Thép SUM23: Thành phần hóa học, tiêu chuẩn, đặc tính, mác tương đương và ứng dụng

Thép SUM23 là một mác thép dễ cắt gọt (Free-Cutting Steel) theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS G4804, được phát triển nhằm nâng cao năng suất trong các quá trình gia công cơ khí như tiện, khoan, phay và gia công tự động. Với hàm lượng lưu huỳnh (S) tương đối cao cùng thành phần carbon thấp, SUM23 có khả năng tạo phoi thuận lợi, đặc biệt phù hợp với các chi tiết được sản xuất hàng loạt.

Theo JIS G4804:2021, SUM23 có C ≤0,09%, Mn 0,75–1,05%, P 0,04–0,09% và S 0,26–0,35%. Điểm quan trọng là SUM23 không quy định Pb trong thành phần cơ bản, khác với SUM23L và SUM24L là những mác có bổ sung chì để tăng khả năng cắt gọt.

Về mác tương đương, SUM23 thường được đối chiếu với AISI/SAE 1215 của Mỹ và ISO 9S20. Một số bảng dữ liệu quốc tế cũng đưa 11SMn30 vào nhóm đối chiếu, nhưng khi thay thế vật liệu trong sản xuất cần kiểm tra thành phần hóa học, tiêu chuẩn và yêu cầu cơ tính cụ thể thay vì coi các mác này hoàn toàn giống nhau.

Thép SUM23 là gì?

SUM23 là thép dễ cắt gọt thuộc nhóm thép carbon thấp được quy định trong JIS G4804. Khác với các loại thép được thiết kế chủ yếu cho độ bền, độ cứng hoặc khả năng chịu nhiệt, SUM23 tập trung vào việc nâng cao khả năng gia công cắt gọt và năng suất sản xuất.

Đặc điểm nổi bật của SUM23 là hàm lượng lưu huỳnh khoảng 0,26–0,35%. Lưu huỳnh kết hợp với mangan trong thép tạo thành các bao thể sulfide, góp phần làm phoi dễ phân đoạn và gãy hơn trong quá trình cắt. Nhờ đó, việc kiểm soát phoi và duy trì quá trình gia công ổn định trở nên thuận lợi hơn.

SUM23 đặc biệt thích hợp với các dây chuyền cần gia công nhiều chi tiết giống nhau trong thời gian dài. Đây là lý do mác thép này được sử dụng trong các chi tiết cơ khí nhỏ thuộc ngành ô tô, cơ điện và cơ khí chính xác.

Tiêu chuẩn sản xuất thép SUM23

Tiêu chuẩn quan trọng nhất đối với SUM23 là JIS G4804 – Free-Cutting Steels.

SUM23 đã được quy định trong các phiên bản trước của JIS G4804 và tiếp tục xuất hiện trong JIS G4804:2021. Dữ liệu JIS G4804:2008 của Kobelco cũng xác nhận SUM23 có C ≤0,09%, Mn 0,75–1,05%, P 0,04–0,09% và S 0,26–0,35%.

Khi mua thép SUM23, doanh nghiệp nên yêu cầu nhà cung cấp cung cấp Mill Test Certificate (MTC) để xác nhận mác thép, thành phần hóa học, trạng thái cung cấp và nguồn gốc của từng lô hàng.

Thành phần hóa học của thép SUM23

Thành phần hóa học là yếu tố quan trọng quyết định khả năng gia công của SUM23.

Theo dữ liệu JIS G4804:2021, thành phần cơ bản của SUM23 có thể tham khảo như sau:

Carbon (C)

Hàm lượng carbon của SUM23 không vượt quá 0,09%, thấp hơn nhiều mác thép kết cấu thông thường. Hàm lượng C thấp góp phần duy trì khả năng gia công và hạn chế việc hình thành tổ chức quá cứng trong điều kiện cung cấp thông thường.

Mangan (Mn)

Mangan nằm trong khoảng 0,75–1,05%. Một vai trò đặc biệt quan trọng của Mn là kết hợp với S để hình thành các bao thể MnS, yếu tố có ảnh hưởng lớn đến đặc tính cắt gọt của SUM23.

Lưu huỳnh (S)

S là nguyên tố quan trọng nhất đối với khả năng dễ cắt gọt của SUM23. Hàm lượng 0,26–0,35% cao hơn đáng kể so với nhiều loại thép carbon thông thường.

Trong quá trình gia công, các bao thể sulfide giúp phoi dễ bị phân đoạn, giảm hiện tượng hình thành phoi dài và hỗ trợ quá trình thoát phoi.

