HC220 so với HC260 – 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 giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn thép kết cấu. HC220 và HC260 được so sánh khi các nhà thiết kế cần các giải pháp ít carbon, độ bền cao cho các kết cấu hàn, khung máy móc và các bộ phận định hình đòi hỏi sự cân bằng giữa độ dẻo và độ bền.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở mục tiêu thiết kế của chúng: HC260 được thiết kế hướng đến mức độ bền được đảm bảo cao hơn HC220, đạt được nhờ sự gia tăng nhẹ trong quá trình hợp kim hóa và kiểm soát quy trình. Sự khác biệt này dẫn đến sự khác biệt trong chiến lược hợp kim hóa vi mô, khả năng tôi cứng và hiệu suất mong đợi trong chế tạo và sử dụng, từ đó ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu cho các điều kiện tải, ghép nối và tạo hình cụ thể.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Cả HC220 và HC260 đều được phân loại tốt nhất là thép cường độ cao ít carbon (loại HSLA) thay vì thép công cụ hoặc thép không gỉ. Chúng thường được quy định trong các tiêu chuẩn quốc gia hoặc độc quyền thay vì các quy chuẩn quốc tế về thép không gỉ hoặc thép công cụ.

Các tiêu chuẩn và chỉ định chung liên quan đến thép cường độ cao có hàm lượng carbon thấp: - ASTM / ASME: Nhiều loại thép trong ASTM A572, A709, A588 (dành cho thép kết cấu và HSLA) cung cấp các cấp hiệu suất tương tự, mặc dù tên dòng HC thường là tên nhà cung cấp hoặc tên khu vực chứ không phải nhãn ASTM trực tiếp. - EN (Châu Âu): Họ EN 10025 (S235, S275, S355) bao gồm các loại thép kết cấu có các cấp độ bền kéo xác định; thép HSLA thường được chỉ định theo tiêu chuẩn EN hoặc thông số kỹ thuật độc quyền dựa trên EN. - JIS (Nhật Bản): JIS G3101 và các tiêu chuẩn liên quan áp dụng cho thép kết cấu; có các biến thể HSLA cụ thể. - GB (Trung Quốc): Tiêu chuẩn GB/T bao gồm nhiều loại thép kết cấu và thép HSLA; danh pháp HC có thể xuất hiện trong thông lệ công nghiệp hoặc danh mục nhà cung cấp. - Thông số kỹ thuật độc quyền/của nhà cung cấp: Nhiều nhà sản xuất sử dụng nhãn HCxxx nội bộ để xác định các cấp độ bền tối thiểu được đảm bảo.

Phân loại: cả HC220 và HC260 đều là thép HSLA/thép ít carbon có độ bền cao (không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép nhiều carbon).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lưu ý: Thành phần khối lượng riêng thay đổi tùy theo nhà cung cấp và thông số kỹ thuật. Bảng dưới đây tóm tắt xu hướng hợp kim so sánh thay vì số liệu tuyệt đối - luôn tham khảo giấy chứng nhận nhà máy để biết thành phần chính xác.

