IF so với BH – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc hiểu rõ các thuật ngữ viết tắt “IF” (Không kẽ hở) và “BH” (Nung-Hardening) là rất quan trọng khi lựa chọn thép tấm cho mục đích định hình, nung sơn và hiệu suất chi tiết cuối cùng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự đánh đổi giữa khả năng định hình vượt trội và khả năng tăng cường độ sau khi định hình. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm lựa chọn tấm ốp ngoài ô tô (nơi khả năng chống móp sau khi sơn là rất quan trọng), các chi tiết được kéo sâu (nơi khả năng định hình là rất quan trọng) và bất kỳ ứng dụng nào sử dụng các bước xử lý sau định hình như nung sơn.

Sự khác biệt kỹ thuật chính nằm ở cách cấu trúc vi mô phản ứng với các chất tan xen kẽ và chu trình nhiệt: Thép IF được ổn định hóa để loại bỏ cacbon và nitơ xen kẽ di động nhằm đạt được khả năng định hình tối đa, trong khi thép BH giữ lại một lượng được kiểm soát các chất xen kẽ di động để có thể tăng cường độ chảy trong chu trình sơn-nung. Do sự khác biệt này, thép IF và BH thường được so sánh đối với các chi tiết dập, sơn, trong đó cả hiệu suất tạo hình và hiệu suất cơ học cuối cùng đều quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn chung có các tên gọi này xuất hiện:
• ASTM / ASME: được tham chiếu trong các tiêu chuẩn sản phẩm thép tấm và quy trình thử nghiệm (ví dụ: ASTM A1008 đối với thép tấm cacbon cán nguội; các cấp BH và IF được mô tả trong các thông số kỹ thuật về sơn phủ/ô tô).
• EN (Châu Âu): danh pháp cấp thép ô tô và bảng dữ liệu của nhà sản xuất thép (ví dụ: dòng 'DX' và tên cấp thép cụ thể của nhà sản xuất).
• JIS (Nhật Bản): các loại thép tấm được sử dụng trong sản xuất ô tô.
• GB (Trung Quốc): các loại thép ô tô trong nước và thông số kỹ thuật.
• Phân loại vật liệu:
• IF: thép cacbon thấp/không có kẽ hở (không phải thép không gỉ, thường là thép cacbon cán nguội).
• BH: thép cacbon hàm lượng cacbon thấp được thiết kế để thể hiện khả năng tôi khi nung (cũng là thép cacbon cán nguội, có tỷ lệ C/N được kiểm soát).
• Lưu ý: tên cấp chính xác khác nhau giữa các nhà máy và khu vực; IF và BH đề cập đến các khái niệm luyện kim chứ không phải là một tên gọi tiêu chuẩn duy nhất.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: trọng tâm thành phần điển hình (phạm vi định tính; giá trị cụ thể phụ thuộc vào nhà cung cấp/thông số kỹ thuật).

Yếu tố	IF (Không có kẽ)	BH (Nướng-Làm cứng)
C	Lượng carbon cực thấp; gần bằng không (giảm thiểu và ổn định về mặt thương mại)	Hàm lượng carbon thấp, nhưng cố ý cao hơn IF để có thể làm cứng khi nướng (C tự do được kiểm soát)
Mn	Thấp đến trung bình; được sử dụng để tăng cường sức mạnh/xử lý	Thấp đến trung bình; vai trò tương tự
Si	Thấp; được kiểm soát để hạn chế sự gia cố dung dịch rắn	Thấp; có thể cao hơn một chút đối với quá trình khử oxy
P	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp
S	Rất thấp (chất lượng bề mặt được cải thiện)	Rất thấp
Cr	Thông thường là tối thiểu; đôi khi là dấu vết	Thông thường là tối thiểu; có thể theo dõi
Ni	Thông thường là tối thiểu	Thông thường là tối thiểu
Mo	Thông thường là tối thiểu	Thông thường là tối thiểu
V	Thường không có hoặc thấp	Có thể có hợp kim vi mô thấp trong một số biến thể
Lưu ý	Có thể được sử dụng để ổn định trong một số biến thể IF	Nói chung là không bắt buộc
Ti	Thường được sử dụng để ổn định C/N bằng cách tạo thành nitrua/cacbua	Không thường được sử dụng để ổn định; giữ ở mức thấp để giữ lại các khoảng trống miễn phí
B	Không điển hình	Không điển hình
N	Cực kỳ thấp (được ổn định bởi Ti/Nb)	Thấp, nhưng được kiểm soát để tham gia vào quá trình làm cứng khi nướng nếu muốn

