St13 so với St14 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

St13 và St14 là họ hàng gần của thép kết cấu cacbon thấp, thường được sử dụng cho các chi tiết dạng tấm, dải và cán nguội. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng định hình và độ bền khi lựa chọn giữa hai loại thép này cho các chi tiết dập, kết cấu hàn hoặc tấm kết cấu nói chung. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn loại thép cho dập sâu so với loại thép được tối ưu hóa cho độ bền kết cấu cơ bản, hoặc lựa chọn vật liệu cân bằng giữa khả năng chế tạo dễ dàng với khả năng đạt được các đặc tính cơ học cần thiết sau khi gia công.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại này là một loại được thiết kế để cải thiện khả năng tạo hình trong các hoạt động gia công nguội thông thường, trong khi loại còn lại đại diện cho lựa chọn truyền thống hơn, ít carbon, đa dụng. Do tính chất hóa học và quy trình gia công của chúng tương tự nhau, hai loại này thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu cho các hoạt động sản xuất, nơi hiệu suất tạo hình, khả năng hàn và chi phí đều quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và hệ thống chỉ định chung trong ngành bao gồm:
• ASTM / ASME (Hoa Kỳ)
• EN (Châu Âu)
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản)
• GB (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc)
• Thông số kỹ thuật của nhà máy quốc gia và độc quyền
• Phân loại:
• St13 — Thép cacbon (thép kết cấu/thép dải ít cacbon)
• St14 — Thép cacbon (thép kết cấu/thép dải ít cacbon, được xử lý để cải thiện khả năng định hình)
• Lưu ý: Tiền tố "St" xuất hiện trong một số danh mục thép kết cấu của khu vực và nhà cung cấp. Việc so sánh chính xác với số danh mục ASTM/EN/JIS/GB phụ thuộc vào tiêu chuẩn ban hành hoặc chứng chỉ nhà máy; người dùng nên luôn yêu cầu nhà cung cấp cung cấp ký hiệu tiêu chuẩn cụ thể và chứng chỉ hóa học/cơ học.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

• Thay vì trích dẫn tỷ lệ phần trăm chính xác (thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà máy), bảng dưới đây tóm tắt chiến lược hợp kim điển hình và sự hiện diện tương đối của các nguyên tố chính cho từng loại.

Yếu tố	St13 (chiến lược điển hình)	St14 (chiến lược điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp (mức độ cấu trúc chung)	Hàm lượng carbon thấp, thường nhắm mục tiêu thấp hơn một chút hoặc được kiểm soát chặt chẽ để hỗ trợ độ dẻo
Mn (Mangan)	Có mặt như là yếu tố chính về sức mạnh/xử lý (trung bình)	Được kiểm soát; có thể điều chỉnh để hỗ trợ khả năng tạo hình mà không làm giảm độ bền
Si (Silic)	Bổ sung chất khử oxy nhỏ (vết tích thấp)	Được kiểm soát, thường được giảm thiểu để cải thiện chất lượng bề mặt và khả năng tạo hình
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp (giới hạn tạp chất còn lại)	Tương tự thấp; kiểm soát chặt chẽ có thể cải thiện độ dẻo
S (Lưu huỳnh)	Thấp; đôi khi được kiểm soát để gia công	Giữ ở mức thấp để tránh bị giòn trong quá trình tạo hình
Cr, Ni, Mo	Thông thường không được thêm vào một cách có chủ ý	Thông thường không có hoặc chỉ có tạp chất dạng vết
V, Nb, Ti	Không điển hình như hợp kim vi mô cố ý	Có thể có mặt với số lượng được kiểm soát, rất nhỏ trong một số biến thể để kiểm soát kích thước hạt
B	Không điển hình	Không điển hình
N (Nitơ)	Dấu vết	Theo dõi; kiểm soát trong một số tuyến sản xuất để quản lý hành vi lượng mưa

