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

Giới thiệu

SPHD và SPHE là hai loại thép kết cấu cán nóng thường được sử dụng trong kỹ thuật tổng hợp, linh kiện ô tô và linh kiện cán nguội. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng định hình, khả năng hàn và độ bền khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chỉ định thép tấm hoặc thép dải để uốn nguội và dập nguội, lựa chọn thép tấm cho kết cấu hàn, hoặc lựa chọn vật liệu cho các bộ phận cần xử lý bề mặt tiếp theo.

Sự khác biệt thực tế chính giữa SPHD và SPHE nằm ở đặc tính tạo hình nguội của chúng: một loại thường được kiểm soát để có khả năng chống nứt vượt trội và hiệu suất uốn cạnh/uốn nguội tốt hơn, trong khi loại còn lại được sản xuất với các mục tiêu quy trình hơi khác nhau (giới hạn chảy/cường độ và các thuộc tính bề mặt) có thể ưu tiên khả năng chịu lực kết cấu hoặc chi phí thấp hơn. Vì cả hai đều là thép cacbon thấp được sử dụng trong các dạng cung cấp tương tự, chúng thường được so sánh khi chất lượng tạo hình so với hiệu suất cơ học là yếu tố quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• JIS (Nhật Bản): SPHD, SPHE xuất hiện trong các tiêu chuẩn JIS dành cho thép cán nóng (ứng dụng kết cấu/hình dạng chung).
• EN/Châu Âu: Không có tên gọi trực tiếp nào dành cho Châu Âu; các loại thép tương đương thuộc danh mục sản phẩm EN 10025/EN 10111 dành cho thép kết cấu không hợp kim hoặc thuộc EN 10111 dành cho thép cán nguội tùy thuộc vào quy trình chế biến.
• ASTM/ASME: Các ký hiệu tương đương trực tiếp không phải là tiêu chuẩn trong ASTM; ASTM A1011/A1018 bao gồm các loại thép tấm/dải thương mại tương tự cho các sản phẩm cán nóng và cán nguội.
• GB (Trung Quốc): Tiêu chuẩn GB liệt kê các loại thép cán nóng thương mại có nhãn khác nhau; sự tương đương trực tiếp đòi hỏi phải so sánh về mặt hóa học và cơ học.

Phân loại: Cả SPHD và SPHE đều là thép cacbon thông thường (hợp kim thấp, không gỉ) được sử dụng chủ yếu làm thép cacbon/kết cấu chứ không phải thép hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ hoặc thép HSLA. Chúng được dùng để định hình và chế tạo nói chung thay vì các ứng dụng chịu nhiệt độ cao hoặc chống ăn mòn nghiêm trọng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lưu ý: Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn ban hành và dạng sản phẩm. Thực tiễn điển hình của thép cacbon thấp cán nóng thương mại nhấn mạnh hàm lượng cacbon rất thấp, hàm lượng Mn vừa phải để tăng cường độ và kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ P/S để tạo hình.

Yếu tố	Phạm vi hoặc vai trò điển hình (SPHD / SPHE)
C (cacbon)	Hàm lượng carbon rất thấp để duy trì khả năng tạo hình; thường được kiểm soát ở mức tối đa thấp (cả hai loại đều ở mức thấp-C).
Mn (mangan)	Hàm lượng Mn vừa phải để tăng cường độ bền và khả năng khử oxy; SPHE có thể có hàm lượng Mn cao hơn một chút hoặc được kiểm soát chặt chẽ hơn để có các đặc tính đồng nhất.
Si (silicon)	Bổ sung một lượng nhỏ chất khử oxy; mức độ vết là bình thường.
P (phốt pho)	Kiểm soát ở mức tối đa thấp để tránh hiện tượng giòn và khả năng định hình kém.
S (lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; đôi khi còn hạn chế hơn nữa để cải thiện độ uốn và chất lượng bề mặt.
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Nhìn chung không có hoặc ở mức vết ở cả hai loại; nếu có, hợp kim vi mô là rất nhỏ.
N (nitơ)	Mức thấp; không phải là nguyên tố hợp kim thiết kế cho các loại thép này.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng nhưng làm giảm độ dẻo và hiệu suất tạo hình nguội. Cả hai loại đều duy trì hàm lượng C thấp để thuận lợi cho uốn và kéo. - Mangan làm tăng độ bền kéo và góp phần làm cứng; Mn cao hơn sẽ cải thiện độ bền nhưng có thể làm giảm khả năng tạo hình nếu quá nhiều. - Việc bổ sung hợp kim vi mô rất nhỏ (Ti, Nb, V) có thể cải thiện kích thước hạt và tăng cường độ bền với độ dẻo tối thiểu nếu áp dụng theo phương pháp cơ nhiệt, nhưng SPHD/SPHE thường là sản phẩm cacbon thông thường, do đó hợp kim vi mô đáng kể không phải là điển hình.

