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

Giới thiệu

SPCE và SPCF là hai loại thép cacbon cán nguội thường thấy trong các tấm thân xe, thiết bị gia dụng và các chi tiết được định hình chính xác. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường cân nhắc các ưu tiên cạnh tranh khi lựa chọn giữa chúng: hiệu suất tạo hình và chất lượng bề mặt so với độ bền và độ bền của quy trình; khả năng hàn và khả năng sơn so với chi phí và tính khả dụng.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các loại thép này là phạm vi định hình của chúng cho các hoạt động kéo cực sâu so với cường độ gia công cao hơn một chút và khả năng sản xuất rộng hơn. Nói cách khác, một loại thép được tối ưu hóa cho khả năng định hình tối đa trong các hoạt động kéo rất sâu và phức tạp, trong khi loại còn lại được điều chỉnh để cung cấp cường độ cao hơn một chút hoặc các đặc tính quy trình khác nhau trong khi vẫn duy trì khả năng định hình tốt. Vì cả hai loại thép đều thuộc cùng một họ thép cacbon thấp cán nguội, nên chúng thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu cho dập khối lượng lớn và chế tạo kim loại tấm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật điển hình có SPCE và SPCF xuất hiện:
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản): JIS G3141 và các thông số kỹ thuật liên quan đến thép cán nguội.
• Tiêu chuẩn khu vực: người dùng có thể tham khảo các cấp độ tương đương trong ASTM/ASME, EN hoặc GB để có hiệu suất tương tự nhưng không thể so sánh trực tiếp.
• Phân loại:
• Cả SPCE và SPCF đều là thép cacbon cán nguội có hàm lượng cacbon thấp (thép cacbon thông thường thương mại), chủ yếu dùng cho ứng dụng tạo hình và kéo thay vì thép hợp kim có thể xử lý nhiệt hoặc thép không gỉ.
• Chúng không phải là thép HSLA, thép dụng cụ hay thép không gỉ; chiến lược hợp kim của chúng tập trung vào việc giảm thiểu các nguyên tố làm giảm khả năng tạo hình và kiểm soát tạp chất gây hại cho quá trình kéo sâu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây tóm tắt các đặc tính hợp kim điển hình về mặt định tính (không phải tỷ lệ phần trăm hóa học tuyệt đối). Thành phần chính xác phụ thuộc vào nhà máy sản xuất và các yêu cầu cụ thể của JIS hoặc người mua.

Yếu tố	SPCE (kiểm soát điển hình)	SPCF (kiểm soát điển hình)
C	Rất thấp (được tối ưu hóa để có khả năng định hình tối đa)	Thấp (có thể cao hơn SPCE một chút để cải thiện độ bền)
Mn	Thấp-trung bình (kiểm soát khả năng kéo và cân bằng sức mạnh)	Thấp-trung bình (tương tự hoặc cao hơn một chút so với SPCE)
Si	Thấp (giữ ở mức thấp để hỗ trợ vẽ sâu và chất lượng bề mặt)	Thấp (tương tự như SPCE)
P	Được kiểm soát chặt chẽ (giữ ở mức thấp để tránh giòn)	Được kiểm soát chặt chẽ
S	Rất thấp (giảm thiểu để vẽ sâu; ít tạp chất)	Được kiểm soát; có thể tương tự hoặc cao hơn một chút nếu mục tiêu là khả năng gia công
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Nói chung là không có hoặc chỉ có ở dạng cặn vết; hợp kim vi mô thường không được sử dụng trong các loại thép kéo thương mại này	Có thể bao gồm hợp kim vi mô trong một số lô đặc biệt, nhưng nhìn chung không có trong SPCF tiêu chuẩn
N	Được kiểm soát (thấp) để tránh giòn và cải thiện khả năng tạo hình	Được kiểm soát

