BH180 so với BH220 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo, khả năng hàn, chi phí và tính khả dụng khi lựa chọn thép kết cấu. BH180 và BH220 là hai loại thép thương mại có mối quan hệ chặt chẽ, thường được so sánh khi thiết kế yêu cầu tấm hoặc dải kết cấu có độ bền từ thấp đến trung bình, trong đó khả năng định hình và chi phí là yếu tố quan trọng. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu có chi phí thấp hơn, dễ định hình hơn cho các cấu kiện kết cấu nhẹ so với vật liệu có độ bền cao hơn khi cần khả năng chịu tải lớn hơn hoặc tiết diện mỏng hơn.

Đặc điểm phân biệt chính giữa BH180 và BH220 là giới hạn chảy thiết kế của chúng: BH220 được chỉ định cho giới hạn chảy tối thiểu cao hơn BH180. Do giới hạn chảy chi phối ứng suất thiết kế cho phép, chiến lược chế tạo, và đôi khi cả các quy trình tạo hình nguội và ghép nối tiếp theo, nên các mác thép này thường được so sánh trong các thông số kỹ thuật thiết kế và sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung có các cấp độ dựa trên năng suất tương tự: các tiêu chuẩn quốc gia như GB (Trung Quốc), JIS (Nhật Bản), EN (Châu Âu) và ASTM/ASME (Hoa Kỳ). Tên cấp độ cụ thể và quy ước đánh số khác nhau tùy theo khu vực pháp lý; danh pháp "BH" thường gặp nhất trong các tiêu chuẩn châu Á và danh mục nhà cung cấp thép kết cấu cán nóng và cán nguội.
• Phân loại theo họ thép:
• BH180: thường là thép kết cấu cacbon hoặc thép hợp kim siêu nhỏ có độ bền từ thấp đến trung bình (không gỉ).
• BH220: thường là thép kết cấu cacbon hoặc thép hợp kim siêu nhỏ có độ bền trung bình (không gỉ).
• Đây không phải là thép công cụ, thép không gỉ hoặc thép hợp kim cao cấp; chúng thường được coi là thép kết cấu cacbon/hợp kim vi mô (tương tự như thép mềm hoặc HSLA tùy thuộc vào hàm lượng hợp kim vi mô).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần tiêu biểu thể hiện các nguyên tố thường được chỉ định cho thép kết cấu có độ bền từ thấp đến trung bình. Thành phần thực tế thay đổi tùy theo nhà cung cấp và tiêu chuẩn. Luôn kiểm tra với chứng chỉ vật liệu của nhà sản xuất.

Yếu tố	Phạm vi điển hình (wt%) — BH180	Phạm vi điển hình (wt%) — BH220
C	0,06–0,18	0,08–0,20
Mn	0,30–1,20	0,40–1,20
Si	0,02–0,40	0,02–0,40
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,30 (tùy chọn)	≤ 0,30 (tùy chọn)
Ni	≤ 0,30 (tùy chọn)	≤ 0,30 (tùy chọn)
Mo	≤ 0,10 (tùy chọn)	≤ 0,10 (tùy chọn)
V	vết–0,10 (biến thể hợp kim vi mô)	vết–0,10 (biến thể hợp kim vi mô)
Lưu ý	vết–0,06 (biến thể hợp kim vi mô)	vết–0,06 (biến thể hợp kim vi mô)
Ti	dấu vết (khử oxy/ổn định)	dấu vết (khử oxy/ổn định)
B	mức ppm nếu sử dụng	mức ppm nếu sử dụng
N	thường là ≤ 0,012	thường là ≤ 0,012

Ghi chú: - Đây là các dải hàm lượng tiêu biểu được sử dụng trong thép kết cấu cường độ thấp và trung bình. Các nguyên tố vi hợp kim như V, Nb, Ti có thể được thêm vào một cách có chủ đích ở mức thấp để kiểm soát kích thước hạt, độ bền kết tủa và độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon tương đương. - Hàm lượng cacbon cao hơn hoặc việc bổ sung Cr, Ni hoặc Mo một cách có chủ đích sẽ làm thay đổi cấp độ thép theo hướng thép hợp kim và thay đổi khả năng hàn và phản ứng xử lý nhiệt.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon: là yếu tố chính tạo nên độ cứng và độ bền; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Mangan: tăng độ bền và khả năng tôi luyện và bù đắp cho tính giòn của lưu huỳnh; quá nhiều mangan sẽ gây hại cho khả năng tạo hình. - Silic: chất khử oxy; một lượng nhỏ có thể làm tăng độ bền. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti): tinh luyện hạt và tăng cường kết tủa, cải thiện năng suất và độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon.

