SPHC so với SPHD – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SPHC và SPHD là hai loại thép cán nóng được chỉ định theo tiêu chuẩn JIS, thường được quy định ở dạng tấm và dải cho các hoạt động kết cấu và tạo hình. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi cân bằng chi phí, khả năng tạo hình và các yêu cầu xử lý tiếp theo. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên hiệu suất kéo sâu và chất lượng bề mặt chặt chẽ (các bộ phận tạo hình chuyên sâu) so với các ứng dụng kết cấu chung, nơi chi phí và tính khả dụng là yếu tố chính.

Điểm khác biệt cốt lõi là SPHD được sản xuất và chỉ định để cải thiện khả năng kéo và đặc tính tạo hình so với SPHC, một loại thép cán nóng thương mại đa năng. Vì cả hai đều được sử dụng cho các dòng sản phẩm tương tự, nên việc so sánh trực tiếp thường xuyên được thực hiện trong quá trình đánh giá thiết kế và thông số kỹ thuật mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản):
• SPHC — Tấm, lá và dải thép cán nóng dùng cho mục đích tạo hình thông thường (chất lượng thương mại).
• SPHD — Tấm, lá và dải thép cán nóng để kéo (khả năng định hình được cải thiện).
• ASTM/ASME: Không có tiêu chuẩn ASTM tương đương trực tiếp; các loại tương tự gần nhất là thép mềm cán nóng chung thuộc nhóm ASTM A1011/A1008 (chất lượng thương mại so với chất lượng kéo), nhưng sự khác biệt về thông số kỹ thuật thay đổi tùy theo thành phần hóa học và dung sai cho phép.
• EN: Họ EN 10025 bao gồm thép kết cấu và các tiêu chuẩn EN khác bao gồm các cấp độ kéo/kéo sâu; tính tương đương yêu cầu phải kiểm tra tính chất hóa học và cơ học theo từng trường hợp.
• GB (Trung Quốc): Thép cán nóng thương mại và thép kéo của Trung Quốc (ví dụ: loại Q235 dành cho các loại thép thông thường) có thể có chức năng tương tự nhưng không phải là sản phẩm tương đương trực tiếp nếu không có sự so sánh chéo.

Phân loại: Cả SPHC và SPHD đều là thép cacbon (ít cacbon) chứ không phải thép hợp kim, thép công cụ, thép không gỉ hoặc thép HSLA. Một số biến thể cán có thể bao gồm các nguyên tố hợp kim vi lượng ở mức vết để kiểm soát tính chất, nhưng cả hai đều chủ yếu là thép cán nóng ít cacbon.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	SPHC (điển hình)	SPHD (điển hình)
C	Hàm lượng carbon thấp; được tối ưu hóa cho khả năng tạo hình và hàn nói chung.	Hàm lượng carbon thấp hơn SPHC (mục đích: cải thiện khả năng tạo hình và giảm xu hướng lão hóa do biến dạng).
Mn	Hàm lượng Mn từ nhỏ đến trung bình giúp tăng cường độ và kiểm soát quá trình khử oxy.	Chiến lược Mn tương tự; được kiểm soát để cân bằng độ bền và độ dẻo.
Si	Có tác dụng khử oxy; nồng độ thấp.	Hàm lượng Si thấp để tránh khuyết tật bề mặt trong quá trình kéo sâu.
P	Giữ ở mức thấp (kiểm soát tạp chất) để duy trì độ dẻo dai và chất lượng bề mặt.	Được kiểm soát ở mức độ thấp tương tự; có thể kiểm soát chặt chẽ hơn đối với các tấm kéo sâu.
S	Giữ ở mức tối thiểu; kiểm soát lưu huỳnh rất quan trọng đối với bề mặt và khả năng tạo hình.	Thường có hàm lượng S tự do thấp hơn SPHC để tránh khuyết tật đường nối/vảy trong quá trình kéo.
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti	Thông thường không có hoặc chỉ xuất hiện dưới dạng vết/hợp kim vi mô trong một số loại thép đặc thù của nhà máy.	Nói chung là không có; nếu có thì chúng được giảm thiểu để duy trì khả năng định hình tốt.
B	Không điển hình; chỉ theo dõi nếu được sử dụng để làm cứng trong các biến thể chuyên biệt.	Không điển hình.
N	Nitơ dư; đôi khi được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình kéo để cải thiện khả năng tạo hình.	Thường thì việc kiểm soát N thấp hơn/nồng độ N dư sẽ chặt chẽ hơn để nâng cao hiệu suất kéo sâu.

