chất của CS-C có thể làm giảm nhẹ lượng cacbon tương đương và do đó giảm nguy cơ hình thành vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng, giòn ở các phần dày hơn hoặc trong trường hợp kiểm soát gia nhiệt trước kém. - Cần lưu ý đối với lớp phủ mạ kẽm: sự bốc hơi kẽm có thể gây ra hiện tượng rỗ khí và tăng lượng khói. Thiết kế mối nối phù hợp, trét kín các đường nối, loại bỏ lớp phủ cục bộ tại vùng hàn hoặc sử dụng phương pháp hút khói phù hợp là cần thiết, bất kể cấp độ mạ kẽm là gì. - Đối với các kết cấu hàn quan trọng hoặc độ dày vượt quá phạm vi tấm mỏng, các quyết định xử lý trước khi hàn và sau khi hàn phải được đưa ra dựa trên thành phần hóa học và độ dày thực tế, không chỉ dựa trên tên loại.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả CS-B và CS-C đều là thép cacbon không gỉ và phụ thuộc vào lớp mạ kẽm (mạ kẽm nhúng nóng) và lớp phủ hữu cơ tùy chọn để bảo vệ chống ăn mòn.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ kẽm nhúng nóng theo quy định của A653 (nhiều trọng lượng lớp phủ khác nhau), hy sinh kẽm để bảo vệ lớp nền thép.
• Sơn sau khi mạ kẽm, lớp phủ chuyển đổi hoặc lớp phủ polymer để kéo dài tuổi thọ hoặc mang lại tính thẩm mỹ cụ thể.
• Công thức PREN không áp dụng được cho các vật liệu này vì PREN được thiết kế cho hợp kim thép không gỉ trong đó tương tác Cr, Mo và N quyết định khả năng chống rỗ:

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

• Đối với cấp độ CS, hiệu suất ăn mòn được điều chỉnh bởi độ dày lớp phủ, tính liên tục và mức độ tiếp xúc với môi trường; tính chất hóa học của chất nền chỉ có tác động bậc hai so với tính toàn vẹn của lớp phủ.

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

• Tạo hình: Cả hai loại thép đều dùng để tạo hình; thép CS-C thường có khả năng tạo hình đồng đều hơn nhờ kiểm soát chặt chẽ hàm lượng cacbon, lưu huỳnh và tạp chất. Điều này có thể làm giảm độ biến thiên độ đàn hồi và cải thiện khả năng kéo cho các hình dạng phức tạp.
• Uốn và dập: Cấu trúc vi mô ferritic cacbon thấp cho phép thực hiện nhiều thao tác tạo hình. CS-C có thể ít bị nứt cạnh hơn và có độ co giãn tốt hơn trong các quá trình dập phức tạp.
• Cắt và xén: Tương tự nhau cho cả hai; áp dụng tốc độ cắt và dụng cụ tiêu chuẩn cho thép mềm. Lớp phủ kẽm có thể ảnh hưởng đến độ mòn dụng cụ và hình thành gờ.
• Khả năng gia công: Thép mềm dễ gia công; việc phủ kẽm đòi hỏi phải xem xét đến độ bám dính phoi và độ mài mòn của dụng cụ. Gia công thường được thực hiện sau khi loại bỏ lớp phủ nếu dung sai kích thước yêu cầu.
• Hoàn thiện: Chất lượng bề mặt của CS-C thường vượt trội hơn do được kiểm soát chặt chẽ hơn, giúp giảm việc phải gia công lại đối với các sản phẩm đã sơn hoặc phủ trước.

