St12 so với St13 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

St12 và St13 là các mác thép cacbon thấp truyền thống thường gặp trong thực tiễn công nghiệp châu Âu, đặc biệt là trong các dòng sản phẩm thép tấm và thép dải cán nguội. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn giữa hai loại thép này khi tối ưu hóa cho các mục tiêu cạnh tranh như chi phí thấp nhất so với độ bền cao hơn một chút, hoặc khả năng định hình tối đa so với khả năng chống mài mòn được cải thiện đôi chút. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các chi tiết kết cấu nhẹ so với các cụm hàn so với các tấm tiếp xúc tiêu chuẩn, và các yêu cầu về va đập ở nhiệt độ thấp so với chế tạo thông thường.

Sự khác biệt thực tế chính giữa St12 và St13 là một sự điều chỉnh nhỏ, có chủ đích về thành phần và lịch sử ram, hướng đến hiệu suất cán nguội: một loại thép nhấn mạnh độ dẻo và độ hoàn thiện bề mặt tối đa cho các hoạt động tạo hình, trong khi loại thép còn lại được điều chỉnh để đạt được các đặc tính giới hạn chảy/độ bền kéo cao hơn một chút và độ ổn định kích thước. Vì hai loại thép này nằm cạnh nhau trong phổ thép cacbon thấp, chúng thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu, nơi mà sự đánh đổi về đặc tính cận biên là rất quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Nguồn gốc và bản đồ:
• Tên gọi St12 và St13 bắt nguồn từ danh pháp truyền thống của Đức/DIN dành cho thép mềm cán nguội, không hợp kim.
• Các thông số kỹ thuật và nguồn cung cấp hiện đại được điều chỉnh bởi các tiêu chuẩn rộng hơn như EN (Châu Âu), JIS (Nhật Bản), GB (Trung Quốc) và các biến thể quốc gia; các sản phẩm tương đương chính xác phải được xác nhận dựa trên các chứng chỉ vật liệu và các bản sửa đổi tiêu chuẩn hiện hành.
• Phân loại:
• Cả St12 và St13 đều là thép cacbon thông thường (thép cacbon không hợp kim/nhẹ).
• Chúng không phải là loại thép không gỉ, thép dụng cụ hay thép HSLA theo nghĩa hiện đại; chúng được mô tả tốt nhất là thép mềm ít carbon được tối ưu hóa cho việc tạo hình và chất lượng bề mặt.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt xu hướng hợp kim đặc trưng của các loại này mà không đưa ra giới hạn số cụ thể — hãy luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy và tài liệu tiêu chuẩn áp dụng để biết tỷ lệ phần trăm chính xác.

Yếu tố	St12 (tập trung vào thông số kỹ thuật điển hình)	St13 (tập trung vào thông số kỹ thuật điển hình)
C (Cacbon)	Rất ít carbon để tối đa hóa độ dẻo và khả năng tạo hình nguội	Hàm lượng carbon rất thấp, tương đương hoặc cao hơn một chút so với St12 để tăng cường độ một chút
Mn (Mangan)	Hàm lượng mangan thấp giúp tăng khả năng sản xuất và kiểm soát quá trình khử oxy	Hàm lượng mangan thấp; có thể được kiểm soát để tối ưu hóa độ bền và khả năng làm cứng
Si (Silic)	Theo dõi ở mức thấp (khử oxy)	Theo dõi đến mức thấp
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp một cách có chủ đích (kiểm soát chất lượng bề mặt và độ giòn)	Giữ ở mức thấp, với các giới hạn nghiêm ngặt tương tự
S (Lưu huỳnh)	Thấp; được kiểm soát để cải thiện chất lượng bề mặt và bản vẽ	Thấp; được kiểm soát để cải thiện khả năng gia công trong một số lần chạy
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Không cố ý pha trộn hợp kim; nếu có, ở nồng độ vết hoặc hợp kim vi mô tùy thuộc vào sản phẩm/nhà sản xuất	Giống nhau — nói chung là không hợp kim, mặc dù hợp kim vi mô có thể có trong các cuộn dây đặc biệt hoặc để đáp ứng các mục tiêu cơ học

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Hàm lượng carbon thấp giúp duy trì độ dẻo, cải thiện khả năng tạo hình nguội và giảm nguy cơ nứt vùng ảnh hưởng nhiệt hàn (HAZ). - Hàm lượng mangan thấp và không có các nguyên tố hợp kim mạnh có nghĩa là khả năng làm cứng hạn chế; độ bền tăng lên nhờ gia công nguội và cán nguội thay vì nhờ hàm lượng hợp kim. - Việc pha tạp vi lượng trong một số quy trình sản xuất có thể cải thiện kích thước hạt và cải thiện đôi chút độ bền kéo mà không làm giảm khả năng tạo hình.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại thép đều có ma trận ferit với ferit đa giác và một lượng nhỏ perlit tùy thuộc vào hàm lượng cacbon chính xác và lịch sử làm nguội. Đối với sản phẩm cán nguội và ủ, cấu trúc là ferit mịn với các-bua phân tán trong thép có hàm lượng cacbon cao hơn một chút. - St12 (hướng đến khả năng tạo hình) có xu hướng được ủ để tạo ra cấu trúc vi mô ferit mềm hơn, đồng đều hơn với lượng perlit tối thiểu. - St13 (cường độ cao hơn một chút) có thể có hàm lượng perlit cao hơn một chút hoặc kích thước hạt ferit mịn hơn nếu được sản xuất bằng phương pháp làm mát có kiểm soát hoặc bổ sung hợp kim siêu nhỏ.

