SUP6 so với SUP7 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép có liên quan chặt chẽ khi cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn, chi phí và khả năng sản xuất. SUP6 và SUP7 là hai loại thép như vậy được lựa chọn cho các cấu kiện kết cấu và kỹ thuật, nơi cần sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất cơ học và chi phí. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường xoay quanh việc nên ưu tiên độ bền và khả năng tôi luyện cao hơn một chút (có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn và khả năng tạo hình) hay ưu tiên chế tạo dễ dàng hơn và chi phí gia công thấp hơn.

Sự khác biệt chính giữa SUP6 và SUP7 nằm ở thành phần hợp kim và điều chỉnh thành phần: SUP7 đại diện cho sự điều chỉnh mang tính tiến hóa về hóa học và vi hợp kim để mang lại khả năng tôi và độ dẻo dai được cải thiện mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hàn hoặc chi phí. Vì các mác thép này được sử dụng cho các mục đích sử dụng cuối tương tự nhau, các nhà thiết kế so sánh chúng chủ yếu dựa trên chiến lược thành phần và hành vi cơ học và gia công kết quả.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn cần tham khảo cho bất kỳ dòng SUP hoặc tên gọi độc quyền nào: ASTM/ASME, EN (Châu Âu), JIS (Nhật Bản), GB (Trung Quốc) và các bảng dữ liệu nhà máy hoặc độc quyền có liên quan. Luôn kiểm tra các yêu cầu chính xác về hóa chất và cơ học từ chứng chỉ nhà máy hoặc tiêu chuẩn được chỉ định.
• Phân loại vật liệu: Cả SUP6 và SUP7 đều là thép cacbon/hợp kim không gỉ, dùng cho các ứng dụng kết cấu hoặc kỹ thuật, chứ không phải thép công cụ hoặc thép không gỉ. Chúng thường được phân loại là thép kết cấu cacbon trung bình hoặc thép hợp kim thấp với các tùy chọn hợp kim vi mô — không phải HSLA theo nghĩa cường độ cao nhất, cũng không phải thép không gỉ hoặc thép công cụ hợp kim cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt trọng tâm thành phần của từng loại theo định tính. Mức độ chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn hoặc nhà máy ban hành.

Yếu tố	SUP6 (nhấn mạnh sáng tác điển hình)	SUP7 (nhấn mạnh sáng tác điển hình)
C (Cacbon)	Trung bình — cân bằng về độ dẻo và độ cứng	Được điều chỉnh một chút (thường được tối ưu hóa) để tăng khả năng tôi cứng trong khi kiểm soát khả năng hàn
Mn (Mangan)	Được kiểm soát để hỗ trợ sức mạnh và khử oxy	Tương tự hoặc cao hơn một chút để hỗ trợ khả năng làm cứng và độ bền
Si (Silic)	Thấp-trung bình (khử oxy)	Thấp-trung bình
P (Phốt pho)	Giữ thấp để tăng độ dẻo dai	Giữ thấp để tăng độ dẻo dai
S (Lưu huỳnh)	Thấp; các biến thể gia công tự do có thể có S cao hơn	Thấp; tập trung vào độ sạch để có độ bền
Cr (Crom)	Thông thường là tối thiểu hoặc bị bỏ qua	Có thể bổ sung thêm một số thành phần nhỏ để cải thiện khả năng tôi luyện
Ni (Niken)	Thông thường là tối thiểu	Có thể sử dụng với số lượng nhỏ để cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
Mo (Molypden)	Thường thấp hoặc không có	Bổ sung Mo nhỏ thường được dùng để cải thiện khả năng tôi cứng và phản ứng tôi luyện
V (Vanadi)	Có thể có mặt dưới dạng hợp kim siêu nhỏ để tinh chế hạt	Thường được sử dụng với số lượng được kiểm soát để tăng cường sức mạnh và độ dẻo dai
Nb (Niobi)	Hiếm hoặc thấp	Thỉnh thoảng được sử dụng để kiểm soát hạt trong các biến thể SUP7
Ti (Titan)	Có thể hợp kim hóa vi mô để kiểm soát sunfua	Dấu vết có thể có để kiểm soát sự bao gồm
B (Bo)	Không phổ biến; có thể sử dụng vết boron để tăng khả năng làm cứng	Dấu vết boron đôi khi được sử dụng để tăng khả năng tôi luyện ở mức bổ sung rất thấp
N (Nitơ)	Thấp; được kiểm soát	Thấp; kiểm soát hành vi hợp kim vi mô

