SUP11A so với SUP12 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SUP11A và SUP12 là hai loại thép kết cấu/kỹ thuật có mối quan hệ mật thiết, thường gặp trong chuỗi cung ứng Nhật Bản và Đông Á, cũng như trong các tiêu chuẩn quốc tế, nơi các nhà thiết kế lựa chọn từ một nhóm thép hợp kim thấp đã tôi/ram hoặc thường hóa. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa độ bền cơ học, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí cho các bộ phận như trục, trục bánh răng, và các chi tiết chế tạo nặng.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại này nằm ở thiết kế tập trung vào độ bền và mục tiêu xử lý nhiệt: một loại thường được chỉ định để đạt được khả năng chống va đập cao hơn với độ bền danh nghĩa thấp hơn một chút hoặc phản ứng xử lý nhiệt cứng hơn, trong khi loại còn lại nhấn mạnh vào độ bền hoặc độ cứng được đảm bảo cao hơn với các biện pháp kiểm soát gia công khác nhau tương ứng. Vì cả hai loại đều có các giới hạn hiệu suất liền kề, chúng thường được so sánh khi một thiết kế phải đáp ứng sự kết hợp của khả năng chịu tải tĩnh, khả năng chống mỏi động và các ràng buộc sản xuất như hàn và tạo hình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính có cấp SUP: JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản) là nguồn gốc chính; các vật liệu tương đương hoặc có liên quan chặt chẽ có thể được tham chiếu trong các tiêu chuẩn khu vực (ví dụ: GB) hoặc bảng dữ liệu của nhà cung cấp cho các sản phẩm xuất khẩu. SUP11A và SUP12 thường được mô tả trong hệ thống ký hiệu loại JIS thay vì tên số ASTM/ASME.
• Phân loại: Cả SUP11A và SUP12 đều là thép cacbon hợp kim thấp/vi hợp kim, dùng cho các ứng dụng kết cấu và kỹ thuật. Chúng không phải là thép không gỉ—thay vào đó, chúng thuộc nhóm cacbon/vi hợp kim/tôi và ram, được sử dụng cho các cấu kiện kết cấu cường độ cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: tóm tắt định tính về xu hướng hợp kim điển hình (tham khảo tiêu chuẩn chính thức hoặc giấy chứng nhận thử nghiệm nhà máy để biết giới hạn chính xác).

Yếu tố	SUP11A (chiến lược hợp kim điển hình)	SUP12 (chiến lược hợp kim điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon vừa phải để tăng cường độ bền sau khi xử lý nhiệt; cân bằng để có độ dẻo dai	Hàm lượng carbon thấp hơn một chút hoặc tương tự, thường được tối ưu hóa để cải thiện độ bền và khả năng hàn
Mn (Mangan)	Mn vừa phải để tăng cường độ bền và khả năng làm cứng	Hàm lượng Mn từ trung bình đến cao hơn một chút để tăng độ dẻo dai và khả năng làm cứng
Si (Silic)	Chất khử oxy; kiểm soát độ bền	Vai trò tương tự; mức độ được kiểm soát để quản lý độ dẻo dai
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp (kiểm soát tạp chất) để tránh giòn	Giữ ở mức thấp; kiểm soát chặt chẽ giúp tác động đến các đặc tính
S (Lưu huỳnh)	Tối thiểu; được kiểm soát để có thể gia công	Tối thiểu; giữ ở mức thấp để tránh đoản mạch và giảm độ dẻo dai
Cr (Crom)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ để tăng khả năng làm cứng	Có thể sử dụng tương tự hoặc với lượng điều chỉnh nhẹ để cải thiện độ dẻo dai/khả năng làm cứng
Ni (Niken)	Có thể thấp hoặc không có; nếu có, nhằm mục đích cải thiện độ dẻo dai	Nếu có, mục tiêu là cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
Mo (Molypden)	Có thể bổ sung thêm một lượng nhỏ để tinh chỉnh hạt và tăng khả năng làm cứng	Được sử dụng có chọn lọc để cải thiện độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao
V (Vanadi)	Hợp kim vi mô với V có thể được sử dụng để tăng cường kết tủa	Hợp kim vi mô với V hoặc Nb thường được sử dụng để tinh chế hạt và cải thiện độ dẻo dai
Nb (Niobi)	Đôi khi được sử dụng như hợp kim vi mô để tinh chế hạt	Đôi khi được sử dụng để tăng cường độ dẻo dai và kiểm soát quá trình kết tinh lại
Ti (Titan)	Thỉnh thoảng được sử dụng để khử oxy và kiểm soát hạt	Vai trò của hợp kim vi mô tương tự khi được chỉ định
B (Bo)	Hiếm và ở mức vết nếu có; hỗ trợ khả năng làm cứng ở lượng được kiểm soát	Tương tự — có thể thêm dấu vết nhưng được kiểm soát chặt chẽ
N (Nitơ)	Được kiểm soát; N quá mức làm giảm độ dẻo dai trừ khi được ổn định	Kiểm soát rất chặt chẽ; có thể sử dụng ổn định (Ti/Nb) để bảo vệ độ dẻo dai

