SPCC so với SPCF – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SPCC và SPCF là hai loại thép cacbon cán nguội phổ biến thường gặp trong chuỗi cung ứng theo tiêu chuẩn JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản) và trong hoạt động mua sắm toàn cầu, nơi các cấp độ JIS được sử dụng làm tham chiếu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường lựa chọn giữa chúng cho các linh kiện kim loại tấm, nơi mà các yếu tố tạo hình, hàn, hoàn thiện bề mặt và cân bằng chi phí là rất quan trọng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn giữa thép cán nguội đa năng giá rẻ hơn so với một biến thể được tối ưu hóa để cải thiện khả năng tạo hình khi kéo sâu hoặc uốn bán kính hẹp.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở quy trình và đặc tính nổi bật: SPCC là loại thép cacbon cán nguội thương mại thông dụng được tối ưu hóa về mặt kinh tế và bề mặt hoàn thiện ổn định, trong khi SPCF là biến thể cán nguội được thiết kế để cải thiện độ dẻo và hiệu suất tạo hình. Vì cả hai đều được sử dụng cho các chi tiết dạng tấm và dạng dải, các nhà thiết kế thường so sánh chúng về thành phần, cấu trúc vi mô, tính chất cơ học, khả năng tạo hình và nhu cầu chế tạo tiếp theo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và bối cảnh chính mà các điểm này xuất hiện:
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản): SPCC và SPCF thường được tham chiếu trong các tiêu chuẩn JIS bao gồm các tấm và dải thép cacbon cán nguội (ví dụ: họ JIS G3141).
• Các danh mục ISO và khu vực đôi khi liệt kê các cấp độ thương mại tương đương hoặc gần tương đương.
• ASTM/ASME: Không có tiêu chuẩn ASTM tương đương trực tiếp; các kỹ sư tham khảo các tiêu chuẩn tương đương về mặt chức năng (thép mềm cán nguội) thay vì so sánh chính xác từng chữ cái.
• EN và GB: Có các loại thép cán nguội thương mại hoặc kéo sâu tương tự (ví dụ: loạt EN 10130 dành cho thép cacbon thấp cán nguội), nhưng việc lập bản đồ đòi hỏi phải chú ý đến các yêu cầu về cơ học và tạo hình hơn là chỉ tên gọi.

Phân loại: Cả SPCC và SPCF đều là thép cacbon cán nguội nguyên chất (không phải thép không gỉ, không phải thép HSLA, không phải thép dụng cụ). SPCF là một biến thể trong nhóm thép cacbon cán nguội, chú trọng vào khả năng tạo hình.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	SPCC (mức độ điển hình)	SPCF (mức độ điển hình)
C (Cacbon)	Thấp (kiểm soát quá trình khử lạnh và chất lượng bề mặt)	Rất thấp đến thấp (thiên về C thấp hơn để tăng độ dẻo)
Mn (Mangan)	Thấp đến trung bình (khử oxy và kiểm soát độ bền)	Thấp đến trung bình (vai trò tương tự; đôi khi thấp hơn một chút)
Si (Silic)	Thấp (chất khử oxy)	Thấp (tương tự)
P (Phốt pho)	Kiểm soát thấp (giới hạn tạp chất)	Kiểm soát thấp (tương tự)
S (Lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp; có thể cao hơn một chút ở các biến thể cắt tự do	Kiểm soát mức thấp (SPCF ưu tiên S thấp để tránh hiện tượng giòn khi kéo)
Cr, Ni, Mo (hợp kim)	Nói chung không cố ý thêm vào (chỉ theo dõi)	Nói chung không cố ý thêm vào (chỉ theo dõi)
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Thông thường không có trong SPCC cán nguội thương mại	Thông thường không có; SPCF dựa vào kiểm soát quy trình hơn là hợp kim vi mô
B, N	Kiểm soát vết (N được kiểm soát để đảm bảo tính toàn vẹn của bề mặt)	Kiểm soát vết (N được kiểm soát để ưu tiên khả năng tạo hình)

