StW22 so với StW24 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

StW22 và StW24 là hai loại thép cacbon kết cấu có mối quan hệ mật thiết, thường được sử dụng cho các chi tiết hàn và cán nguội trong các ứng dụng cơ khí và kết cấu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, độ bền, khả năng định hình và khả năng hàn khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép cho các chi tiết kéo sâu, cụm hàn hoặc các cấu kiện chịu tải trọng nặng hơn, trong đó giới hạn tạo hình và chi phí hậu xử lý là yếu tố quan trọng.

Điểm khác biệt chính giữa StW22 và StW24 nằm ở sự cân bằng cơ học của chúng: StW24 được điều chế và xử lý để đạt được độ bền và khả năng tôi luyện cao hơn một chút, trong khi StW22 được thiết kế để mang lại độ dẻo dai và khả năng tạo hình kéo giãn tốt hơn. Vì cả hai loại thép này đều nằm cạnh nhau trong cùng một nhóm, việc lựa chọn thường phụ thuộc vào việc dự án ưu tiên độ giãn dài/khả năng tạo hình cao hơn hay chỉ cần tăng nhẹ độ bền với khả năng sản xuất tương tự.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn điển hình có ký hiệu kiểu "StW" là các tiêu chuẩn quốc gia và khu vực bắt nguồn từ các quy ước đặt tên cũ của Đức/DIN và các tiêu chuẩn tương đương trong EN/ISO và các hệ thống quốc gia khác. Các thông số kỹ thuật hiện đại có thể ánh xạ các tên cũ này với các ký hiệu EN hoặc ISO cụ thể; hãy luôn kiểm tra phiên bản tiêu chuẩn chính xác khi mua vật liệu.
• Phân loại:
• StW22 — thép kết cấu cacbon thấp không hợp kim dùng để tạo hình nguội (thép cacbon).
• StW24 — thép kết cấu hợp kim thấp hoặc hợp kim vi mô có độ bền/khả năng làm cứng cao hơn một chút so với StW22 (thường vẫn được coi là thép cacbon/hợp kim thấp).
• Lưu ý: Khi mua sắm, hãy xác nhận tiêu chuẩn áp dụng (ví dụ: bảng dữ liệu của nhà cung cấp, số hiệu tiêu chuẩn EN) thay vì chỉ dựa vào tên cấp độ cũ. Một số tiêu chuẩn quốc gia hoặc nhà máy có thể sử dụng nhãn tương tự với sự khác biệt nhỏ về thành phần hoặc tính chất.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt chiến lược hợp kim thông thường cho hai loại thép này về mặt định tính (sự hiện diện và vai trò của các nguyên tố thay vì giá trị chính xác). Để lựa chọn quan trọng cho dự án, hãy yêu cầu chứng chỉ nhà máy để biết giá trị wt% chính xác.

Yếu tố	Mục đích / Ảnh hưởng	StW22 (điển hình)	StW24 (điển hình)
C (Cacbon)	Sự cân bằng giữa độ bền, khả năng tôi luyện và khả năng hàn	Thấp — được tối ưu hóa cho khả năng định hình	Thấp đến cao hơn một chút — tăng sức mạnh một cách khiêm tốn
Mn (Mangan)	Độ bền, khả năng khử oxy, khả năng làm cứng	Vừa phải	Trung bình đến cao hơn một chút
Si (Silic)	Khử oxy hóa; ảnh hưởng đến sức mạnh	Thấp (khử oxy)	Thấp (khử oxy)
P (Phốt pho)	Tạp chất - giòn nếu nhiều	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp
S (Lưu huỳnh)	Khả năng gia công (tạp chất sunfua) — làm giảm độ dẻo dai	Thấp	Thấp
Cr (Crom)	Khả năng làm cứng, chống ăn mòn (nhỏ ở mức độ thấp)	Có dấu vết hoặc không có dấu vết	Theo dõi các chất bổ sung nhỏ để tăng khả năng làm cứng
Ni (Niken)	Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp (nếu có)	Thường không có mặt	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong một số biến thể
Mo (Molypden)	Độ cứng	Thông thường vắng mặt	Có thể có ở mức rất thấp trong một số loại hợp kim vi mô
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Tinh chế hạt, độ bền thông qua kết tủa	Thông thường là tối thiểu	Có thể bao gồm các nguyên tố hợp kim vi mô để tăng cường độ bền trong khi vẫn giữ được độ dẻo
B (Bo)	Độ cứng (mức ppm)	Không điển hình	Có thể bổ sung dấu vết trong một số cấp độ được kiểm soát
N (Nitơ)	Sức mạnh thông qua nitrua; cần kiểm soát	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp

Giải thích: - Cả hai loại thép này đều có hàm lượng cacbon thấp; tính chất cơ học của chúng chủ yếu được điều chỉnh bằng cách kiểm soát hàm lượng cacbon và mangan và một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim vi mô trong StW24 để tăng cường độ bền mà không làm giảm độ dẻo quá mức. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) là một chiến lược phổ biến để tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt thay vì tăng cacbon, điều này sẽ làm giảm khả năng hàn và khả năng tạo hình.

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

Cấu trúc vi mô điển hình phụ thuộc vào lộ trình xử lý (cán nóng, cán nguội, chuẩn hóa hoặc cán nhiệt cơ học):

• StW22:
• Tình trạng cán hoặc ủ: chủ yếu là ferit với các đảo perlit nếu có cacbon; ferit mịn chiếm ưu thế do hàm lượng cacbon thấp.
• Phản ứng với quá trình chuẩn hóa: hỗn hợp ferit-pearlit đồng đều hơn với các hạt được tinh chỉnh nhẹ; vẫn giữ được độ dẻo cao.
• Làm nguội và ram: không được áp dụng phổ biến vì loại thép này được tối ưu hóa cho khả năng tạo hình hơn là độ bền cứng cao.

• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai mà không làm mất đi độ dẻo.

• StW24:

• Khi cán: ferit-pearlit tương tự nhưng có thành phần perlit hoặc bainit cao hơn một chút nếu được hợp kim hóa vi mô hoặc nếu tốc độ làm nguội cao hơn.
• TMCP hoặc hợp kim vi mô tạo ra ma trận ferritic hạt mịn hơn với các cacbua/nitrit phân tán, tăng cường độ bền kéo và khả năng tôi cứng.
• Có thể sử dụng phương pháp làm nguội và ram trên một số biến thể để đạt được các cấp độ bền cao hơn, nhưng StW24 thương mại cơ bản thường được cung cấp ở dạng cán nóng hoặc cán nguội.

Ý nghĩa thực tiễn: Thành phần và quy trình xử lý của StW24 cho phép tăng nhẹ độ bền và khả năng tôi cứng ở mức độ phức tạp xử lý nhiệt tương tự, trong khi StW22 có xu hướng duy trì khả năng kéo dài và tạo hình.

4. Tính chất cơ học

Vì số lượng tính chất thực tế phụ thuộc vào quá trình xử lý và hóa học chính xác nên bảng sau đây trình bày hành vi so sánh điển hình (định tính).

Tài sản	StW22 (điển hình)	StW24 (điển hình)
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn một chút
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn một chút
Độ giãn dài (%)	Cao hơn — độ dẻo tốt hơn	Thấp hơn StW22 — độ giãn dài giảm
Độ bền va đập	Tốt (đặc biệt là trong điều kiện ủ/chuẩn hóa)	Tốt, tùy thuộc vào quá trình xử lý; có thể tương tự nếu TMCP được tối ưu hóa
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Giải thích: - StW24 được thiết kế để tăng nhẹ độ bền kéo và độ bền chảy, thường phải đánh đổi bằng độ giãn dài tối đa. Sự thay đổi này là có chủ đích để cho phép sản xuất các chi tiết nhẹ hơn hoặc các thành phần nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo khả năng sản xuất. - Độ bền va đập ở nhiệt độ phòng nhìn chung có thể chấp nhận được khi được sản xuất và xử lý đúng cách; độ bền ở nhiệt độ thấp phải được xác nhận bằng báo cáo thử nghiệm của nhà cung cấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, các nguyên tố tạo độ cứng và lượng dư. Hai chỉ số thực nghiệm phổ biến là tương đương cacbon IIW và công thức Pcm:

• Sử dụng lượng carbon tương đương của IIW để đánh giá nhanh: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

• Đối với các phần dày hơn và đánh giá khả năng hàn của kết cấu: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Cả hai loại thép này thường có hàm lượng cacbon thấp và hợp kim được kiểm soát, mang lại khả năng hàn thuận lợi cho các quy trình hàn nóng chảy và hàn điện trở thông thường. - StW22, với các thành phần tạo độ cứng thấp hơn một chút, thường dễ hàn hơn với yêu cầu làm nóng trước tối thiểu và nguy cơ nứt nguội thấp hơn. - StW24, do hàm lượng Mn cao hơn một chút và khả năng bị hợp kim hóa vi mô, có thể có độ cứng cao hơn; đối với các tiết diện dày hoặc mối nối chịu lực cao, nên gia nhiệt trước hoặc kiểm soát nhiệt đầu vào. Sử dụng hướng dẫn xử lý nhiệt trước và sau hàn do nhà cung cấp chỉ định, đồng thời kiểm tra việc kiểm soát hydro và lựa chọn vật tư tiêu hao. - Khuyến nghị thực tế: khi còn nghi ngờ, hãy tiến hành thử nghiệm hàn và tham khảo dữ liệu khả năng hàn của nhà máy và các tính toán CE/Pcm bằng cách sử dụng dữ liệu thành phần thực tế từ chứng chỉ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Những loại thép này không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon thông thường.
• Phương pháp bảo vệ tiêu chuẩn:
• Mạ kẽm nhúng nóng cho kết cấu ngoài trời.
• Lớp phủ hữu cơ (lớp sơn lót và lớp phủ hoàn thiện) cho môi trường thẩm mỹ và chống ăn mòn ở mức độ trung bình.
• Lớp phủ chuyển đổi bảo vệ và bảo vệ catốt khi cần thiết.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép kết cấu không phải thép không gỉ, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Chỉ số này áp dụng cho các họ thép không gỉ (austenitic/duplex), không áp dụng cho thép StW.
• Đối với môi trường khí quyển hoặc ăn mòn nhẹ, việc lựa chọn phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc và chi phí vòng đời: mạ kẽm hoặc sơn thường là đủ; đối với môi trường biển hoặc hóa chất, nên chọn loại thép không gỉ hoặc lớp bảo vệ bổ sung.

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

• Khả năng định hình:
• StW22: hiệu suất tạo hình kéo giãn và kéo sâu vượt trội nhờ độ giãn dài cao hơn; thích hợp cho các hình dạng phức tạp và hoạt động tạo hình khắc nghiệt.
• StW24: có khả năng hình thành nhưng khả năng chịu biến dạng thực tế hạn chế hơn; khả năng phục hồi có thể khác nhau do năng suất cao hơn.
• Khả năng gia công:
• Cả hai loại thép này thường có thể gia công được ở điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa. Độ bền cao hơn một chút của StW24 có thể làm tăng độ mài mòn dụng cụ và đòi hỏi lực cắt lớn hơn.
• Các biến thể cắt tự do có lưu huỳnh là một họ sản phẩm khác; các loại StW tiêu chuẩn ưu tiên tạo hình hơn là phụ gia gia công.
• Hoàn thiện:
• Chất lượng bề mặt, khả năng tẩy rửa/làm sạch, và độ bám dính của lớp phủ đều cần được chú ý như nhau cho cả hai loại. Xử lý nhiệt hoặc gia công nguội có thể ảnh hưởng đến độ cứng và do đó ảnh hưởng đến các thông số hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

