SUP10 so với SUP11 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép cacbon có liên quan chặt chẽ khi cân nhắc chi phí, khả năng định hình, khả năng hàn và độ bền khi sử dụng. SUP10 và SUP11 là hai ký hiệu thép cacbon theo tiêu chuẩn JIS thường được cân nhắc cho các cấu kiện kết cấu chung, chi tiết gia công và phụ kiện chịu tải trọng trung bình. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường xoay quanh các yếu tố đánh đổi như khả năng hàn so với độ bền kéo, khả năng gia công so với độ bền dai, và chi phí mua so với biên độ hiệu suất.

Yếu tố phân biệt chính giữa SUP10 và SUP11 là chiến lược hợp kim của chúng tập trung vào hàm lượng mangan: một loại được chỉ định với hàm lượng mangan thấp hơn trong khi loại kia được chỉ định với hàm lượng mangan cao hơn. Sự khác biệt cố ý này làm thay đổi độ cứng, độ bền và khả năng phản ứng với xử lý nhiệt, đó là lý do tại sao hai loại này thường được các nhà thiết kế và chế tạo so sánh.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• JIS: SUP10, SUP11 — Tên gọi theo Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản dành cho thép cacbon thông thường dùng cho mục đích kết cấu và cơ khí nói chung.
• ASTM/ASME: Các vật liệu tương đương thường được tìm thấy trong số các ký hiệu thép cacbon thông thường (ví dụ: chuỗi AISI/SAE), nhưng các tham chiếu chéo trực tiếp phụ thuộc vào giới hạn thành phần cụ thể và không phải lúc nào cũng giống nhau.
• EN: Các loại thép cacbon trơn loại EN C (ví dụ: Cxx.x) cũng có vai trò tương tự, trong đó việc lựa chọn đòi hỏi phải phù hợp với giới hạn hóa học và tính chất cơ học.
• GB (Trung Quốc): Có các loại thép cacbon thông thường tương đương trong tiêu chuẩn GB; việc so sánh đòi hỏi phải kiểm tra các tiêu chí về hóa học và cơ học.
• Phân loại: Cả SUP10 và SUP11 đều là thép cacbon thông thường (không phải thép không gỉ, HSLA hoặc thép dụng cụ). Đôi khi chúng có thể được coi là thép cacbon mềm/trung bình tùy thuộc vào hàm lượng cacbon cụ thể và mục đích sử dụng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	SUP10 (tương đối)	SUP11 (tương đối)
C (Cacbon)	Thấp-trung bình (điển hình của thép cacbon nói chung)	Thấp-trung bình (cơ sở carbon tương tự)
Mn (Mangan)	Mức mangan thấp hơn	Mức mangan cao hơn (chất phân biệt chính)
Si (Silic)	Thấp (mức độ khử oxy)	Thấp (tương tự)
P (Phốt pho)	Tạp chất được kiểm soát (thấp)	Tạp chất được kiểm soát (thấp)
S (Lưu huỳnh)	Được kiểm soát; có thể cao hơn nếu biến thể cắt tự do	Được kiểm soát; tương tự trừ khi được chỉ định cắt tự do
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Không cố ý pha trộn với số lượng đáng kể; có thể có dấu vết ở mức độ	Giống nhau: không cố ý pha trộn; chỉ ở mức vết

Ghi chú: - Cả hai loại thép này đều là thép cacbon thông thường theo triết lý hợp kim. Sự khác biệt chủ yếu nằm ở hàm lượng mangan: loại thép có hàm lượng mangan cao hơn sẽ có khả năng tôi và xu hướng làm cứng cao hơn. - Vai trò hợp kim: - Carbon: yếu tố chính tạo nên độ bền và khả năng làm cứng. - Mangan: tăng khả năng làm cứng, độ bền kéo và tỷ lệ kéo trên giới hạn chảy; cũng hoạt động như chất khử oxy và chống lại hiện tượng giòn do lưu huỳnh. - Silic: thường có hàm lượng thấp để khử oxy; tăng cường dung dịch rắn ở mức độ nhỏ. - Kiểm soát các nguyên tố vi lượng và tạp chất (P, S) để duy trì độ dẻo dai và khả năng gia công.