Yếu tố	HC220 (chiến lược điển hình)	HC260 (chiến lược điển hình)
C	Thấp (để duy trì khả năng hàn và độ dẻo)	Thấp–cao hơn một chút (để tăng độ bền trong khi vẫn giữ được khả năng hàn ở mức chấp nhận được)
Mn	Trung bình (yếu tố tăng cường chính)	Trung bình – cao hơn (để tăng cường độ và khả năng làm cứng)
Si	Thấp-trung bình (khử oxy, tăng cường vừa phải)	Thấp-trung bình
P	Kiểm soát thấp (còn lại)	Kiểm soát thấp
S	Kiểm soát mức thấp (cải thiện mục tiêu khả năng gia công)	Kiểm soát thấp
Cr	Tối thiểu đến trung bình (nếu sử dụng để làm cứng)	Cao hơn một chút nếu cần tăng độ cứng
Ni	Nói chung là thấp/không có	Thấp/không có (chỉ có trong các biến thể đặc biệt)
Mo	Thông thường thấp/không có	Có thể có mặt với số lượng nhỏ để tăng khả năng làm cứng/độ dẻo dai
V	Có thể tạo hợp kim vi mô (kết tủa để tăng cường độ)	Có nhiều khả năng hợp kim hóa vi mô (V, Nb, Ti) làm tăng cường độ chịu kéo
Lưu ý	Có thể hợp kim hóa vi mô để tinh chế hạt	Có thể hợp kim hóa vi mô, đặc biệt là trong các biến thể được xử lý bằng nhiệt cơ học
Ti	Được sử dụng một cách tiết kiệm để khử oxy hóa / kết tủa	Sử dụng tiết kiệm để kiểm soát kích thước hạt
B	Hiếm nhưng hiệu quả ở ppm nhỏ để tăng khả năng làm cứng	Thỉnh thoảng được sử dụng ở mức ppm rất thấp cho các biến thể có cường độ cao hơn
N	Được kiểm soát (hạn chế tác động của nitrua)	Được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Hàm lượng carbon thấp giúp duy trì khả năng hàn và độ dẻo nhưng hạn chế độ bền nếu chỉ dựa vào carbon. - Mangan cung cấp khả năng gia cường dung dịch rắn và cùng với C, ảnh hưởng đến khả năng tôi và độ dẻo dai. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) là những chiến lược phổ biến để tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình làm cứng kết tủa và tinh luyện hạt mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Mo hoặc Cr có thể làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền ở nhiệt độ cao; tuy nhiên, nếu bổ sung với lượng lớn hơn, chúng có thể làm giảm khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý:

HC220: - HC220 cán hoặc chuẩn hóa có xu hướng thể hiện ferit-pearlit hoặc ferit với các kết tủa hợp kim vi mô phân tán. Sự chiếm ưu thế của ferit mang lại độ dẻo và độ dai tốt ở nhiệt độ phòng. - Quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) có thể tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc bainit/ferrit với các kết tủa mịn, tăng độ bền mà không làm giảm độ dẻo dai. - HC220 thường không cần phải làm nguội và ram; nếu áp dụng, nó sẽ tạo ra martensite ram có độ bền cao hơn nhưng chi phí cũng cao hơn.

HC260: - Cấu trúc vi mô tương tự nhưng có tỷ lệ bainite hoặc ferrite hạt mịn cao hơn do tăng cường hợp kim hóa vi mô và cán có kiểm soát. Điều này mang lại độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn. - TMCP và làm mát có kiểm soát thường được sử dụng nhiều hơn để đạt được lớp HC260, tối ưu hóa mật độ sai lệch và tăng cường lượng mưa. - Làm nguội và ram là một lựa chọn cho các biến thể đặc biệt để đạt được mức độ bền cao hơn, nhưng ký hiệu HC thường dùng để chỉ các sản phẩm được cán hoặc chuẩn hóa với độ bền đạt được thông qua quá trình thành phần và xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát.

Tác dụng của phương pháp điều trị: - Chuẩn hóa cải thiện độ dẻo dai bằng cách đồng nhất cấu trúc vi mô và tinh chỉnh kích thước hạt. - TMCP cung cấp độ bền cao với độ dẻo dai tốt bằng cách kết hợp biến dạng với làm nguội có kiểm soát để tạo thành bainite/ferrite mịn và kết tủa ổn định. - Làm nguội và ram tạo ra độ bền cao nhất và độ dẻo dai vừa phải nhưng làm giảm khả năng hàn và tăng nguy cơ biến dạng.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp góc nhìn so sánh định tính. Tính chất cơ học chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật, độ dày và quy trình chế tạo; hãy tham khảo báo cáo thử nghiệm tại nhà máy để mua hàng.