StW22 — Công dụng điển hình	StW24 — Công dụng điển hình
Các thành phần được kéo sâu, tấm nội thất ô tô, các bộ phận ép kết cấu nhẹ	Các thành phần kết cấu chịu tải nhẹ đến trung bình, các bộ phận khung gầm, giá đỡ có độ bền cao hơn làm giảm độ dày của mặt cắt
Các phần ống cho kết cấu nhẹ khi cần khả năng định hình cao	Các cụm hàn và các bộ phận chế tạo cần tăng cường độ vừa phải trong khi vẫn có thể hàn được
Các bộ phận cần uốn cong và tạo hình kéo giãn nhiều	Các bộ phận được hưởng lợi từ quá trình xử lý TMCP hoặc hợp kim vi mô để kết hợp độ bền với độ dẻo chấp nhận được

Cơ sở lựa chọn: - Chọn StW22 khi độ phức tạp và độ giãn dài khi tạo hình là quan trọng và mức tải trọng ở mức trung bình. - Chọn StW24 khi bạn cần giảm tiết diện hoặc khối lượng cho một tải trọng nhất định và khi yêu cầu tạo hình ở mức trung bình đến nhẹ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: StW24 thường đắt hơn một chút so với StW22 do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn và có thể có quá trình vi hợp kim hoặc xử lý TMCP. Chi phí gia tăng thay đổi tùy theo nhà máy, khối lượng đặt hàng và dạng sản phẩm.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được cung cấp dưới dạng cuộn/tấm cán nóng và cán nguội, cũng như dạng tấm kết cấu từ các nhà cung cấp lớn. Tính khả dụng ở dạng tiêu chuẩn hóa chính xác phụ thuộc vào chuỗi cung ứng khu vực và việc có quy định các tiêu chuẩn EN/ISO hiện đại tương đương hay không; hãy kiểm tra thời gian giao hàng để biết độ dày và điều kiện bề mặt cụ thể.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	StW22	StW24
Khả năng hàn	Tuyệt vời — rất tốt cho việc hàn thông thường mà không cần biện pháp phòng ngừa đặc biệt	Rất tốt — có thể cần chú ý đối với các phần dày do khả năng làm cứng cao hơn một chút
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thấp hơn, độ giãn dài và khả năng định hình cao hơn	Độ bền cao hơn với độ giãn dài giảm nhẹ; độ dẻo dai tương đương nếu được xử lý đúng cách
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Chọn StW22 nếu: - Thiết kế của bạn yêu cầu khả năng tạo hình tối đa, vẽ sâu hoặc uốn cong và tạo hình phức tạp. - Các cụm hàn đơn giản và bạn thích hàn dễ hơn với quá trình làm nóng trước tối thiểu. - Độ nhạy về chi phí và tính dễ chế tạo được ưu tiên hơn so với việc tăng cường độ biên.

Chọn StW24 nếu: - Bạn cần tăng nhẹ độ bền kéo và độ bền chảy để giảm kích thước tiết diện hoặc tiết kiệm trọng lượng. - Yêu cầu về chế tạo và tạo hình ở mức trung bình và có thể chịu được độ giãn dài giảm nhẹ. - Bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút để đổi lấy khả năng cải thiện độ bền trên trọng lượng.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chính xác chứng nhận hóa học và cơ học từ nhà máy cho lô sản phẩm bạn định sử dụng. Sự khác biệt nhỏ về thành phần và quy trình xử lý (ủ, chuẩn hóa, TMCP) có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tạo hình, hàn và vận hành; nếu còn nghi ngờ, hãy yêu cầu phiếu mẫu để tạo hình, hàn và thử nghiệm cơ học trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.