Ghi chú: Bảng này đưa ra chiến lược thành phần định tính thay vì giới hạn phần trăm trọng lượng riêng. Cả hai loại thép đều có hàm lượng hợp kim thấp/cacbon thấp; SPHD chú trọng hơn vào việc giảm thiểu các nguyên tố và tạp chất làm giảm chất lượng bề mặt và khả năng tạo hình (P, S, N tự do và C cao).

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. Hàm lượng carbon thấp hơn trong SPHD giúp cải thiện khả năng tạo hình. - Mangan làm tăng độ bền và khả năng làm cứng và hỗ trợ quá trình khử oxy; Mn dư thừa có thể làm giảm nhẹ khả năng tạo hình. - Silic được sử dụng để khử oxy; hàm lượng Si cao có thể làm giảm chất lượng bề mặt và khả năng phủ. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) khi có mặt với lượng nhỏ có thể làm mịn kích thước hạt và tăng độ bền mà không làm giảm đáng kể độ dẻo, nhưng các nguyên tố như vậy thường được tránh sử dụng cho các loại kéo sâu.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - SPHC: Cấu trúc vi mô ferit-pearlit được sản xuất bằng phương pháp cán nóng và làm nguội có kiểm soát. Kích thước hạt và thành phần perlit phụ thuộc vào tốc độ làm nguội; nhìn chung cân bằng để có độ bền và độ dẻo vừa phải. - SPHD: Cũng là ferit-perlit nhưng với quy trình kiểm soát được điều chỉnh để tạo ra kích thước hạt ferit mịn hơn và thành phần perlit thấp hơn (hoặc khoảng cách giữa các phiến mỏng hơn) để tăng khả năng tạo hình và độ giãn dài đồng đều.

Xử lý nhiệt và chế biến: - Cả hai loại thép này thường được cung cấp ở dạng cán nóng. Chúng không được thiết kế để xử lý tôi và ram như thường thấy ở thép kết cấu cường độ cao. - Chuẩn hóa có thể tinh chỉnh kích thước hạt và tăng nhẹ độ bền và độ dẻo dai cho cả hai loại, nhưng hiếm khi được áp dụng cho SPHD vì nó có thể làm thay đổi khả năng tạo hình. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) không phải là phương pháp điển hình đối với SPHC/SPHD hàng hóa, mặc dù một số nhà máy có thể áp dụng cán kiểm soát và làm nguội nhanh để đạt được phạm vi tính chất hẹp hơn. - Làm việc nguội (ví dụ, tẩy chua, cán màng) ảnh hưởng đến độ hoàn thiện bề mặt và tính chất cơ học; SPHD thường được xử lý bề mặt chặt chẽ hơn cho các ứng dụng kéo.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	SPHC	SPHD	Ghi chú
Độ bền kéo	Trung bình (dòng sản phẩm cán nóng thương mại)	Tương tự hoặc thấp hơn một chút để ưu tiên khả năng tạo hình	Giá trị thực tế phụ thuộc vào độ dày và quá trình gia công.
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Tương tự hoặc thấp hơn một chút	SPHD có thể có độ bền kéo thấp hơn hoặc tỷ lệ độ bền kéo đồng đều hơn để hỗ trợ khả năng kéo.
Độ giãn dài	Phù hợp cho việc hình thành chung	Độ giãn dài cao hơn và độ giãn dài đồng đều tốt hơn	SPHD được tối ưu hóa để có độ giãn dài tổng thể và đồng đều cao hơn trong quá trình kéo sâu.
Độ bền va đập	Điển hình cho thép cán nóng có hàm lượng carbon thấp; không được tối ưu hóa cụ thể	Có thể so sánh nhưng không phải là trọng tâm thiết kế chính	Không thường được chỉ định cho các tấm mỏng; phụ thuộc vào độ dày và cấu trúc vi mô.
Độ cứng	Khiêm tốn (mềm đến vừa phải)	Tương đương hoặc thấp hơn một chút	Độ cứng thấp hơn thường tương quan với hiệu suất kéo sâu được cải thiện.

