BQ-S so với DQ-S – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với việc lựa chọn giữa các loại thép có mối quan hệ mật thiết, trong đó sự khác biệt tinh tế về quy trình gia công và hoàn thiện sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí. Quyết định giữa BQ-S và DQ-S thường phát sinh khi cân bằng giữa chất lượng bề mặt và yêu cầu hoàn thiện so với hiệu suất cơ học khối lượng lớn, khả năng hàn và giá thành. Bối cảnh ra quyết định điển hình bao gồm các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao về chuẩn bị bề mặt (trục, ổ trục, thanh trang trí) so với các chi tiết gia công nhiều hoặc chi tiết kết cấu, trong đó độ hoàn thiện bề mặt chỉ là yếu tố thứ yếu.

Sự khác biệt chính giữa hai nhóm cấp độ này nằm ở điều kiện bề mặt cuối cùng và quy trình kiểm soát gia công được áp dụng trong quá trình sản xuất: một cấp độ được cung cấp với độ toàn vẹn bề mặt và dung sai hoàn thiện cao hơn, trong khi cấp độ còn lại được tối ưu hóa về mặt kinh tế và quy trình gia công tiêu chuẩn. Do điều kiện bề mặt ảnh hưởng đến khả năng chấp nhận kiểm tra, gia công thứ cấp, độ bám dính lớp phủ và khả năng chống mỏi, nên các cấp độ này thường được so sánh trong các cuộc thảo luận về thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung có các cấp độ tương tự: ASTM/ASME (ví dụ: A106, A36, nhóm AISI), EN (ví dụ: EN 10025, EN 10277 cho thép sáng bóng), JIS và các thông số kỹ thuật quốc gia GB/IS. Các ký hiệu độc quyền hoặc ký hiệu nhà máy cụ thể (như BQ-S hoặc DQ-S) thường mang tính riêng biệt của nhà cung cấp và được áp dụng cho các lớp hóa học/xử lý được chuẩn hóa rộng rãi hơn.
• Phân loại theo loại:
• BQ-S: Thông thường là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp được sản xuất và hoàn thiện theo thông số kỹ thuật sáng bóng (bề mặt được cải thiện) — thường được sử dụng cho thanh, trục và các bộ phận yêu cầu ít khuyết tật bề mặt.
• DQ-S: Thông thường là thép cacbon/hợp kim thấp được tôi luyện/dập nguội theo tiêu chuẩn hoặc được xử lý tiết kiệm với bề mặt hoàn thiện và dung sai kích thước tiêu chuẩn.
• Các loại thép này thường là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp thay vì thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc HSLA, mặc dù mức độ hợp kim có thể khác nhau tùy theo nhà cung cấp.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần hóa học của các dòng sản phẩm BQ-S và DQ-S sẽ thay đổi tùy theo nhà cung cấp và mục tiêu hiệu suất. Bảng dưới đây cung cấp xu hướng mang tính đại diện, mang tính chỉ dẫn thay vì chứng nhận nhà máy tuyệt đối. Luôn kiểm tra phân tích hóa học với chứng nhận của nhà cung cấp cho việc mua sắm hoặc tính toán thiết kế.

Yếu tố	Vai trò điển hình	BQ-S (mang tính chỉ dẫn)	DQ-S (mang tính chỉ dẫn)
C (Cacbon)	Sự cân bằng giữa độ bền, khả năng tôi và khả năng hàn	Thấp-trung bình (kiểm soát để xử lý bề mặt)	Thấp-trung bình (có thể cao hơn một chút về độ bền)
Mn (Mangan)	Độ cứng, độ bền kéo, khả năng khử oxy	Vừa phải	Trung bình – cao hơn một chút
Si (Silic)	Khử oxy, sức mạnh	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình
P (Phốt pho)	Tạp chất (nguy cơ giòn)	Bị hạn chế nghiêm ngặt	Có giới hạn (có thể cao hơn một chút)
S (Lưu huỳnh)	Khả năng gia công (cắt tự do) nhưng có hại cho mỏi	Rất thấp (cải thiện bề mặt hạn chế tạp chất)	Thấp (có thể cho phép hàm lượng cao hơn nếu cần khả năng gia công)
Cr (Crom)	Độ cứng, khả năng chống ăn mòn, phản ứng nhiệt	Thường thấp/vết tích	Thường thấp/vết tích
Ni (Niken)	Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Thường thấp/vết tích	Thường thấp/vết tích
Mo (Molypden)	Độ cứng	Có dấu vết hoặc không có (trừ khi được chỉ định)	Có dấu vết hoặc không có dấu vết
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Tinh chế hạt, độ bền thông qua kết tủa	Có thể được kiểm soát để có lớp hoàn thiện và tính chất cơ học đồng nhất	Có thể có mặt để tăng cường sức mạnh trên con đường kinh tế
B (Bo)	Độ cứng (mức ppm)	Ít khi sử dụng; được kiểm soát nếu có	Ít khi sử dụng; được kiểm soát nếu có
N (Nitơ)	Độ bền (với hợp kim siêu nhỏ)	Thấp, kiểm soát bề mặt và độ mỏi	Thấp, kiểm soát khi cần thiết