Giải thích: - Cả hai loại đều có hàm lượng carbon rất thấp và kiểm soát chặt chẽ lưu huỳnh và phốt pho để tối đa hóa độ dẻo và giảm nguy cơ gãy sớm trong quá trình kéo sâu. - Việc bổ sung hợp kim làm tăng khả năng tôi luyện hoặc độ bền (Cr, Mo, V, Nb, Ti) thường được tránh vì chúng làm giảm độ giãn dài đồng đều lớn cần thiết cho quá trình kéo sâu. - Khi cần độ bền cao hơn một chút mà không ảnh hưởng nhiều đến khả năng tạo hình, người ta sử dụng phương pháp xử lý (giảm nguội, chu kỳ ủ) hoặc điều chỉnh thành phần nhỏ thay vì hợp kim hóa đáng kể.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Sau khi cán nguội và ủ kết tinh lại tiêu chuẩn, cả SPCE và SPCF đều thể hiện cấu trúc vi mô ferit mịn (ferit đẳng trục) với hàm lượng cacbua phân tán thấp. Việc thiếu hợp kim đáng kể sẽ hạn chế sự hình thành peclit hoặc bainit trong quá trình gia công thông thường.
• SPCE: Quy trình xử lý tập trung vào việc đạt được cấu trúc ferit đồng nhất, đẳng trục với độ dày và độ tạp chất tối thiểu. Chu kỳ ủ (ủ liên tục có kiểm soát hoặc ủ hộp) được lựa chọn để tối đa hóa độ đồng đều hạt và chất lượng bề mặt cho quá trình kéo siêu sâu.
• SPCF: Có thể điều chỉnh quá trình xử lý nhiệt và hoàn thiện để tạo ra giới hạn chảy cao hơn một chút mà vẫn giữ được độ dẻo dai — ví dụ, tăng nhẹ nhiệt độ khử lạnh trước khi ủ hoặc điều chỉnh nhiệt độ ủ để điều chỉnh kích thước hạt. Những thay đổi này có thể tạo ra ferrite mịn hơn một chút hoặc cứng hơn một chút mà không tạo ra các pha cứng.
• Phản ứng với quá trình xử lý cơ học:
• Việc chuẩn hóa thường không liên quan đến thép kéo cán nguội thương mại vì các đặc tính của chúng được thiết lập thông qua quá trình gia công nguội và ủ sau đó.
• Không áp dụng được phương pháp làm nguội và ram vì đây không phải là loại thép có thể xử lý nhiệt.
• Kiểm soát nhiệt cơ học bị giới hạn ở quá trình khử lạnh, chu kỳ ủ và thao tác cán màng; các thông số này được sử dụng để điều chỉnh độ bền so với khả năng kéo.

4. Tính chất cơ học

Do thực hành của nhà máy và dung sai thông số kỹ thuật khác nhau nên bảng sau đây so sánh xu hướng tính chất dự kiến ​​thay vì các con số tuyệt đối.

Tài sản	SPCE	SPCF
Độ bền kéo	Đầu dưới của thép cán nguội ít cacbon (được thiết kế để kéo dài)	Độ bền kéo cao hơn một chút (cân bằng quy trình)
Cường độ chịu kéo	Năng suất thấp hơn để có độ co giãn tối đa	Năng suất vừa phải để cải thiện khả năng kiểm soát độ nảy trở lại
Độ giãn dài (đồng đều & tổng thể)	Độ giãn dài cao hơn và độ giãn dài đồng đều hơn	Độ giãn dài tốt nhưng thường thấp hơn SPCE
Độ bền va đập	Phù hợp ở nhiệt độ phòng; thiết kế chính là khả năng định hình chứ không phải tác động	Tương tự hoặc cải thiện đôi chút (tùy thuộc vào quá trình xử lý)
Độ cứng	Thấp hơn (mềm hơn, dẻo hơn)	Cao hơn một chút (tăng nhẹ do xử lý)

Giải thích: - SPCE thường đánh đổi độ bền để lấy độ dẻo dai và khả năng co giãn đặc biệt, khiến nó trở thành lựa chọn tốt hơn khi cần kéo rất sâu hoặc phức tạp. - SPCF được pha chế/xử lý để có độ bền cao hơn và có thể chống lại hiện tượng mỏng và nhăn tốt hơn trong một số trình tự tạo hình, với cái giá phải trả là khả năng kéo sâu tối đa sẽ giảm một chút.

