CR2 so với CR3 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

CR2 và CR3 là các ký hiệu thường được sử dụng trong các danh mục thương mại và thông số kỹ thuật mua sắm để phân biệt hai loại thép cacbon cán nguội. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với quyết định lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng chi phí, khả năng định hình, khả năng hàn và hiệu suất sử dụng: CR2 thường ưu tiên khả năng định hình tuyệt vời và gia công tiết kiệm, trong khi CR3 được chỉ định khi cần độ bền cao hơn hoặc chất lượng cạnh được cải thiện. Sự khác biệt thực tế chính giữa chúng nằm ở các đặc tính của loại thép cán nguội—một loại được tối ưu hóa cho các ứng dụng mềm hơn, dễ định hình, loại còn lại cho các ứng dụng có độ bền cao hơn và dung sai chặt chẽ hơn—vì vậy cả hai thường được so sánh trong quá trình đánh đổi thiết kế cho dập, kéo sâu, tấm kết cấu và chế tạo nói chung.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các họ tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung trong đó các loại thép cán nguội được định nghĩa hoặc tham chiếu:
• ASTM/ASME (ví dụ, thông số kỹ thuật của thép tấm và thép dải cán nguội theo tiêu chuẩn ASTM A1008/A1011 dành cho thép thương mại)
• EN (ví dụ, loạt EN 10130 dành cho thép cacbon thấp cán nguội)
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản đối với thép cán nguội, ví dụ: SPCC)
• GB (Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc về thép cán nguội)
• Phân loại: CR2 và CR3 thường là thép cán nguội hàm lượng carbon thấp (nhóm thép carbon). Theo mặc định, chúng không phải là thép không gỉ, thép công cụ hoặc thép HSLA, mặc dù một số nhà cung cấp có thể cung cấp các biến thể với các thành phần hợp kim vi mô hoặc khử oxy có kiểm soát để đáp ứng các tính chất cụ thể.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần định tính thể hiện sự hiện diện và vai trò điển hình của các nguyên tố trong CR2 so với CR3. Thành phần chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp; hãy kiểm tra chứng chỉ nhà máy để mua hàng.

Yếu tố	CR2 (điển hình)	CR3 (điển hình)	Ghi chú
C (Cacbon)	Thấp (được thiết kế để có khả năng định hình tốt)	Thấp-trung bình (cao hơn một chút hoặc được kiểm soát về sức mạnh)	C cao hơn làm tăng độ bền/khả năng tôi luyện nhưng làm giảm khả năng tạo hình và khả năng hàn.
Mn (Mangan)	Trung bình (khử oxy, cường độ)	Trung bình-cao (để tăng cường sức mạnh/khả năng làm cứng)	Mn là nguyên tố hợp kim chính tạo nên độ bền và độ cứng trong thép cacbon thấp.
Si (Silic)	Thấp (chất khử oxy, dung dịch rắn hạn chế tăng cường)	Thấp	Thường được giữ ở mức thấp để duy trì chất lượng bề mặt và khả năng tạo hình.
P (Phốt pho)	Theo dõi / kiểm soát	Theo dõi / kiểm soát	Giữ ở mức thấp; P cao hơn có thể tăng cường độ nhưng lại giòn.
S (Lưu huỳnh)	Dấu vết (có thể được kiểm soát để gia công)	Dấu vết	S cải thiện khả năng cắt tự do nhưng lại gây hại đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt.
Cr (Crom)	Thường không có hoặc dấu vết	Dấu vết (hợp kim vi mô tùy chọn)	Nhìn chung không phải là biến số thiết kế trong thép mềm cán nguội; việc bổ sung một lượng nhỏ sẽ cải thiện khả năng tôi luyện.
Ni (Niken)	Nói chung là vắng mặt	Nói chung là vắng mặt	Không điển hình trừ khi có biến thể đặc biệt được chỉ định.
Mo (Molypden)	Nói chung là vắng mặt	Dấu vết (hiếm)	Hiếm ở cấp CR tiêu chuẩn; được sử dụng trong các biến thể hợp kim.
V (Vanadi)	Thường vắng mặt	Có thể có dấu vết (biến thể hợp kim vi mô)	V có thể tăng cường lượng mưa nếu có.
Nb (Niobi)	Thường vắng mặt	Có thể theo dõi các biến thể hợp kim vi mô	Nb làm mịn hạt khi có trong thép hợp kim vi mô.
Ti (Titan)	Thiểu số / dấu vết	Thiểu số / dấu vết	Được sử dụng để ổn định một số loại thép đã qua xử lý.
B (Bo)	Không điển hình	Không điển hình	Mức độ rất thấp có thể làm tăng khả năng tôi luyện; không phổ biến ở các loại CR thông dụng.
N (Nitơ)	Dấu vết	Dấu vết	Được kiểm soát để quản lý quá trình lão hóa, nitrua nếu được hợp kim hóa.

