09CuPCrNi so với Q345 – 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 cân nhắc khi lựa chọn thép kết cấu: ưu tiên khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và tiết kiệm chi phí bảo trì lâu dài, hay ưu tiên cường độ chịu kéo cao, tính sẵn có và chi phí ổn định. 09CuPCrNi và Q345 đều được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu và dân dụng, nhưng chúng đáp ứng các ưu tiên hiệu suất khác nhau.

Sự khác biệt chính giữa chúng nằm ở chiến lược hợp kim hóa: 09CuPCrNi được hợp kim hóa để tạo lớp gỉ bảo vệ và cải thiện khả năng chống ăn mòn khí quyển (phản ứng với thời tiết), trong khi Q345 là thép kết cấu hợp kim thấp, cường độ cao, được tối ưu hóa để đảm bảo cường độ chịu kéo và chế tạo đa năng. Đây là lý do tại sao các nhà thiết kế so sánh chúng với các bộ phận kết cấu ngoài trời, cầu và các cấu kiện khác tiếp xúc với các yếu tố môi trường, đòi hỏi cả độ bền và độ ổn định.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Câu hỏi 345
• Tiêu chuẩn: GB/T 1591 (Trung Quốc) và các tiêu chuẩn quốc gia/ngành liên quan. Các cấp tương đương/tương tự trong các hệ thống khác bao gồm S355 (EN) và A572 Cấp 42 (so sánh chung), mặc dù các yêu cầu về hóa học và chứng nhận chính xác có thể khác nhau.
• Phân loại: Thép kết cấu cường độ cao hợp kim thấp (HSLA).
• 09CuPCrNi
• Tiêu chuẩn: Tên gọi này theo tên gọi danh nghĩa theo kiểu Trung Quốc, thể hiện sự nhấn mạnh vào thành phần (hàm lượng carbon thấp ~0,09% với các thành phần bổ sung Cu, P, Cr, Ni). Tiêu chuẩn này có thể xuất hiện trong thông số kỹ thuật cụ thể của nhà sản xuất hoặc ứng dụng thay vì là một tiêu chuẩn quốc tế thống nhất. Vui lòng kiểm tra chứng nhận sản phẩm và tiêu chuẩn của nhà máy cung cấp.
• Phân loại: Thép cacbon hợp kim chống chịu thời tiết/ăn mòn khí quyển (không gỉ).

Lưu ý: Không loại nào trong hai loại trên là thép không gỉ; Q345 hướng đến độ bền, 09CuPCrNi được hợp kim hóa để cải thiện quá trình hình thành lớp gỉ ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các nguyên tố hợp kim đặc trưng và vai trò luyện kim dự kiến ​​của chúng. Vì các giới hạn đảm bảo cụ thể khác nhau tùy theo nhà cung cấp và biến thể tiêu chuẩn, bảng này mô tả sự hiện diện/vai trò chứ không phải giới hạn số chính xác. Luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy để biết thành phần phần trăm chính xác.

Yếu tố	Q345 (chiến lược điển hình)	09CuPCrNi (chiến lược điển hình)
C	Hàm lượng cacbon thấp-trung bình; cân bằng để đạt được độ bền (hợp kim vi mô cho phép hàm lượng C thấp hơn)	Hàm lượng carbon thấp (được biểu thị bằng "09"); ưu tiên độ dẻo và khả năng hàn
Mn	Có mặt như chất khử oxy chính và góp phần tạo nên độ bền (Mn → độ bền/độ dẻo dai)	Có tác dụng tương tự như sức mạnh/chất ổn định; có thể thấp hơn một chút hoặc tương đương
Si	Chất khử oxy; được kiểm soát để tránh giòn	Chất khử oxy; được kiểm soát để thúc đẩy các đặc tính bề mặt
P	Tạp chất hạn chế trong Q345 (giữ ở mức thấp); không cố ý pha trộn hợp kim	Thường được cố ý giữ lại ở mức vết cao hơn để hỗ trợ hình thành lớp gỉ (nhưng được kiểm soát để tránh giòn)
S	Kiểm soát hàm lượng thấp ở cả hai; lưu huỳnh là tạp chất làm giảm độ dẻo dai	Kiểm soát mức thấp; một số cấp kiểm soát S để cải thiện khả năng hàn
Cr	Thông thường thấp hoặc không có trong Q345 (trừ khi có các biến thể cụ thể)	Được thêm vào (một lượng nhỏ) để tăng cường khả năng chống ăn mòn và tăng cường lớp gỉ bề mặt
Ni	Không được thêm vào Q345	Được thêm vào với lượng nhỏ để cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và độ dẻo dai của lớp gỉ đồng
Cu	Không được thêm vào Q345	Bổ sung có chủ đích quan trọng để tăng cường hiệu suất chống chịu thời tiết — thúc đẩy hóa chất chống gỉ bảo vệ
Mo, V, Nb, Ti, B, N	Có thể có mặt ở dạng vết hoặc dưới dạng hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) để tăng cường độ thông qua quá trình kết tủa/tinh chế hạt trong các biến thể Q345	Hợp kim vi mô ít được chú trọng hơn; hợp kim tập trung vào Cu/Cr/Ni và P được kiểm soát để tạo thành lớp gỉ ổn định

