SUP9 so với SUP10 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SUP9 và SUP10 là hai loại thép cacbon kết cấu có mối quan hệ mật thiết, thường được sử dụng trong chế tạo nặng, linh kiện máy móc và các chi tiết được xử lý nhiệt. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa khả năng hàn, độ bền, khả năng gia công và độ bền đạt được khi lựa chọn giữa chúng. Sự khác biệt thực tế chính là hàm lượng cacbon trong SUP10 tăng nhẹ một cách có chủ ý so với SUP9, điều này làm giảm hiệu suất theo hướng tăng độ cứng và độ bền, đồng thời giảm một phần độ dẻo và khả năng hàn. Hai loại thép này thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải cân bằng giữa khả năng chịu tải và khả năng chống mài mòn của chi tiết với tính dễ chế tạo và chi phí xử lý nhiệt.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn điển hình có các nhóm cấp độ tương tự: ASTM/ASME (thép cacbon và thép hợp kim thấp), EN (thép kết cấu và thép tôi luyện châu Âu), JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản), GB/T (tiêu chuẩn Trung Quốc).
• Phân loại: cả SUP9 và SUP10 đều là thép cacbon không gỉ hoặc thép hợp kim thấp (không phải thép dụng cụ hoặc thép không gỉ austenit). Chúng thường được định vị là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp, dùng cho các chi tiết có thể được thường hóa, tôi và ram, hoặc xử lý nhiệt theo cách khác để kiểm soát độ bền/độ dai. Chúng không phải là loại thép không gỉ hàm lượng niken cao hay HSLA với hàm lượng hợp kim vi mô đáng kể theo mặc định, mặc dù một số biến thể cán cụ thể có thể bao gồm việc bổ sung hợp kim vi mô.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	SUP9 (chiến lược điển hình)	SUP10 (chiến lược điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp hơn so với SUP10; hướng đến sự cân bằng giữa độ bền và khả năng hàn	Carbon cao hơn SUP9 để tăng cường độ bền/khả năng tôi luyện
Mn (Mangan)	Trung bình — chất khử oxy và tăng cường sức mạnh	Tương tự hoặc được điều chỉnh một chút để duy trì độ cứng và độ bền
Si (Silic)	Chất khử oxy; thường ở mức thấp đến trung bình	Tương tự — chủ yếu là vai trò khử oxy
P (Phốt pho)	Kiểm soát mức độ tạp chất thấp	Kiểm soát mức độ tạp chất thấp
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; có thể có thêm sunfua gia công trong các biến thể gia công tự do	Giữ ở mức thấp; cách tiếp cận tương tự
Cr (Crom)	Thường là tối thiểu hoặc không có; khi có, lượng nhỏ để làm cứng	Có thể có số lượng nhỏ tương tự; không phải là hợp kim gia cường chính
Ni (Niken)	Thường không có hoặc dấu vết	Thường không có hoặc dấu vết
Mo (Molypden)	Thường có dấu vết nếu có; được sử dụng để tăng khả năng tôi luyện trong các biến thể hợp kim	Có thể có mặt với số lượng nhỏ ở một số nhà cung cấp để tăng khả năng làm cứng
V, Nb, Ti (Hợp kim vi mô)	Thường không được chỉ định; có thể có trong các biến thể hợp kim vi mô	Có thể bổ sung thêm ở mức độ thấp trong một số biến thể để tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai
B (Bo)	Không được chỉ định thông thường	Không được chỉ định thông thường
N (Nitơ)	Thấp; được kiểm soát	Thấp; được kiểm soát

Ghi chú: Thay vì sự khác biệt lớn về bộ hợp kim, phương pháp thiết kế SUP10 là tăng hàm lượng carbon để nâng cao độ cứng và độ bền kéo có thể đạt được sau khi xử lý nhiệt, đồng thời vẫn giữ nguyên công thức hợp kim tương đối đơn giản. Mn và Si thường được sử dụng để khử oxy và kiểm soát độ bền. Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể xuất hiện trong các sản phẩm cán cụ thể để điều chỉnh độ dẻo dai mà không cần quá nhiều carbon.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon: yếu tố chính quyết định độ cứng và thành phần martensite đã tôi; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Mangan và molypden: tăng độ cứng và độ bền; làm giảm độ nhạy với tốc độ làm nguội. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti): làm mịn hạt, tăng cường độ kết tủa, có thể cải thiện độ dẻo dai mà không cần tăng lượng cacbon lớn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - SUP9 (cacbon thấp): ở điều kiện chuẩn hóa, có xu hướng hình thành ma trận ferit-pearlit với perlit thô hơn tùy thuộc vào quá trình làm nguội. Sau khi tôi và ram, cấu trúc vi mô martensite/bainit ram dự kiến ​​sẽ đạt mức độ cứng vừa phải. - SUP10 (carbon cao hơn): nhiều perlit hơn khi cán hoặc chuẩn hóa; khi tôi, tỷ lệ martensite cao hơn sẽ hình thành ở tốc độ làm nguội tương đương, tạo ra độ cứng và độ bền cao hơn.