Tài sản	HC220	HC260
Độ bền kéo	Thấp hơn (nhắm mục tiêu vào lớp ~HC220)	Cao hơn (dành cho lớp ~HC260)
Cường độ chịu kéo	Thấp hơn (dễ hình thành hơn, ứng suất dư thấp hơn)	Cao hơn (khả năng chịu tải tốt hơn)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn (dẻo hơn)	Thấp hơn (giảm nhưng vẫn chấp nhận được đối với HSLA)
Độ bền va đập	Tốt (đặc biệt khi TMCP/chuẩn hóa)	Tốt, nhưng có thể thấp hơn một chút ở độ dày tương đương nếu cường độ được tăng lên
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn

Tại sao HC260 bền hơn nhưng có thể kém dẻo hơn: - HC260 thường sử dụng hàm lượng hợp kim vi mô cao hơn một chút, cấu trúc vi mô được tinh chế, và có thể có hàm lượng Mn hoặc các nguyên tố có độ cứng vết cao hơn, giúp tăng hiệu suất và độ bền kéo. Điều này dẫn đến độ giãn dài đồng đều và tổng thể thấp hơn so với HC220, và—trừ khi TMCP và các kết tủa mịn được tối ưu hóa—có thể làm giảm độ bền va đập một chút.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được quyết định bởi hiệu ứng tương đương cacbon và độ cứng. Hai biện pháp thực nghiệm hữu ích:

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Công thức Pcm (thận trọng hơn đối với thép dùng trong nồi hơi và bình chịu áp suất): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả HC220 và HC260 đều được thiết kế với hàm lượng carbon thấp để giữ $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ ở mức thấp, cho phép hàn tốt với các kim loại hàn thông thường và các phương pháp gia nhiệt trước. - Hàm lượng hợp kim và vi hợp kim cao hơn một chút của HC260 làm tăng khả năng tôi cứng và do đó làm tăng nguy cơ bị cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt nguội nếu các thông số hàn không được kiểm soát. Điều này có thể đòi hỏi nhiệt độ nung nóng trước hoặc nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát cao hơn một chút so với HC220, đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn. - Sử dụng điện cực có hàm lượng hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) hoặc làm mát có kiểm soát là phương pháp phổ biến đối với HC260 trong các kết cấu hàn quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả HC220 và HC260 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào lớp phủ và bảo vệ bề mặt.
• Các phương pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm nhúng nóng, sơn (hệ thống epoxy, polyurethane), bảo vệ catốt khi có thể, và hợp kim chịu thời tiết để có khả năng chịu được kiểu Corten (nếu hợp kim được pha chế theo công thức đặc biệt).
• Chỉ số PREN (khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép HSLA không phải thép không gỉ này. Đối với các loại thép không gỉ, chỉ số sẽ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lựa chọn cho môi trường ăn mòn nên ưu tiên các tùy chọn thép không gỉ hoặc thép phủ; thép HC phù hợp với môi trường kết cấu chung có khả năng bảo vệ bề mặt phù hợp.

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

• Khả năng tạo hình: HC220, với giới hạn chảy thấp hơn và độ dẻo cao hơn, dễ uốn, tạo hình nguội và kéo hơn. HC260 yêu cầu lực tạo hình cao hơn và có thể cần bán kính uốn lớn hơn để tránh nứt.
• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều gia công tương tự nhau khi hàm lượng cacbon thấp; độ bền và tốc độ làm cứng cao hơn của HC260 có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ và yêu cầu điều chỉnh các thông số cắt.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có thể được mài, phun bi và sơn tiêu chuẩn. Khi mạ kẽm, HC260 có thể cần lưu ý đến hiện tượng biến dạng hoặc hấp thụ hydro nếu sử dụng phương pháp tẩy gỉ trước khi mạ.
• Ứng suất dư và lực đàn hồi: Rõ rệt hơn ở HC260 do cường độ chịu kéo cao hơn; kiểm soát quy trình rất quan trọng đối với các thành phần có độ chính xác.

