CR4 so với CR5 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

CR4 và CR5 là các loại thép cacbon thấp cán nguội được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tấm, nơi chất lượng tạo hình, độ hoàn thiện bề mặt và kiểm soát kích thước là rất quan trọng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi chỉ định vật liệu cho tấm ốp ô tô dập, vỏ thiết bị gia dụng kéo sâu hoặc vỏ bọc chế tạo chính xác. Việc lựa chọn thường cân bằng giữa khả năng tạo hình so với độ bền và chi phí, cũng như các ràng buộc về quy trình hạ nguồn như hàn và phủ.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này nằm ở tính tương đối phù hợp cho các hoạt động kéo mạnh: một loại được tối ưu hóa cho khả năng tạo hình kéo sâu rất cao (cải thiện khả năng kéo và khả năng tạo mép), trong khi loại còn lại cung cấp sự cân bằng giữa độ bền/độ dẻo cao hơn một chút cho các ứng dụng có cường độ kéo trung bình. Vì cả hai loại thép đều được cán nguội và ủ để tạo ra cấu trúc vi mô ferit mịn và điều kiện bề mặt được kiểm soát, nên chúng thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu cho sản xuất tạo hình chuyên sâu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Thép cán nguội đa dụng và thép cán kéo được quy định bởi nhiều tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế. Mặc dù danh pháp CR4/CR5 thường được sử dụng trong các danh mục thương mại và nhà cung cấp, các cấp thép tương đương hoặc liên quan được tìm thấy trong các thông số kỹ thuật sau:

• ASTM / ASME: A1008 / A1008M (cán nguội, chất lượng thương mại, các biến thể chất lượng kéo)
• EN: EN 10130 (thép không hợp kim cán nguội dùng để tạo hình nguội)
• JIS: G3141 (thép cán nguội và thép kéo sâu có sẵn trên thị trường)
• GB/T (Trung Quốc): Nhiều tiêu chuẩn thép cán nguội bao gồm thép kéo cacbon thấp

Phân loại: Cả CR4 và CR5 đều là thép cán nguội không hợp kim, hàm lượng carbon thấp (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA) thường dùng cho ứng dụng tạo hình nguội và bề mặt tiếp xúc.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần hóa học của CR4 và CR5 được thiết kế đơn giản: hàm lượng cacbon rất thấp, silic, mangan được kiểm soát chặt chẽ và tạp chất tối thiểu (P, S). Các hợp kim vi lượng (Ti, Nb, V, B) thường không có hoặc ở mức thấp trong thép kéo tiêu chuẩn; nếu có, chúng được kiểm soát chặt chẽ vì chúng ảnh hưởng đến kích thước hạt, khả năng tái kết tinh và khả năng định hình.

Yếu tố	CR4 (chiến lược điển hình)	CR5 (chiến lược điển hình)
C	Rất thấp — giữ ở mức tối thiểu để tối đa hóa khả năng tạo hình và khả năng hàn	Cực kỳ thấp — được tối ưu hóa hơn nữa để cải thiện khả năng kéo và giảm khả năng làm cứng
Mn	Được kiểm soát (vừa phải) để hỗ trợ sức mạnh và lăn	Được kiểm soát; thường tương tự như CR4
Si	Thấp — kiểm soát khử oxy; hạn chế để tránh giòn	Thấp — lý do tương tự
P	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất)	Bị hạn chế nghiêm ngặt
S	Được kiểm soát (thường ≤0,01–0,02%)	Được kiểm soát; có thể thấp hơn để cải thiện chất lượng bề mặt
Cr, Ni, Mo	Thông thường có dấu vết hoặc không có trong các lớp bản vẽ tiêu chuẩn	Thông thường dấu vết hoặc vắng mặt
V, Nb, Ti	Nói chung không được cố ý thêm vào đối với các loại CR tiêu chuẩn; nếu có, ở mức hợp kim vi mô rất thấp	Có thể được thiết kế ở mức độ vết trong các biến thể đặc biệt để điều chỉnh kết cấu, nhưng không phổ biến ở CR5 thông thường
B	Không điển hình trong các loại bản vẽ chất lượng CR	Không điển hình
N	Thấp và được kiểm soát	Thấp và được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: kiểm soát chính về độ bền và khả năng làm cứng; hàm lượng carbon thấp hơn cải thiện độ dẻo và khả năng hàn nhưng làm giảm độ bền khi cán. - Mangan và silic: có tác dụng khử oxy và tăng độ bền vừa phải; Mn quá nhiều có thể làm tăng CE và làm giảm khả năng hàn. - Hợp kim vi mô và tạp chất: hợp kim vi mô có thể tinh chỉnh kích thước hạt nhưng phải cân bằng với các hiệu ứng kết cấu ảnh hưởng đến khả năng kéo sâu.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả CR4 và CR5 đều được xử lý để tạo ra cấu trúc vi mô chủ yếu là ferritic (sắt α) với các hạt mịn, đẳng trục sau khi ủ và kết tinh lại. Kích thước hạt cuối cùng và kết cấu tinh thể (mặt phẳng và hướng của hạt) là yếu tố quyết định hiệu suất kéo sâu.