Lưu ý: Giới hạn nguyên tố chính xác và sự hiện diện của chúng thay đổi tùy theo phiên bản tiêu chuẩn và nhà máy. Bảng này thể hiện các chiến lược hợp kim điển hình thay vì tỷ lệ phần trăm quy định. Luôn kiểm tra chứng nhận nhà máy và tiêu chuẩn sản phẩm trước khi quyết định mua sắm.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan là yếu tố chính quyết định độ bền và khả năng tôi luyện. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền/độ cứng đạt được sau khi tôi/ram nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt austenit trước đó và cho phép kết hợp thuận lợi giữa độ bền và độ dẻo dai mà không có quá nhiều cacbon. - Crom, molypden và niken được sử dụng để tăng khả năng tôi và độ dẻo dai; việc bổ sung một lượng nhỏ có thể làm thay đổi đáng kể phản ứng xử lý nhiệt và nhu cầu làm nóng trước trong quá trình hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại đều được thiết kế để xử lý bằng phương pháp chuẩn hóa, tôi và ram (Q&T), hoặc cán/nhiệt cơ có kiểm soát. Các cấu trúc vi mô mục tiêu sau khi tôi và ram là martensite hoặc bainit với hàm lượng austenit dư khác nhau tùy thuộc vào tốc độ hợp kim hóa và làm nguội. - SUP11A: thường được xử lý để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai với martensite/bainite đã được tôi luyện. Kiểm soát hạt thông qua vi hợp kim thường được sử dụng để hạn chế sự phát triển của hạt austenite trước đó. - SUP12: khi độ dẻo dai là ưu tiên hàng đầu, quá trình xử lý hướng đến các cấu trúc martensite bainit/rau má mịn hơn với khả năng kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ ram và làm mát để giảm thiểu các pha giòn.

Tác dụng của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: tạo ra nền ferit-pearlit hoặc bainit tinh chế tùy theo thành phần. Nó được sử dụng để đồng nhất hóa và cải thiện độ dẻo dai trước khi xử lý nhiệt cuối cùng. - Làm nguội & ram: tăng cường độ sau khi tôi luyện thông qua quá trình hình thành martensite; quá trình ram tiếp theo sẽ điều chỉnh sự cân bằng giữa độ dẻo dai/độ cứng. Các loại ván SUP phản ứng theo cách có thể dự đoán được—các loại hợp kim cao hơn/biến thể C cao hơn sẽ đạt được độ cứng cao hơn nhưng cần ram cẩn thận để khôi phục độ dẻo dai. - Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tạo ra các vi cấu trúc bainit có độ dẻo dai cao hơn với cùng mức độ bền, thường được ưa chuộng đối với các biến thể tập trung vào độ dẻo dai giống SUP12.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh chất lượng (tham khảo tiêu chuẩn vật liệu cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy để biết giá trị đảm bảo).