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

Cấu trúc vi mô điển hình sau khi xử lý cho các cấp BH: - BH180: thường là cấu trúc vi mô ferit-perlit ở trạng thái cán với hạt tương đối thô nếu không được hợp kim hóa vi mô; các biến thể hợp kim hóa vi mô cho thấy ferit mịn hơn với các cacbua/nitrit phân tán. - BH220: thường có gốc ferit-perlit tương tự nhưng có tỷ lệ pha được gia cường bằng công việc hoặc kết tủa lớn hơn (ví dụ, ferit mịn hơn, kết tủa phân tán nhiều hơn) thông qua thành phần (C/Mn cao hơn một chút) hoặc quá trình xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát.

Tác động của các tuyến xử lý chung: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô, cải thiện độ dẻo dai và đôi khi là độ bền ở mức độ vừa phải. Cả hai cấp độ đều được hưởng lợi từ việc chuẩn hóa nếu cần độ dẻo dai cao hơn. - Làm nguội và ram: thường không kinh tế hoặc không cần thiết đối với cấp BH; Q&T sẽ chuyển đổi các vật liệu này thành các cấu trúc vi mô ram đã làm nguội (martensite ram/bainit ram) có độ bền cao hơn nhiều và độ dẻo giảm so với mục đích cấp cấu trúc. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): thường được áp dụng cho BH220 để đạt được giới hạn chảy cao hơn thông qua quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh, tạo ra ferit tinh chế với độ bền kết tủa trong khi vẫn duy trì độ dẻo và độ dai.

Tóm lại, BH220 được sản xuất bằng hàm lượng hợp kim cao hơn một chút hoặc bằng TMCP mạnh hơn để đạt được giới hạn chảy cao hơn trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai và khả năng tạo hình chấp nhận được.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi đặc tính cơ học tiêu biểu của BH180 và BH220 ở các dạng sản phẩm thông thường (tấm/cuộn). Xác nhận giá trị thực tế từ chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy.

Tài sản	BH180 (điển hình)	BH220 (điển hình)
Cường độ chịu kéo tối thiểu được chỉ định (độ lệch 0,2%)	~180 MPa	~220 MPa
Độ bền kéo (Rm)	~300–420 MPa	~360–520 MPa
Độ giãn dài (A%)	~20–30%	~16–25%
Độ bền va đập (Charpy V-notch, điển hình ở nhiệt độ môi trường xung quanh)	Tốt; tùy thuộc vào độ dày/quy trình	Tương đương hoặc thấp hơn một chút nếu độ bền đạt được bằng hợp kim hoặc TMCP
Độ cứng (HB)	Thấp đến trung bình (~100–160 HB)	Trung bình (~130–190 HB)

Giải thích: - Độ bền: BH220 có giới hạn chảy quy định cao hơn và độ bền kéo thường cao hơn BH180, cho phép tạo ra các mặt cắt mỏng hơn với cùng tải trọng. - Độ dẻo và độ bền: BH180 có xu hướng dẻo hơn và dễ tạo hình hơn; BH220 có thể được thiết kế để duy trì độ dẻo tốt, nhưng các biến thể có độ bền cao hơn thường đánh đổi một số độ giãn dài để lấy năng suất. - Ý nghĩa thiết kế: Chọn BH220 khi cần khả năng chịu tải cao hơn hoặc giảm độ dày tiết diện; chọn BH180 khi ưu tiên tạo hình, uốn hoặc hấp thụ năng lượng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp (độ tôi) và lượng dư. Hai chỉ số thực nghiệm hữu ích:

• Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm đã sửa đổi (để đánh giá khả năng nứt nguội): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn ngụ ý khả năng hàn dễ hơn và nguy cơ nứt nguội do hydro thấp hơn. - BH180 thường có hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn BH220 nếu BH220 đạt được hiệu suất thông qua C/Mn cao hơn một chút hoặc hợp kim vi mô bổ sung; do đó, BH180 thường dễ hàn hơn mà không cần làm nóng trước. - Hợp kim vi mô (Nb, V) có thể làm tăng khả năng tôi luyện cục bộ và đòi hỏi các quy trình hàn được kiểm soát (nhiệt lượng đầu vào thấp hơn, gia nhiệt trước/sau) đối với các phần dày hơn. - Hướng dẫn thực hành: Đánh giá độ dày mối hàn, kiểm soát hydro và quy trình hàn; khi hàn BH220, cần cân nhắc đến việc gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và kết hợp vật liệu hàn phù hợp để tránh các cấu trúc vi mô HAZ giòn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả BH180 và BH220 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon. Việc tiếp xúc với môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn đòi hỏi phải bảo vệ bề mặt.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng để chống ăn mòn trong khí quyển.
• Lớp phủ/sơn hữu cơ dùng cho mục đích kiến ​​trúc hoặc gần biển (có chuẩn bị bề mặt phù hợp).
• Lớp phủ hoặc mạ trong môi trường có tính ăn mòn đặc biệt.
• PREN không áp dụng được vì đây không phải là loại thép không gỉ. Để đầy đủ, chỉ số PREN được sử dụng cho thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng điều này không áp dụng cho thép cacbon hợp kim thấp.
• Nếu cần khả năng chống ăn mòn trong thiết kế, hãy cân nhắc chuyển sang loại thép không gỉ phù hợp hoặc áp dụng lớp phủ thích hợp; những cân nhắc này sẽ ảnh hưởng mạnh đến chi phí vòng đời.