Các phương pháp xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: tinh chế hạt và sản xuất ferit-pearlit; hàm lượng cacbon cao hơn của SUP10 tạo ra cấu trúc chuẩn hóa cứng hơn SUP9 cho cùng một đường làm mát. - Làm nguội nhanh: cả hai loại thép đều phản ứng bằng cách tạo thành martensite khi làm nguội nhanh. SUP10 đạt độ cứng sau khi làm nguội cao hơn và yêu cầu lịch trình ram giúp giảm độ giòn trong khi vẫn duy trì độ bền cao hơn. Công thức ram phải tính đến lượng cacbon tăng lên để tránh các vùng ram giòn. - Gia công nhiệt cơ học: cán có kiểm soát hoặc TMCP với làm nguội nhanh có thể tạo ra hỗn hợp bainit hoặc martensitic-ferrite mịn. Các biến thể vi hợp kim của cả hai loại đều có thể đạt được độ dẻo dai tốt hơn với kích thước hạt mịn hơn.

Ý nghĩa về luyện kim: - Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ nhạy nhiệt độ Ms (bắt đầu martensite) và tăng độ cứng tiềm ẩn sau khi tôi, nhưng cũng làm tăng nguy cơ cấu trúc vi mô martensite giòn nếu quá trình tôi không đủ. - Các nguyên tố hợp kim làm tăng khả năng tôi luyện (Mn, Mo) làm giảm nhu cầu làm nguội cực nhanh nhưng phải cân bằng để duy trì khả năng hàn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	SUP9 (dự đoán chung)	SUP10 (dự kiến ​​chung)
Độ bền kéo	Trung bình — cân bằng tốt với độ dẻo	Cao hơn — tăng khả năng chịu kéo tối đa sau khi xử lý nhiệt
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo cao hơn so với SUP10	Độ giãn dài thấp hơn do hàm lượng cacbon và martensite tăng lên
Độ bền va đập	Độ bền khía tốt hơn ở độ bền tương đương do hàm lượng carbon thấp hơn	Độ bền va đập giảm ở mức xử lý nhiệt tương đương trừ khi được tôi luyện hoặc hợp kim để bù trừ
Độ cứng (thế năng khi tôi)	Độ cứng tối đa có thể đạt được thấp hơn	Độ cứng có thể đạt được cao hơn; khả năng chống mài mòn tăng lên

Giải thích: Sự gia tăng hàm lượng SUP10 do carbon làm tăng khả năng chịu kéo và giới hạn chảy trong điều kiện xử lý nhiệt tương tự. Tuy nhiên, bù trừ là độ dẻo và độ dai sẽ giảm trừ khi sử dụng các phương pháp ram, hợp kim hóa vi mô hoặc xử lý nhiệt sau hàn để giảm độ giòn. Do đó, việc lựa chọn vật liệu phải cân nhắc đến sự cân bằng cần thiết giữa độ bền tĩnh và độ dai động.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn nhấn mạnh đến hàm lượng cacbon, khả năng làm cứng và hợp kim vi mô ở mức ppm.

Chỉ số hữu ích: - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (đối với thép có chứa các hiệu ứng hợp kim khác): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Hàm lượng carbon cao hơn của SUP10 làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với SUP9, báo hiệu khả năng nứt nguội cao hơn, yêu cầu gia nhiệt trước lớn hơn và nhu cầu kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn. - Nếu Mn/Mo được tăng cùng với cacbon để duy trì sự cân bằng độ cứng, tác động lên khả năng hàn có thể được khuếch đại vì các nguyên tố này làm tăng thêm các chỉ số tương đương cacbon. - Giảm thiểu thực tế: làm nóng trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn, quy trình hàn hydro thấp hơn, xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) và kim loại hàn được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về độ bền.

Nhìn chung: SUP9 thường dễ hàn hơn và yêu cầu gia nhiệt trước/PWHT ít nghiêm ngặt hơn SUP10 đối với các hình dạng linh kiện tương đương.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SUP9 và SUP10 đều là thép cacbon không gỉ; chúng phụ thuộc vào khả năng bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm, lớp phủ hữu cơ (sơn, epoxy) và lớp phủ chuyển đổi chuyên dụng. Đối với các linh kiện yêu cầu khả năng chịu tác động lâu dài, hệ thống song công (mạ kẽm + sơn) là phổ biến.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon thông thường: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này áp dụng cho hợp kim thép không gỉ; vì hàm lượng Cr và Mo thấp hoặc không có trong SUP9/SUP10 nên khả năng chống ăn mòn phải được cung cấp bằng lớp phủ chứ không phải bằng hợp kim nội tại.

