SUP9A so với SUP9 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SUP9 và SUP9A là hai loại thép cacbon/hợp kim có mối quan hệ mật thiết, thường được các kỹ sư và chuyên gia mua sắm so sánh khi lựa chọn vật liệu cho các chi tiết gia công, kết cấu hoặc các chi tiết nhạy cảm với mỏi. Bối cảnh quyết định điển hình đặt nhu cầu về độ sạch, độ bền và khả năng chống mỏi cao hơn của vật liệu (thường được yêu cầu bởi các bộ phận chính xác hoặc quan trọng về an toàn) so với chi phí mua thấp hơn và tính khả dụng rộng rãi hơn của một loại thép sản xuất tiêu chuẩn.

Điểm khác biệt thực tế quan trọng giữa hai loại thép này là SUP9A được sản xuất với độ sạch luyện kim cao hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn các thành phần tạp chất và mật độ tạp chất so với SUP9 tiêu chuẩn. Độ sạch cao hơn này thường mang lại độ dẻo dai, tuổi thọ mỏi và tính nhất quán hơn trong xử lý nhiệt và hàn; ngoài ra, hai loại thép này có các chiến lược hợp kim hóa và tiềm năng cơ học tương tự nhau trong quá trình gia công tương đương.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các hệ thống tiêu chuẩn chung mà các cấp độ này hoặc các cấp độ tương đương xuất hiện: JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản), GB (tiêu chuẩn Trung Quốc), EN (tiêu chuẩn Châu Âu) và thông số kỹ thuật của nhà máy hoặc khách hàng độc quyền. Chỉ định chính xác và giới hạn hóa chất có thể khác nhau tùy theo quốc gia và nhà sản xuất; kỹ sư phải tham khảo chứng chỉ nhà máy và bảng dữ liệu kỹ thuật của nhà cung cấp để mua sắm.
• Phân loại theo loại:
• SUP9: Thường được phân loại là thép có hàm lượng carbon trung bình hoặc thép hợp kim thấp thích hợp cho ứng dụng xử lý nhiệt và kỹ thuật nói chung.
• SUP9A: Về cơ bản là cùng loại hợp kim cơ bản với SUP9 (thép kỹ thuật cacbon/hợp kim thấp) nhưng được sản xuất với quy trình tinh chế nâng cao và giới hạn tạp chất chặt chẽ hơn, tức là biến thể chất lượng cao hơn chứ không phải là một họ hợp kim khác biệt về cơ bản.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại thép này có chung các nguyên tố hợp kim chính đặc trưng của thép cacbon/hợp kim thấp: cacbon (C), mangan (Mn) và silic (Si). Sự khác biệt tập trung ở việc kiểm soát tạp chất (P, S) và đôi khi là các giới hạn nghiêm ngặt hơn về các nguyên tố tạp chất hoặc hợp kim vi lượng bổ sung. Do giới hạn thành phần thay đổi theo tiêu chuẩn và nhà máy, bảng dưới đây cung cấp các mô tả so sánh định tính thay vì giá trị tuyệt đối.