Ghi chú: - Những mục này mang tính mô tả định tính hơn là tính toán hóa học theo số liệu quy định. Cả hai loại đều là thép cacbon cán nguội nguyên chất với thành phần hóa học được giữ đơn giản một cách có chủ ý để có thể dự đoán được quá trình khử nguội và ủ. - Hợp kim hóa được thiết kế tối thiểu: độ bền chủ yếu được kiểm soát bởi kích thước hạt ferit và quá trình gia công nguội thay vì bổ sung hợp kim. Các biến thể SPCF được xử lý và ủ để ưu tiên độ dẻo và độ giãn dài đồng đều hơn là tăng độ bền thông qua hợp kim hóa.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon: yếu tố chính quyết định độ bền và khả năng tôi luyện; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền kéo nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. Hàm lượng cacbon thấp hơn làm tăng độ dẻo và khả năng định hình. - Mangan và silic: đóng vai trò là chất khử oxy và góp phần tăng cường độ bền; lượng Mn quá nhiều có thể làm giảm khả năng tạo hình. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb) — khi có trong các họ thép khác — làm tăng độ bền thông qua quá trình tôi kết tủa; chúng thường được tránh trong các loại thép cán nguội thương mại dùng cho khả năng định hình cao. - Lưu huỳnh và phốt pho được kiểm soát như tạp chất; hàm lượng S cao có thể cải thiện khả năng gia công nhưng lại làm giảm độ dẻo và chất lượng bề mặt.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - SPCC: Ferit cán nguội và ủ với một lượng nhỏ perlit hoặc cacbua pha trung gian tùy thuộc vào hàm lượng cacbon và quy trình xử lý. Quy trình xử lý tiêu chuẩn hướng đến cấu trúc vi mô ferit tái kết tinh với kích thước hạt đồng đều để cân bằng độ bền và độ hoàn thiện bề mặt. - SPCF: Cũng là một ma trận ferit kết tinh lại, nhưng chu kỳ ủ và hàm lượng cacbon thấp hơn tạo ra cấu trúc vi mô với ít hạt pha thứ hai cứng hơn và các hạt ferit đồng đều hơn, có trục cân bằng để tăng cường độ dẻo và khả năng kéo giãn.

Ảnh hưởng của xử lý nhiệt và chế biến: - Ủ toàn phần (ủ mềm thương mại) giúp giảm ứng suất dư và phục hồi độ dẻo sau khi cán nguội. Các biến thể SPCF thường trải qua các quy trình ủ được tối ưu hóa để có độ giãn dài tổng thể cao hơn và giá trị r (tỷ lệ biến dạng dẻo) đồng đều hơn khi kéo sâu. - Chuẩn hóa không phải là phương pháp điển hình đối với các tấm thép thương mại cán nguội; thay vào đó, quá trình ủ có kiểm soát (nhiệt độ, thời gian, tốc độ làm nguội) và quá trình giảm cán nguội sẽ quyết định hành vi cơ học cuối cùng. - Quá trình tôi và ram không áp dụng cho các loại thép cán nguội hợp kim thấp này — chúng không được thiết kế để tôi cứng hoặc gia cường bằng nhiệt.

Các tuyến đường nhiệt cơ học (dành cho thép hiệu suất cao hơn) chủ yếu nằm ngoài phạm vi của các loại thép SPCC/SPCF thông thường; hiệu suất của chúng chủ yếu được điều chỉnh bằng cách cán nguội, ủ và xử lý bề mặt.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	SPCC (hành vi điển hình)	SPCF (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình — phù hợp để sử dụng cho tấm kết cấu chung	Trung bình — tương tự như SPCC hoặc thấp hơn một chút do C thấp hơn
Sức chịu lực	Trung bình-thấp — phụ thuộc vào mức độ làm việc nguội	Trung bình-thấp — thường tương tự hoặc thấp hơn một chút để ưu tiên khả năng tạo hình
Độ giãn dài (%)	Có thể chấp nhận được cho các ứng dụng thương mại; phù hợp với nhiều khúc cua	Độ giãn dài cao hơn và độ giãn dài đồng đều; khả năng kéo giãn được cải thiện và hiệu suất kéo sâu
Độ bền va đập	Phù hợp ở nhiệt độ phòng; không được tối ưu hóa cho độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Tương tự hoặc cải thiện đôi chút do hàm lượng carbon thấp hơn và ít hạt cứng hơn
Độ cứng	Thấp đến trung bình (bề mặt ủ mềm)	Thông thường tương tự hoặc thấp hơn một chút phản ánh độ dẻo cao hơn

