CR3 so với CR4 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

CR3 và CR4 là các mác thép cán nguội thương mại thường được sử dụng trong các ứng dụng định hình và kết cấu trong lĩnh vực ô tô, thiết bị gia dụng và chế tạo nói chung. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi cân bằng giữa khả năng định hình, độ bền, chi phí và quá trình xử lý tiếp theo (phủ, hàn hoặc tạo hình). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép cho dập sâu so với dập vừa, lựa chọn vật liệu tương thích với các dây chuyền phủ cụ thể, hoặc tối ưu hóa năng suất sản phẩm đồng thời giảm thiểu độ đàn hồi và nứt.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại này là CR4 được định vị để cung cấp hiệu suất tạo hình được cải thiện (độ dẻo và khả năng kéo được cải thiện) so với CR3; cả hai đều là biến thể của thép cán nguội ít carbon có tính chất hóa học và cơ học chồng chéo, và việc lựa chọn thường được xác định theo lộ trình xử lý và yêu cầu hoàn thiện hơn là theo tính chất hóa học của hợp kim hoàn toàn khác nhau.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và hệ thống chung áp dụng cho thép cán nguội (được mô tả thương mại là CR1–CR4 hoặc các dải chất lượng tương tự):
• EN (Châu Âu): EN 10130 (sản phẩm thép phẳng cacbon thấp cán nguội dùng để tạo hình nguội) và các thông số kỹ thuật sản phẩm liên quan.
• ASTM/ASME: Không có ký hiệu "CR3/CR4" chung trong ASTM; các loại thép tương tự được chỉ định theo tiêu chuẩn sản phẩm và yêu cầu về tính chất cơ học.
• JIS (Nhật Bản): Tấm và dải cán nguội có hệ thống phân loại (ví dụ: SPCC, SPCD) thay vì nhãn CR3/CR4, nhưng vẫn có các loại có chức năng tương đương.
• GB (Trung Quốc): Tiêu chuẩn quốc gia về thép cán nguội (ví dụ, loạt Q195–Q345 và các sản phẩm tương đương cán nguội).
• Phân loại: Cả CR3 và CR4 đều là thép cacbon thấp cán nguội (không gỉ, không dùng cho dụng cụ, không hợp kim cao) thuộc nhóm thép cacbon mềm/cacbon. Theo mặc định, chúng không phải là thép không gỉ hoặc HSLA, mặc dù có các biến thể hợp kim vi mô cho các ứng dụng cụ thể.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh định tính tiêu biểu về thành phần hóa học của CR3 và CR4. Thành phần chính xác phụ thuộc vào nhà cung cấp và tiêu chuẩn; hãy kiểm tra với giấy chứng nhận của nhà máy để mua sắm hoặc thiết kế.

Yếu tố	Mức độ điển hình — CR3	Mức độ điển hình — CR4	Ghi chú
C (cacbon)	Thấp (rất thấp đến thấp)	Thấp (thường ở mức thấp hơn của CR3)	Hàm lượng C hiệu dụng thấp có lợi cho khả năng tạo hình và hàn.
Mn (mangan)	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình	Mn hỗ trợ độ bền và khả năng khử oxy; được kiểm soát để hạn chế khả năng làm cứng.
Si (silicon)	Dấu vết-thấp	Dấu vết-thấp	Chất khử oxy; quá nhiều sẽ làm giảm khả năng tạo hình.
P (phốt pho)	Rất thấp	Rất thấp	Giữ ở mức thấp để tránh bị giòn.
S (lưu huỳnh)	Rất thấp	Rất thấp	Giảm thiểu; sunfua có thể hỗ trợ khả năng gia công nhưng lại gây hại cho khả năng tạo hình.
Cr, Ni, Mo	Thường có dấu vết/vắng mặt	Thường có dấu vết/vắng mặt	Nếu có, hãy ghi rõ loại hợp kim thay vì loại CR3/CR4 tiêu chuẩn.
V, Nb, Ti	Dấu vết (có thể hợp kim hóa vi mô)	Dấu vết (có thể hợp kim hóa vi mô)	Có thể sử dụng hợp kim vi mô để kiểm soát độ bền trong các biến thể.
B	Dấu vết (hiếm)	Dấu vết (hiếm)	Được sử dụng thỉnh thoảng với số lượng nhỏ để kiểm soát độ cứng trong các sản phẩm hợp kim.
N	Dấu vết	Dấu vết	Nitơ có thể ảnh hưởng đôi chút đến quá trình nung cứng và khả năng tạo hình.