Phốt pho (P)

P được kiểm soát trong khoảng 0,04–0,09%. P có thể góp phần cải thiện khả năng cắt gọt và độ cứng, nhưng nếu hàm lượng quá cao có thể ảnh hưởng bất lợi đến độ dẻo dai của vật liệu.

Chì (Pb)

Một điểm rất quan trọng khi phân biệt các mác thép dễ cắt gọt là SUM23 không phải mác thép chứa chì.

Trong JIS G4804, SUM23L mới có Pb 0,10–0,35%, trong khi SUM24L cũng có Pb 0,10–0,35%. SUM23 có Pb được ghi là “–” trong bảng thành phần của Kobelco.

Vì vậy, không nên viết SUM23 là thép có chì hoặc dùng đặc tính của SUM24L để mô tả cho SUM23.

Vì sao thép SUM23 dễ gia công?

Khả năng cắt gọt của SUM23 chủ yếu đến từ sự kết hợp giữa carbon thấp, mangan và hàm lượng lưu huỳnh tương đối cao.

Khi S kết hợp với Mn, các bao thể MnS hình thành trong tổ chức thép. Khi dụng cụ cắt tác động vào vật liệu, những vùng này tạo điều kiện cho quá trình phân đoạn phoi.

Nhờ vậy, SUM23 có thể đem lại một số lợi ích trong sản xuất:

• Phoi dễ gãy hơn.
• Giảm tình trạng phoi dài quấn quanh dao.
• Hỗ trợ quá trình thoát phoi.
• Thuận lợi cho gia công tự động.
• Có thể duy trì năng suất cao trong sản xuất hàng loạt.
• Giảm thời gian xử lý phoi sau gia công.

Tuy nhiên, hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào vật liệu dao, tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, dung dịch làm mát, độ cứng máy và hình dạng chi tiết. Vì vậy, không nên quy đổi khả năng gia công của SUM23 thành một tỷ lệ cố định như “nhanh hơn 25–50%” cho mọi trường hợp.

Đặc tính cơ lý của thép SUM23

SUM23 được tối ưu chủ yếu cho khả năng gia công, do đó không nên xem đây là mác thép chuyên dụng cho các chi tiết chịu tải cao.

Các thông số như:

• Giới hạn chảy.
• Độ bền kéo.
• Độ giãn dài.
• Độ cứng.
• Độ dai va đập.

có thể thay đổi theo trạng thái cung cấp, kích thước sản phẩm và phương pháp sản xuất.

Vì vậy, khi thiết kế chi tiết, cần sử dụng cơ tính thực tế được ghi trong MTC hoặc tiêu chuẩn sản phẩm tương ứng, thay vì áp dụng một bộ giá trị cơ tính cố định cho mọi thanh SUM23.

Ưu điểm chính của SUM23 nằm ở khả năng gia công, không phải khả năng chịu tải hoặc khả năng nhiệt luyện đạt độ cứng rất cao.

Gia công thép SUM23 bằng máy CNC

Tiện CNC

Tiện là một trong những phương pháp phù hợp nhất với SUM23, đặc biệt khi sản xuất các chi tiết dạng trục, chốt, bạc, ren hoặc các chi tiết có biên dạng xoay.

Khả năng tạo phoi tương đối dễ kiểm soát giúp SUM23 phù hợp với:

• Máy tiện CNC.
• Máy tiện tự động.
• Máy tiện nhiều trục.
• Dây chuyền sản xuất hàng loạt.

Khoan

SUM23 có thể được khoan để tạo các lỗ xuyên, lỗ ren hoặc lỗ định vị. Khi gia công số lượng lớn, cần lựa chọn hình học mũi khoan và chế độ cắt phù hợp để đảm bảo thoát phoi ổn định.

Phay

SUM23 cũng có thể sử dụng cho các nguyên công phay tạo mặt phẳng, rãnh hoặc biên dạng. Tuy nhiên, lợi thế của vật liệu thường được thể hiện rõ hơn trong các nguyên công cắt gọt liên tục và sản xuất hàng loạt.

Gia công ren

Khả năng tạo phoi thuận lợi khiến SUM23 phù hợp với nhiều chi tiết có ren được sản xuất hàng loạt. Đây là một trong những lý do nhóm thép dễ cắt gọt thường được lựa chọn cho các chi tiết nhỏ có nhiều nguyên công tiện và ren.