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Cacbon và mangan chủ yếu thiết lập độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; C cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) tinh chỉnh cấu trúc hạt, cải thiện độ dẻo dai và tăng cường độ bằng cách kết tủa — cho phép tăng cường độ ở mức carbon thấp hơn. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Mo, Cr hoặc Ni có thể làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống ram, cho phép đạt được độ dày xuyên suốt cao hơn cho các phần lớn hơn. - Lưu huỳnh và chì (trong các biến thể cắt tự do) cải thiện khả năng gia công nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn; những chất này thường được tránh trong các loại thép dùng cho mục đích kết cấu quan trọng.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Trong điều kiện chuẩn hóa hoặc chuẩn hóa và ram, cả hai loại này thường thể hiện ma trận ferit-perlit đối với các lớp chịu kéo thấp hơn hoặc bainit/ferit hạt mịn với các chất kết tủa được kiểm soát khi được xử lý để có độ bền cao hơn. - Các biến thể SUP7 hợp kim vi mô có xu hướng phát triển kích thước hạt austenit mịn hơn và phân bố kết tủa đồng đều hơn (V, Nb carbonitride), giúp cải thiện độ dẻo dai và tăng giới hạn chảy mà không có quá nhiều carbon.

Phản ứng xử lý nhiệt - Chuẩn hóa: Tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit đồng nhất; hữu ích cho việc cải thiện độ dẻo dai và độ ổn định kích thước. SUP7 thường đạt được độ bền cao hơn một chút sau khi chuẩn hóa do khả năng tôi luyện được cải thiện và cấu trúc hạt mịn hơn. - Làm nguội và ram (Q&T): Cho phép tăng đáng kể độ bền kéo và độ bền chảy. Việc điều chỉnh thành phần của SUP7 (bổ sung một lượng nhỏ Mo/Cr/Ni hoặc hợp kim siêu nhỏ) thường mang lại khả năng chịu ram tốt hơn và cấu trúc martensite/bainite ram cứng hơn ở nhiệt độ ram tương đương. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): Cả hai loại đều phản ứng tích cực; việc bổ sung hợp kim vi mô vào SUP7 cho phép phản ứng kết tủa do ứng suất mạnh hơn và các sản phẩm chuyển đổi mịn hơn, có lợi cho các sản phẩm dạng tấm và thanh đòi hỏi độ dẻo dai cao.

4. Tính chất cơ học

Tính chất chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật, xử lý nhiệt và kích thước mặt cắt. Bảng dưới đây đưa ra so sánh định tính.

Tài sản	SUP6 (điển hình)	SUP7 (điển hình)
Độ bền kéo	Vừa phải	Trung bình–cao hơn
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn (khi được hợp kim hóa/tối ưu hóa)
Độ giãn dài	Tốt (dẻo dai hơn)	Giảm nhẹ so với SUP6 ở cường độ tương đương
Độ bền va đập	Tốt khi được chuẩn hóa; nhạy cảm với kích thước phần	Độ dẻo dai được cải thiện nhờ tinh chế hạt và hợp kim
Độ cứng	Trung bình (phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	Có khả năng cao hơn sau Q&T do khả năng tôi luyện