Giải thích: Thép IF sử dụng các chất tạo thành carbide/nitride mạnh (thường là Ti, đôi khi là Nb) để liên kết carbon và nitơ dưới dạng kết tủa, tạo ra một ma trận về cơ bản không có các khe hở di động. Điều này mang lại khả năng tạo hình kéo sâu và kéo giãn vượt trội cùng chất lượng bề mặt tuyệt vời. Thép BH chủ động giữ một lượng nhỏ chất tan tự do C và/hoặc N trong ma trận ferit để sau khi ứng suất trước và tiếp xúc nhiệt ngắn (sơn-nung), các nguyên tử này khuếch tán và khóa chặt vào các vị trí sai lệch, tăng cường độ chảy.

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

Cấu trúc vi mô: - Thép IF: thường là cấu trúc vi mô ferit được kết tinh hoàn toàn với nồng độ xen kẽ rất thấp. Titan (hoặc Nb) cacbon-/nitrit được phân bố dưới dạng kết tủa mịn giúp loại bỏ các chất hòa tan xen kẽ khỏi nền. Kết quả là ferit sạch với ít kết tủa gia cường—rất tốt cho khả năng biến dạng và định hình đồng đều. - Thép BH: thường là nền ferritic với tỷ lệ chất tan C/N dư được kiểm soát. Một số biến thể BH có chứa một lượng nhỏ hợp kim vi mô để kiểm soát hạt, nhưng đặc điểm nổi bật là sự hiện diện của các khe hở di động cho phép lão hóa ứng suất và tôi cứng khi nung.

Phản hồi xử lý: - NẾU NHƯ: - Xử lý ủ và ổn định: ủ ở nhiệt độ cao sau đó làm nguội có kiểm soát để kết tủa cacbonitrit Ti/Nb và loại bỏ các chất xen kẽ di động. - Tạo hình nguội: độ dẻo tuyệt vời và độ đàn hồi tối thiểu do không có hiện tượng chốt kẽ của các vị trí sai lệch. - Chu trình nhiệt sau khi hình thành: không có sự gia tăng đáng kể về cường độ chịu kéo vì các khe hở bị liên kết. - BH: - Ủ có kiểm soát để lại một phần nhỏ C/N xác định trong dung dịch. - Ép nguội tạo ra sự sai lệch và làm cứng vật liệu. - Trong quá trình nung sơn (thường ở nhiệt độ ~140–200°C trong khoảng ~20–40 phút), chất tan C/N khuếch tán đến các vị trí sai lệch và khóa chúng lại (lão hóa ứng suất động/sắp xếp phạm vi ngắn), tạo ra sự gia tăng có thể đo được về cường độ chịu kéo (“hiệu ứng cứng khi nung”). - Gia công nhiệt cơ (TMT): cả hai loại thép đều có thể được cán nguội và ủ; thép IF dựa vào quá trình kết tủa trong quá trình ủ, trong khi thép BH dựa vào chất tan được giữ lại sau khi ủ.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh chất lượng trong trạng thái sản xuất điển hình và sau khi sơn-nung khi có liên quan.

Tài sản	IF (đã ủ)	BH (đã tạo hình) và sau khi sơn-nung
Độ bền kéo	Thấp đến trung bình (độ giãn dài đồng đều tốt)	Thấp đến trung bình; có thể nở ra một chút sau khi nướng
Cường độ chịu kéo	Thấp (được thiết kế cho năng suất thấp để dễ tạo hình)	Vừa phải như đã hình thành; tăng lên sau khi nướng cứng
Độ giãn dài (%)	Rất cao — khả năng định hình và độ co giãn tuyệt vời	Cao nhưng thường thấp hơn một chút so với IF; vẫn giữ được độ giãn dài tốt
Độ bền va đập	Tuyệt vời ở nhiệt độ phòng do ferit dẻo	Tốt đến xuất sắc; phụ thuộc vào thành phần hóa học cơ bản và quá trình xử lý
Độ cứng	Thấp (ma trận mềm)	Trung bình; có thể tăng sau khi nướng