Lưu ý khi gia công thép SUM23

Để khai thác tốt đặc tính của SUM23, không nên chỉ quan tâm đến tốc độ cắt. Cần đồng thời kiểm soát:

1. Vật liệu dao: lựa chọn carbide, HSS hoặc vật liệu dao phù hợp với tốc độ và công đoạn gia công.

2. Hình học dao: góc dao, bán kính mũi dao và thiết kế rãnh thoát phoi ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt.

3. Tốc độ cắt: cần điều chỉnh theo đường kính phôi, vật liệu dao và máy.

4. Lượng chạy dao: không nên áp dụng một thông số duy nhất cho tiện thô và tiện tinh.

5. Dung dịch làm mát: có thể giúp kiểm soát nhiệt và cải thiện điều kiện gia công tùy nguyên công.

6. Kiểm soát phoi: dù SUM23 có ưu điểm về tạo phoi, chế độ cắt không phù hợp vẫn có thể gây phoi dài hoặc ảnh hưởng bề mặt.

Ứng dụng của thép SUM23

SUM23 chủ yếu được sử dụng cho các chi tiết cơ khí nhỏ và chi tiết gia công hàng loạt, đặc biệt trong ngành ô tô, cơ điện và cơ khí chính xác. Dữ liệu vật liệu JIS G4804 cũng xác định nhóm ứng dụng chính của SUM23 là các chi tiết thuộc ô tô, cơ điện và máy móc chính xác.

Chi tiết tiện tự động

Đây là nhóm ứng dụng tiêu biểu của SUM23, bao gồm:

• Chốt.
• Bạc.
• Ống lót.
• Chi tiết ren.
• Fitting.
• Đầu nối cơ khí.
• Chi tiết dạng trục nhỏ.
• Linh kiện gia công CNC.

Linh kiện cơ khí chính xác

SUM23 có thể được sử dụng để chế tạo các chi tiết có nhiều nguyên công cắt gọt và cần sản xuất với số lượng lớn.

Một số chi tiết trong ngành ô tô

SUM23 có thể được dùng cho một số chi tiết nhỏ trong ngành ô tô nếu yêu cầu cơ tính của chi tiết phù hợp. Không nên mặc định rằng SUM23 phù hợp cho mọi chi tiết trong động cơ, hộp số hoặc hệ thống treo.

Đối với những chi tiết chịu tải cao, chịu mỏi hoặc cần nhiệt luyện, cần lựa chọn vật liệu theo yêu cầu thiết kế thay vì ưu tiên khả năng gia công.

Thiết bị cơ điện

SUM23 cũng có thể được sử dụng cho một số chi tiết nhỏ trong thiết bị cơ điện và máy móc, đặc biệt khi yêu cầu chính là khả năng gia công hàng loạt.

Những ứng dụng không nên ưu tiên SUM23

Không nên sử dụng SUM23 như một lựa chọn mặc định cho:

• Dao cắt.
• Mũi khoan.
• Khuôn dập chịu tải cao.
• Khuôn nóng.
• Chi tiết chịu mài mòn mạnh.
• Chi tiết chịu nhiệt cao.
• Chi tiết chịu tải và mỏi lớn.

Các ứng dụng trên thường yêu cầu thép dụng cụ, thép khuôn hoặc thép hợp kim nhiệt luyện có thành phần và cơ tính phù hợp hơn.

Đây là điểm cần sửa so với nhiều bài viết thương mại về SUM23: khả năng gia công tốt không đồng nghĩa với việc vật liệu phù hợp cho mọi loại chi tiết cơ khí.

SUM23 có nhiệt luyện được không?

SUM23 không phải là mác thép được lựa chọn chủ yếu nhờ khả năng nhiệt luyện.

Do hàm lượng carbon rất thấp, khả năng tôi cứng bằng phương pháp thông thường bị hạn chế so với các thép carbon trung bình hoặc thép hợp kim nhiệt luyện.

Vì vậy, không nên đưa ra một công thức tôi – ram cố định cho SUM23 như đối với SCM435, SCM440 hoặc các thép dụng cụ.

Nếu thiết kế yêu cầu độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn hoặc độ bền sau nhiệt luyện, nên cân nhắc lựa chọn mác thép khác ngay từ đầu.

SUM23 có dễ hàn không?

Mặc dù hàm lượng carbon thấp thường có lợi cho khả năng hàn, SUM23 vẫn không nên được lựa chọn chỉ dựa trên thành phần carbon.

Hàm lượng S và P được thiết kế cho mục tiêu dễ cắt gọt có thể ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Do đó, nếu chi tiết yêu cầu nhiều mối hàn, nên đánh giá quy trình hàn cụ thể và cân nhắc một mác thép kết cấu có tính hàn được ưu tiên hơn.