Yếu tố	Vai trò trong thép	SUP9 (điển hình)	SUP9A (điển hình)
C (Cacbon)	Độ bền, khả năng tôi luyện, độ cứng	Mức sản xuất tiêu chuẩn cho cường độ mục tiêu	Carbon danh nghĩa tương tự; được kiểm soát theo dung sai chặt chẽ
Mn (Mangan)	Độ bền, khả năng khử oxy, khả năng làm cứng	Tiêu chuẩn kiểm soát Mn cho khả năng tôi luyện	Mn tương tự, nhưng có sự kiểm soát nhất quán
Si (Silic)	Chất khử oxy, sức mạnh	Có mặt ở mức khử oxy tiêu chuẩn	Tương tự; được kiểm soát để giảm sự thay đổi
P (Phốt pho)	Nguy cơ giòn nếu cao	Giới hạn điển hình của ngành	Mức tối đa thấp hơn; kiểm soát chặt chẽ hơn để cải thiện độ bền
S (Lưu huỳnh)	Khả năng gia công (thép lưu huỳnh) nhưng độ dẻo dai giảm	Giới hạn điển hình của ngành	Giảm S và kiểm soát tạp chất để có độ sạch cao hơn
Cr, Ni, Mo	Độ cứng, độ bền ở nhiệt độ cao	Có thể có một lượng nhỏ tùy thuộc vào thông số kỹ thuật	Chiến lược hợp kim giống nhau; tập trung vào độ sạch thay vì hợp kim bổ sung
V, Nb, Ti	Hợp kim vi mô để tinh chế hạt	Có thể có mặt ở dạng vết/lượng hợp kim nhỏ	Có thể được kiểm soát tốt hơn; các phương pháp tinh chế ngũ cốc nhất quán hơn
B (Bo)	Những bổ sung nhỏ cải thiện khả năng làm cứng	Hiếm hoặc được kiểm soát	Giống nhau; tập trung vẫn vào sự sạch sẽ
N (Nitơ)	Có thể tạo thành nitrua; ảnh hưởng đến độ dẻo dai	Được kiểm soát	Thường được kiểm soát tốt hơn để hạn chế tạp chất nitride

Hợp kim và độ sạch ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon, Mn và bất kỳ hợp kim vi mô nào đều quyết định độ bền và khả năng làm cứng có thể đạt được khi xử lý nhiệt. - Hàm lượng P và S thấp hơn và khả năng kiểm soát tạp chất được cải thiện trong SUP9A giúp giảm hiện tượng giòn, cải thiện độ bền va đập và tuổi thọ chịu mỏi, đồng thời tạo ra các đặc tính cơ học đồng đều hơn sau khi xử lý nhiệt. - Kiểm soát chặt chẽ các nguyên tố vi lượng và tạp chất phi kim loại giúp cải thiện tính nhất quán (đặc biệt đối với các thành phần chịu tải trọng tuần hoàn hoặc yêu cầu hành vi hàn có thể dự đoán được).

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

Cấu trúc vi mô điển hình phụ thuộc vào thành phần và lịch sử nhiệt:

• Trong quá trình chuẩn hóa hoặc ủ: cả hai loại đều phát triển ferit-pearlit hoặc ferit cộng với martensite đã tôi tùy thuộc vào quá trình làm nguội; kích thước hạt nhạy cảm với quá trình khử oxy và kiểm soát tạp chất.
• Làm nguội và ram: cả hai loại đều đáp ứng với quy trình làm nguội và ram để tạo ra martensite ram. Hàm lượng tạp chất thấp hơn và kiểm soát kích thước hạt chặt chẽ hơn của SUP9A thường cho phép chuyển đổi martensite đồng đều hơn và phản ứng ram nhất quán hơn, giảm thiểu sự phân tán độ dai.
• Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh đều có lợi cho cả hai loại, nhưng độ sạch cao hơn của SUP9A giúp đạt được cấu trúc vi mô mịn hơn, đồng đều hơn (ferit, bainit hoặc martensite) và khả năng chống mỏi tốt hơn.

Hậu quả thực tế: - SUP9A thường có ít vị trí bắt đầu nứt hơn (ít tạp chất sunfua và oxit hơn) và do đó có hiệu suất vượt trội trong các thiết kế hạn chế mỏi sau khi xử lý nhiệt tương đương. - SUP9 cho thấy cấu trúc vi mô có thể chấp nhận được đối với mục đích sử dụng kỹ thuật chung nhưng có thể có độ phân tán tính chất rộng hơn và độ dẻo dai giảm nhẹ trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

4. Tính chất cơ học

Vì các giá trị số phụ thuộc vào nhà cung cấp và phương pháp xử lý nhiệt nên bảng sau đây tóm tắt hiệu suất so sánh điển hình về mặt định tính khi mỗi loại được sản xuất và xử lý nhiệt ở mức độ bền tương tự.