Giải thích: - SPCF được thiết kế để mang lại độ dẻo dai và khả năng định hình tốt hơn SPCC thông qua việc kiểm soát thành phần (hàm lượng C và tạp chất thấp hơn một chút) và quy trình ủ. Mức độ bền nhìn chung tương đương nhau, nhưng SPCF đánh đổi một lượng nhỏ độ bền để tăng độ giãn dài và cải thiện sự phân bố ứng suất dẻo trong quá trình định hình. - Sự khác biệt về độ dẻo dai ở điều kiện môi trường xung quanh là không đáng kể; tuy nhiên, khả năng giảm các đặc điểm giòn cục bộ của SPCF trong quá trình tạo hình giúp cải thiện hiệu suất trong các hoạt động dập phức tạp.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc chính về khả năng hàn đối với thép cacbon cán nguội bao gồm hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (khả năng tôi luyện) và sự hiện diện của ứng suất dư hoặc lớp phủ.

Các biểu thức thực nghiệm hữu ích (diễn giải theo hướng định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm quốc tế (Sakai): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả SPCC và SPCF thường có hàm lượng carbon tương đương thấp vì quá trình hợp kim hóa là tối thiểu. Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp cho thấy khả năng hàn thuận lợi với nguy cơ nứt nguội thấp và yêu cầu nung nóng sơ bộ tối thiểu cho độ dày tiêu chuẩn. - Hàm lượng carbon thấp hơn một chút và pha thứ hai cứng giảm của SPCF thường có nghĩa là khả năng hàn ngang bằng hoặc tốt hơn một chút so với SPCC khi các thông số hàn tương đương. - Các vấn đề hàn thực tế bao gồm tình trạng bề mặt (dầu, lớp phủ), ứng suất dư từ quá trình tạo hình và nhu cầu xử lý sau hàn. Các tấm mạ kẽm hoặc phủ cần được chú ý đến quá trình bốc hơi kẽm và chuẩn bị mối hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SPCC và SPCF đều không phải thép không gỉ; cả hai đều dựa vào phương pháp xử lý bề mặt và lớp phủ để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường tiếp xúc trực tiếp.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng (hoặc tấm mạ kẽm phủ sẵn) để chống ăn mòn trong khí quyển.
• Mạ điện, lớp phủ chuyển đổi hóa học hoặc lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn lót) cho các ứng dụng kiến ​​trúc hoặc thiết bị.
• Tra dầu hoặc thụ động hóa tạm thời để bảo quản và định hình nhằm tránh rỉ sét nhanh.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để đầy đủ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này áp dụng cho thép không gỉ và không có ý nghĩa đối với các loại thép cán nguội cacbon thông thường, thiếu Cr hoặc Mo đáng kể.

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

• Tạo hình: SPCF được phân biệt bởi khả năng tạo hình được cải thiện — độ giãn dài đồng đều cao hơn và giá trị r tốt hơn trong nhiều bộ dữ liệu của nhà cung cấp khiến nó được ưa chuộng hơn cho các ứng dụng kéo sâu, dập phức tạp và bán kính uốn hẹp. SPCC phù hợp cho uốn thông thường và kéo nông.
• Cắt và tỉa: Cả hai loại đều có khả năng gia công và cắt tương tự nhau; hàm lượng carbon thấp hơn trong SPCF có thể làm giảm nhẹ độ mài mòn của dụng cụ trong một số quy trình.
• Khả năng gia công: Không phải là yếu tố thiết kế chính đối với thép tấm; sự khác biệt về khả năng gia công không đáng kể. Các biến thể cắt tự do (có thêm S hoặc Se) là các cấp độ khác nhau và không điển hình cho SPCC/SPCF.
• Hoàn thiện bề mặt và hoàn thiện: Cả hai loại đều được sản xuất với bề mặt cán nguội chất lượng thương mại; hình thức cuối cùng (ủ sáng, cán màng hoặc chuẩn hóa) cần được chỉ định cho các bộ phận có thể nhìn thấy.