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - CR2: được tối ưu hóa chủ yếu cho hàm lượng carbon thấp, khả năng định hình tốt, lượng dư thấp để có bề mặt hoàn thiện vượt trội. - CR3: được thiết kế để đạt được năng suất/độ bền kéo cao hơn thông qua giới hạn khả năng gia công nguội cao hơn một chút hoặc hợp kim vi mô; có thể nhắm mục tiêu vào dung sai bề mặt và khổ thép chặt chẽ hơn.

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

Thép cán nguội như CR2 và CR3 bắt đầu từ cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc ferit hoàn toàn sau khi cán nguội và ủ. Sự khác biệt phát sinh từ quá trình hóa học và xử lý nhiệt:

• Cấu trúc vi mô điển hình của CR2: chủ yếu là ferit mịn với perlit phân tán hoặc pha thứ hai tối thiểu; ma trận mở, dẻo sau khi ủ. Ủ mẻ hoặc ủ liên tục tạo ra ferit đẳng trục và mật độ lệch vị trí thấp—thúc đẩy khả năng định hình.
• Cấu trúc vi mô điển hình của CR3: nền ferit tương tự nhưng có mật độ lệch vị trí cao hơn sau quá trình gia công nguội ở nhiệt độ cao hơn hoặc có các kết tủa hợp kim hóa vi mô nhẹ (V, Nb) được tinh chế trong các chu kỳ nhiệt. Hợp kim hóa vi mô và ủ có kiểm soát có thể tạo ra các hạt ferit mịn hơn và các kết tủa cacbua/nitrit nhỏ giúp tăng cường độ.

Hiệu ứng xử lý nhiệt/xử lý: - Ủ kết tinh lại (thường thấy ở thép tấm cán nguội) giúp phục hồi độ dẻo ở cả hai loại; CR2 hướng đến mục tiêu làm mềm hoàn toàn, CR3 có thể được ủ đến trạng thái vẫn giữ được một số độ cứng do ứng suất. - Việc chuẩn hóa không phải là đặc trưng của các tấm cán nguội dùng để tạo hình. - Làm nguội và ram không áp dụng cho thép mềm cán nguội tiêu chuẩn—chỉ được sử dụng cho các biến thể hợp kim đặc biệt nhằm mục đích có độ bền cao hơn. - Xử lý nhiệt cơ học có liên quan nhiều hơn đến các biến thể hợp kim vi mô, trong đó quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh giúp cải thiện độ bền và độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học thay đổi tùy theo quy trình chế biến (ủ, cán màng hoặc cán nguội) và cỡ mẫu. Bảng dưới đây so sánh các khác biệt điển hình về hành vi; kiểm tra báo cáo thử nghiệm tại nhà máy để biết giá trị cụ thể của nhà cung cấp.