Chiến lược hợp kim: Đối với CR3/CR4, trọng tâm là duy trì hàm lượng carbon rất thấp cùng với Mn và Si được kiểm soát để đảm bảo khả năng tạo hình nguội và hàn tốt. Các mác CR4 thường được sản xuất hoặc xử lý nhiệt để tăng độ dẻo (ví dụ, ủ mềm hơn, làm nguội có kiểm soát hoặc ủ liên tới hạn) thay vì thay đổi đáng kể các nguyên tố hợp kim.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả CR3 và CR4 đều có cấu trúc vi mô ferritic (lập phương tâm khối, BCC) với hàm lượng perlit mịn hoặc cacbua rất thấp tùy thuộc vào cacbon và lịch sử nhiệt. Khi được sản xuất dưới dạng tấm cán nguội ít cacbon với quá trình ủ, cấu trúc gần như hoàn toàn ferritic với các cacbua/nitrit rất mịn phân bố đồng đều là phổ biến.
• Hiệu ứng xử lý:
• Ủ kết tinh lại (phổ biến cho tấm cán nguội): Tạo ra ma trận ferritic mềm, dẻo, hạt mịn, giúp tối đa hóa khả năng định hình. CR4 thường được cung cấp kèm theo quy trình ủ hoặc làm nguội có kiểm soát, tối ưu hóa độ giãn dài cao hơn và giới hạn chảy thấp hơn để hỗ trợ kéo sâu.
• Làm cứng/làm nguội bằng lò nung: Các biến thể có thể làm cứng bằng lò nung có thể được sản xuất bằng cách kiểm soát cacbon và nitơ hòa tan; các phương pháp xử lý này làm tăng năng suất sau các chu kỳ sơn/nướng và được tìm thấy trong các ứng dụng ô tô.
• Xử lý nhiệt cơ: Nếu nhà cung cấp áp dụng phương pháp cán nhiệt cơ + làm mát có kiểm soát, cấu trúc vi mô có thể được tinh chỉnh để tạo ra sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và khả năng tạo hình; các phương pháp xử lý như vậy phổ biến hơn khi cần các mục tiêu cơ học cụ thể và có thể làm mờ ranh giới giữa CR3 và CR4.
• Khả năng làm cứng: Cả hai loại đều có khả năng làm cứng thấp do hàm lượng cacbon và hợp kim thấp; chúng phản ứng kém với quá trình làm cứng toàn bộ nhưng phản ứng tốt với xử lý bề mặt và gia công nguội.

4. Tính chất cơ học

Các đặc tính cơ học tiêu biểu của thép cacbon thấp cán nguội chịu ảnh hưởng nhiều hơn bởi chu kỳ ủ và khử nguội so với nhãn mác mác nghiêm ngặt. Bảng dưới đây tóm tắt hành vi điển hình; hãy kiểm tra báo cáo thử nghiệm tại nhà máy để mua hàng.

Tài sản	CR3 (hành vi điển hình)	CR4 (hành vi điển hình)	Ý nghĩa thực tiễn
Độ bền kéo	Vừa phải	Trung bình; thường tương tự hoặc thấp hơn một chút	Có sự chồng chéo; độ bền kéo được kiểm soát bằng phương pháp làm nguội/ủ.
Sức chịu lực	Vừa phải	Thường thấp hơn (để cải thiện khả năng định hình)	Năng suất thấp hơn làm giảm khả năng nảy trở lại và dễ hình thành hơn.
Độ giãn dài (%)	Tốt	Cao hơn CR3 (độ dẻo được cải thiện)	CR4 được ưa chuộng khi vẽ sâu/hình dạng phức tạp.
Độ bền va đập	Đủ ở nhiệt độ phòng	Tương tự hoặc cải thiện đôi chút nếu kích thước hạt được tinh chỉnh	Không phải là yếu tố phân biệt chính ở nhiệt độ phòng.
Độ cứng (HB hoặc HRC)	Thấp-trung bình	Nói chung là thấp hơn (tính khí nhẹ nhàng hơn)	Độ mềm của CR4 giúp tạo hình dễ dàng hơn và giảm mài mòn dụng cụ trong quá trình tạo hình.