8. Ứng dụng điển hình

SPCC (sử dụng)	SPCF (sử dụng)
Tấm thiết bị, đồ nội thất và các bộ phận tạo hình nguội nói chung, nơi chi phí và bề mặt hoàn thiện là yếu tố quan trọng	Các thành phần được kéo sâu, các tấm bên trong ô tô phức tạp, bồn rửa nhà bếp và các bộ phận yêu cầu độ co giãn cao
Các thành phần cấu trúc nhẹ, giá đỡ và vỏ bọc	Các bộ phận dập có khả năng định hình cao, vỏ phức tạp và các bộ phận có bán kính hẹp
Cuộn dây dùng cho sơn và mạ điện	Cuộn thép được dùng cho các hoạt động tạo hình khắc nghiệt trước khi phủ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SPCC khi có đủ tính kinh tế, chất lượng bề mặt đồng đều và khả năng tạo hình nguội cơ bản. - Chọn SPCF khi cần độ dẻo cao hơn, giảm độ nảy khi kéo và cải thiện độ giãn cạnh để tránh nứt khi kéo sâu hoặc phức tạp.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: SPCC thường là lựa chọn đa năng, có chi phí thấp hơn vì đây là loại thép cán nguội thương mại cơ bản được sản xuất với số lượng lớn. SPCF có mức giá cao hơn một chút khi được chỉ định do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và chu kỳ ủ hướng đến khả năng tạo hình.
• Tính khả dụng và dạng sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng cuộn và tấm cán nguội từ các nhà máy lớn tại các thị trường hỗ trợ sản xuất thép đạt tiêu chuẩn JIS. Tính khả dụng phụ thuộc vào danh mục nhà máy khu vực; nhóm mua sắm nên xác nhận thời gian giao hàng cho SPCF nếu biến thể này được sản xuất ít thường xuyên hơn SPCC.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	SPCC	SPCF
Khả năng hàn	Tốt (tương đương lượng carbon thấp)	Tốt đến tốt hơn một chút (C thấp hơn, ít hạt cứng hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai vừa đủ	Độ bền tương tự, độ dẻo dai và độ bền được cải thiện trong quá trình tạo hình
Trị giá	Thấp hơn (cấp thương mại chung)	Cao hơn một chút (tối ưu hóa khả năng định hình)

Sự giới thiệu: - Chọn SPCC nếu bạn cần thép cán nguội thương mại thông dụng, tiết kiệm chi phí cho các tấm, vỏ và các bộ phận có yêu cầu tạo hình tiêu chuẩn và không yêu cầu kéo sâu hoặc kéo giãn cực độ. - Chọn SPCF nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ dẻo và khả năng định hình cao hơn — ví dụ, các thành phần được kéo sâu, dập phức tạp với các cạnh bị biến dạng nghiêm trọng hoặc các ứng dụng mà việc tránh hiện tượng thắt nút và nứt trong quá trình định hình là rất quan trọng.

Lưu ý kết luận: Khi phân biệt giữa SPCC và SPCF, hãy xem xét chứng nhận của nhà cung cấp và yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy ghi lại chu kỳ ủ, số liệu đo độ giãn dài (độ giãn dài tổng thể và độ giãn dài đồng đều), giá trị r nếu có, và tình trạng bề mặt. Đối với các cụm hàn và chi tiết được phủ, hãy phối hợp lựa chọn vật liệu với các quy trình tạo hình, hàn và phủ để đảm bảo cấp độ đã chọn đáp ứng tất cả các mục tiêu về chức năng và chi phí.