8. Ứng dụng điển hình

CS-B (sử dụng điển hình)	CS-C (sử dụng điển hình)
Tấm xây dựng chung, hệ thống ống gió, các thành phần lợp mái cơ bản, vỏ tiện ích nơi chi phí là chính	Các tấm bên trong ô tô được định hình, các thành phần thiết bị cần dập đồng nhất, các yếu tố kiến ​​trúc có chất lượng bề mặt quan trọng
Các thành phần cấu trúc không quan trọng, giá đỡ nhẹ, máng cáp	Các bộ phận dập khối lượng lớn với kiểm soát kích thước chặt chẽ, các thành phần bên ngoài được sơn với yêu cầu hoàn thiện cao
Tấm mạ kẽm đa năng cho các ứng dụng tiết kiệm	Các ứng dụng giúp giảm thiểu sự thay đổi trong quá trình tạo hình và hàn, giúp giảm chi phí phế liệu và làm lại

Cơ sở lựa chọn: - Chọn CS-B khi chi phí đơn vị và tạo hình đơn giản là tiêu chí chính và khi có thể chấp nhận được sự thay đổi nhỏ về độ hoàn thiện bề mặt và độ phân tán cơ học. - Chọn CS-C khi hiệu suất của bộ phận phụ thuộc vào khả năng tạo hình nhất quán, kiểm soát kích thước chặt chẽ hơn hoặc cải thiện hình thức bề mặt giúp giảm quá trình xử lý tiếp theo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: CS-B thường là lựa chọn có chi phí thấp hơn vì nó thể hiện chất lượng thương mại cơ bản với dung sai hóa học và đặc tính rộng hơn. CS-C có mức giá cao hơn một chút do quy trình sản xuất chặt chẽ hơn, kiểm tra bổ sung hoặc chuẩn bị bề mặt được cải thiện.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều phổ biến ở các khu vực sản xuất sản phẩm ASTM A653. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (cuộn, tấm cắt theo chiều dài, cuộn xẻ rãnh) nhìn chung khá tốt; thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể thay đổi tùy theo nhà máy và phương pháp hoàn thiện (trọng lượng lớp phủ, sơn lót).
• Mẹo mua sắm: Đối với sản xuất khối lượng lớn, hãy thương lượng về thử nghiệm lô và đảm bảo tính nhất quán nếu chọn CS-C để biện minh cho mức phí bảo hiểm bằng cách giảm thiểu việc làm lại ở khâu cuối.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	CS-B	CS-C
Khả năng hàn	Rất tốt (tiêu chuẩn ít carbon)	Rất tốt; độ đặc tốt hơn một chút
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Phù hợp cho mục đích sử dụng chung; đặc tính điển hình của thép mềm	Mức độ cơ học tương tự với sự phân bố chặt chẽ hơn và ít phân tán hơn
Trị giá	Thấp hơn	Phí bảo hiểm vừa phải

Sự giới thiệu: - Chọn CS-B nếu bạn cần loại tôn mạ kẽm thương mại tiết kiệm nhất cho kết cấu chung, tạo hình không quan trọng hoặc các ứng dụng mà độ hoàn thiện bề mặt và kiểm soát kích thước chặt chẽ không phải là yếu tố quyết định. - Chọn CS-C nếu ứng dụng của bạn được hưởng lợi từ quy trình kiểm soát và hóa học chặt chẽ hơn giúp cải thiện tính nhất quán về khả năng định hình, giảm sự thay đổi trong các thành phần dập hoặc kéo sâu và mang lại chất lượng bề mặt được phủ tốt hơn — đặc biệt là khi tỷ lệ phế liệu thấp hơn, ít bước làm lại hơn hoặc độ hoàn thiện thẩm mỹ được cải thiện giúp tăng chi phí một cách vừa phải.

Lưu ý mua sắm cuối cùng: Luôn yêu cầu chứng chỉ nhà máy thực tế thể hiện dung sai về tính chất hóa học và cơ học, yêu cầu cuộn mẫu hoặc bộ phận thử nghiệm cho các hoạt động tạo hình quan trọng và chỉ định trọng lượng lớp phủ, tình trạng bề mặt và bất kỳ quá trình xử lý sau cần thiết nào (ví dụ: sơn trước hoặc thụ động hóa) để đảm bảo loại CS đã chọn đáp ứng các yêu cầu về chức năng và vòng đời.