Tài sản	SUP9	SUP9A
Độ bền kéo	Tiêu chuẩn/danh nghĩa cho lớp hợp kim	Khả năng danh nghĩa tương tự
Sức chịu lực	Có thể so sánh	Có thể so sánh được, nhất quán hơn một chút
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt cho mục đích sử dụng chung	Tương tự hoặc cải thiện một chút do độ sạch sẽ
Độ bền va đập (Charpy)	Đủ; có thể phân tán lớn hơn	Độ bền được cải thiện và ít phân tán hơn
Độ cứng (sau HT)	Có thể đạt được thông qua xử lý nhiệt	Độ cứng đạt được tương tự với độ đồng đều tốt hơn

Diễn giải: SUP9A không nhất thiết mang lại độ bền danh nghĩa cao hơn SUP9 nếu thành phần hóa học cơ bản giống nhau, nhưng SUP9A thường mang lại độ dẻo dai được cải thiện, độ phân tán tính chất hẹp hơn và khả năng chống mỏi tốt hơn do luyện thép sạch hơn và kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, khả năng tôi và hợp kim vi mô. Các chỉ số thực nghiệm phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng hàn bao gồm tương đương cacbon IIW và công thức Pcm; cả hai đều biểu thị khả năng dễ bị nứt nguội và sự cần thiết phải gia nhiệt trước/sau.

Ví dụ về chỉ số: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (chỉ số nguy cơ nứt tổng quát): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính cho SUP9 so với SUP9A: - Nếu hợp kim cơ bản tương đương, cả hai loại sẽ cho giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương tự nhau; tuy nhiên, mức tạp chất thấp hơn và mật độ tạp chất sạch hơn của SUP9A làm giảm các vị trí giữ hydro và thúc đẩy khả năng hàn đáng tin cậy hơn trong thực tế. - Thép sạch hơn (SUP9A) làm giảm nguy cơ nứt liên quan đến mối hàn trong cùng một quy trình hàn và có thể cải thiện độ dẻo dai của vùng chịu nhiệt (HAZ) khi các thông số hàn/gia nhiệt trước được áp dụng chính xác. - Hướng dẫn thực tế: xử lý cả hai như có thể hàn được bằng các quy trình gia nhiệt trước/gia nhiệt sau tiêu chuẩn cho thép cacbon trung bình; SUP9A cung cấp cửa sổ quy trình rộng hơn một chút và khả năng lặp lại được cải thiện.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon hợp kim thấp và chủ yếu được giải quyết bằng lớp phủ và xử lý bề mặt.
• Các phương pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện kẽm, sơn, sơn tĩnh điện và sơn lót chống ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ liên quan đến hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho SUP9 hoặc SUP9A trừ khi chúng được chỉ định sử dụng hợp kim thép không gỉ, thông thường thì chúng không được như vậy.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có khả năng gia công tương tự nhau, phụ thuộc vào hàm lượng carbon và lưu huỳnh; nếu SUP9 chứa nhiều lưu huỳnh hơn để gia công tự do, nó sẽ gia công tốt hơn nhưng độ dẻo dai sẽ giảm. Hàm lượng S thấp hơn của SUP9A làm giảm độ phân tán dẻo-giòn nhưng có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công tự do.
• Khả năng tạo hình và uốn cong: Độ sạch được cải thiện của SUP9A có thể làm giảm nứt bề mặt và cải thiện khả năng tạo hình cho quá trình tạo hình bán kính hẹp, đặc biệt là sau quá trình gia công nguội hoặc tạo hình phức tạp.
• Hoàn thiện bề mặt và mài: Cấu trúc vi mô sạch hơn của SUP9A mang lại khả năng cắt và hoàn thiện bề mặt đồng nhất hơn trong các hoạt động gia công chính xác và mài.