5. Khả năng hàn

• Nhận xét chung: Cả SPCE và SPCF đều có khả năng hàn tuyệt vời so với thép cacbon cao hơn do hàm lượng cacbon và hợp kim thấp. Chúng thường được kết nối bằng mối hàn điểm điện trở, hàn MIG/MAG và hàn CO2 trong lắp ráp ô tô và thiết bị gia dụng.
• Các yếu tố cần cân nhắc:
• Các phép tính tương đương cacbon giúp dự đoán khả năng nứt nguội trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt. Các chỉ số phổ biến bao gồm:
  • $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
  • $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Đối với SPCE và SPCF, giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thường thấp vì hợp kim ở mức tối thiểu, cho thấy nguy cơ nứt nguội do hydro gây ra thấp và khả năng hàn nói chung tốt.
• Quy trình hàn vẫn phải kiểm soát lượng nhiệt đầu vào và nguồn hydro (ví dụ: điện cực nhiễm bẩn hoặc ướt), đặc biệt là đối với các cụm lắp ráp phức tạp và khi có lớp phủ hoặc mạ.
• Ghi chú thực tế:
• Hiệu suất hàn điểm phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch bề mặt, loại lớp phủ (lớp phủ kẽm làm thay đổi tuổi thọ điện cực và khả năng hàn) và độ dày của tấm hàn.
• Xử lý nhiệt trước hoặc sau khi hàn thường không cần thiết đối với các loại thép này trong các ứng dụng kim loại tấm thông thường.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SPCE và SPCF đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn giống như các loại thép cacbon thấp thông thường và phải đạt được bằng cách xử lý bảo vệ.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng (lớp phủ kẽm) hoặc mạ điện để tăng khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và hỗ trợ hệ thống sơn.
• Lớp phủ chuyển đổi và hệ thống sơn hữu cơ cho các thành phần hoàn thiện.
• Dầu hoặc chất ức chế ăn mòn tạm thời để lưu trữ và vận chuyển.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng vì đây không phải là thép không gỉ:
• Đối với các loại thép không gỉ, chỉ số PREN là:
  • $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Việc sử dụng PREN chỉ có ý nghĩa đối với hợp kim thép không gỉ; đối với SPCE/SPCF, hành vi ăn mòn phụ thuộc vào tính toàn vẹn của lớp phủ và việc chuẩn bị chất nền.

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

• Khả năng định hình:
• SPCE: Được tối ưu hóa cho các hoạt động tạo hình đòi hỏi ứng suất cục bộ lớn (kéo sâu, ủi). Ít bị gãy hơn ở bán kính hẹp và khả năng tạo vân tốt hơn khi kiểm soát tốt hạt và tạp chất.
• SPCF: Khả năng tạo hình tốt cho việc tạo hình từ trung bình đến phức tạp nhưng có cửa sổ kéo siêu sâu hẹp hơn một chút; có thể chống nhăn hoặc mỏng tốt hơn trong một số trình tự quy trình.
• Khả năng gia công:
• Cả hai loại thép này đều không được thiết kế cho các ứng dụng gia công chính; hiệu suất gia công điển hình của thép cacbon thấp. Lực cắt tương đối thấp; khả năng gia công thường được chấp nhận cho các hoạt động gia công phụ.
• Nếu có chất phụ gia gia công (ví dụ, lưu huỳnh), chúng sẽ được ghi chú trong bảng dữ liệu của máy nghiền — mặc dù những chất bổ sung như vậy không phổ biến trong tiêu chuẩn SPCE/SPCF dùng cho kéo sâu.
• Uốn và viền:
• SPCE thường tạo ra kết quả viền đồng đều hơn do có độ dẻo cao hơn.
• SPCF có thể kiểm soát hiện tượng nảy ngược tốt hơn một chút do năng suất cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