Giải thích: - Các nhà sản xuất hướng đến chất lượng bề mặt tuyệt hảo (BQ-S) thường kiểm soát chặt chẽ hơn các thành phần tạp chất (P, S, tạp chất) và độ sạch vi cấu trúc, giúp cải thiện hiệu suất chịu mỏi và cho phép hoàn thiện tốt hơn. DQ-S thường chú trọng đến quy trình gia công tiết kiệm chi phí và có thể chấp nhận phạm vi chấp nhận rộng hơn đối với một số thành phần, miễn là đáp ứng các yêu cầu cơ học. - Các nguyên tố hợp kim như Mn và các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) chủ yếu được sử dụng để điều chỉnh độ bền và độ dẻo dai mà không cần dùng đến hàm lượng carbon cao, giúp duy trì khả năng hàn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Cả hai loại, khi được cung cấp dưới dạng chuẩn hóa hoặc tôi & ram, sẽ thể hiện các cấu trúc vi mô ferit/pearlit ram hoặc martensitic ram/ram tùy thuộc vào thành phần hóa học và xử lý nhiệt.
• BQ-S: Quy trình gia công nhấn mạnh vào cấu trúc vi mô đồng đều, hạt mịn và giảm thiểu tạp chất bề mặt. Kiểm soát nhiệt cơ học và lịch trình cán nóng mịn được sử dụng phổ biến hơn để đảm bảo cấu trúc vi mô gần bề mặt đồng nhất.

• DQ-S: Cấu trúc vi mô được thiết kế chủ yếu để đáp ứng các yêu cầu cơ học mục tiêu; quá trình xử lý bề mặt có thể ít chuyên sâu hơn.

• Hiệu quả của xử lý nhiệt:

• Chuẩn hóa: Tinh chỉnh kích thước hạt và giảm hiện tượng tạo dải; cả hai loại đều đáp ứng tốt, nhưng BQ-S có lợi hơn vì các khuyết tật bề mặt được giảm thiểu và tính đồng nhất về cấu trúc vi mô giúp cải thiện hiệu suất bề mặt.
• Làm nguội & ram: Tăng cường độ bền đáng kể bằng cách tạo thành martensite, sau đó là ram. Độ dai cuối cùng phụ thuộc vào nhiệt độ ram và hàm lượng hợp kim; DQ-S có thể đạt được độ bền cao hơn cho một lần tôi nhất định do phụ gia làm cứng cao hơn một chút, nhưng BQ-S có thể mang lại sự cân bằng tốt hơn giữa độ dai và chất lượng bề mặt.
• Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): Tạo ra các cấu trúc vi mô hạt mịn có độ bền và độ dẻo dai được cải thiện với lượng cacbon tăng tối thiểu; được sử dụng rộng rãi cho BQ-S để duy trì tính toàn vẹn bề mặt.

4. Tính chất cơ học

Vì các nhóm cấp độ này phụ thuộc vào quy trình sản xuất, các đặc tính cơ học thường được chỉ định theo dạng sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt. Bảng dưới đây liệt kê các đặc tính tương đối điển hình để so sánh thiết kế; giá trị tuyệt đối phải được lấy từ dữ liệu của nhà cung cấp.

Tài sản	BQ-S (điển hình)	DQ-S (điển hình)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	Trung bình-cao (độ đồng đều tốt)	Trung bình-cao (có thể điều chỉnh cao hơn)	UTS được kiểm soát bởi C và hợp kim vi mô và xử lý nhiệt
Cường độ chịu kéo (0,2% YS)	Trung bình (ổn định)	Trung bình–cao (có thể cao hơn với hợp kim siêu nhỏ)	Lựa chọn nhiệt độ ảnh hưởng đến tỷ lệ YS/UTS
Độ giãn dài (%)	Tốt (độ dẻo dai đồng đều)	Tốt–trung bình (phụ thuộc vào mục tiêu sức mạnh)	BQ-S thường được tối ưu hóa về độ dẻo do nhu cầu hoàn thiện bề mặt
Độ bền va đập (Charpy)	Cao hơn (thép sạch hơn và hạt mịn hơn)	Trung bình-cao (có thể đạt được nếu điều trị đúng cách)	Các khuyết tật bề mặt làm giảm độ dẻo dai rõ ràng ở các bộ phận chịu mỏi quan trọng
Độ cứng (HRC/HB)	Trung bình (kiểm soát hoàn thiện tránh nứt bề mặt)	Biến đổi (có thể cao hơn nếu tôi cứng)	Độ cứng được kiểm soát bằng xử lý nhiệt và thành phần