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Đồng, crom, niken và phốt pho được kiểm soát trong 09CuPCrNi thúc đẩy sự hình thành lớp chống ăn mòn nhỏ gọn, bám dính (lớp gỉ đồng) làm chậm quá trình ăn mòn trong khí quyển so với thép cacbon thông thường. - Q345 dựa trên thành phần hóa học carbon thấp cùng với hợp kim vi mô và quy trình xử lý được kiểm soát để mang lại giới hạn chảy tối thiểu (345 MPa) và độ dẻo dai tốt ở các phần dày hơn. Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ bền mà không cần hàm lượng carbon cao.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình trong quá trình xử lý tiêu chuẩn:

• Câu hỏi 345
• Cấu trúc vi mô: Ma trận ferit-pearlit với các kết tủa hợp kim vi mô có thể có (NbC, VN, TiC) tùy thuộc vào biến thể và quá trình xử lý cơ nhiệt. Việc thường hóa hoặc cán có kiểm soát sẽ tinh chỉnh các hạt và cải thiện độ dẻo dai.
• Phản ứng xử lý nhiệt: Q345 thường được cung cấp ở dạng cán nóng, thường hóa hoặc cán nguyên trạng. Thép này không được thiết kế để tôi và ram nhiều; có thể xử lý nhiệt cục bộ (tôi cảm ứng), nhưng tôi và ram số lượng lớn không phải là phương pháp điển hình hoặc kinh tế đối với các tấm rộng.

• Quá trình kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) thường được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ dẻo dai.

• 09CuPCrNi

• Cấu trúc vi mô: Ma trận ferit-perlit ít cacbon hoặc ferit chiếm ưu thế, thường có các cacbua phân bố mịn và hiện tượng bề mặt do hợp kim tạo ra giúp hình thành lớp gỉ.
• Phản ứng xử lý nhiệt: Thường được cung cấp ở dạng cán nóng và không thường xuyên được tôi và ram. Hiệu suất chịu thời tiết bị ảnh hưởng bởi lớp gỉ cán và hóa học bề mặt; xử lý nhiệt làm thay đổi thành phần bề mặt hoặc lớp gỉ có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của lớp gỉ.
• Việc chuẩn hóa có thể cải thiện độ dẻo dai; tuy nhiên, hợp kim chịu thời tiết thường được chỉ định để ứng dụng ở dạng cán hoặc chuẩn hóa theo khuyến nghị của nhà cung cấp.

Xử lý ghi chú - Cả hai loại đều được thiết kế chủ yếu cho trạng thái cán hoặc chuẩn hóa; các tính chất cơ học của chúng đạt được thông qua quá trình thành phần và trình tự cán/nhiệt thay vì chế độ tôi-ram sau khi cán mở rộng.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây so sánh các đặc tính cơ học điển hình. Q345 có giới hạn chảy tối thiểu được chuẩn hóa; các giá trị cơ học của 09CuPCrNi phụ thuộc vào nhà cung cấp và hướng đến hiệu suất kết cấu, tập trung vào độ dẻo và độ bền hơn là tối đa hóa giới hạn chảy.