Tài sản	SUP11A	SUP12
Độ bền kéo	Cao — được thiết kế để tăng khả năng chịu kéo sau khi kiểm tra và xử lý	Có thể so sánh với mức thấp hơn một chút — có thể đổi độ bền kéo cực đại để có độ dẻo dai tốt hơn
Cường độ chịu kéo	Cao — được thiết kế cho các thành phần chịu tải	Tương tự hoặc thấp hơn một chút tùy thuộc vào thông số kỹ thuật tôi luyện
Độ giãn dài (%)	Tốt nhưng thường thấp hơn cấp độ chú trọng vào độ dẻo dai hơn	Độ dẻo dai/độ giãn dài thường cao hơn khi độ dẻo dai được ưu tiên
Độ bền va đập (Charpy)	Trung bình đến tốt; tùy thuộc vào xử lý nhiệt	Độ bền va đập nói chung vượt trội khi xử lý nhiệt và nhiệt độ tương đương
Độ cứng (HRC hoặc HB)	Có thể đạt được độ cứng cao hơn sau khi kiểm tra và đánh giá	Độ cứng thấp hơn một chút cho các mục tiêu có độ dẻo dai tương đương

Giải thích: - SUP11A thường được chỉ định khi cần độ bền/độ cứng danh nghĩa cao hơn. SUP12 thường được chỉ định khi cần khả năng chống va đập và độ dẻo tốt hơn cho tải trọng động hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp. - Sự khác biệt là kết quả của cả việc điều chỉnh thành phần (hợp kim vi mô, cân bằng C và Mn) và cửa sổ xử lý nhiệt được chỉ định.

5. Khả năng hàn

Đánh giá khả năng hàn chủ yếu dựa trên hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố tôi cứng. Hai chỉ số thường được sử dụng:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích định tính: - Hàm lượng cacbon thấp hơn và hợp kim được kiểm soát làm giảm $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, cải thiện khả năng hàn và giảm nguy cơ nung nóng trước/độ cứng trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ). - SUP12, được tối ưu hóa để có độ dẻo dai cao hơn, thường có thông số kỹ thuật về hợp kim và xử lý nhiệt ưu tiên hàm lượng cacbon hiệu dụng thấp hơn hoặc bao gồm hợp kim vi mô giúp giảm thiểu quá trình làm cứng HAZ—điều này thường cải thiện khả năng hàn so với biến thể SUP11A có độ bền cao hơn. - SUP11A, khi nhắm đến độ bền/độ cứng cao hơn, có thể cần phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) cho các ứng dụng quan trọng. - Phương pháp thực tế: tính toán lượng cacbon tương đương theo công thức áp dụng bằng cách sử dụng giá trị chứng chỉ nhà máy và quy trình hàn theo kế hoạch (PQR/WPS) cho phù hợp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SUP11A và SUP12 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương tự như thép cacbon/hợp kim siêu nhỏ và phụ thuộc vào môi trường và bề mặt hoàn thiện.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng, lớp phủ kẽm hoặc polyme, hệ thống sơn có bề mặt được chuẩn bị phù hợp, bảo vệ catốt cục bộ trong môi trường biển hoặc đất và dung sai ăn mòn trong thiết kế.
• PREN (Chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon/vi hợp kim không phải thép không gỉ. Để tham khảo, khi xem xét hợp kim thép không gỉ, chỉ số PREN là:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• Khi yêu cầu mua sắm là khả năng chống ăn mòn, hãy chọn hợp kim chống ăn mòn chuyên dụng hoặc thép không gỉ thay vì dựa vào cấp độ SUP.

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

• Khả năng gia công: Độ cứng/độ bền cao hơn (như SUP11A khi ở điều kiện độ cứng cao hơn) làm giảm khả năng gia công và tăng độ mài mòn dụng cụ; độ cứng thấp hơn hoặc điều kiện ủ cải thiện khả năng gia công. Điều kiện tập trung vào độ dẻo dai của SUP12 thường dễ gia công hơn khi độ bền được đánh đổi bằng độ dẻo dai.
• Khả năng định hình và uốn cong: Cả hai loại thép đều có thể được định hình trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa. Điều kiện tôi-ram cường độ cao hơn làm giảm khả năng uốn cong và tăng nguy cơ nứt; SUP12 có thể cho phép bán kính uốn hẹp hơn một chút trong điều kiện ram tương đương do độ dẻo vượt trội.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều sử dụng các phương pháp hoàn thiện công nghiệp thông thường (mài, phun bi, sơn). Các bề mặt được xử lý nhiệt có thể cần giảm ứng suất hoặc ram để tránh nứt bề mặt khi cần gia công nặng.

