HX300LAD so với HX420LAD – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

HX300LAD và HX420LAD là hai loại thép hợp kim thấp (HSLA) cường độ cao thường được chỉ định cho các ứng dụng kết cấu và chịu lực, đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa các loại thép này: chọn loại thép cường độ thấp hơn để dễ tạo hình, độ dẻo dai tốt hơn và chi phí thấp hơn, hoặc chọn loại thép cường độ cao hơn để giảm trọng lượng và kích thước chi tiết, đồng thời giảm yêu cầu chế tạo khắt khe hơn một chút.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại thép này nằm ở mục tiêu thiết kế về giới hạn chảy tối thiểu và chiến lược hợp kim hóa/làm cứng liên quan được sử dụng để đạt được mục tiêu đó. HX300LAD được tối ưu hóa cho giới hạn chảy tối thiểu thấp hơn, tập trung vào độ dẻo và khả năng hàn; HX420LAD được thiết kế để mang lại giới hạn chảy tối thiểu cao hơn thông qua quá trình hợp kim hóa vi mô được kiểm soát và xử lý nhiệt cơ học trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn hữu ích.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung quy định cấp độ tấm HSLA (tiêu chuẩn tương đương và tiêu chuẩn khu vực khác nhau tùy theo nhà cung cấp): ASTM/ASME, EN (Châu Âu), JIS (Nhật Bản) và GB (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc).
• HX300LAD — phân loại: thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao (HSLA).
• HX420LAD — phân loại: thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) với mục tiêu giới hạn chảy tối thiểu cao hơn.
• Lưu ý: Chỉ định chính xác, giới hạn hóa chất và các đặc tính cơ học được đảm bảo có thể khác nhau tùy theo nhà máy và tiêu chuẩn hoặc bảng dữ liệu cụ thể. Luôn luôn xác nhận với giấy chứng nhận của nhà máy.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dòng thép HX***LAD đạt được độ bền chủ yếu nhờ hàm lượng carbon thấp cộng với việc bổ sung hợp kim vi lượng (niobi, vanadi, titan, đôi khi là bo) và hàm lượng Mn/Si được kiểm soát. Bảng dưới đây thể hiện các dải thành phần tiêu biểu thường được sử dụng cho thép HSLA trong dải độ bền này; người dùng nên tham khảo chứng chỉ nhà máy để biết giá trị chính xác.

Yếu tố	Phạm vi điển hình trong HX300LAD (wt%)	Phạm vi điển hình trong HX420LAD (wt%)
C	0,03 – 0,12	0,05 – 0,15
Mn	0,6 – 1,6	0,8 – 1,8
Si	0,10 – 0,50	0,10 – 0,50
P	≤ 0,025 (tối đa)	≤ 0,025 (tối đa)
S	≤ 0,010–0,015 (tối đa)	≤ 0,010–0,015 (tối đa)
Cr	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,10 (vết)	≤ 0,10 (vết)
V (vanadi)	0,01 – 0,12 (hợp kim siêu nhỏ)	0,02 – 0,12 (hợp kim siêu nhỏ)
Nb (niobi)	0 – 0,06 (hợp kim siêu nhỏ)	0,01 – 0,08 (hợp kim siêu nhỏ)
Ti (titan)	≤ 0,03 (hợp kim siêu nhỏ)	≤ 0,03 (hợp kim siêu nhỏ)
B (bo)	0 – 0,0015 (ppm)	0 – 0,0015 (ppm)
N (nitơ)	0,004 – 0,018	0,004 – 0,018

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Hàm lượng carbon thấp giúp duy trì khả năng hàn và độ dẻo ở mức chấp nhận được. - Mn và Si làm tăng độ bền thông qua dung dịch rắn và quá trình khử oxy; Mn dư thừa làm tăng khả năng tôi cứng. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm mịn kích thước hạt, thúc đẩy quá trình gia cường kết tủa và tăng hiệu quả gia cường mà không cần hàm lượng carbon cao—đây là trọng tâm của chiến lược HSLA. - Việc bổ sung một lượng nhỏ boron có thể làm tăng khả năng tôi luyện ở các phần mỏng, tạo ra độ bền cao hơn với lượng cacbon hạn chế.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả HX300LAD và HX420LAD thường được cung cấp ở dạng cán, chuẩn hóa hoặc cán nhiệt cơ học, tạo ra chủ yếu ferit-perit hoặc ferit có thành phần bainit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. - HX300LAD thường nhấn mạnh ferit đa giác mịn với các kết tủa hợp kim vi mô phân tán để tối đa hóa độ dẻo và độ dai. - HX420LAD thường hướng đến sự kết hợp giữa ferit tinh chế và các phần bainit/martensite được kiểm soát trong các phần mỏng hoặc sau khi làm nguội nhanh để đạt được giới hạn chảy cao hơn.

Tác động của các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa làm mịn hạt và mang lại độ bền và độ dẻo dai cân bằng; thường được sử dụng khi cần cải thiện độ dẻo dai. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) cùng với làm mát tăng tốc thúc đẩy quá trình kết tủa hợp kim vi mô và chuyển đổi có kiểm soát để tăng cường độ bền cho thép mà không cần tôi-ram. - Quá trình tôi và ram thường không được áp dụng cho các loại thép HSLA cán này vì chi phí cao hơn và có thể làm giảm khả năng hàn; tuy nhiên, đối với các ứng dụng đặc biệt cần độ dẻo dai rất cao ở cường độ cao, có thể áp dụng phương pháp Q&T cho hóa chất tương tự nhưng sau đó được phân loại lại.