Tham khảo bảng tiêu chuẩn có liên quan để biết giới hạn thành phần chính thức; nhà sản xuất có thể công bố thành phần hóa học danh nghĩa chính xác cho mỗi lô cuộn dây hoặc tấm.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả SPHD và SPHE, sau khi cán nóng và làm nguội bằng không khí thông thường, đều thể hiện cấu trúc vi mô ferit-perlit đặc trưng của thép cacbon thấp: một nền ferit với các cụm perlit riêng lẻ. Kích thước hạt và độ phân bố hạt phụ thuộc vào lịch trình cán và tốc độ làm nguội.

Hiệu ứng xử lý: - Chuẩn hóa: Tạo ra ferit/perilit mịn hơn, đồng nhất hơn và có thể tăng nhẹ độ bền và độ dẻo dai; không thường được áp dụng cho tấm cán nóng thương mại trừ khi có yêu cầu cụ thể. - Làm nguội và ram: Không áp dụng như một lộ trình tiêu chuẩn cho các loại thép này; chúng không được thiết kế để làm cứng bằng cách làm nguội/ram. - Kiểm soát nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): Nếu được áp dụng (phổ biến hơn trong HSLA), nó sẽ tinh chỉnh kích thước hạt và có thể tăng cường độ bền mà vẫn giữ được độ dẻo. Đối với SPHE, việc kiểm soát quy trình cán và làm nguội chặt chẽ hơn có thể mang lại cấu trúc vi mô đồng đều hơn một chút và cải thiện hiệu suất tạo hình nguội so với phương pháp cán nóng cơ bản hơn.

Ý nghĩa của việc hình thành: - Ferit mịn hơn, đồng đều hơn với hàm lượng perlit thấp hơn thường cải thiện hiệu suất uốn nguội và giảm nguy cơ nứt cạnh. Các nhà sản xuất SPHE thường nhắm đến quy trình kiểm soát tạo ra cấu trúc vi mô thuận lợi như vậy cho các ứng dụng tạo hình.

4. Tính chất cơ học

Giá trị đảm bảo chính xác được quy định trong các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật của người mua. Các xu hướng so sánh điển hình được tóm tắt dưới đây.

Tài sản	SPHD (điển hình)	SPHE (điển hình)	Bình luận
Độ bền kéo (Rm)	Trung bình (thích hợp cho tấm kết cấu)	Trung bình đến cao hơn một chút hoặc được kiểm soát tương tự	SPHE thường được xử lý để có giá trị kéo ổn định với dung sai hẹp hơn.
Giới hạn chảy (Rp0.2)	Vừa phải	Trung bình; có thể thấp hơn một chút để ưu tiên khả năng tạo hình ở một số dòng sản phẩm	Các nhà sản xuất có thể kiểm soát năng suất của từng loại tùy thuộc vào mục đích sử dụng tạo hình.
Độ giãn dài (%)	Tốt	Thông thường bằng hoặc tốt hơn (có thể kéo dài hơn)	SPHE thường được chỉ định khi cần độ giãn dài/khả năng tạo hình nguội cao hơn.
Độ bền va đập	Điển hình cho thép ferit-perlit cacbon thấp	Có thể so sánh; có thể cải thiện bằng cách lăn có kiểm soát	Không phải là yếu tố phân biệt chính ở nhiệt độ môi trường trừ khi có chỉ định.
Độ cứng	Thấp-trung bình	Thấp-trung bình	Cả hai đều mềm hơn so với thép HSLA hoặc thép hợp kim.