8. Ứng dụng điển hình

SUP11A — Công dụng điển hình	SUP12 — Công dụng điển hình
Trục, bánh răng và các bộ phận chịu tải nặng, trong đó độ cứng và độ bền tĩnh cao hơn được ưu tiên	Các thành phần chịu tác động động hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp, trong đó độ bền cao là rất quan trọng
Các bộ phận kết cấu được tôi và ram trong máy móc hạng nặng	Con lăn, trục và các thành phần kết cấu cần tăng cường khả năng chống gãy
Khi khả năng chống mài mòn được xem xét và bề mặt được làm cứng hoặc Q&T được áp dụng	Các sản phẩm hàn đòi hỏi hiệu suất HAZ được cải thiện và nhu cầu làm nóng trước thấp hơn

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên chế độ hỏng hóc chủ yếu: mỏi/mài mòn (ưu tiên các biến thể có độ bền/độ cứng cao hơn) so với gãy do va đập hoặc gãy giòn (ưu tiên các biến thể bền hơn). - Xem xét các yếu tố thứ cấp: hạn chế hàn, tuổi thọ chịu mỏi và chi phí xử lý sau (xử lý nhiệt, PWHT, lớp phủ).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thường bị ảnh hưởng bởi các nguyên tố hợp kim, yêu cầu xử lý nhiệt và chứng nhận/kiểm tra. Các biến thể SUP11A được chỉ định cho độ bền/độ cứng cao hơn có thể phải chịu chi phí gia công cao hơn (kiểm soát Q&T chặt chẽ, xử lý nhiệt bổ sung), trong khi các biến thể SUP12 được tối ưu hóa cho độ dẻo dai có thể yêu cầu kiểm soát vật liệu và thử nghiệm nghiêm ngặt hơn, ảnh hưởng đến chi phí.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều phổ biến ở các khu vực có chuỗi cung ứng theo tiêu chuẩn JIS. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (tấm, thanh, rèn) thay đổi tùy theo năng lực nhà máy; hãy liên hệ với nhà cung cấp ngay từ đầu trong quá trình mua sắm để xác nhận thời gian giao hàng và tình trạng sẵn có (đã chuẩn hóa, Q&T, cán).
• Mẹo mua sắm: Yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) và ghi rõ điều kiện xử lý nhiệt trên đơn đặt hàng để tránh việc làm lại tốn kém.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: so sánh ngắn gọn

Thuộc tính	SUP11A	SUP12
Khả năng hàn	Tốt với nhiệt độ làm nóng trước/PWHT thích hợp nếu CE cao hơn	Tốt hơn một chút trong điều kiện tối ưu hóa độ dẻo dai; nhu cầu làm nóng trước thường thấp hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Có xu hướng có độ bền/độ cứng cao hơn	Có xu hướng có độ dẻo dai/độ dai cao hơn
Chi phí (điển hình)	Có thể so sánh; việc xử lý để có độ bền cao hơn có thể làm tăng chi phí	Có thể so sánh; kiểm soát độ bền nghiêm ngặt có thể làm tăng chi phí

Phần kết luận: - Chọn SUP11A nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ bền sau xử lý nhiệt cao hơn hoặc độ cứng bề mặt/độ cứng xuyên suốt cho các ứng dụng chịu tải hoặc chịu mài mòn, và bạn có thể đáp ứng các quy trình hàn và xử lý nhiệt cần thiết. - Chọn SUP12 nếu mối quan tâm chính của bạn là khả năng chống va đập, độ bền chống gãy hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và bạn cần loại thép có độ bền cao hơn để chịu tải trọng động hoặc các kết cấu hàn quan trọng.

Khuyến nghị cuối cùng: Trước khi lựa chọn cuối cùng, hãy yêu cầu các nhà cung cấp tiềm năng cung cấp chính xác các bảo đảm về tính chất hóa học và cơ học, đồng thời tiến hành đánh giá khả năng hàn và tương đương carbon dựa trên chứng chỉ nhà máy thực tế. Đối với các bộ phận quan trọng, hãy chỉ định mức độ va đập Charpy cần thiết, tiêu chí độ bền gãy và các tiêu chuẩn quy trình hàn để đảm bảo loại thép đã chọn đáp ứng các yêu cầu trong quá trình sử dụng.