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

Cấu trúc vi mô: - Trong điều kiện chế tạo và chuẩn hóa thông thường, cả SUP10 và SUP11 đều phát triển cấu trúc vi mô ferit-perit đặc trưng của thép cacbon thấp đến trung bình. - Loại có hàm lượng mangan cao hơn sẽ có xu hướng làm tăng thành phần perlit và làm mịn khoảng cách giữa các lớp perlit/ferrit một chút, tạo ra độ bền khi cán/làm cứng cao hơn và có khả năng giảm độ dẻo so với loại có hàm lượng mangan thấp hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tạo ra cấu trúc ferit-perlit đồng đều hơn; loại có hàm lượng mangan cao hơn đạt được độ cứng và độ bền cao hơn một chút trong cùng một chu kỳ. - Làm nguội và ram: Vì không có loại thép nào là thép hợp kim cao nên khả năng làm cứng sâu bị hạn chế, nhưng loại có hàm lượng mangan cao hơn thể hiện khả năng làm cứng tốt hơn và có thể đạt được độ bền cao hơn sau các chu kỳ làm nguội và ram so với loại có hàm lượng mangan thấp hơn. - Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát hoặc làm nguội có kiểm soát sẽ làm nổi bật sự khác biệt; hàm lượng mangan cao hơn dễ dàng đạt được mức độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn từ cùng một quá trình xử lý do tác động mạnh hơn đến khả năng tôi và độ cứng khi làm việc.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	SUP10 (họ hàng điển hình)	SUP11 (họ hàng điển hình)
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn SUP10 (do Mn cao hơn)
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn SUP10
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt hơn (tương đối)	Độ dẻo giảm nhẹ so với SUP10
Độ bền va đập	Tốt (mức thép cacbon điển hình)	Có thể so sánh hoặc thấp hơn một chút nếu Mn cao hơn
Độ cứng	Thấp hơn (để xử lý nhiệt tương tự)	Cao hơn một chút (khả năng làm cứng được cải thiện)

Giải thích: - Hàm lượng mangan cao hơn làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng, do đó SUP11 thường mang lại độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn trong điều kiện tương đương. Lợi ích này thường đi kèm với sự đánh đổi nhỏ về độ giãn dài và độ bền va đập nếu tất cả các yếu tố khác đều như nhau. - Các chỉ số tính chất cơ học thực tế phụ thuộc vào thành phần chính xác, hình dạng sản phẩm (thanh, tấm) và lịch sử xử lý nhiệt/gia công. Để mua sắm và nghiệm thu, hãy ghi rõ các tính chất cơ học cần thiết trong hồ sơ mua hàng thay vì chỉ dựa vào tên mác thép.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào lượng cacbon tương đương và các yếu tố góp phần vào quá trình hợp kim hóa/làm cứng vi mô. Các chỉ số phổ biến được sử dụng để đánh giá nguy cơ nứt hàn bao gồm lượng cacbon tương đương IIW và Pcm đã sửa đổi.

Công thức ví dụ: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Hàm lượng mangan cao hơn trong SUP11 làm tăng chỉ số tương đương cacbon so với SUP10, cho thấy xu hướng cứng hóa cao hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) và do đó có nguy cơ nứt nguội cao hơn trong điều kiện hàn tương đương. - Cả hai loại này thường có thể hàn được bằng các quy trình tiêu chuẩn, nhưng SUP11 có thể yêu cầu các biện pháp hàn bảo thủ hơn: làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp hoặc xử lý nhiệt sau khi hàn tùy thuộc vào độ dày và hạn chế của tiết diện. - Việc không có các nguyên tố hợp kim đáng kể (Cr/Mo/Ni) giúp cả hai loại thép này dễ hàn hơn thép hợp kim, nhưng sự khác biệt về mangan kiểm soát rủi ro hàn tương đối.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép cacbon thông thường (không phải thép không gỉ). Khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và nước bị hạn chế và phụ thuộc vào khả năng bảo vệ bề mặt.
• Các biện pháp bảo vệ thông thường: sơn, sơn tĩnh điện, mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện hoặc bôi dầu/mỡ để bảo vệ tạm thời.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon không gỉ; để tham khảo trong hợp kim thép không gỉ:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Việc sử dụng PREN chỉ có ý nghĩa đối với hợp kim chống ăn mòn có chứa crom và molypden, không áp dụng cho SUP10/SUP11.
• Hướng dẫn lựa chọn: Đối với môi trường ăn mòn, hãy chọn vật liệu bảo vệ bề mặt hoặc vật liệu thay thế bằng thép không gỉ/HSLA thay vì dựa vào sự khác biệt giữa SUP10 và SUP11.

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

• Khả năng gia công: Chủ yếu được kiểm soát bởi hàm lượng lưu huỳnh và chì (nếu có). Cả SUP10 và SUP11 đều không phải là loại thép có khả năng cắt gọt tự do, trừ khi được sản xuất với hàm lượng lưu huỳnh/chì cao. Hàm lượng mangan cao hơn có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công bằng cách tăng độ cứng.
• Khả năng định hình/uốn cong: Cấp độ mangan thấp (SUP10) thường có khả năng định hình và uốn cong tốt hơn, ít gặp vấn đề hơn và biên độ giãn dài tốt hơn. Cấp độ mangan cao (SUP11) có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc ứng suất thấp hơn để tránh nứt trong quá trình định hình chặt chẽ.
• Cắt và hoàn thiện: Cả hai đều gia công tốt với dụng cụ thông thường; tuổi thọ dụng cụ có thể được cải thiện đôi chút ở cấp độ bền thấp hơn. Độ hoàn thiện bề mặt và khả năng kiểm soát phoi phụ thuộc nhiều hơn vào hàm lượng lưu huỳnh và các thông số quy trình hơn là chỉ dựa vào sự khác biệt về hàm lượng mangan.