Các tuyến xử lý và tác động điển hình: - Ủ kết tinh lại (ủ liên tục hoặc ủ mẻ) sau đó làm nguội có kiểm soát và có thể cán mỏng: Tạo ra cấu trúc vi mô ferritic mịn, đồng nhất và kết cấu tinh thể chi phối tính dị hướng phẳng (giá trị r) và khả năng kéo sâu. - Chuẩn hóa: Không điển hình đối với thép kéo cán nguội; ít khi được sử dụng khi cần cấu trúc vi mô khác. - Làm nguội và ram: Không áp dụng — Các loại thép CR là loại thép không thể xử lý nhiệt, dùng để tạo hình nguội. - Xử lý nhiệt cơ: Trong các biến thể được thiết kế riêng, các chu trình cán và ủ được kiểm soát có thể tinh chỉnh kích thước hạt và kiểm soát kết cấu để tăng khả năng kéo và khả năng tạo mép.

Các biến thể CR5 dùng cho quá trình kéo cực sâu thường được ủ và cán theo chu kỳ tối ưu để tạo ra giá trị r trung bình cao hơn và tính dị hướng phẳng thuận lợi hơn, do đó làm giảm độ mỏng cục bộ trong quá trình kéo nghiêm ngặt.

4. Tính chất cơ học

Đối với thép cán nguội, giá trị tuyệt đối thay đổi tùy theo nhà cung cấp, nhiệt độ và quá trình ủ cuối cùng. So sánh có ý nghĩa là hiệu suất tương đối về độ bền, độ dẻo và độ dai.

Tài sản	CR4 (điển hình)	CR5 (điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình — phù hợp với phạm vi tấm cán nguội ít carbon	Tương tự hoặc thấp hơn một chút (đánh đổi để có được khả năng định hình)
Sức chịu lực	Vừa phải	Thường thấp hơn một chút để cải thiện khả năng vẽ
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt	Cao hơn — được tối ưu hóa để vẽ sâu
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ phòng	Có thể so sánh; tập trung vào tính dẻo dai hơn là cải thiện tác động
Độ cứng	Thấp đến trung bình (ủ mềm)	Thấp — mềm hơn để cho phép biến dạng nhiều hơn trước khi thắt cổ

Vật liệu nào bền hơn/cứng hơn/dẻo hơn và tại sao: - CR4 cung cấp sự kết hợp cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình cho nhiều hoạt động dập. - CR5 được điều chỉnh để có khả năng tạo hình cao hơn (độ giãn dài lớn hơn và khả năng chống mỏng cục bộ tốt hơn) và do đó thường có độ bền kéo và độ bền kéo thấp hơn một chút trong điều kiện ủ, đồng thời mang lại độ dẻo tốt hơn để tạo hình khắc nghiệt.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cán nguội kéo thường tốt do hàm lượng cacbon rất thấp. Các đánh giá thường sử dụng công thức tương đương cacbon để ước tính khả năng nứt nguội ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt.

Chỉ số khả năng hàn chung: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức quốc tế về khả năng hàn (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn tốt hơn và yêu cầu nung nóng trước thấp hơn. CR4 và CR5 đều có hàm lượng carbon thấp và hàm lượng hợp kim tối thiểu, do đó hàm lượng carbon tương đương của chúng thường thấp và dễ dàng hàn bằng các phương pháp thông thường (MIG/MAG, TIG, hàn điện trở) với các quy trình tiêu chuẩn. - Hàm lượng carbon thấp hơn một chút và tạp chất được kiểm soát của CR5 thường mang lại cho nó một lợi thế nhỏ về khả năng hàn cho các ứng dụng phức tạp, cỡ mỏng, trong đó việc giảm thiểu rủi ro giòn do vùng HAZ là rất quan trọng. Tuy nhiên, vì CR5 có thể mềm hơn, nên vẫn cần kiểm soát biến dạng mối hàn và nhiệt lượng đầu vào.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cả CR4 và CR5 đều không phải thép không gỉ; do đó, cần có chiến lược bảo vệ chống ăn mòn cho các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp.

• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, phủ cuộn, phủ chuyển đổi và hệ thống sơn hữu cơ.
• Chuẩn bị bề mặt: Ngâm và phosphat hóa hoặc xử lý trước thường được sử dụng để tăng cường độ bám dính của lớp phủ.

Khi các chỉ số loại thép không gỉ có liên quan: - Đối với thép không gỉ, người ta sử dụng chỉ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN không áp dụng cho thép cấp CR vì Cr và Mo có hàm lượng không đáng kể. Khả năng chống ăn mòn của thép CR4/CR5 phải đạt được thông qua lớp phủ và thiết kế (ví dụ: thoát nước, bảo vệ cạnh).