8. Ứng dụng điển hình

SUP9 (sử dụng điển hình)	SUP9A (sử dụng điển hình)
Các thành phần cấu trúc chung, giá đỡ, vỏ bọc và các bộ phận gia công tiêu chuẩn trong đó chi phí và tính khả dụng là quan trọng	Các thành phần quan trọng chịu mỏi (trục, các bộ phận rèn chính xác), các liên kết quan trọng về an toàn, các thành phần tôi và ram chất lượng cao
Các bộ phận được ưu tiên sản xuất số lượng lớn, chi phí thấp	Các bộ phận yêu cầu độ bền đồng đều và tính chất phân tán tối thiểu trên nhiều lô
Các thành phần sẽ được phủ để chống ăn mòn	Các cụm lắp ráp chính xác hoặc hàn khi cần cải thiện độ bền HAZ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn tiêu chuẩn SUP9 cho các bộ phận kết cấu thông dụng và khi tính kinh tế của chuỗi cung ứng được ưu tiên. - Chọn SUP9A cho các linh kiện có tuổi thọ chịu mỏi cao, yêu cầu an toàn cao hoặc cần kết quả xử lý nhiệt đồng đều và độ phân tán tính chất thấp.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: SUP9A thường có giá cao hơn SUP9 do có thêm các bước xử lý (nguyên liệu thô có độ tinh khiết cao hơn, kiểm soát quá trình nấu chảy và tinh chế chặt chẽ hơn, các biện pháp kiểm soát tạp chất như khử khí chân không hoặc luyện kim thứ cấp).
• Tính khả dụng: SUP9 được sản xuất phổ biến hơn và do đó dễ dàng tìm nguồn cung ứng ở dạng sản phẩm tiêu chuẩn (tấm, thanh, rèn) từ nhiều nhà cung cấp. Tính khả dụng của SUP9A phụ thuộc vào các nhà máy cung cấp vật liệu nóng chảy chất lượng cao hơn hoặc chất lượng hàng không vũ trụ/ô tô; thời gian giao hàng có thể dài hơn và số lượng đặt hàng tối thiểu có thể cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	SUP9	SUP9A
Khả năng hàn (cửa sổ quy trình)	Tốt (kiểm soát tiêu chuẩn)	Tốt hơn (hiệu suất HAZ sạch hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Có thể chấp nhận được; có thể phân tán rộng hơn	Độ dẻo dai tốt hơn, độ bền đỉnh tương tự
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (phí bảo hiểm cho sự sạch sẽ và kiểm soát)
Khả dụng	Có sẵn rộng rãi	Có sẵn ở mức trung bình; phụ thuộc vào nhà cung cấp

Khuyến nghị: - Chọn SUP9A nếu: - Linh kiện có độ bền chịu mỏi, độ an toàn quan trọng hoặc yêu cầu độ phân tán tối thiểu về độ bền và tính chất cơ học. - Bạn cần kết quả xử lý nhiệt và hàn có thể dự đoán được hơn hoặc kiểm soát chặt chẽ hơn các lỗi liên quan đến tạp chất. - Ngân sách cho phép chi trả thêm cho việc cải thiện chất lượng luyện kim.

• Chọn SUP9 nếu:
• Yêu cầu dành cho các thành phần kỹ thuật chung trong đó độ bền danh nghĩa là tiêu chí chính và không yêu cầu độ bền hoặc độ sạch cực cao.
• Chi phí và tính khả dụng tức thời là những yếu tố thúc đẩy mua sắm chủ yếu.
• Ứng dụng này bao gồm lớp phủ bảo vệ và không bị ảnh hưởng bởi tuổi thọ mỏi theo chu kỳ.

Lưu ý kỹ thuật cuối cùng: vì tên và thông số kỹ thuật của cấp công nghiệp thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp, hãy luôn yêu cầu và xem xét các chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy (phân tích hóa học, hồ sơ xử lý nhiệt và xếp hạng tạp chất nếu có), thực hiện các thử nghiệm đủ điều kiện có liên quan (độ bền HAZ của mối hàn, thử nghiệm mỏi đối với các thành phần quan trọng) và chỉ định rõ ràng SUP9A khi cần độ sạch cao hơn để đảm bảo vật liệu đáp ứng các mục tiêu về độ tin cậy của ứng dụng của bạn.