Giải thích: Cả hai loại thép này về cơ bản đều là thép cacbon thấp. Chiến lược hợp kim hóa cho loại thép tập trung vào khả năng tạo hình tập trung vào việc kiểm soát chặt chẽ hơn hàm lượng cacbon và tạp chất xen kẽ, điều chỉnh Mn và Si, và kiểm soát độ sạch cẩn thận để tạo ra cấu trúc vi mô và điều kiện bề mặt thuận lợi cho việc tạo hình nguội. Hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) không phải là đặc điểm nổi bật của cả hai loại thép, nhưng khi được sử dụng, nó được đưa vào để kiểm soát kích thước hạt và độ dẻo dai hơn là để tăng khả năng tôi.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - St13: Chủ yếu là cấu trúc vi mô ferit-perlit sau khi cán nóng thông thường và làm nguội bằng không khí; hạt ferit tương đối thô tùy thuộc vào phương pháp cán và cuộn. - St14: Cơ sở ferit-pearlit tương tự, nhưng được sản xuất với quy trình làm mát chặt chẽ hơn và trong một số quy trình nhà máy, quy trình xử lý nhiệt cơ học để tinh chỉnh cấu trúc hạt và tạo ra ma trận ferit mịn, đồng đều hơn giúp cải thiện độ dẻo.

Phản ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Ủ / Ủ kết tinh lại: Cả hai loại thép đều phản ứng với quá trình ủ bằng cách làm mềm và tăng độ dẻo. St14 được hưởng lợi rõ rệt hơn từ các chu kỳ ủ được kiểm soát giúp giảm ứng suất dư và cải thiện khả năng kéo. - Chuẩn hóa: Tăng cường độ vừa phải bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt; ít được áp dụng cho các loại tấm nhưng có thể được sử dụng cho các dạng sản phẩm có độ bền cao hơn. - Làm nguội sau khi tôi: Không điển hình đối với các loại thép tấm có hàm lượng cacbon thấp này; làm nguội và tôi là phương pháp dành cho thép có độ bền cao nhưng không cần thiết cho các ứng dụng St13/St14 nói chung. - Cán nhiệt cơ học: Khi được áp dụng, phương pháp này có thể tạo ra kích thước hạt mịn hơn và khả năng định hình được cải thiện cho các biến thể St14 mà không làm giảm đáng kể độ bền.

Các lựa chọn xử lý (nhiệt độ cuộn, độ giảm mỗi lần, tốc độ làm mát) có ảnh hưởng tương tự như hóa học danh nghĩa trong việc xác định cấu trúc vi mô cuối cùng và hành vi tạo hình.

4. Tính chất cơ học

• Thay vì các con số cố định (thay đổi theo độ dày, độ cứng và tiêu chuẩn), phép so sánh dưới đây mang tính chất định tính và phản ánh hành vi điển hình ở dạng sản phẩm cán nóng hoặc cán nguội + ủ.

Tài sản	St13 (điển hình)	St14 (điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình (mức carbon thấp tiêu chuẩn)	Có thể so sánh hoặc thấp hơn một chút trong điều kiện ủ để tăng độ dẻo
Sức chịu lực	Vừa phải	Thấp hơn một chút ở nhiều loại máy nghiền để tăng khả năng tạo hình
Độ giãn dài (đồng đều/tổng ​​thể)	Tốt	Cải thiện (độ giãn dài cao hơn và khả năng định hình cục bộ)
Độ bền va đập	Phù hợp ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Có thể so sánh được; độ dẻo dai được cải thiện nhờ cấu trúc vi mô mịn hơn
Độ cứng	Thấp đến trung bình	Thấp đến trung bình — tương tự nhưng điều kiện cung cấp có xu hướng mềm hơn để hình thành