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

• Cắt: Cả hai loại đều có khả năng gia công và cắt tương tự nhau; quá trình hình thành gờ được kiểm soát bởi chất lượng tấm và dụng cụ.
• Uốn cong: CR5 thường có thể chịu được bán kính uốn cong hẹp hơn và uốn cong kéo dài hơn mà không bị nứt do có độ dẻo vượt trội và khả năng kiểm soát dị hướng.
• Kéo/tạo hình: Đây là khâu quyết định. CR5 được thiết kế để có khả năng kéo sâu hơn — hiệu suất kéo tốt hơn, khả năng tạo mép co giãn được cải thiện và giảm xu hướng tạo hình tai trong quá trình kéo cốc. CR4 mang lại khả năng tạo hình tốt cho các hoạt động dập tiêu chuẩn nhưng có thể cần dụng cụ hoặc bôi trơn được điều chỉnh để đạt tỷ lệ kéo cao.
• Hoàn thiện: Hoàn thiện bề mặt và kiểm soát lớp phủ tương tự nhau; các biến thể CR5 dành cho các tấm quan trọng có thể nhìn thấy có thể có dung sai chất lượng bề mặt chặt chẽ hơn và ít tạp chất hơn.

Lưu ý thực tế: Dụng cụ, bôi trơn, lực kẹp phôi và nhiệt luyện đều ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu. Vật liệu có độ kéo rất cao có thể giảm thiểu hiện tượng đàn hồi và khuyết tật tạo hình, nhưng vẫn cần tối ưu hóa các thiết lập quy trình.

8. Ứng dụng điển hình

CR4 — Công dụng điển hình	CR5 — Công dụng điển hình
Tấm ốp ngoài ô tô thông thường có bản vẽ vừa phải	Tấm ốp bên trong ô tô cực kỳ phức tạp và các bộ phận thân xe chịu lực kéo mạnh
Tấm thiết bị (máy giặt, máy sấy) có hình dạng vừa phải	Vỏ thiết bị và các thành phần được kéo sâu với hình học đòi hỏi khắt khe
Vỏ tủ điện và tủ chế tạo	Các phôi đồ nấu nướng/đồ gia dụng phức tạp và các thành phần có nhiều ngăn kéo (nơi áp dụng lớp phủ an toàn thực phẩm)
Chế tạo chung trong đó cân bằng chi phí là vấn đề quan trọng	Quy trình dập khối lượng lớn yêu cầu loại bỏ tối thiểu do mỏng hoặc nhăn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn CR4 khi độ cứng khi tạo hình ở mức trung bình, khi cần sự cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình, và khi chi phí là mối quan tâm chính. - Chọn CR5 cho các bộ phận yêu cầu nhiều lần kéo, tỷ lệ kéo cao, độ mỏng tối thiểu và dung sai chức năng/hình thức chặt chẽ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: CR5 thường có giá cao hơn CR4 một chút do cần kiểm soát chặt chẽ hơn về mặt hóa học, chu kỳ ủ và kiểm soát kết cấu để đạt được khả năng kéo rất cao.
• Tính khả dụng: CR4 được cung cấp rộng rãi tại các nhà máy và trung tâm dịch vụ lớn dưới nhiều dạng sản phẩm (cuộn, tấm cắt). CR5 có thể ít phổ biến hơn và ở một số khu vực được cung cấp dưới dạng sản phẩm kéo chuyên dụng hoặc cao cấp; thời gian giao hàng có thể thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu về lớp phủ và nhiệt độ.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai loại này thường được cung cấp dưới dạng cuộn cán nguội và dạng cắt; dạng mạ kẽm và sơn sẵn có rộng rãi cho CR4 và CR5 khi cần bảo vệ chống ăn mòn, mặc dù các lô CR5 được phủ cụ thể có thể bị hạn chế hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	CR4	CR5
Khả năng hàn	Tốt	Rất tốt (tốt hơn một chút do lượng C/tạp chất thấp hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng	Độ bền thấp hơn một chút nhưng độ dẻo cao hơn khi tạo hình
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (cao cấp hơn để tăng khả năng định hình)

Sự giới thiệu: - Chọn CR4 nếu bạn cần tấm cán nguội tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng dập tiêu chuẩn, tấm kết cấu nhẹ và các ứng dụng có mức độ tạo hình vừa phải và ưu tiên tính khả dụng cũng như an ninh nguồn cung. - Chọn CR5 nếu các bộ phận của bạn yêu cầu kéo sâu nhiều giai đoạn hoặc nghiêm ngặt với dung sai chặt chẽ về độ mỏng và độ cong, nếu bạn cần độ dẻo phẳng và khả năng kéo cao nhất từ ​​tấm cán nguội không gỉ hoặc nếu việc giảm thiểu sự loại bỏ bộ phận do các vấn đề về khả năng tạo hình là rất quan trọng mặc dù chi phí vật liệu không quá cao.

Hướng dẫn thực tế cuối cùng: chỉ định yêu cầu về độ cứng, lớp phủ và độ hoàn thiện bề mặt trong các tài liệu mua sắm; yêu cầu nhà cung cấp dữ liệu về giá trị r (độ dị hướng phẳng) và rút ra hiệu suất thử nghiệm cho cả CR4 và CR5 để xác nhận khả năng tạo hình thực tế cho khuôn và hệ thống bôi trơn dự định.