Giải thích: - BQ-S có xu hướng nhấn mạnh sự cân bằng giữa độ dẻo dai và độ dẻo dai với các đặc tính nhất quán và ít hỏng hóc trên bề mặt hơn. - DQ-S có thể được điều chỉnh để đạt được mức độ cường độ cao hơn với chi phí kiểm soát chất lượng bề mặt ít nghiêm ngặt hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, hợp kim và khả năng tôi tổng thể. Các chỉ số thực nghiệm hữu ích bao gồm tương đương cacbon IIW và Pcm chi tiết hơn.

• Thảo luận chung:
• Hàm lượng cacbon và hợp kim thấp giúp cải thiện khả năng hàn và giảm nhu cầu gia nhiệt trước.
• Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) và hàm lượng Mn/Cr/Mo cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng nứt vùng HAZ; do đó, quy trình hàn phải tính đến chúng.

• Các loại BQ-S thường duy trì mức độ cacbon và tạp chất thấp hơn hoặc được kiểm soát chặt chẽ hơn để bảo toàn tính toàn vẹn của bề mặt và đơn giản hóa quá trình hoàn thiện sau khi hàn.

• Công thức đánh giá định tính:

• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Diễn giải theo hướng định tính: $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện tốt hơn và nguy cơ nứt vùng HAZ cao hơn; giá trị thấp hơn cho thấy hàn dễ hơn với ít gia nhiệt trước hơn.

• Pcm toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Giải thích theo hướng định tính: $P_{cm}$ đưa ra dự đoán chính xác về khả năng nứt nguội; các giá trị thấp hơn được ưu tiên cho quá trình hàn thông thường.

• Hướng dẫn thực tế:

• Đối với bất kỳ loại nào, hãy làm theo khuyến nghị hàn của nhà cung cấp, áp dụng phương pháp gia nhiệt trước/gia nhiệt sau khi hàn khi cần thiết và sử dụng kim loại hàn phù hợp với thành phần hóa học và hiệu suất cơ học cần thiết.
• BQ-S có thể cần được xử lý cẩn thận hơn để tránh làm hỏng bề mặt trong quá trình hàn và hoàn thiện sau đó, nhưng hàm lượng tạp chất thấp hơn có thể đơn giản hóa quy trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thép không gỉ (điển hình là BQ-S và DQ-S) phụ thuộc vào lớp phủ và xử lý bề mặt:
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện) và lớp phủ chuyển đổi (phosphate).
• Độ sạch bề mặt và chất lượng hoàn thiện trên BQ-S cải thiện độ bám dính và tính đồng nhất của lớp phủ; ít khuyết tật bề mặt hơn giúp giảm các điểm bắt đầu ăn mòn dưới màng sơn.
• Đối với các biến thể thép không gỉ hoặc hợp kim (nếu có), các chỉ số ăn mòn cục bộ như PREN có thể áp dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Nếu các biến thể BQ-S hoặc DQ-S bao gồm Cr/Mo/N đáng kể, hãy sử dụng PREN để so sánh khả năng chống rỗ; nếu không, PREN không áp dụng được cho các loại thép cacbon thông thường.
• Khi nào cần quan tâm đến bề mặt: các bộ phận dễ bị mỏi, tiếp điểm trượt hoặc các thành phần quan trọng về mặt thẩm mỹ đòi hỏi khả năng kiểm soát bề mặt cao hơn của dòng BQ-S để tối đa hóa tuổi thọ lớp phủ và giảm thiểu hư hỏng do ăn mòn.