Giải thích: SPHD được điều chế và xử lý để mang lại độ dẻo vượt trội và khả năng định hình đồng nhất; SPHC nhấn mạnh khả năng ứng dụng rộng rãi và khả năng cạnh tranh về chi phí. Các giá trị thử nghiệm cơ học phụ thuộc vào độ dày và nhà máy; khi cần số liệu chính xác, vui lòng tham khảo chứng nhận nhà máy hoặc bảng JIS cho lô hàng cụ thể.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cán nóng ít cacbon nhìn chung là tốt, nhưng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, hợp kim và mức độ tạp chất. Hai chỉ số khả năng hàn thường được sử dụng được thể hiện dưới đây.

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Chỉ số quốc tế/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 định tính: - Cả SPHC và SPHD đều có hàm lượng carbon thấp và do đó thường dễ hàn bằng các quy trình thông thường (MIG/MAG, SMAW, TIG). - Hàm lượng carbon thấp hơn và khả năng kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn của SPHD thường khiến nó dễ hàn hơn một chút (ít bị nứt nguội hơn và có xu hướng hình thành các cấu trúc vi mô HAZ cứng hơn). - Hợp kim vi mô trong một số biến thể (Nb, V, Ti) có thể làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ một chút và có thể cần phải gia nhiệt trước hoặc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp đối với các phần dày hơn. - Đối với các sản phẩm chế tạo quan trọng, hãy tuân thủ chứng chỉ nhà máy của nhà sản xuất và hướng dẫn xử lý nhiệt trước/sau khi hàn, đồng thời thực hiện kiểm soát hydro, đặc biệt là trên các phần dày hơn và mối hàn nhiều lớp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SPHC và SPHD đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon thông thường và phải được kiểm soát để đảm bảo tuổi thọ.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển.
• Mạ điện, phủ cuộn hoặc sơn để cải thiện tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn.
• Lớp phủ chuyển đổi (phosphat hóa) trước khi sơn hoặc tạo hình để hỗ trợ độ bám dính.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho các loại thép không gỉ và không liên quan đến SPHC hoặc SPHD, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho các loại thép không gỉ này.

Khi chỉ định độ hoàn thiện và bảo vệ bề mặt, hãy cân nhắc đến hư hỏng do tạo hình đối với lớp phủ: đối với quá trình kéo sâu (SPHD), hãy chọn lớp phủ và phương pháp xử lý trước được thiết kế để tạo hình ứng suất cao để tránh nứt hoặc tách lớp.