Cái nào bền hơn/cứng hơn/dẻo hơn: - Cả hai loại thép này đều không được thiết kế để trở thành thép cường độ cao; sự khác biệt rất nhỏ. SPHE thường được sản xuất với các điều kiện quy trình ưu tiên độ dẻo và độ giãn dài đồng đều cho quá trình tạo hình nguội, do đó, nó thường hoạt động tốt hơn trong các hoạt động uốn/tạo hình đòi hỏi khắt khe. SPHD có thể được chỉ định khi hiệu suất kết cấu tiêu chuẩn và chi phí được ưu tiên.

5. Khả năng hàn

Cả hai loại đều có thể hàn dễ dàng bằng các quy trình nung chảy thông thường; hàm lượng carbon thấp và hợp kim hạn chế giúp cho yêu cầu gia nhiệt trước/sau khi gia nhiệt là tối thiểu ở độ dày thông thường.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 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: - Chỉ số $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp cho thấy khả năng hàn tốt và nguy cơ nứt nguội do hydro thấp. Cả SPHD và SPHE thường cho giá trị thấp cho các chỉ số này do hàm lượng carbon thấp và hàm lượng hợp kim tối thiểu. - Sự khác biệt về khả năng hàn giữa SPHD và SPHE là không đáng kể; tuy nhiên, sự thay đổi về lưu huỳnh và chất dư, độ sạch của thép và tình trạng bề mặt có thể ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn và cần chú ý đến vật tư tiêu hao và các thông số hàn. - Nếu lo ngại về nứt cạnh trong quá trình tạo hình nguội, việc chọn loại có khả năng tạo hình nguội vượt trội (thường là SPHE) có thể giảm nhu cầu điều chỉnh tạo hình trước hoặc sau khi hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SPHD và SPHE đều là thép cacbon không gỉ và cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.
• Các phương pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, phủ lớp kẽm mỏng, phủ lớp kẽm/vảy, sơn với phương pháp xử lý trước thích hợp hoặc lớp phủ chống ăn mòn tùy thuộc vào mức độ tiếp xúc.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng được vì đây không phải là thép không gỉ. Để so sánh, PREN chỉ được sử dụng cho các hợp kim không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Lưu ý lựa chọn: - Đối với ứng dụng ngoài trời hoặc ăn mòn, cần chỉ định hệ thống xử lý bề mặt và sơn phủ; lựa chọn thép cơ bản giữa SPHD và SPHE không mang lại sự khác biệt về khả năng chống ăn mòn nội tại.

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

• Cắt và gia công: Cả hai loại thép này đều có khả năng gia công tương tự như thép cacbon mềm. Độ cứng thấp hơn giúp cải thiện tuổi thọ dụng cụ và khả năng gia công. Các thông số bôi trơn và cắt nên được điều chỉnh theo độ phức tạp và dung sai của chi tiết.
• Uốn/tạo hình nguội: Đây là điểm khác biệt thực tế. SPHE thường được cung cấp với sự kiểm soát chặt chẽ hơn về mặt hóa học và quy trình xử lý để tối ưu hóa khả năng uốn, giảm độ biến thiên đàn hồi và giảm thiểu nứt cạnh ở bán kính hẹp. SPHD hoạt động tốt khi uốn thông thường nhưng có thể cho thấy khả năng chống gãy cạnh giảm nhẹ khi tạo hình ở bán kính nhỏ.
• Dập/kéo sâu: SPHE thường được chỉ định cho các hoạt động kéo sâu và giảm cỡ lớn do độ giãn dài và độ đồng nhất khi tạo hình được đảm bảo cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: Các loại SPHE dùng để tạo hình thường có quy định kiểm soát tình trạng bề mặt nghiêm ngặt hơn để tránh hư hỏng dụng cụ và loại bỏ chi tiết.