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

• Khả năng gia công: Độ cứng và hàm lượng carbon cao hơn của SUP10 làm tăng độ mài mòn dụng cụ và có thể yêu cầu tốc độ chạy dao chậm hơn hoặc cấp độ gia công cứng hơn. SUP9 nhìn chung dễ gia công hơn, đặc biệt là trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa.
• Khả năng định hình: Độ dẻo cao hơn của SUP9 giúp nó phù hợp hơn cho các hoạt động định hình (uốn, kéo sâu) mà không bị nứt. SUP10 khó định hình hơn và có thể cần ủ trung gian.
• Cắt và hoàn thiện: khả năng chống mài mòn cao hơn đối với SUP10 khi được xử lý nhiệt đến độ cứng cao hơn, khiến nó thích hợp cho các bộ phận dễ bị mài mòn nhưng khó khăn hơn đối với các hoạt động hoàn thiện.
• Nhìn chung: chọn điều kiện cung cấp (ủ, chuẩn hóa, làm nguội và ram) để phù hợp với các quy trình tạo hình và gia công tiếp theo.

8. Ứng dụng điển hình

SUP9 — Công dụng điển hình	SUP10 — Công dụng điển hình
Các thành phần cấu trúc ưu tiên khả năng hàn và độ bền (khung chế tạo, các bộ phận máy móc nói chung)	Các thành phần đòi hỏi độ bền/độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn (bánh răng, chốt, trục chịu tải trọng cao hơn)
Các bộ phận cần khả năng định hình tốt hoặc chế tạo phức tạp trước khi xử lý nhiệt	Các bộ phận được xử lý nhiệt đòi hỏi độ bền kéo cao hơn sau khi tôi và ram
Chốt, giá đỡ, giá đỡ chịu lực trung bình, nơi chi phí và khả năng chế tạo dễ dàng là yếu tố quan trọng	Vỏ ổ trục, giao diện cơ học chịu mài mòn trung bình, các thành phần tôi luyện

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SUP9 khi độ phức tạp của quá trình chế tạo, khả năng hàn và độ bền của khía là quan trọng và thiết kế không yêu cầu độ bền cứng cao nhất tuyệt đối. - Chọn SUP10 khi thiết kế yêu cầu độ bền sau xử lý nhiệt cao hơn, khả năng chống mài mòn hoặc kích thước linh kiện nhỏ hơn khi độ bền cao hơn làm giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: SUP10 thường có chi phí vật liệu tương đương hoặc cao hơn một chút do xử lý nhiệt bổ sung và kiểm soát chặt chẽ hơn đối với các biến thể carbon cao hơn. Nếu SUP10 yêu cầu hàn PWHT nghiêm ngặt hơn hoặc kim loại hàn đặc biệt, chi phí chế tạo vòng đời sẽ tăng lên.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở dạng sản phẩm tiêu chuẩn (thanh, tấm, rèn) từ các nhà cung cấp thép nói chung. Các biến thể SUP9 có thể được dự trữ rộng rãi hơn cho các ứng dụng kết cấu chung; SUP10 có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng trong điều kiện xử lý nhiệt cụ thể hoặc yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn nếu yêu cầu hóa chất đặc biệt hoặc hợp kim vi mô.
• Ghi chú mua sắm: yêu cầu giấy chứng nhận của nhà máy và hồ sơ xử lý nhiệt để xác nhận thành phần hóa học, độ cứng và điều kiện xử lý nhiệt khi chỉ định bất kỳ loại nào.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SUP9	SUP10
Khả năng hàn	Tốt hơn — lượng carbon tương đương thấp hơn	Trung bình đến thấp — CE cao hơn, cần làm nóng trước/PWHT
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng — độ dẻo dai và độ bền tốt hơn	Tiềm năng cường độ cao hơn — độ dẻo giảm trừ khi được tôi luyện
Chi phí (vật liệu + gia công)	Thấp đến trung bình	Trung bình đến cao hơn (xử lý/xử lý nhiệt/hàn)

Sự giới thiệu: - Chọn SUP9 nếu bạn cần loại thép dễ hàn và chế tạo hơn, yêu cầu độ dẻo dai và khả năng định hình tốt ở thành phẩm hoặc khi ưu tiên giảm thiểu chi phí và độ phức tạp trong chế tạo. - Chọn SUP10 nếu thiết kế yêu cầu độ bền tôi và ram cao hơn hoặc độ cứng bề mặt cao hơn để chống mài mòn và bạn có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát hàn chặt chẽ hơn cũng như xử lý ram/PWHT thích hợp.

Hướng dẫn thực hành cuối cùng: - Xác định điều kiện cung cấp cần thiết (ủ, chuẩn hóa, tôi và ram) và các đặc tính cơ học mục tiêu thay vì chỉ dựa vào tên mác thép. Yêu cầu nhà cung cấp cung cấp hồ sơ thành phần và hồ sơ kiểm tra độ cứng/va đập đã được chứng nhận. Nếu cần hàn, hãy bao gồm hướng dẫn gia nhiệt sơ bộ và PWHT trong thông số kỹ thuật chế tạo và cân nhắc chỉ định các biện pháp kiểm soát kim loại điền đầy và hydro để giảm thiểu nguy cơ nứt.