SPCE (Tối ưu hóa bản vẽ siêu sâu)	SPCF (Cân bằng hình dạng và độ bền)
Tấm ốp bên trong ô tô, bản vẽ bên trong nắp ca-pô hoặc cửa phức tạp đòi hỏi độ co giãn cực lớn	Tấm ốp và linh kiện bên ngoài ô tô cần có độ bền cao hơn một chút hoặc khả năng kiểm soát độ đàn hồi
Lớp lót bên trong thiết bị và bồn tắm sâu (máy giặt, máy sấy)	Tấm ốp bên ngoài thiết bị, các bộ phận khung gầm và giá đỡ đã định hình
Các thành phần dập phức tạp đòi hỏi độ mỏng tối thiểu và chất lượng bề mặt cao	Các thành phần tấm kết cấu, giá đỡ và các bộ phận kim loại tiêu dùng cần cân bằng giữa khả năng tạo hình và độ bền
Các yếu tố trang trí mà độ hoàn thiện bề mặt và khả năng co giãn là rất quan trọng	Các cụm lắp ráp đòi hỏi phải hàn điểm thường xuyên và kiểm soát kích thước

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SPCE cho các thành phần cần khả năng kéo tối đa, cốc sâu và hình học phức tạp với yêu cầu chất lượng bề mặt nghiêm ngặt. - Chọn SPCF khi sản xuất đòi hỏi hiệu suất cấu trúc cao hơn một chút, giảm xu hướng nhăn hoặc khi độ bền của quy trình trong dây chuyền dập tốc độ cao được ưu tiên.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Cả hai loại thép này đều được sản xuất với số lượng lớn ở những khu vực có chuỗi cung ứng ô tô và thiết bị gia dụng quan trọng và có hiệu quả về mặt chi phí so với thép hợp kim.
• SPCE có thể có giá cao hơn một chút khi được sản xuất theo quy trình kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn để có độ kéo siêu sâu (mức tạp chất thấp hơn, kiểm soát quá trình ủ tốt hơn).
• SPCF, hướng đến nhu cầu sản xuất và tạo hình rộng hơn, thường có giá cả cạnh tranh và đôi khi dễ dàng có sẵn ở nhiều độ dày cuộn dây hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai loại thép này thường có sẵn dưới dạng cuộn cán nguội, phôi cắt, và đôi khi dưới dạng phủ sẵn (ví dụ: mạ điện). Mạng lưới nhà cung cấp và năng lực nhà máy khu vực quyết định thời gian giao hàng; chi tiết thông số kỹ thuật (yêu cầu khắt khe về thành phần/hoàn thiện) có thể kéo dài thời gian giao hàng hoặc chi phí.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	SPCE	SPCF
Khả năng hàn	Tuyệt vời (C thấp, hợp kim thấp)	Tuyệt vời (C thấp, hợp kim thấp)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Ưu tiên độ dẻo dai và khả năng định hình hơn độ bền	Độ bền cao hơn một chút với độ dẻo tốt
Trị giá	Có tính cạnh tranh; có thể cao hơn một chút đối với chất lượng cực kỳ chặt chẽ	Có tính cạnh tranh; thường có giá thấp hơn một chút hoặc có nhiều hàng hơn

Sự giới thiệu: - Chọn SPCE nếu ưu tiên của bạn là vẽ cực sâu: biến dạng cục bộ rất lớn, hình học phức tạp, độ giãn dài đồng đều cao nhất, độ mỏng tối thiểu và chất lượng bề mặt tối ưu cho bề mặt được sơn hoặc nhìn thấy. - Chọn SPCF nếu bạn cần vật liệu cân bằng có khả năng kéo sâu tốt nhưng có độ bền sau khi xử lý cao hơn một chút, độ bền quy trình tốt hơn cho sản xuất tốc độ cao hoặc khả năng chống nhăn và chống đàn hồi được cải thiện đôi chút.

Lưu ý cuối cùng: Luôn yêu cầu chứng chỉ hóa chất và cơ học của nhà máy cho lô cuộn hoặc tấm cụ thể, và phối hợp các thử nghiệm dập và mô phỏng tạo hình (ví dụ: FEA với các đường cong ứng suất-biến dạng vật liệu phù hợp) trước khi hoàn tất lựa chọn cấp độ. Quy trình xử lý vật liệu (giảm nguội, hồ sơ ủ, lớp phủ) thường có ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng ngang với cấp độ danh nghĩa.