8. Ứng dụng điển hình

SUP10 (công dụng điển hình)	SUP11 (công dụng điển hình)
Các thành phần cấu trúc chung cần có độ dẻo và khả năng hàn tốt (khung nhẹ, giá đỡ, đồ gá)	Các bộ phận gia công chịu tải nặng hơn, yêu cầu độ bền/khả năng tôi luyện cao hơn (trục, trục xe, phụ kiện chịu tải vừa phải)
Các bộ phận được tạo hình nguội và chế tạo chủ yếu bằng uốn cong	Các bộ phận sẽ trải qua quá trình tôi/rau hoặc cần độ bền cao hơn khi cán
Các ứng dụng mà chi phí và tính dễ hàn/tạo hình là ưu tiên hàng đầu	Ứng dụng đòi hỏi độ bền kéo/độ dẻo dai cao mà không cần chuyển sang thép hợp kim

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại có hàm lượng mangan thấp khi khả năng chế tạo (hàn, uốn, tạo hình) và độ dẻo là quan trọng và tải trọng ở mức trung bình. - Chọn loại có hàm lượng mangan cao hơn khi cần cải thiện độ bền hoặc khả năng làm cứng (đối với các phần dày hơn hoặc các bộ phận đã qua xử lý chắc hơn) và khi kế hoạch chế tạo giải quyết được những thách thức tăng nhẹ về hàn/tạo hình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Cả hai loại đều là thép cacbon thông thường và nhìn chung đều tiết kiệm. Loại có hàm lượng mangan cao hơn (SUP11) có thể đắt hơn một chút ở một số thị trường do quy trình hợp kim hóa và kiểm soát quá trình, nhưng sự khác biệt thường không đáng kể so với thép hợp kim cao hơn.
• Tính khả dụng: Các dạng sản phẩm phổ biến (thanh, tấm, cuộn) cho cả hai loại thép này đều có sẵn tại các thị trường có thép JIS. Tính khả dụng có thể khác nhau tùy theo khu vực; bộ phận mua hàng cần xác nhận nguồn cung ở dạng sản phẩm mong muốn và chứng nhận nhà máy theo yêu cầu.
• Thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu phụ thuộc nhiều vào hàng tồn kho của nhà máy địa phương và yêu cầu thử nghiệm/chứng nhận hơn là vào sự khác biệt nhỏ về thành phần giữa SUP10 và SUP11.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SUP10	SUP11
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Trung bình (CE cao hơn; cần kiểm soát nhiều hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt cho mục đích sử dụng chung	Độ bền và khả năng làm cứng cao hơn; độ dẻo dai giảm nhẹ nếu không được sửa đổi
Trị giá	Thấp hơn một chút hoặc tương đương	Cao hơn một chút hoặc tương đương

Khuyến nghị: - Chọn SUP10 nếu: - Ưu tiên của bạn là hàn dễ hơn, tạo hình và độ dẻo cao hơn. - Ứng dụng liên quan đến các phần mỏng, chế tạo phức tạp hoặc yêu cầu quy trình gia nhiệt trước/sau tối thiểu. - Bạn muốn loại thép cacbon đa dụng dễ gia công nhất cho các cụm kết cấu hoặc chế tạo.

• Chọn SUP11 nếu:
• Bạn cần độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn sau khi xử lý hoặc khả năng làm cứng được cải thiện cho các phần hoặc thành phần dày hơn chịu tải trọng cao hơn.
• Thiết kế cho phép kiểm soát các quy trình hàn (làm nóng trước, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp) và có thể xử lý nhiệt sau khi hàn nếu cần.
• Có thể chấp nhận giảm nhẹ khả năng tạo hình để đổi lấy độ bền cao hơn mà không cần nâng cấp lên thép hợp kim.

Lưu ý kết luận: SUP10 và SUP11 là hai loại thép cacbon thường có mối quan hệ mật thiết; việc lựa chọn giữa chúng nên dựa trên các yêu cầu cơ học cụ thể và kế hoạch chế tạo chứ không chỉ dựa trên tên mác thép. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy nêu rõ các đặc tính cơ học, điều kiện xử lý nhiệt và quy trình hàn cần thiết trong hồ sơ mua sắm và yêu cầu chứng chỉ nhà máy để xác minh thành phần và quy trình chế tạo.