Giải thích: CR4 thường được cung cấp hoặc xử lý để giảm năng suất và tăng độ giãn dài nhằm cải thiện quá trình tạo hình; CR3 có thể được sử dụng khi cần cường độ cao hơn một chút hoặc tiết kiệm chi phí và yêu cầu tạo hình ít nghiêm ngặt hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon thấp cán nguội nhìn chung tốt do có hàm lượng cacbon thấp tương đương, nhưng thành phần cục bộ và hợp kim vi mô ảnh hưởng đến khả năng nứt nguội và làm cứng HAZ.

Công thức tương đương cacbon hữu ích (diễn giải theo định tính; không thay thế thành phần số mà không có xác minh): - Viện Hàn Quốc tế quy đổi cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 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 định tính: - Cả CR3 và CR4 thường có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp do hàm lượng cacbon và hợp kim rất thấp, cho thấy khả năng hàn thuận lợi với các quy trình nóng chảy tiêu chuẩn và kim loại hàn thông dụng. - Hàm lượng cacbon hiệu dụng thấp hơn và độ mềm hơn của CR4 thường làm giảm nguy cơ cứng HAZ và khả năng nứt nguội, khiến yêu cầu xử lý nhiệt trước và sau khi hàn ít khắt khe hơn so với thép có độ bền cao hơn. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) khi có ở mức vết có thể làm tăng khả năng tôi cục bộ; hãy chỉ định quy trình hàn dựa trên thành phần được chứng nhận và sử dụng nhiệt độ nung nóng trước/nhiệt độ giữa các lớp hàn thích hợp nếu hàm lượng hợp kim vi mô làm tăng $P_{cm}$.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Bản chất không gỉ: Cả CR3 và CR4 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon thấp không hợp kim. Đối với ứng dụng trong khí quyển hoặc ngoài trời, cần có hệ thống bảo vệ.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: Mạ kẽm nhúng nóng, mạ kẽm điện phân, lớp phủ kẽm-sắt, hệ thống sơn hữu cơ, sơn bột hoặc lớp phủ chuyển đổi (phosphate) là những lựa chọn tiêu chuẩn. Việc lựa chọn phụ thuộc vào môi trường dự định, quá trình tạo hình (phủ trước hoặc sau khi tạo hình), và các hạn chế về VOC hoặc quy trình sơn.
• Chỉ số thép không gỉ: PREN không áp dụng cho CR3/CR4 vì chúng không phải là hợp kim thép không gỉ. Đối với thép không gỉ, người ta sẽ sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Thực hành phủ: Đối với các ứng dụng kéo sâu, hãy cân nhắc phủ sau hoặc phủ tương thích với quy trình có khả năng chịu được biến dạng tạo hình; ví dụ, mạ kẽm điện phân hoặc một số lớp phủ hữu cơ phù hợp với khả năng tạo hình của cấp để tránh nứt.

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

• Khả năng định hình: CR4 được thiết kế để cải thiện khả năng định hình (độ giãn dài đồng đều cao hơn, tỷ lệ chảy thấp hơn), do đó thích hợp cho việc kéo sâu, dập phức tạp và các chi tiết yêu cầu bán kính uốn hẹp. Độ đàn hồi thường thấp hơn ở CR4 mềm hơn.
• Uốn và dập: CR4 chịu được ứng suất lớn hơn trước khi tạo cổ. Tuổi thọ dụng cụ có thể được cải thiện khi tạo hình vật liệu mềm hơn nhưng có thể cần chú ý đến khe hở khuôn và bôi trơn để tránh khuyết tật bề mặt.
• Cắt và phay: Cả hai loại đều có khả năng gia công và cắt tương tự nhau; hàm lượng tạp chất rất thấp và chất lượng bề mặt được kiểm soát (thường liên quan đến số CR cao hơn) giúp giảm nứt cạnh và gờ.
• Khả năng gia công: Thép ít cacbon có khả năng gia công khá; các biến thể có chứa lưu huỳnh hoặc chì có khả năng gia công tốt hơn nhưng khó định hình hơn—những loại thép này không phải là đặc điểm điển hình của khả năng định hình nhắm mục tiêu CR4.
• Hoàn thiện bề mặt: CR4 thường được cung cấp với lớp hoàn thiện bề mặt và chất bôi trơn cuộn được tối ưu hóa cho việc tạo hình; hãy chọn chất bôi trơn tạo hình và vật liệu khuôn phù hợp để bảo toàn chất lượng bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