Diễn giải - SUP7 thường được thiết kế để mang lại phản ứng mạnh mẽ và bền bỉ hơn cho một hình dạng hoặc quá trình xử lý nhiệt nhất định, tận dụng hóa học vi hợp kim và các thành phần hợp kim bổ sung nhỏ. SUP6 nhấn mạnh vào độ dẻo dai cân bằng và dễ chế tạo, khiến nó trở nên hấp dẫn khi không yêu cầu độ bền cực cao. - Nếu cả hai đều được xử lý theo lịch trình Q&T giống hệt nhau, SUP7 thường đạt được độ bền cao hơn và giữ được độ dẻo dai tốt hơn do quá trình hợp kim hóa và kết tủa được tối ưu hóa.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng cacbon tương đương, hợp kim và độ dày tiết diện. Hai công thức thực nghiệm phổ biến được sử dụng để ước tính khả năng hàn là:

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

Và

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

Giải thích định tính - Các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ hơn và nguy cơ nứt nguội thấp hơn; tuy nhiên, đây chỉ là giá trị gần đúng và phải kết hợp với nhiệt độ nung nóng trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn và lựa chọn kim loại hàn phù hợp. - SUP6, với hàm lượng hợp kim cân bằng và thường thấp hơn, thường có khả năng hàn tốt hơn ở mặt cắt dày hơn so với SUP7 có thành phần cao hơn. - Khả năng làm cứng tăng nhẹ của SUP7 (thông qua Mn, Mo, hợp kim siêu nhỏ) có thể làm tăng tính tương đương cacbon và đòi hỏi phải gia nhiệt trước hoặc kỹ thuật tôi hạt cho các phần dày hơn hoặc các mối nối hạn chế; tuy nhiên, việc kiểm soát cacbon cẩn thận và các quy trình hàn thích hợp thường giúp SUP7 có thể hàn được đối với hầu hết các ứng dụng kết cấu. - Các nguyên tố hợp kim nhỏ (V, Nb) với hàm lượng nhỏ không làm giảm đáng kể khả năng hàn, nhưng chúng ảnh hưởng đến quá trình làm mát; nên kiểm tra quy trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SUP6 và SUP7 đều là thép cacbon/hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon không hợp kim.
• Các chiến lược bảo vệ: mạ kẽm nhúng nóng, lớp phủ kẽm hoặc hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện) và lớp phủ chống ăn mòn là những biện pháp tiêu chuẩn để bảo vệ các thành phần được làm từ những loại thép này khi tiếp xúc với khí quyển hoặc môi trường khắc nghiệt.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ; để tham khảo khi cần so sánh thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng biện pháp bảo vệ chống ăn mòn phù hợp với điều kiện sử dụng (phun muối, độ ẩm, tiếp xúc với hóa chất). Hợp kim SUP7 được thiết kế để tăng cường độ bền không mang lại khả năng chống ăn mòn đáng kể.

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

• Khả năng gia công: Các loại thép có độ bền thấp hơn và các phụ gia cắt tự do đặc biệt dễ gia công hơn. Các biến thể SUP6 dành cho chế tạo thông thường thường dễ gia công hơn các biến thể SUP7 được tối ưu hóa cho độ bền cao hơn; SUP7 có thể yêu cầu tốc độ cấp liệu chậm hơn hoặc dụng cụ mạnh mẽ hơn.
• Khả năng định hình: Thép có độ bền và độ cứng thấp hơn tạo hình và uốn cong với độ đàn hồi và nguy cơ nứt thấp hơn. SUP6 thường có khả năng định hình nguội tốt hơn. Giới hạn chảy cao hơn của SUP7 làm giảm khả năng định hình; có thể cần tạo hình nóng hoặc bán kính uốn lớn hơn cho bán kính hẹp.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều đáp ứng tốt với các thao tác hoàn thiện tiêu chuẩn; SUP7 có thể tạo ra các phoi cứng hơn một chút và cần kiểm soát chất làm mát để tránh làm cứng bề mặt tại giao diện dụng cụ.
• Hậu cần xử lý nhiệt: SUP7 có thể yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn lịch trình làm nguội/rau để đạt được các đặc tính mục tiêu; bộ phận mua sắm phải đảm bảo nhà máy cung cấp hồ sơ xử lý nhiệt rõ ràng.