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

• Khả năng gia công:
• Hàm lượng lưu huỳnh và phụ gia dễ cắt gọt ảnh hưởng đến khả năng gia công. Các biến thể DQ-S được thiết kế để dễ cắt gọt có thể chứa nhiều lưu huỳnh hơn hoặc thêm Pb/Ca, cải thiện khả năng gia công nhưng lại làm giảm khả năng chống mỏi.
• BQ-S thường có hàm lượng S thấp và khả năng kiểm soát tạp chất nghiêm ngặt, giúp giảm nhẹ khả năng gia công thô nhưng mang lại bề mặt hoàn thiện vượt trội sau khi gia công.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Cả hai loại thép đều có thể được tạo hình khi đạt được độ dẻo cần thiết, nhưng tình trạng bề mặt của BQ-S giúp giảm nguy cơ nứt bề mặt trong quá trình tạo hình.
• Hoàn thiện:
• BQ-S cần được xử lý nhẹ nhàng hơn để tránh làm hỏng bề mặt; đánh bóng và mài mịn đơn giản hơn vì ít khuyết tật hơn.
• DQ-S thường được ưa chuộng khi gia công cơ bản hoặc hoàn thiện thô để loại bỏ các khuyết điểm bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

BQ-S (chất lượng bề mặt cao hơn)	DQ-S (hoàn thiện tiết kiệm / tiêu chuẩn)
Trục chính xác, trục quay, ổ trục, thanh trang trí, linh kiện kéo nguội, các bộ phận yêu cầu dung sai bề mặt chặt chẽ và khả năng chống mỏi vượt trội	Các thành phần cấu trúc, trục thông dụng, các thành phần gia công khi có kế hoạch loại bỏ một lượng lớn vật liệu, các ứng dụng nhạy cảm về chi phí
Các ứng dụng đòi hỏi độ bám dính lớp phủ cao và tính thẩm mỹ	Các ứng dụng mà tính chất cơ học khối là chính và bề mặt hoàn thiện có thể được hiệu chỉnh bằng gia công

Cơ sở lựa chọn: - Chọn BQ-S khi tính toàn vẹn bề mặt, tuổi thọ chịu mỏi, hiệu suất phủ hoặc tính thẩm mỹ là yếu tố quyết định. - Chọn DQ-S khi chi phí, tính khả dụng hoặc nhu cầu loại bỏ gia công mạnh mẽ vượt quá nhu cầu về bề mặt được thiết kế.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• BQ-S thường có giá cao hơn do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, các hoạt động hoàn thiện bổ sung và các tiêu chuẩn hóa chất/thành phần nghiêm ngặt hơn.
• DQ-S thường có giá thành rẻ hơn và được sản xuất với ít bước hoàn thiện hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai loại thép này thường có dạng thanh, que và rèn, nhưng BQ-S ở một số đường kính hoặc lớp hoàn thiện nhất định có thể chỉ giới hạn ở các nhà cung cấp chuyên biệt.
• Thời gian hoàn thành sản phẩm BQ-S có thể lâu hơn nếu nhà máy sản xuất theo lô để đáp ứng dung sai hoàn thiện nghiêm ngặt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Loại	BQ-S	DQ-S
Khả năng hàn	Tốt (ít tạp chất; dễ kiểm soát HAZ hơn)	Tốt – thay đổi (phụ thuộc vào hợp kim)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Rất tốt (cấu trúc vi mô được kiểm soát, độ dẻo dai cao)	Tốt (có thể điều chỉnh để có độ bền cao hơn nếu cần)
Trị giá	Cao hơn (phí bảo hiểm cho việc hoàn thiện và kiểm soát quy trình)	Thấp hơn (tiết kiệm, khả dụng rộng rãi hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn BQ-S nếu bạn cần độ toàn vẹn bề mặt vượt trội, hiệu suất chịu mỏi tốt hơn, độ bám dính lớp phủ vượt trội hoặc tối thiểu hóa quá trình xử lý sau để đạt được độ hoàn thiện bề mặt cuối cùng. Các ứng dụng điển hình bao gồm trục quay chính xác, bề mặt ổ trục và các thành phần kiến ​​trúc lộ thiên. - Chọn DQ-S nếu ưu tiên của bạn là chi phí vật liệu thấp, tính khả dụng cao hơn, hoặc bạn muốn gia công phức tạp để loại bỏ các khuyết tật bề mặt. DQ-S phù hợp cho các thành phần kết cấu, chi tiết gia công thô và các chi tiết cần hoàn thiện bề mặt cuối cùng thông qua các quy trình thứ cấp.

Lưu ý cuối cùng: BQ-S và DQ-S thường là các ký hiệu riêng của nhà cung cấp, phản ánh sự kết hợp giữa triết lý hóa học, chế biến và hoàn thiện. Đối với thiết kế kỹ thuật và mua sắm, hãy luôn yêu cầu giấy chứng nhận nhà máy và báo cáo thử nghiệm cơ học, chỉ định các tiêu chí chấp nhận bề mặt cần thiết và xác định quy trình hàn/nhiệt luyện để đảm bảo loại thép đã chọn đáp ứng các yêu cầu trong quá trình sử dụng.