CR3 — Công dụng điển hình	CR4 — Công dụng điển hình
Tấm kết cấu nhẹ, chế tạo chung khi tạo hình vừa phải	Các thành phần được kéo sâu: tấm bên trong ô tô, vỏ phức tạp
Các ứng dụng có thể chấp nhận được cường độ cung cấp cao hơn một chút	Các bộ phận bên trong của thiết bị, các thành phần gia dụng có sức kéo cao
Tấm phủ không yêu cầu tạo hình nghiêm ngặt	Các bộ phận yêu cầu bán kính uốn cong chặt chẽ và chất lượng bề mặt cao sau khi tạo hình
Các bộ phận nhạy cảm về chi phí với nhu cầu tạo hình vừa phải	Các bộ phận dập quan trọng trong đó khả năng định hình hạn chế năng suất sản xuất

Cơ sở lựa chọn: Chọn CR4 khi yêu cầu chủ yếu là độ phức tạp khi tạo hình và tính toàn vẹn của chi tiết trong quá trình kéo/dập sâu. Chọn CR3 khi yêu cầu tạo hình vừa phải, chi phí thấp và cường độ giao hàng cao hơn hoặc độ dẻo thấp hơn một chút là chấp nhận được.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: CR4 thường có giá thành cạnh tranh với CR3 về số lượng vì thành phần hóa học cơ bản tương tự nhau; tuy nhiên, các bước xử lý (ủ chuyên dụng hoặc hoàn thiện bề mặt) để đạt được khả năng định hình vượt trội có thể làm tăng giá thành. Ở nhiều thị trường, CR4 có giá cao hơn CR3 một chút khi được cung cấp kèm theo khả năng định hình được chứng nhận hoặc phương pháp ủ đặc biệt.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại thép này thường có sẵn dưới dạng cuộn cán nguội, tấm và phôi cắt theo chiều dài. Tính khả dụng phụ thuộc vào lượng hàng tồn kho của nhà máy khu vực và liệu khách hàng có yêu cầu xử lý bổ sung hay không (ví dụ: cán màng, ủ đặc biệt hoặc phủ sơ bộ).
• Mẹo mua sắm: Chỉ định các đặc tính cơ học cần thiết (năng suất, độ giãn dài, độ bền kéo) và yêu cầu tạo hình thay vì chỉ nhãn CR3/CR4; điều này đảm bảo các nhà máy có thể cung cấp lộ trình xử lý phù hợp và giảm sự mơ hồ trong việc định giá.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	CR3	CR4
Khả năng hàn	Tốt (tỉ lệ C thấp)	Nói chung là ngang bằng hoặc tốt hơn (tính khí mềm mỏng hơn làm giảm nguy cơ HAZ)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai vừa đủ	Phạm vi kéo tương tự nhưng thiên về độ dẻo cao hơn/năng suất thấp hơn
Trị giá	Thấp đến trung bình (phụ thuộc vào quá trình chế biến)	Có thể tăng thêm một chút để tăng khả năng định hình

Sự giới thiệu: - Chọn CR3 nếu bạn cần thép cacbon thấp cán nguội tiết kiệm chi phí cho các bộ phận có nhu cầu tạo hình vừa phải, trong đó năng suất cao hơn một chút hoặc hàng tồn kho có sẵn là quan trọng. - Chọn CR4 nếu bộ phận yêu cầu khả năng định hình vượt trội hoặc độ uốn sâu (giảm thiểu nứt và nảy trở lại), cải thiện chất lượng bề mặt sau khi định hình hoặc khi độ bền của quy trình dập là rất quan trọng.

Lưu ý cuối cùng về mua sắm và kỹ thuật: Do nhãn CR3 và CR4 có thể được sử dụng khác nhau bởi các nhà máy và nhà cung cấp khu vực, nên cách an toàn nhất là xác định các đặc tính cơ học cần thiết (giới hạn chảy, độ bền kéo, độ giãn dài), độ hoàn thiện bề mặt và bất kỳ yêu cầu nào về lớp phủ hoặc nung trong tài liệu mua hàng. Yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy và, nếu việc tạo hình là quan trọng, hãy chạy thử nghiệm tạo hình hoặc yêu cầu dữ liệu về khả năng tạo hình (ví dụ: độ cong Erichsen, chiều cao vòm giới hạn) để xác nhận cấp độ đã chọn.