Các mác thép tương đương SUM23

SUM23 thường được đối chiếu với một số mác thép dễ cắt gọt quốc tế.

Các bảng đối chiếu quốc tế xác nhận SUM23 – 1215 – 9S20 là nhóm mác thường được đặt cạnh nhau. Dữ liệu hiện hành cũng đưa SUM23 và 11SMn30 vào nhóm đối chiếu trong hệ thống thép dễ cắt gọt.

Tuy nhiên, “tương đương” trong thương mại không có nghĩa là có thể thay thế trực tiếp trong mọi trường hợp. Khi thay đổi vật liệu, cần kiểm tra:

• Thành phần hóa học.
• Tiêu chuẩn sản phẩm.
• Cơ tính yêu cầu.
• Kích thước.
• Trạng thái cung cấp.
• Yêu cầu xử lý bề mặt.
• Yêu cầu của bản vẽ.

So sánh SUM23 với SUM22 và SUM24L

Ba mác SUM22, SUM23 và SUM24L đều thuộc nhóm thép dễ cắt gọt nhưng có thành phần khác nhau.

Các giới hạn thành phần trên được thể hiện trong bảng JIS G4804 của Kobelco.

SUM23 và SUM24L

Đây là phép so sánh đặc biệt hữu ích.

SUM24L có Pb, trong khi SUM23 không có Pb quy định. Pb giúp tăng khả năng gia công nhưng cũng khiến vấn đề quản lý vật liệu và yêu cầu môi trường trở nên đáng chú ý hơn.

Nếu ưu tiên khả năng cắt gọt ở mức rất cao và ứng dụng cho phép sử dụng vật liệu chứa Pb, SUM24L có thể là lựa chọn phù hợp.

Nếu muốn tránh Pb nhưng vẫn cần thép dễ cắt gọt, SUM23 là một lựa chọn đáng cân nhắc.

SUM23 và SUM22

SUM22 có hàm lượng S thấp hơn một chút và C cao hơn SUM23. Hai mác đều thuộc nhóm thép dễ cắt gọt không chì theo bảng thành phần JIS G4804 được Kobelco công bố.

Việc lựa chọn giữa hai mác nên dựa trên yêu cầu gia công và đặc tính sản phẩm cụ thể.

SUM23 và 12L14 có giống nhau không?

Không nên coi SUM23 và 12L14 là hoàn toàn giống nhau, mặc dù 12L14 là mác được đối chiếu phổ biến với SUM23.

Các bảng dữ liệu vật liệu thường đặt SUM23 và AISI 1215 cạnh nhau như các mác gần tương đương.

Khi mua vật liệu thay thế, cần yêu cầu nhà cung cấp xác nhận thành phần và tiêu chuẩn thay vì chỉ dựa trên tên gọi “tương đương”.

Đặc biệt, không nên nhầm 12L14 với SUM23 về hàm lượng Pb: 12L14 là thép dễ cắt gọt chì, trong khi SUM23 theo JIS G4804 không quy định Pb.

Ưu điểm của thép SUM23

Những ưu điểm đáng chú ý nhất của SUM23 gồm:

Khả năng gia công tốt

Đây là lợi thế cốt lõi của vật liệu. SUM23 phù hợp với các quy trình cần tiện, khoan, phay và gia công tự động với số lượng lớn.

Không bổ sung Pb trong mác cơ bản

So với SUM23L và SUM24L, SUM23 không có Pb được quy định trong thành phần mác.

Điều này có thể mang lại lợi thế khi thiết kế sản phẩm có yêu cầu hạn chế vật liệu chứa chì.

Phù hợp sản xuất hàng loạt

SUM23 thích hợp với những chi tiết nhỏ được sản xuất liên tục, trong đó năng suất máy và khả năng kiểm soát phoi có ảnh hưởng lớn đến chi phí.

Thành phần tương đối đơn giản

SUM23 không yêu cầu hệ hợp kim phức tạp để đạt được mục tiêu chính là khả năng cắt gọt.

Hạn chế của thép SUM23

Bên cạnh những ưu điểm về gia công, SUM23 có một số hạn chế:

• Không phải thép chịu tải cao.
• Không phải thép dụng cụ.
• Không phù hợp làm vật liệu khuôn chịu mài mòn cao.
• Khả năng nhiệt luyện tăng độ cứng bị hạn chế.
• Tính năng hàn cần được đánh giá theo ứng dụng.
• Không nên sử dụng cho chi tiết yêu cầu độ dai va đập hoặc độ bền mỏi rất cao nếu chưa được kiểm chứng.