8. Ứng dụng điển hình

HC220 (công dụng điển hình)	HC260 (công dụng điển hình)
Các thành phần kết cấu chế tạo cần có khả năng hàn và tạo hình tốt (khung, giá đỡ)	Các thành phần cấu trúc đòi hỏi khả năng chịu tải cao hơn (khung nặng, cần cẩu, bộ phận khung gầm)
Các bộ phận máy móc chịu tải trung bình và các phần được tạo hình nguội	Khung phụ ô tô có độ bền cao, liên kết chịu tải trọng cao và các bộ phận chịu tải
Các cụm hàn chung có độ nhạy về chi phí	Các ứng dụng cần giảm độ dày của phần để tiết kiệm trọng lượng
Các yếu tố kết cấu được bảo vệ chống ăn mòn (mạ kẽm hoặc sơn)	Các chế tạo ưu tiên độ bền trên trọng lượng cao hơn và có các biện pháp kiểm soát quá trình

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HC220 khi ưu tiên tính dễ tạo hình, chi phí và khả năng hàn hơn là độ bền tối đa trên mỗi mặt cắt ngang. - Chọn HC260 khi cường độ cao hơn cho phép giảm tiết diện hoặc khi tải trọng dịch vụ đòi hỏi hiệu suất chịu kéo/giới hạn cao hơn và khi phương pháp chế tạo có thể giảm thiểu những thách thức về hàn/làm cứng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: HC260 thường có giá cao hơn HC220 do hàm lượng hợp kim tăng lên, quy trình xử lý nghiêm ngặt hơn (TMCP hoặc kiểm soát nhiệt cơ học) và đảm bảo tính chất chặt chẽ hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn tại các nhà máy thép quốc gia và chuyên dụng, nhưng tính khả dụng phụ thuộc vào nguồn cung cấp tại từng khu vực và các dạng sản phẩm phổ biến (tấm, cuộn, lá). Thép loại HC220 thường phổ biến hơn; HC260 có thể phổ biến hơn ở dạng tấm dày hơn hoặc dưới dạng mác thép có thương hiệu.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai đều có dạng tấm cán nóng, tấm cán nguội (mỏng hơn) và dạng cuộn; các dạng sản phẩm nặng hơn thường yêu cầu thời gian đặt hàng để đảm bảo tính chất cơ học cụ thể.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chuẩn	HC220	HC260
Khả năng hàn	Tốt hơn (dễ hàn hơn, nguy cơ cứng hóa vùng HAZ thấp hơn)	Tốt, nhưng cần kiểm soát mối hàn tốt hơn (quản lý mối hàn trước/giữa các đường hàn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt ở mức độ vừa phải	Độ bền cao hơn với độ dẻo giảm nhẹ; độ dẻo dai có thể được giữ lại nhờ quá trình xử lý được tối ưu hóa
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn HC220 nếu: - Việc chế tạo đòi hỏi phải tạo hình rộng hoặc bán kính uốn cong chặt chẽ. - Khả năng hàn tối đa và thời gian gia nhiệt trước/PWHT tối thiểu là ưu tiên hàng đầu. - Độ nhạy về chi phí và hiệu suất kết cấu tiêu chuẩn là những động lực chính.

• Chọn HC260 nếu:
• Năng suất và độ bền kéo cao hơn trên một đơn vị diện tích giúp giảm trọng lượng hoặc đáp ứng nhu cầu tải trọng cao hơn.
• Môi trường chế tạo có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát hàn thích hợp (làm nóng trước, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp) và quá trình mua sắm chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút.
• Thiết kế đòi hỏi vật liệu HSLA bền hơn nhưng vẫn duy trì hàm lượng carbon thấp để có khả năng hàn hợp lý.

Lưu ý cuối cùng: HC220 và HC260 là những lựa chọn cân bằng về mặt thiết kế trong dòng thép cường độ cao ít cacbon. Luôn kiểm tra chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy, các đặc tính phụ thuộc vào độ dày và lịch sử xử lý nhiệt/gia công của nhà cung cấp trước khi lựa chọn cuối cùng. Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy thực hiện đánh giá quy trình hàn và xem xét thử nghiệm độ bền vết khía ở nhiệt độ làm việc dự kiến.