Diễn giải: St14 thường được điều chỉnh để mang lại độ dẻo cao hơn và hiệu suất kéo/uốn tốt hơn trong quá trình tạo hình, thường đạt được thông qua kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn và quy trình cán được tối ưu hóa. Điều này có thể dẫn đến giảm nhẹ giới hạn chảy và giá trị kéo khi cung cấp, nhưng cho phép thích ứng biến dạng tốt hơn trong quá trình dập hoặc kéo sâu. Nếu cần cường độ cao hơn sau khi tạo hình, nên cân nhắc chuyển đổi thông qua quy trình xử lý phù hợp hoặc lựa chọn các biến thể cường độ cao hơn.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn đối với thép cacbon thấp tập trung vào hàm lượng cacbon, khả năng tôi và hợp kim còn lại. Đánh giá định tính điển hình: - Cả St13 và St14 đều dễ dàng hàn bằng phương pháp nóng chảy và phương pháp kháng thông thường do hàm lượng cacbon thấp và hợp kim có độ cứng tối thiểu. - Khi có hợp kim vi mô hoặc sử dụng hàm lượng Mn cao hơn, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể có khả năng làm cứng cao hơn; có thể cần phải kiểm soát quy trình hàn. - Việc sử dụng gia nhiệt trước/sau và kiểm soát lượng nhiệt đầu vào phải dựa trên độ dày của linh kiện và thiết kế mối nối, không chỉ dựa trên tên cấp.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (chỉ để giải thích): - Hiển thị ví dụ về lượng cacbon tương đương: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Một chỉ số khác: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Diễn giải: Giá trị thấp hơn của các chỉ số này dự đoán nguy cơ độ cứng HAZ và nứt nguội thấp hơn. Vì cả hai loại đều là thép cacbon thấp và hợp kim thấp, nên các giá trị cacbon tương đương được tính toán thường thấp, cho thấy khả năng hàn tốt. Nếu một biến thể quy trình của St14 sử dụng bất kỳ hợp kim vi mô nào để tinh chỉnh hạt, quy trình hàn nên tính đến khả năng làm cứng cục bộ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả St13 và St14 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn của chúng trong môi trường khí quyển và ẩm ướt là tương tự nhau và ở mức trung bình.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ điện cho môi trường ngoài trời hoặc môi trường có tính ăn mòn nhẹ.
• Lớp phủ hữu cơ: sơn lót, sơn và sơn phủ dạng bột để trang trí và bảo vệ.
• Lớp phủ chuyển đổi (phosphate) để bám dính sơn và bảo vệ tạm thời trước khi tạo hình hoặc hàn.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này nhưng để tham khảo, PREN cho thép không gỉ được đưa ra như sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lưu ý: Tình trạng bề mặt và độ sạch sẽ rất quan trọng đối với khả năng tạo hình; một số quy trình phủ có thể làm giảm khả năng tạo hình hoặc dẫn đến nứt lớp phủ trong quá trình tạo hình — hãy chọn lớp phủ tương thích với hoạt động tạo hình dự định.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều dễ gia công; thép St14 có thể dễ cắt hơn một chút trong một số điều kiện gia công nguội do độ bền ở trạng thái ủ thấp hơn một chút. Việc bổ sung lưu huỳnh giúp cải thiện khả năng gia công thường không có trong các loại thép này.
• Tạo hình và uốn cong:
• St14 được thiết kế để cải thiện khả năng tạo hình (kéo sâu hơn, bán kính uốn cong hẹp hơn và hiệu suất mép co giãn tốt hơn) nhờ khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn các khe hở và cấu trúc vi mô.
• St13 hoạt động tốt trong việc tạo hình chung nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc độ sâu kéo nhẹ hơn để có độ tin cậy tương đương.
• Hoàn thiện bề mặt và xử lý cuộn: Các biến thể St14 dùng để tạo hình thường có tính chất cán và điều kiện bề mặt giúp giảm vết khía và tăng khả năng bôi trơn đồng đều trong quá trình dập.