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

• Khả năng tạo hình: BH180 thường cho khả năng tạo hình nguội (uốn, kéo) tốt hơn do năng suất thấp hơn và độ giãn dài cao hơn. BH220 có thể tạo hình được nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn hoặc ủ trung gian để kéo sâu.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có thể gia công bằng dụng cụ tiêu chuẩn; độ bền cao hơn (BH220) có thể làm tăng độ mài mòn dụng cụ và lực cắt. Hãy chọn tốc độ cắt và bước tiến phù hợp với độ bền và độ cứng.
• Quy trình cắt và nhiệt: Cắt plasma, oxy-nhiên liệu và cắt laser thường được sử dụng; các phần BH220 dày hơn có thể cần điều chỉnh các thông số do độ bền cao hơn và dễ bị nứt nhiệt.
• Hoàn thiện bề mặt: BH180 có thể chấp nhận hoàn thiện bề mặt mịn hơn với chi phí thấp hơn một chút do dễ gia công hơn và độ cứng thấp hơn.

8. Ứng dụng điển hình

BH180 — Ứng dụng điển hình	BH220 — Ứng dụng điển hình
Các phần kết cấu nhẹ, chế tạo chung, tấm ốp bên trong ô tô, giá đỡ tải trọng thấp, khung nhẹ	Các thành phần kết cấu chịu tải trung bình, các thành phần khung gầm, khung yêu cầu năng suất cao hơn, các cấu trúc băng tải cần có kích thước mỏng hơn
Hàng tiêu dùng ưu tiên tính định hình và chi phí	Thiết bị nông nghiệp và xây dựng cần độ bền trên trọng lượng cao hơn
Các thành phần kiến ​​trúc được sơn hoặc mạ kẽm có tải trọng vừa phải	Các thành phần được hưởng lợi từ sức mạnh do TMCP tạo ra với độ dẻo dai được giữ lại (ví dụ: khung rơ moóc, các thành phần hỗ trợ tải trọng trung bình)

Cơ sở lựa chọn: - BH180: được chọn khi yêu cầu chính là tạo hình, hấp thụ năng lượng và chi phí; có thể sử dụng các phần dày hơn để đạt được độ bền. - BH220: được lựa chọn khi cần tiết kiệm trọng lượng, chịu được ứng suất cao hơn hoặc tiết diện mỏng hơn nhưng vẫn sử dụng thép cacbon/hợp kim siêu nhỏ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: BH220 thường đắt hơn BH180 một chút trên mỗi đơn vị khối lượng do quy trình xử lý cao hơn (TMCP) hoặc hợp kim cao hơn một chút; tuy nhiên, BH220 có thể giảm tổng chi phí bộ phận bằng cách giảm độ dày.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều phổ biến ở dạng tấm và dạng cuộn tại các thị trường khu vực sử dụng các tên gọi này; hình dạng sản phẩm chính xác và chiều rộng cuộn thay đổi tùy theo nhà máy và khu vực. BH180 hoặc các loại tương đương hầu như luôn có sẵn ở khắp mọi nơi; BH220 có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng tại một số thị trường tùy thuộc vào nhu cầu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	BH180	BH220
Khả năng hàn	Tốt hơn (lượng carbon tương đương thấp hơn trong nhiều trường hợp)	Tốt nhưng có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn đối với các phần dày hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất thấp hơn, độ dẻo cao hơn	Năng suất cao hơn, độ dẻo dai có thể tương tự nếu là TMCP; ít dẻo hơn
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn trên mỗi tấn	Chi phí vật liệu cao hơn trên mỗi tấn nhưng có thể giảm trọng lượng/chi phí của bộ phận

Khuyến nghị: - Chọn BH180 nếu bạn cần dễ dàng tạo hình và hàn, độ dẻo cao hơn và ứng dụng có thể chịu được giới hạn chảy thấp hơn—ví dụ: các bộ phận kết cấu nhẹ, các thành phần có hình dạng nặng và khi chi phí là yếu tố chính. - Chọn BH220 nếu bạn yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu cao hơn để giảm độ dày hoặc khối lượng của tiết diện trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai hợp lý—ví dụ: các bộ phận kết cấu chịu tải trọng trung bình, khung hoặc các ứng dụng mà việc tiết kiệm trọng lượng là quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: BH180 và BH220 là những lựa chọn dựa trên năng suất trong nhóm thép kết cấu cacbon và hợp kim vi mô rộng hơn. Đối với bất kỳ thiết kế quan trọng nào, hãy kiểm tra thành phần hóa học chính xác và chứng chỉ kiểm tra cơ học từ nhà cung cấp, xác nhận các tiêu chuẩn quốc gia hoặc tiêu chuẩn dự án hiện hành, và xác nhận quy trình hàn và tạo hình thông qua các thử nghiệm hoặc khuyến nghị của nhà cung cấp.