Tài sản	Q345 (đảm bảo thông thường)	09CuPCrNi (đặc điểm điển hình)
Giới hạn chảy (0,2 Rp)	Tối thiểu ~345 MPa (nguồn gốc chỉ định: Q345)	Thông thường thấp hơn mức tối thiểu Q345; được thiết kế để có độ bền kết cấu phù hợp với trọng tâm là độ dẻo (tùy thuộc vào nhà cung cấp)
Độ bền kéo	Phạm vi điển hình cho Q345: ~470–630 MPa (thay đổi tùy theo hình dạng và độ dày của sản phẩm)	Độ bền kéo thường nằm trong phạm vi thép kết cấu nhưng phụ thuộc vào quá trình xử lý; thường thấp hơn các biến thể HSLA có độ bền cao
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt — giá trị độ giãn dài điển hình đáp ứng mục tiêu thép kết cấu (cụ thể theo nhà cung cấp/tiêu chuẩn)	Độ dẻo tốt do hàm lượng C thấp; thuận lợi cho việc tạo hình và hấp thụ năng lượng
Độ bền va đập	Được chỉ định để thử nghiệm charpy ở nhiệt độ yêu cầu trong các biến thể Q345; TMCP cải thiện độ bền ở nhiệt độ thấp	Được thiết kế để có độ dẻo dai tốt nhằm chống gãy giòn; hợp kim chịu thời tiết thường nhấn mạnh độ dẻo dai cho các công trình ngoài trời
Độ cứng	Trung bình; không dùng cho ứng dụng mặc	Trung bình; tương tự như thép kết cấu thông thường, không phải là thép chịu mài mòn

Giải thích - Q345 là lựa chọn tốt hơn về mặt đảm bảo năng suất tối thiểu. Quá trình hợp kim hóa vi mô và xử lý nhiệt cơ học cho phép tăng cường độ mà không cần hàm lượng carbon quá mức. - 09CuPCrNi nhấn mạnh vào độ dẻo và khả năng chống ăn mòn. Với cùng một mặt cắt ngang, Q345 có thể chịu tải trọng tĩnh cao hơn; 09CuPCrNi có thể được lựa chọn khi mối quan tâm chính là sự xuống cấp bề mặt và bảo trì lâu dài.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, cacbon tương đương/độ tôi và hợp kim vi mô. Việc sử dụng các công thức cacbon tương đương hỗ trợ việc thẩm định quy trình hàn.

Chỉ số chung: - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức $P_{cm}$ bảo thủ hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - Q345: Hàm lượng cacbon vừa phải và sự hiện diện của hợp kim vi mô có thể làm tăng độ tôi một chút. Đối với các tiết diện dày hơn, có thể cần gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn để tránh nứt nguội do hydro hỗ trợ. Tuy nhiên, Q345 được coi là có thể hàn được bằng các quy trình tiêu chuẩn được sử dụng cho thép kết cấu; vật liệu hàn được lựa chọn phù hợp với độ bền và độ dai. - 09CuPCrNi: Hàm lượng cacbon thấp cải thiện khả năng hàn. Các nguyên tố hợp kim như Cu, Ni và Cr thường không làm tăng đáng kể khả năng tôi ở nồng độ nhỏ được sử dụng cho thép chịu thời tiết, nhưng Cu có thể gây ra mối lo ngại về nứt nóng trong một số trường hợp hàn và có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu hàn. Nhu cầu nung nóng trước thường ít khắt khe hơn so với thép cacbon cao, nhưng việc thẩm định quy trình hàn phải xem xét ảnh hưởng của quá trình hàn đến sự hình thành lớp gỉ trên bề mặt và khả năng chống ăn mòn ở vùng HAZ.

Hướng dẫn thực tế - Đối với cả hai loại thép, hãy làm theo hướng dẫn hàn của nhà cung cấp, chọn kim loại hàn tương thích và cân nhắc các phương pháp xử lý hoặc phủ sau khi hàn để khôi phục khả năng chống ăn mòn trên các loại thép chịu được thời tiết nếu tiếp xúc với môi trường.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Thép không gỉ cần có biện pháp bảo vệ khi sử dụng ngoài trời.