Phản hồi cho các tuyến xử lý chung: - Ủ (ủ kết tinh lại cho cuộn cán nguội): cả hai loại đều lấy lại độ dẻo; St12 phục hồi đến giá trị độ giãn dài rất cao, St13 lấy lại độ dẻo nhưng có thể duy trì giới hạn chảy cao hơn một chút. - Chuẩn hóa: không điển hình cho các ứng dụng cán nguội nhưng sẽ tạo ra cấu trúc vi mô ferit-perlit tương đối đồng đều; lợi ích hạn chế vì đây là loại thép có hàm lượng cacbon thấp. - Làm nguội và ram: phần lớn không áp dụng được cho các loại thép có hàm lượng cacbon thấp này vì hàm lượng cacbon không đủ để hình thành martensite đáng kể; cường độ tăng theo phương pháp này là tối thiểu. - Xử lý nhiệt cơ học: nếu áp dụng ở thượng nguồn (thép cán nóng hoặc thép hợp kim siêu nhỏ), quá trình tinh luyện hạt có thể tăng giới hạn chảy trong khi vẫn giữ được độ dẻo; tuy nhiên, tính chất hóa học danh nghĩa hạn chế khả năng tôi luyện có thể đạt được.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là so sánh định tính. Các giá trị số cụ thể phải được lấy từ chứng chỉ thử nghiệm của nhà máy hoặc thông số kỹ thuật mua hàng.

Tính chất cơ học	St12	St13
Độ bền kéo	Thấp đến trung bình (tối ưu hóa cho việc hình thành)	Cao hơn một chút so với St12
Cường độ chịu kéo	Thấp hơn (tốt hơn cho việc vẽ sâu)	Cao hơn một chút (cải thiện độ ổn định kích thước)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn (khả năng định hình tốt hơn)	Thấp hơn một chút nhưng vẫn tốt cho việc hình thành
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường; cả hai đều phù hợp để sử dụng chung	Tương tự như St12; sự khác biệt nhỏ phụ thuộc vào quá trình xử lý
Độ cứng	Thấp hơn (mềm hơn, gia công/tạo hình dễ dàng hơn)	Cao hơn một chút nhưng vẫn nằm trong phạm vi thép mềm

Tại sao lại có sự khác biệt này: - Những điều chỉnh nhỏ về cacbon, mangan và kích thước hạt do quá trình tạo ra tạo ra những thay đổi quan sát được. Vì sự khác biệt về hợp kim là không đáng kể, hầu hết sự thay đổi tính chất là do lịch sử nhiệt cơ học và gia công nguội hơn là do hóa học.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả hai loại thép này nhìn chung đều tuyệt vời nhờ hàm lượng carbon tương đương thấp. Hai công thức tính carbon tương đương thường được sử dụng để đánh giá khả năng hàn được trình bày dưới đây; chúng định lượng xu hướng cứng hóa vùng HAZ và nứt nguội.

• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích: - Giá trị thấp của $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cho thấy khả năng chịu độ cứng HAZ và nứt nguội thấp; cả St12 và St13 thường mang lại giá trị thuận lợi (thấp) vì chúng có hàm lượng carbon thấp và không hợp kim. - St13, với độ bền cao hơn một chút, có thể có hàm lượng cacbon tương đương cao hơn một chút tùy thuộc vào thành phần hóa học chính xác của nó, nhưng trong hầu hết các mẻ thực tế, cả hai loại thép này đều dễ hàn với các kim loại phụ thông thường và các biện pháp kiểm soát nung nóng trước/chuyển tiếp tiêu chuẩn thường không cần thiết đối với các phần mỏng. - Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy xác minh $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ từ hóa học thực tế và tuân theo quy trình hàn nếu điều kiện dịch vụ yêu cầu.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả St12 và St13 đều là thép cacbon thấp không gỉ và do đó cần phải có lớp bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng cho các bộ phận ngoài trời và cần bảo vệ chống ăn mòn.
• Mạ điện để kiểm soát bề mặt và sơn tiếp theo.
• Lớp phủ hữu cơ (lớp phủ cuộn, lớp phủ bột hoặc hệ thống sơn) để bảo vệ về mặt thẩm mỹ và rào cản.
• Lớp phủ chuyển đổi (lớp phosphate, lớp thụ động) để cải thiện độ bám dính của sơn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ; nó không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Khi chỉ định xử lý bề mặt, hãy cân nhắc trình tự tạo hình và hàn (mạ kẽm sau khi tạo hình hoặc mạ kẽm cục bộ sau khi hàn) và tác động của lớp phủ đến quá trình xử lý tiếp theo.