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

• Cắt: Plasma, laser hoặc cắt cơ học đều được sử dụng. Cả hai loại đều dễ cắt; chất lượng bề mặt được cải thiện của SPHD có thể giảm thiểu việc hoàn thiện thứ cấp.
• Uốn và tạo hình: SPHD vượt trội hơn SPHC trong quá trình kéo sâu và tạo hình ứng suất cao do hàm lượng carbon thấp hơn, kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn và bề mặt được phay theo quy trình; SPHD thường chịu được bán kính uốn nhỏ hơn và hình dạng phức tạp hơn mà không bị nứt.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều có thể gia công như thép mềm; các yếu tố khả năng gia công chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cacbon, hàm lượng lưu huỳnh bổ sung (biến thể cắt tự do) và độ cứng. SPHC và SPHD không được tối ưu hóa cho các hoạt động gia công tự do.
• Hoàn thiện: Chất lượng bề mặt đồng đều hơn trên SPHD; SPHC có thể có nhiều vảy và bề mặt không bằng phẳng, cần phải tẩy gỉ/phun cát để có lớp hoàn thiện quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng của SPHC	Công dụng của SPHD
Tấm kết cấu chung, giá đỡ, các bộ phận dập cơ bản, các thành phần khung gầm không quan trọng	Tấm ốp bên trong ô tô, đồ dùng nhà bếp kéo sâu, nắp lon đồ uống và thực phẩm (nếu có), các bộ phận thân xe ô tô cần kéo nhiều
Sản phẩm hàn đa năng, khung kết cấu nhẹ	Các thành phần yêu cầu khả năng định hình chặt chẽ, độ giãn dài đồng đều cao và tính toàn vẹn bề mặt tốt hơn sau khi định hình
Vỏ bọc giá rẻ, container công nghiệp	Các bộ phận dập chất lượng cao, trong đó tính nhất quán về bề mặt và kích thước là rất quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng SPHC khi chi phí, khả năng cung cấp rộng rãi và hiệu suất tạo hình chấp nhận được là đủ. - Sử dụng SPHD khi thiết kế yêu cầu khả năng kéo cao, kiểm soát bề mặt chặt chẽ hoặc các hoạt động tạo hình nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• SPHC thường là loại thép cán nóng rẻ hơn và có sẵn rộng rãi hơn ở nhiều độ dày và trung tâm dịch vụ.
• SPHD có giá cao hơn một chút do tính chất hóa học và kiểm soát bề mặt chặt chẽ hơn và có thể có nguồn cung hạn chế hơn ở một số khu vực hoặc độ dày nhất định.
• Dạng sản phẩm: cuộn, tấm và phôi; cả hai đều thường được sản xuất dưới dạng cuộn. Để sản xuất đúng tiến độ, hãy xác nhận kho dự trữ tại nhà máy và thời gian giao hàng cho SPHD, vì thời gian giao hàng dài hơn có thể làm giảm lợi ích vật liệu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SPHC	SPHD
Khả năng hàn	Tốt	Tốt hơn một chút (C/tạp chất thấp hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Phù hợp cho mục đích sử dụng chung	Có thể so sánh, được tối ưu hóa để có độ dẻo cao hơn
Trị giá	Thấp hơn (hàng hóa)	Cao hơn (phí bảo hiểm vẽ)

Khuyến nghị: - Chọn SPHC nếu bạn cần thép cán nóng giá rẻ, dễ kiếm cho các thành phần kết cấu chung, hàn hoặc tạo hình nhẹ, không yêu cầu khả năng tạo hình cực cao. - Chọn SPHD nếu ứng dụng của bạn đòi hỏi hiệu suất kéo sâu vượt trội, độ giãn dài đồng đều hơn và chất lượng bề mặt chặt chẽ hơn sau khi tạo hình (ví dụ: tấm ốp bên trong ô tô, các bộ phận dập phức tạp) và bạn sẵn sàng chấp nhận mức phí vật liệu khiêm tốn và thời gian hoàn thành có thể lâu hơn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận chính xác các chứng chỉ hóa học và cơ học của nhà máy cho lô hàng bạn định sử dụng. Vì cả SPHC và SPHD đều được xác định dựa trên mục đích quy trình và thực tiễn nhà máy chứ không phải hóa học hợp kim cao, nên chênh lệch tính chất có thể thay đổi tùy theo nhà cung cấp và độ dày; việc lựa chọn vật liệu nên kết hợp việc xem xét thông số kỹ thuật, thử nghiệm tạo hình và hợp tác với nhà cung cấp để đảm bảo hành vi danh nghĩa trong sản xuất.