Diễn giải: Thép IF cho khả năng định hình tốt nhất và độ giãn dài đồng đều cao nhất vì các khe hở di động gây ra các sai lệch chốt được loại bỏ. Thép BH được lựa chọn khi cần khả năng định hình tức thời kết hợp với sự gia tăng có thể dự đoán được về giới hạn chảy (và đôi khi là cường độ cực đại) sau chu kỳ sơn-nung. Do đó, thép BH thường mang lại sự cân bằng: độ dẻo giảm nhẹ so với IF nhưng khả năng chống móp của chi tiết cuối cùng được cải thiện.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon, cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Để đánh giá định tính, các kỹ sư thường sử dụng các chỉ số như cacbon tương đương IIW và $P_{cm}$:

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

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

Giải thích định tính: - Thép IF: do hàm lượng carbon và nitơ được giảm thiểu, thép IF thường có khả năng hàn tuyệt vời — ít có xu hướng hình thành martensite cứng, giòn trong các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và ít bị nứt nguội. Sự mềm hóa sau hàn có thể xảy ra nếu cacbon-nitrit Ti/Nb bị ảnh hưởng, nhưng nhìn chung, IF thuận lợi cho hàn điểm điện trở và hàn laser trong ngành ô tô. - Thép BH: cũng dựa trên hàm lượng carbon thấp, các mác thép BH thường duy trì khả năng hàn tốt cho hàn điểm, hàn điện trở và hàn laser thông thường. Tuy nhiên, đặc tính tôi cứng khi nung của chúng có nghĩa là sau khi hàn và các chu kỳ nhiệt tiếp theo, sự thay đổi cục bộ trong phân phối chất tan có thể ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học cục bộ. Việc kiểm soát quy trình cẩn thận và lựa chọn thông số hàn là rất quan trọng. - Hiệu ứng vi hợp kim: việc bổ sung các chất tạo hình cacbua mạnh hoặc các nguyên tố vi hợp kim làm tăng khả năng tôi cứng cục bộ và có thể làm tăng $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$, đòi hỏi phải gia nhiệt trước hoặc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn trên các tiết diện dày. Đối với các ứng dụng tấm thường thấy trong ô tô, các biện pháp như vậy hiếm khi cần thiết.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thép không gỉ (cả IF và BH đều là thép cacbon trong các ứng dụng thông thường): khả năng chống ăn mòn được cung cấp bởi lớp phủ (mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, lớp phủ hữu cơ, lớp phủ điện phân) hoặc hệ thống sơn. Chất lượng bề mặt rất quan trọng: Thép IF thường mang lại bề mặt hoàn thiện và khả năng sơn tốt hơn nhờ hàm lượng lưu huỳnh thấp và kiểm soát chặt chẽ các tạp chất và tạp chất xen kẽ.
• Nếu thảo luận về hợp kim thép không gỉ, PREN là phù hợp. Đối với thép cacbon như IF và BH, PREN không áp dụng. Để đầy đủ, chỉ số PREN là:

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

Việc sử dụng lớp phủ kẽm và lớp phủ hữu cơ là tiêu chuẩn cho cả thép IF và BH khi cần bảo vệ chống ăn mòn. Thép BH thường được cung cấp dưới dạng tấm mạ điện hoặc mạ kẽm nhúng nóng cho các tấm ốp ngoài ô tô.

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

• Hình thành:
• IF: khả năng kéo vượt trội, kéo sâu và tạo hình co giãn do không có chốt xen kẽ; tỷ lệ giới hạn chảy thấp và khả năng giảm tai tuyệt vời khi dập.
• BH: khả năng tạo hình rất tốt đối với các ứng suất từ ​​thấp đến trung bình; quá trình lựa chọn thường nhắm vào các bộ phận cần tạo hình vừa phải sau đó là quá trình tôi cứng để chống móp.
• Uốn cong và bật lại:
• IF: khả năng phục hồi đồng đều và có thể dự đoán trước; phù hợp với các hình dạng phức tạp.
• BH: hành vi đàn hồi hơi khác nhau do năng suất cao hơn và quá trình làm cứng; có thể cần điều chỉnh cài đặt quy trình.
• Khả năng gia công:
• Cả hai đều là thép cacbon thấp; khả năng gia công là đặc trưng của thép cacbon thấp mềm. Thép IF có thể dẻo hơn một chút do ma trận dẻo của chúng; gia công ít phổ biến hơn đối với thép tấm.
• Hoàn thiện:
• IF: bề mặt hoàn thiện tuyệt vời để sơn; tỷ lệ lỗi thấp trong quá trình sơn phủ.
• BH: tương thích với các dây chuyền sơn ô tô tiêu chuẩn; quá trình làm cứng khi nung được kích hoạt có chủ đích bởi bước sơn-nung.