• 09CuPCrNi
• Mục đích: Hợp kim để tạo ra lớp gỉ đồng chắc chắn, nhỏ gọn giúp giảm tốc độ ăn mòn trong khí quyển ở trạng thái ổn định so với thép cacbon thông thường trong nhiều môi trường (khí quyển công nghiệp và nông thôn).
• Cơ chế: Việc bổ sung một lượng nhỏ Cu, Ni, Cr và P được kiểm soát sẽ thúc đẩy sự hình thành lớp oxit bền vững giúp hạn chế quá trình oxy hóa tiếp theo.

• Bảo vệ bề mặt: Thường được sử dụng không sơn trong môi trường thích hợp; đối với môi trường biển hoặc hóa chất khắc nghiệt, vẫn có thể cần thêm lớp phủ hoặc bảo vệ catốt.

• Câu hỏi 345

• Mục đích: Độ bền kết cấu; không được thiết kế để tăng khả năng chống ăn mòn trong khí quyển.
• Bảo vệ bề mặt: Cần mạ kẽm, sơn phủ hoặc các lớp phủ khác để chịu được thời tiết khắc nghiệt trong thời gian dài. Mạ kẽm nhúng nóng thường được sử dụng cho các kết cấu ngoài trời.

Khi PREN có liên quan - PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho các loại thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN không áp dụng cho các loại thép chịu được thời tiết trong khí quyển không gỉ như 09CuPCrNi hoặc Q345; chúng dựa vào lớp phủ hoặc sự hình thành lớp gỉ thay vì tính thụ động từ hàm lượng Cr/Mo/N cao.

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

• Tạo hình và uốn cong
• 09CuPCrNi: Hàm lượng carbon thấp cải thiện khả năng định hình; phù hợp để uốn và định hình với các quy trình chế tạo kết cấu tiêu chuẩn. Độ bền thấp hơn (so với Q345) có thể giúp việc định hình dễ dàng hơn trên một số loại thép.
• Câu hỏi 345: Độ bền cao hơn đòi hỏi lực tạo hình lớn hơn và có thể cần bán kính uốn lớn hơn. Các biến thể TMCP có độ giãn dài tốt vẫn có thể tạo hình tốt khi sử dụng dụng cụ và dung sai chính xác.
• Khả năng gia công
• Cả hai loại thép này đều không được tối ưu hóa cho gia công tự do — khả năng gia công là đặc trưng của thép kết cấu. Hàm lượng carbon thấp hơn giúp tăng khả năng gia công; các nguyên tố hợp kim siêu nhỏ trong Q345 có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công.
• Hoàn thiện
• Chuẩn bị bề mặt để sơn hoặc mạ kẽm tuân theo các quy trình thép tiêu chuẩn. Đối với thép 09CuPCrNi, tránh các phương pháp xử lý bề mặt làm mất đi tính chất hóa học cần thiết cho lớp gỉ đồng nếu thiết kế dự định sử dụng quá trình phong hóa tự nhiên.

8. Ứng dụng điển hình

09CuPCrNi	Câu hỏi 345
Các công trình kiến ​​trúc ngoài trời ưu tiên vẻ ngoài lộ liễu và giảm thiểu bảo trì (mặt tiền chịu được thời tiết, cầu ở nơi không phải môi trường biển khi lớp gỉ đồng được chấp nhận)	Ứng dụng kết cấu chung: cầu, tòa nhà, cần cẩu, khung thiết bị chịu áp lực, kết cấu hàn nơi các đặc tính cơ học được đảm bảo là chính
Các thành phần cần giảm tần suất sơn và lớp gỉ thẩm mỹ	Các phần chế tạo, tấm và cấu hình nặng có giới hạn chảy tối thiểu được chỉ định (345 MPa)
Các yếu tố cơ sở hạ tầng trong môi trường công nghiệp/nông thôn nơi lớp gỉ đồng có hiệu quả	Các công trình dân dụng và cơ khí đa dạng đòi hỏi tính khả dụng cao và chi phí thấp