Tài sản	CR2 (hành vi điển hình)	CR3 (hành vi điển hình)	Tại sao
Độ bền kéo	Thấp hơn (được thiết kế để dễ uốn)	Cao hơn (được thiết kế để tăng cường sức mạnh)	Hóa học/xử lý CR3 làm tăng độ bền kéo thông qua quá trình gia công nguội hoặc hợp kim hóa vi mô.
Cường độ chịu kéo	Thấp hơn	Cao hơn	Hợp kim nhẹ hoặc giảm quá trình ủ sẽ làm tăng sản lượng CR3.
Độ giãn dài	Cao hơn (độ dẻo tốt hơn)	Thấp hơn (giảm do tăng sức mạnh)	Sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.
Độ bền va đập	Tốt ở môi trường xung quanh; độ bền khía tốt hơn cho CR2	Đủ nhưng có thể thấp hơn nếu đạt được mục tiêu sức mạnh cao hơn	Độ dẻo dai được kiểm soát nhờ hiệu ứng tinh chế hạt và kết tủa.
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn	Có liên quan đến độ bền kéo và khả năng làm việc lạnh.

Diễn giải: CR3 thường có độ bền và độ cứng cao hơn, nhưng độ dẻo và khả năng định hình lại thấp hơn so với CR2. Mức độ khác biệt phụ thuộc vào tỷ lệ hoàn nguyên nguội, chu kỳ ủ và bất kỳ nguyên tố hợp kim vi mô nào.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, khả năng tôi cứng (Mn, Cr, Mo, V) và các nguyên tố còn lại. Để đánh giá khả năng chịu nứt do hydro và nhu cầu gia nhiệt trước, ngành công nghiệp sử dụng các chỉ số như hàm lượng cacbon tương đương IIW và Pcm:

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

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

Giải thích định tính: - CR2: hàm lượng cacbon và hợp kim thấp hơn → giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn → khả năng hàn tốt với quá trình gia nhiệt trước tối thiểu cho độ dày thông thường. - CR3: hàm lượng Mn hoặc hợp kim vi mô cao hơn một chút có thể làm tăng chỉ số độ cứng → tăng nguy cơ hình thành cấu trúc martensitic cứng trong vùng HAZ đối với các phần dày hoặc làm nguội nhanh và có thể cần xử lý nhiệt trước/sau khi hàn trên các bộ phận dày hơn.

Hướng dẫn thực tế: - Đối với thép tấm và thép mỏng, cả hai loại thép này thường dễ dàng hàn bằng phương pháp GMAW/MIG, MAG hoặc hàn điện trở tiêu chuẩn khi tuân thủ đúng quy trình hàn. - Đối với hàn điểm và các bộ phận dập, CR2 thường được ưu tiên vì ít có nguy cơ nứt mối hàn và khả năng định hình tốt hơn; CR3 có thể cần điều chỉnh các thông số hoặc lựa chọn kim loại phụ để quản lý độ bền HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả CR2 và CR3 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn của chúng tương đương với thép cacbon thấp và phụ thuộc vào bề mặt hoàn thiện và môi trường.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm, phủ trước bằng lớp phủ hữu cơ (phủ cuộn), thụ động hóa dầu bề mặt hoặc hệ thống sơn.
• Các chỉ số dành riêng cho thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ sau:

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

Chỉ số này chỉ có ý nghĩa đối với thành phần thép không gỉ austenit và do đó không liên quan ở đây.

Ghi chú lựa chọn: - Nếu cần khả năng chống ăn mòn, hãy chỉ định lớp mạ kẽm hoặc sơn sẵn hoặc chọn loại thép không gỉ thay vì CR2/CR3. - Cân nhắc về chất lượng bề mặt: CR2 thường được cung cấp để có bề mặt hoàn thiện tuyệt vời phù hợp cho lớp phủ sơn/cuộn; CR3 có thể có phương pháp xử lý bề mặt hơi khác nhau để đáp ứng nhu cầu về kích thước/dung sai.

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

• Tạo hình: CR2 mang lại hiệu suất kéo sâu và tạo hình kéo giãn vượt trội nhờ năng suất thấp hơn và độ giãn dài cao hơn. CR3, bền hơn, sẽ có độ đàn hồi cao hơn và khả năng kéo tối đa giảm.
• Uốn cong: CR2 dễ uốn cong thành bán kính hẹp với nguy cơ nứt thấp hơn. CR3 yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc ủ trung gian để giảm biến dạng nghiêm trọng.
• Khả năng gia công: Cả hai đều ở mức trung bình; độ bền cao hơn và khả năng bị hợp kim hóa vi mô của CR3 có thể làm giảm khả năng gia công so với CR2. Khả năng gia công có thể được điều chỉnh một cách có chủ ý bằng cách thêm chì hoặc lưu huỳnh vào các biến thể cắt tự do cụ thể, nhưng điều này làm giảm hiệu suất tạo hình.
• Hoàn thiện bề mặt: CR2 thường được chỉ định khi cần bề mặt đẹp mắt (tấm ốp ngoài ô tô, chi tiết trang trí). CR3 có thể được sử dụng khi cần ưu tiên dung sai kích thước và độ thẳng.