Do đó, SUM23 nên được lựa chọn vì khả năng gia công chứ không phải vì khả năng chịu tải.

Lưu ý khi mua thép SUM23

Khi mua thép SUM23, doanh nghiệp nên kiểm tra đầy đủ thông tin trên chứng từ vật liệu.

Các nội dung cần xác nhận gồm:

• Mác thép: SUM23.
• Tiêu chuẩn: JIS G4804.
• Phiên bản tiêu chuẩn.
• Thành phần hóa học.
• Trạng thái cung cấp.
• Kích thước.
• Dung sai.
• Xuất xứ.
• Số heat/lot.
• Mill Test Certificate.
• Quy cách đóng gói.

Đặc biệt, nếu doanh nghiệp đang thay thế SUM23 bằng SUM23L hoặc SUM24L, cần kiểm tra Pb vì hai mác này có thành phần chì khác với SUM23.

Giá thép SUM23 hiện nay

Giá thép SUM23 phụ thuộc vào nhiều yếu tố và không nên cố định một mức giá cho tất cả quy cách.

Các yếu tố ảnh hưởng đến giá gồm:

• Đường kính/thickness.
• Trạng thái cán nóng hoặc kéo nguội.
• Dung sai kích thước.
• Xuất xứ.
• Số lượng đặt hàng.
• Chứng chỉ vật liệu.
• Chi phí vận chuyển.
• Tỷ giá.
• Thời điểm nhập hàng.
• Yêu cầu cắt theo quy cách.

Đối với đơn hàng công nghiệp, nên yêu cầu báo giá dựa trên mác + tiêu chuẩn + quy cách + số lượng + trạng thái vật liệu để có mức giá chính xác hơn.

Nhà cung cấp thép SUM23 tại Việt Nam

Khi tìm mua SUM23, không nên chỉ dựa vào giá bán. Đối với vật liệu sử dụng cho gia công CNC hoặc sản xuất hàng loạt, chất lượng và tính ổn định giữa các lô hàng có ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ cắt và chất lượng sản phẩm.

Một nhà cung cấp đáng tin cậy nên có khả năng cung cấp:

• MTC/COA.
• Thông tin xuất xứ.
• Thành phần hóa học.
• Quy cách chính xác.
• Tư vấn mác thay thế.
• Khả năng cung cấp số lượng ổn định.
• Dịch vụ cắt theo yêu cầu nếu cần.

Nếu đang lựa chọn giữa SUM23, SUM22, SUM23L và SUM24L, khách hàng nên cung cấp bản vẽ hoặc yêu cầu kỹ thuật để xác định chính xác mác phù hợp thay vì chỉ lựa chọn theo giá.

Kết luận

Thép SUM23 là mác thép dễ cắt gọt theo JIS G4804, được thiết kế chủ yếu để phục vụ gia công cơ khí năng suất cao. Thành phần đặc trưng của SUM23 gồm C ≤0,09%, Mn 0,75–1,05%, P 0,04–0,09% và S 0,26–0,35%; Pb không được quy định trong mác cơ bản.

Ưu điểm lớn nhất của SUM23 là khả năng tạo phoi thuận lợi nhờ hàm lượng S tương đối cao, giúp vật liệu phù hợp với tiện tự động, CNC, khoan, phay và sản xuất hàng loạt các chi tiết cơ khí nhỏ.

Về mác tương đương, AISI/SAE 1215 và ISO 9S20 là những mác được đối chiếu phổ biến với SUM23; 11SMn30 cũng có thể được dùng để tham khảo trong hệ thống tiêu chuẩn châu Âu. Tuy nhiên, các mác này không nên được coi là hoàn toàn giống nhau nếu chưa đối chiếu thành phần và yêu cầu kỹ thuật.

Đặc biệt, cần phân biệt rõ SUM23 với SUM23L và SUM24L. SUM23 không có Pb trong thành phần mác cơ bản, trong khi SUM23L và SUM24L có bổ sung Pb để tăng khả năng cắt gọt.

Vì vậy, nếu mục tiêu là tìm một loại thép dễ gia công, phù hợp sản xuất hàng loạt và không bổ sung chì trong thành phần mác, SUM23 là một lựa chọn đáng cân nhắc. Ngược lại, nếu chi tiết yêu cầu độ cứng, chịu tải, chịu mài mòn hoặc nhiệt luyện cao, nên chuyển sang nhóm thép kết cấu hoặc thép hợp kim được thiết kế chuyên dụng cho những yêu cầu đó.