Cơ sở lựa chọn - Chọn 09CuPCrNi khi khả năng chống ăn mòn trong khí quyển thông qua lớp gỉ sẽ làm giảm chi phí bảo trì vòng đời và môi trường phù hợp (không tiếp xúc với môi trường biển có hàm lượng clorua cao trừ khi có chỉ định). - Chọn Q345 khi đảm bảo cường độ chịu lực tối thiểu cao, tính khả dụng rộng rãi và chi phí vật liệu thấp là những ưu tiên cao hơn khả năng chống ăn mòn tự nhiên.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Câu hỏi 345
• Nhìn chung, sản phẩm này được bán rộng rãi ở Trung Quốc và trên thị trường quốc tế thông qua các sản phẩm tương đương. Chi phí mỗi tấn thường thấp hơn so với hợp kim chịu thời tiết đặc biệt vì đây là loại HSLA phổ biến với sản lượng lớn.
• Có sẵn ở dạng tấm, cuộn, hình dạng cấu trúc và mặt cắt hàn với chứng nhận nhà máy thống nhất.
• 09CuPCrNi
• Giá thành có thể cao hơn trên mỗi đơn vị khối lượng do việc bổ sung hợp kim (Cu, Ni, Cr) và các ứng dụng chuyên biệt. Tính khả dụng phụ thuộc vào nhà cung cấp và việc nhà sản xuất có cung cấp các sản phẩm chịu thời tiết chuyên biệt hay không; thời gian giao hàng có thể lâu hơn.
• Thường được cung cấp dưới dạng tấm hoặc linh kiện chế tạo cho các dự án kiến ​​trúc và cơ sở hạ tầng.

Mẹo mua sắm: Đánh giá tổng chi phí vòng đời (vật liệu + xử lý bề mặt + bảo trì) thay vì chỉ tính chi phí ban đầu. Trong nhiều ứng dụng ngoài trời, chi phí vật liệu cao hơn cho lớp phủ chống chịu thời tiết có thể được bù đắp bằng cách giảm chi phí sơn và bảo trì.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt

Thuộc tính	Câu hỏi 345	09CuPCrNi
Khả năng hàn	Tốt với các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn; có thể cần làm nóng trước đối với các phần dày	Nói chung là tốt vì hàm lượng carbon thấp, nhưng hàm lượng Cu đòi hỏi chất độn và quy trình tương thích
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất đảm bảo cao (345 MPa) và độ dẻo dai tốt thông qua TMCP	Độ dẻo dai và độ bền tốt; năng suất đảm bảo thấp hơn Q345 ở nhiều thông số kỹ thuật
Trị giá	Thấp hơn, có sẵn rộng rãi	Cao hơn mỗi tấn; hợp kim chịu thời tiết chuyên dụng

Khuyến nghị - Chọn 09CuPCrNi nếu: - Dự án được hưởng lợi từ việc giảm thiểu bảo trì và phát triển lớp gỉ bền vững (các công trình ngoài trời trong môi trường không phải biển). - Ưu tiên thiết kế là vẻ ngoài thẩm mỹ, bền lâu và bề mặt ổn định lâu dài mà không cần sơn lại thường xuyên. - Bạn có thể chấp nhận bảo hành cơ khí cụ thể của nhà cung cấp và chi phí vật liệu cao cấp tiềm năng.

• Chọn Q345 nếu:
• Nhiều dạng sản phẩm đều yêu cầu phải có giới hạn chảy cao hơn (345 MPa) và hiệu suất cơ học đồng nhất.
• Tiêu chí lựa chọn chủ yếu là chi phí, tính khả dụng rộng rãi và phương pháp chế tạo kết cấu tiêu chuẩn.
• Bạn sẽ bảo vệ thép bằng lớp phủ (mạ kẽm/sơn) và cần vật liệu kết cấu tiêu chuẩn, đã được kiểm chứng.

Ghi chú cuối cùng Luôn tham khảo chứng chỉ kiểm tra nhà máy và thông số kỹ thuật sản phẩm của nhà máy cung cấp để biết các giá trị hóa học và cơ học chính xác trước khi lựa chọn cuối cùng. Đối với kết cấu thép chịu thời tiết hàn, hãy xác nhận vật tư tiêu hao và quy trình hàn để duy trì cả hiệu suất cơ học và khả năng chống ăn mòn lâu dài.