8. Ứng dụng điển hình

St13 — Công dụng điển hình	St14 — Công dụng điển hình
Tấm kết cấu chung (khả năng tạo hình không quan trọng)	Các bộ phận được kéo sâu: đồ dùng nhà bếp, tấm ốp bên trong ô tô
Chế tạo hàn đơn giản và các thành phần cấu trúc nhẹ	Các thành phần dập phức tạp đòi hỏi độ biến dạng cao (tấm cửa, bình nhiên liệu)
Các phần được tạo hình nguội trong đó độ dẻo tiêu chuẩn là đủ	Các thành phần sẽ phải chịu uốn cong, viền hoặc tạo hình kéo giãn nghiêm trọng
Ứng dụng kim loại tấm tiết kiệm	Các bộ phận được tạo hình khối lượng lớn cần tỷ lệ loại bỏ thấp

Cơ sở lựa chọn: chọn loại thép có khả năng tạo hình, yêu cầu xử lý hậu kỳ và chi phí phù hợp với thiết kế sản phẩm. Nếu thiết kế đòi hỏi biến dạng dẻo nghiêm trọng trong quá trình sản xuất, loại thép hướng đến khả năng tạo hình thường giúp giảm thiểu mài mòn và hao mòn dụng cụ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai loại thép này đều có giá thành thấp hơn so với thép hợp kim hoặc thép cường độ cao. Loại thép được tối ưu hóa khả năng định hình có thể có mức giá cao hơn một chút do quy trình xử lý và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn.
• Tình trạng sẵn có: Có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, cuộn và chiều dài cắt từ các nhà máy và nhà phân phối khu vực. Các loại thép tôi và hoàn thiện bề mặt cụ thể (ví dụ: kéo cực sâu, kéo cực sâu + cán màng) có thể có thời gian giao hàng cụ thể; bộ phận mua hàng nên nêu rõ các yêu cầu về độ tôi, tình trạng bề mặt và chứng nhận.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	St13	St14
Khả năng hàn	Rất tốt	Rất tốt
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng carbon thấp tiêu chuẩn	Sự cân bằng tương tự; được tối ưu hóa cho tính dẻo dai
Trị giá	Thấp hơn / cơ sở	Phí bảo hiểm nhẹ trong một số tính khí
Khả năng định hình	Tốt	Tăng cường (được thiết kế để tăng cường khả năng tạo hình)

Chọn St13 nếu: - Ứng dụng của bạn là tấm kết cấu chung hoặc sản phẩm hàn, nơi hiệu suất carbon thấp tiêu chuẩn là đủ. - Việc giảm thiểu chi phí là ưu tiên hàng đầu và các hoạt động đào tạo có mức độ vừa phải. - Bạn cần một loại thép thông dụng, có sẵn rộng rãi cho các bộ phận có độ phức tạp vừa phải.

Chọn St14 nếu: - Quá trình sản xuất bao gồm kéo sâu, uốn cong chặt, viền hoặc các hoạt động tạo hình nguội có độ biến dạng cao khác. - Tỷ lệ loại bỏ thấp hơn và cải thiện hành vi bề mặt trong quá trình tạo hình là rất quan trọng đối với hiệu quả sản xuất. - Bạn thích độ cứng được kiểm soát bằng máy cán và bề mặt hoàn thiện được tối ưu hóa cho việc tạo hình, ngay cả khi chi phí cao hơn một chút.

Lưu ý cuối cùng: Luôn yêu cầu nhà cung cấp chứng chỉ kiểm tra nhà máy và xác nhận chính xác các thông số hóa học và cơ học, tình trạng bề mặt và nhiệt luyện. Đối với các chi tiết hàn hoặc tạo hình phức tạp, hãy chạy thử nghiệm quy trình với cuộn/nhiệt luyện được chỉ định, cập nhật thông số kỹ thuật quy trình hàn khi cần thiết và xem xét các thử nghiệm tạo hình để xác nhận hiệu suất khuôn và các đặc tính chi tiết cuối cùng.