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

• Khả năng định hình:
• St12 được tối ưu hóa cho các hoạt động kéo sâu và tạo hình mạnh (độ giãn dài cao, giới hạn chảy thấp).
• St13 vẫn có khả năng định hình tốt nhưng lại không phù hợp để vẽ ở mức độ cực đoan; thiết kế dụng cụ có thể cần những điều chỉnh nhỏ.
• Khả năng gia công:
• Cả hai loại đều gia công tốt; loại St12 mềm hơn thường có tuổi thọ dụng cụ cao hơn một chút và lực cắt thấp hơn.
• Bôi trơn, hình dạng dụng cụ và tốc độ/tiến độ gia công chi phối hành vi gia công nhiều hơn là những khác biệt nhỏ về mặt hóa học.
• Uốn và dập:
• Độ đàn hồi cao hơn một chút đối với thép St13 có độ bền cao hơn; có thể cần phải bù trừ độ cong hoặc dụng cụ.
• Bề mặt hoàn thiện và chất lượng dập:
• Cuộn ủ cán nguội của cả hai loại đều cung cấp chất lượng bề mặt cao; St12 thường được chỉ định khi cần tính liên tục bề mặt cao và ít nứt vi mô nhất.

8. Ứng dụng điển hình

St12 — Công dụng điển hình	St13 — Công dụng điển hình
Tấm ốp bên trong ô tô được kéo sâu, vỏ thiết bị gia dụng, các bộ phận đồ nội thất được định hình	Tấm kết cấu nhẹ, các thành phần khung gầm có yêu cầu tải trọng cao hơn một chút, các bộ phận dập yêu cầu độ ổn định kích thước được cải thiện
Tấm trang trí hoặc tấm có thể nhìn thấy đòi hỏi bề mặt hoàn thiện và khả năng sơn tuyệt vời	Các bộ phận chế tạo có độ bền cao hơn một chút làm giảm độ dày/chi phí của bộ phận
Các thành phần tạo hình nguội chung, giá đỡ nhẹ và vỏ bọc	Các phần kết cấu chịu lực nhẹ, các cụm hàn có lợi cho năng suất cao hơn một chút

Cơ sở lựa chọn: - Chọn St12 khi khả năng tạo hình, độ hoàn thiện bề mặt và độ đàn hồi tối thiểu là những yêu cầu chủ yếu. - Chọn St13 khi có sự gia tăng nhẹ về độ bền hoặc khả năng kiểm soát kích thước mang lại lợi ích về sản xuất hoặc dịch vụ mà không phải hy sinh đáng kể khả năng tạo hình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• Cả hai loại thép này đều là thép cacbon thấp thông thường và thường nằm trong số những loại thép có giá thành vật liệu rẻ nhất.
• Sự chênh lệch giá giữa chúng thường không đáng kể; tuy nhiên, khối lượng sản xuất, xử lý bề mặt (mạ kẽm/phủ) và hàng tồn kho của nhà cung cấp tác động đến giá thành đơn vị nhiều hơn tên loại.
• Khả dụng:
• Cuộn và tấm cán nguội St12 và St13 được cung cấp rộng rãi tại các nhà máy thép và trung tâm dịch vụ ở những khu vực vẫn sử dụng tiêu chuẩn DIN/EN truyền thống.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (cuộn, cắt theo chiều dài, phôi) thường cao đối với cả hai, nhưng cần xác nhận thời gian giao hàng đối với các phương pháp xử lý bề mặt đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	St12	St13
Khả năng hàn	Tuyệt vời (rất tốt)	Tuyệt vời (rất tốt)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo cao hơn / độ bền thấp hơn	Độ bền cao hơn một chút với độ dẻo dai tương đương
Trị giá	Rất thấp / tiết kiệm	Rất thấp / tiết kiệm (có thể so sánh được)

Sự giới thiệu: - Chọn St12 nếu nhu cầu chính của bạn là khả năng tạo hình nguội tối đa, độ đàn hồi tối thiểu, bề mặt hoàn thiện vượt trội khi sơn hoặc nhìn thấy trên các tấm và lực gia công thấp nhất có thể. - Chọn St13 nếu bạn cần tăng một chút nhưng hữu ích về năng suất hoặc độ bền kéo và độ ổn định kích thước trong khi vẫn duy trì khả năng tạo hình và hàn tốt — ví dụ, khi cần hiệu suất kết cấu nhẹ hoặc khi cần giảm độ dày vừa phải để tiết kiệm trọng lượng/chi phí.

Lưu ý cuối cùng: St12 và St13 là hai loại thép liền kề nhau trong phổ carbon thấp; sự khác biệt thực tế của chúng thường phụ thuộc vào lịch sử xử lý (ủ, cán nguội, xử lý bề mặt) và thực tiễn của nhà cung cấp cũng như tính chất hóa học. Luôn yêu cầu giấy chứng nhận nhà máy, chạy thử nghiệm quy trình trên vật liệu đại diện và nêu rõ các tiêu chí cơ học và bề mặt cần thiết trong hồ sơ mua sắm thay vì chỉ dựa vào tên loại thép.