8. Ứng dụng điển hình

IF — Những cách sử dụng thông thường	BH — Công dụng điển hình
Các thành phần được kéo sâu (ví dụ, tấm bên trong, dập phức tạp)	Tấm thân xe bên ngoài cần khả năng chống móp sau khi sơn
Các bộ phận yêu cầu bề mặt hoàn thiện và tạo hình tuyệt vời (ví dụ: vỏ thiết bị, tấm ốp nội thất ô tô có thể nhìn thấy)	Tấm ốp bên ngoài ô tô (bùn, cửa) và các tấm kết cấu sơn khác
Sản phẩm cần độ giãn dài đồng đều và độ co giãn cao	Các bộ phận được tạo hình sau đó được sơn-nướng để tăng năng suất (hiệu suất vết lõm)
Các thành phần nhạy cảm với khuyết tật bề mặt (hàng hóa phủ)	Ứng dụng cân bằng khả năng tạo hình và độ bền cuối cùng sau chu kỳ nhiệt

Cơ sở lựa chọn: chọn IF khi khả năng định hình tối đa, chất lượng bề mặt và độ co giãn là tối quan trọng. Chọn BH khi bạn cần tăng cường độ chảy sau các chu kỳ nhiệt cuối cùng (nung sơn) để cải thiện khả năng chống móp méo hoặc móp méo mà không cần dùng đến lớp phủ dày hơn hoặc cường độ nền cao hơn, những yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng định hình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• Các loại thép IF thường có giá cao hơn thép cacbon thấp tiêu chuẩn do có thêm quá trình luyện kim (ổn định Ti/Nb), ủ chuyên biệt và kiểm soát chặt chẽ hơn các tạp chất và tạp chất xen kẽ.
• Thép BH thường được sản xuất từ ​​các nhà máy thép cacbon thấp thông thường với quy trình hóa học và chế biến được kiểm soát; chúng được sản xuất rộng rãi cho chuỗi cung ứng ô tô và nhìn chung có giá thành cạnh tranh với thép cán nguội phủ tiêu chuẩn. Thép BH có thể có giá cao hơn một chút so với thép cán nguội cơ bản do được xử lý để đạt được các đặc tính tôi cứng sau nung có thể tái tạo.
• Khả dụng:
• Cả IF và BH đều phổ biến ở dạng cuộn và dạng tấm. IF có thể được sản xuất với độ rộng/độ dày hạn chế tùy thuộc vào năng lực nhà máy; thép BH được sử dụng rộng rãi trong các dòng sản phẩm ô tô (mạ điện, nhúng nóng, sơn phủ).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các sự đánh đổi chính (định tính).

Tiêu chí	NẾU NHƯ	BH
Khả năng hàn	Xuất sắc	Tốt
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo tuyệt vời với năng suất định hình thấp hơn	Độ bền vừa phải khi tạo hình; tăng lên sau khi nướng
Trị giá	Cao hơn (do ổn định và xử lý)	Trung bình (tiết kiệm chi phí khi sử dụng cho ô tô)

Kết luận: - Chọn IF nếu: - Yêu cầu chính là khả năng tạo hình tối đa (kéo sâu, độ giãn dài đồng đều cao), bề mặt hoàn thiện đặc biệt và độ đàn hồi tối thiểu. - Bộ phận này sẽ không phụ thuộc vào chu trình sơn-nung để tăng thêm độ bền hoặc quá trình tôi cứng sau đó không mong muốn. - Chọn BH nếu: - Bộ phận phải kết hợp khả năng định hình hợp lý với khả năng tăng cường độ chịu kéo sau bước sơn-nung để cải thiện khả năng chống móp hoặc độ cứng cuối cùng mà không cần tăng cỡ. - Bạn đang thiết kế các tấm hoặc thành phần ngoại thất được sơn, trong đó yêu cầu sản xuất là phải gia cố sau khi tạo hình có kiểm soát.

Lưu ý cuối cùng: quyết định giữa IF và BH cần xem xét toàn bộ chuỗi quy trình — thành phần hóa học của cuộn, lịch trình cán nguội và ủ, mức độ biến dạng tạo hình, các bước hàn/lắp ráp và hồ sơ sơn-nướng chính xác. Hãy làm việc với các nhà cung cấp thép để có được bảng dữ liệu nhà máy cho mác thép IF hoặc BH cụ thể đang xem xét và xác nhận hiệu suất tạo hình và sơn-nướng bằng các thử nghiệm đại diện.