8. Ứng dụng điển hình

CR2 (sử dụng thông thường)	CR3 (sử dụng thông thường)
Tấm ốp bên trong ô tô, các bộ phận dập sâu, các thành phần đồ nội thất, các thiết bị có khả năng định hình và hoàn thiện bề mặt là rất quan trọng	Tấm kết cấu, các bộ phận yêu cầu năng suất cao hơn hoặc kiểm soát kích thước chặt chẽ hơn, dải cán nguội được hiệu chuẩn để xử lý thứ cấp
Ống dẫn HVAC được sơn hoặc phủ sẵn, vỏ bọc đo sáng, hàng tiêu dùng	Các thành phần chế tạo có độ bền cho phép giảm kích thước để tiết kiệm trọng lượng hoặc chi phí (tùy thuộc vào giới hạn tạo hình)
Các thành phần tạo hình nguội chung, dập, giá đỡ nhỏ	Các bộ phận sẽ được tạo hình nhẹ nhưng cần độ bền tĩnh cao hơn (khớp nối, dây đai gia cố)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn CR2 khi cần độ uốn sâu, bề mặt hoàn thiện chặt chẽ hoặc độ dẻo tối đa. - Chọn CR3 khi độ bền cao hơn, dung sai độ dày chặt chẽ hơn hoặc tình trạng cạnh được cải thiện vượt trội hơn khả năng định hình giảm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: CR2 thường có giá thành thấp hơn một chút vì nó hướng đến hóa học carbon thấp và chu kỳ ủ tiêu chuẩn. CR3 có thể có giá cao hơn một chút nếu bao gồm quá trình xử lý bổ sung, cán dung sai chặt chẽ hơn hoặc hợp kim hóa vi mô.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở dạng cuộn, tấm và dải tại các nhà máy cán nguội thương mại. CR2 thường được dự trữ rộng rãi hơn do mục đích sử dụng chung; CR3 thường có sẵn nhưng có thể được chỉ định theo đơn đặt hàng với dung sai bề mặt hoặc cơ học cụ thể.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	CR2	CR3
Khả năng hàn	Rất tốt	Tốt — có thể cần chú ý đến những phần dày hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thấp hơn, độ dẻo cao hơn	Độ bền cao hơn, độ dẻo thấp hơn một chút
Trị giá	Thấp hơn / tiết kiệm	Cao hơn một chút / cao cấp hơn cho thông số kỹ thuật chặt chẽ hơn

Khuyến nghị: - Chọn CR2 nếu bạn cần khả năng tạo hình vượt trội, hiệu suất kéo sâu, bề mặt hoàn thiện tuyệt vời để sơn hoặc phủ và chi phí thấp nhất cho việc chế tạo chung các sản phẩm mỏng. - Chọn CR3 nếu bạn yêu cầu độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn cho các tính năng chịu tải, kiểm soát kích thước/cỡ chặt chẽ hơn hoặc nếu tăng nhẹ độ bền cho phép giảm cỡ để tiết kiệm trọng lượng hoặc chi phí vật liệu—chấp nhận giảm một số khả năng tạo hình.

Mẹo mua sắm cuối cùng: yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy và điều kiện cung cấp chính xác (ủ, cán màng, cán nguội), đồng thời nêu rõ các yêu cầu về hoàn thiện bề mặt và lớp phủ. Thực hiện các thử nghiệm tạo hình ở cấp độ chi tiết và thẩm định quy trình hàn nếu cần để xác nhận loại thép đã chọn đáp ứng các yêu cầu về khả năng sản xuất và vận hành.