Lời khuyên thực tế: - Đối với các chi tiết dập hoặc linh kiện uốn cong chặt, hãy yêu cầu dữ liệu tạo hình từ nhà máy và xem xét các lần chạy thử. Xác định bán kính đột dập, chuẩn bị cạnh và bôi trơn để có kết quả tối ưu.

8. Ứng dụng điển hình

SPHD — Công dụng điển hình	SPHE — Công dụng điển hình
Tấm kết cấu chung và chế tạo nhẹ trong đó khả năng định hình tiêu chuẩn và chi phí là ưu tiên hàng đầu	Các bộ phận ô tô được tạo hình nguội, các thành phần được kéo sâu và các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cạnh uốn nguội được cải thiện
Tấm thân xe giá rẻ cho các hoạt động tạo hình không quan trọng	Các bộ phận ép có bán kính hẹp hoặc yêu cầu độ giãn dài cao (ví dụ: vỏ, giá đỡ)
Các kết cấu hàn có đủ độ bền tiêu chuẩn	Các thành phần yêu cầu độ giãn dài và chất lượng bề mặt đồng nhất để tạo hình khối lượng lớn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SPHE khi tạo hình vì hiệu suất, độ giãn dài đồng đều và giảm nguy cơ nứt cạnh là những yếu tố chính. - Chọn SPHD khi chi phí và hiệu suất kết cấu chung là chính và mức độ hình thành ở mức trung bình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai loại đều có sẵn trên thị trường và có giá thành cạnh tranh. SPHE có thể có giá cao hơn một chút ở một số thị trường khi các nhà máy áp dụng các biện pháp kiểm soát quy trình bổ sung hoặc xử lý chất lượng bề mặt nhằm nâng cao hiệu suất.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại thép này thường được cung cấp dưới dạng cuộn, tấm và dải cán nóng. Tính khả dụng phụ thuộc vào danh mục nhà máy và nhu cầu khu vực - chuỗi cung ứng ô tô thường thúc đẩy khối lượng lớn các sản phẩm được pha chế theo công thức SPHE.
• Mẹo mua sắm: Đối với các chương trình khối lượng lớn, hãy thương lượng lịch trình cán và yêu cầu báo cáo thử nghiệm cán được chứng nhận (MMTR) để đảm bảo thành phần và dung sai cơ học.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SPHD	SPHE
Khả năng hàn	Tuyệt vời (C thấp, hợp kim thấp)	Tuyệt vời (C thấp, hợp kim thấp)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Phù hợp cho mục đích sử dụng kết cấu	Độ bền tương tự với độ dẻo/khả năng tạo hình tốt hơn
Trị giá	Thấp hơn một chút ở một số thị trường	Phí bảo hiểm nhẹ cho chất lượng xử lý/tạo hình được kiểm soát

Khuyến nghị: - Chọn SPHE nếu: bạn yêu cầu hiệu suất tạo hình nguội vượt trội, độ giãn dài được đảm bảo cao hơn, kiểm soát chặt chẽ hơn các đặc tính liên quan đến tạo hình hoặc uốn bán kính hẹp và kéo sâu thường xuyên. - Chọn SPHD nếu: ứng dụng của bạn là chế tạo kết cấu chung với hình dạng vừa phải, trong đó chi phí và hiệu suất cơ học tiêu chuẩn là tiêu chí chính.

Lưu ý cuối cùng: Sự khác biệt giữa SPHD và SPHE rất tinh tế và thường liên quan đến quy trình cán và dung sai thông số kỹ thuật chứ không phải do thành phần hóa học khác biệt đáng kể. Luôn yêu cầu chỉ định tiêu chuẩn chính xác, chứng chỉ cán và dữ liệu tạo hình/hàn cho lô cuộn hoặc tấm cụ thể để xác nhận tính phù hợp cho quy trình dự định của bạn.