8. Ứng dụng điển hình

SUP6 (sử dụng thông thường)	SUP7 (sử dụng điển hình)
Các thành phần cấu trúc chung, giá đỡ, trục tải trọng trung bình, khung hàn trong đó độ dẻo và dễ chế tạo là ưu tiên hàng đầu	Các thành phần kết cấu nặng hơn, các thành phần có tiết diện lớn hơn, trục được tôi và ram, các bộ phận kết cấu chống mài mòn cần có độ bền cao hơn và độ dẻo dai được cải thiện
Khung và giá đỡ máy móc chế tạo sẵn	Các thành phần đòi hỏi độ dẻo dai và khả năng chịu nhiệt cao hơn (ví dụ: tấm dày hơn, các thành phần rèn lớn)
Các bộ phận đòi hỏi khả năng định hình tốt và gia công tiết kiệm	Các bộ phận có khả năng làm cứng được cải thiện và gia cố kết tủa làm giảm độ nhạy kích thước mặt cắt

Cơ sở lựa chọn - Chọn SUP6 khi tốc độ chế tạo, tạo hình và tính kinh tế của gia công là mối quan tâm chính và tải trọng ở mức vừa phải. - Chọn SUP7 khi cần độ bền cao hơn, độ dẻo dai tốt hơn ở các phần dày hơn hoặc khả năng chống nhiệt tốt hơn và có thể chấp nhận được khi cần chú ý xử lý nhiều hơn một chút (hàn/làm nóng trước; gia công).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Các biến thể SUP7 thường có giá thành cao hơn một chút trên mỗi tấn so với SUP6 do kiểm soát hợp kim bổ sung, các nguyên tố hợp kim vi mô và quy trình xử lý/kiểm tra nghiêm ngặt hơn. Mức chênh lệch này phụ thuộc vào giá hợp kim hàng hóa và nhu cầu xử lý nhiệt.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất dưới dạng thanh, tấm và cán bởi các nhà sản xuất thép lớn; tuy nhiên, tính khả dụng của các điều kiện xử lý nhiệt cụ thể và các biến thể thành phần chặt chẽ (ví dụ: SUP7 hợp kim vi mô) có thể hạn chế hơn và cần thời gian giao hàng. Luôn xác nhận thời gian giao hàng của nhà máy và kiểm tra các mặt hàng có sẵn hay được sản xuất theo đơn đặt hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SUP6	SUP7
Khả năng hàn	Tốt (dễ hơn)	Tốt–trung bình (có thể cần kiểm soát thủ tục)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng, dẻo dai hơn	Độ bền cao hơn và độ dẻo dai được cải thiện (đã tối ưu hóa)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Sự giới thiệu - Chọn SUP6 nếu bạn cần loại thép tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo với độ dẻo tốt và dễ hàn/tạo hình — ví dụ như khung hàn, trục chịu tải vừa phải và các bộ phận mà năng suất gia công/tạo hình là rất quan trọng. - Chọn SUP7 nếu ứng dụng đòi hỏi độ bền cao hơn, độ dẻo dai xuyên suốt được cải thiện hoặc khả năng chống tôi tốt hơn — ví dụ bao gồm các thành phần kết cấu có tiết diện lớn hơn, các bộ phận được tôi và ram, và các bộ phận mà lợi ích của hợp kim vi mô (tinh luyện hạt, gia cường kết tủa) giúp cải thiện hiệu suất khi sử dụng.

Lưu ý cuối cùng: Luôn ghi rõ các yêu cầu chính xác về hóa chất và cơ học, điều kiện xử lý nhiệt và quy trình hàn trong hồ sơ mua sắm. Kiểm tra chứng chỉ nhà máy và, đối với các ứng dụng quan trọng, hãy yêu cầu báo cáo thử nghiệm tiêu biểu về độ bền kéo, độ va đập và độ cứng để đảm bảo loại thép được chọn đáp ứng mục đích thiết kế.