4. Tính chất cơ học

Tên gọi cho biết giới hạn chảy tối thiểu theo thiết kế (MPa) của chúng. Bảng dưới đây đưa ra các kỳ vọng về đặc tính cơ học mang tính đại diện; giá trị thực tế được đảm bảo phụ thuộc vào tiêu chuẩn, độ dày và quá trình xử lý nhiệt của nhà máy.

Tài sản	HX300LAD (điển hình)	HX420LAD (điển hình)
Độ bền kéo tối thiểu	~300 MPa (theo chỉ định)	~420 MPa (theo chỉ định)
Độ bền kéo (phạm vi điển hình)	420 – 560 MPa	520 – 680 MPa
Độ giãn dài (A%) (điển hình)	20 – 26%	16 – 24%
Độ bền va đập (CVN)	Độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh và dưới 0 độ (tùy thuộc vào độ dày)	Độ dẻo dai tốt nhưng có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn về độ dày/xử lý để chịu được tác động ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (HB) (điển hình)	120 – 180 HB (thay đổi tùy theo dạng sản phẩm)	160 – 240 HB (thay đổi tùy theo dạng sản phẩm)

Giải thích: - HX420LAD được thiết kế chắc chắn hơn (độ bền kéo và độ dẻo cao hơn); đổi lại là độ dẻo dai giảm đi một chút và có khả năng nhạy cảm hơn với độ dày của mặt cắt và tốc độ làm nguội để tăng độ bền va đập. - Cả hai loại đều có độ dẻo dai hữu ích khi được sản xuất và xử lý để đáp ứng các thông số kỹ thuật của nhà cung cấp; hợp kim vi mô và TMCP cho phép có độ bền cao hơn với độ dẻo dai được giữ nguyên so với thép có hàm lượng cacbon cao.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương, khả năng tôi và hợp kim vi mô. Các công thức thực nghiệm hữu ích bao gồm lượng cacbon tương đương IIW và Pcm để đánh giá khả năng nứt nguội:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại thép này đều có hàm lượng cacbon thấp so với thép cacbon, giúp tăng khả năng hàn. HX300LAD thường có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn HX420LAD, cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn và yêu cầu gia nhiệt trước thấp hơn trong nhiều trường hợp. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V) và hàm lượng Mn cao hơn một chút trong HX420LAD làm tăng khả năng tôi cứng và có thể làm tăng nguy cơ nứt nguội ở các phần dày hoặc khi có sự hạn chế cao trừ khi sử dụng các phương pháp hàn trước/sau gia nhiệt và hàm lượng hydro thấp thích hợp. - Khuyến nghị: đánh giá chất lượng quy trình hàn (WPQ), kiểm soát hydro (chọn vật tư tiêu hao có hàm lượng H thấp) và áp dụng gia nhiệt trước/gia nhiệt sau theo hướng dẫn của độ dày vật liệu và $P_{cm}$ đã tính toán.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả HX300LAD và HX420LAD đều không phải là loại thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon hợp kim thấp.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm (nhúng nóng hoặc điện phân), lớp phủ hữu cơ (epoxy, polyurethane), mạ kim loại và hệ thống sơn lót/lớp phủ hoàn thiện. Đối với môi trường biển hoặc môi trường ăn mòn cao, hãy chỉ định hệ thống sơn phủ phù hợp và cân nhắc sử dụng phương pháp bảo vệ catốt hy sinh nếu có thể.
• Chỉ số PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép không gỉ. Nếu cần thép không gỉ hoặc khả năng chịu thời tiết, hãy chọn hợp kim chống ăn mòn phù hợp thay vì loại HSLA.

Ví dụ về chỉ số thép không gỉ (không áp dụng ở đây): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

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

• Khả năng định hình: HX300LAD dễ tạo hình nguội và uốn cong hơn do giới hạn chảy thấp hơn và độ giãn dài nhìn chung cao hơn. Độ đàn hồi thấp hơn và bán kính uốn tối thiểu nhỏ hơn so với HX420LAD.
• Khả năng gia công: Cả hai đều có thể gia công bằng dụng cụ tiêu chuẩn; HX420LAD có thể kém khả năng gia công hơn một chút do độ bền cao hơn và khả năng kết tủa hợp kim vi mô. Tuổi thọ dụng cụ và lực cắt sẽ cao hơn trên HX420LAD.
• Cắt (nhiệt hoặc cơ học): HX420LAD có thể yêu cầu kiểm soát nhiệt chặt chẽ hơn (để tránh cứng ở các cạnh cắt) và công suất cao hơn một chút đối với các thông số cắt cắt plasma/oxy hoặc laser.
• Chuẩn bị bề mặt và hoàn thiện: cả hai đều chấp nhận xử lý bề mặt tiêu chuẩn; vùng hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt trong HX420LAD cần được chú ý để tránh đạt đỉnh độ cứng.

8. Ứng dụng điển hình

HX300LAD – Công dụng điển hình	HX420LAD – Công dụng điển hình
Tấm kết cấu chung, mặt cắt tòa nhà, khung máy móc hạng nhẹ, thân xe tải	Các thành phần kết cấu nặng hơn, cần cẩu, cần trục máy xúc, các bộ phận khung gầm khi cần giảm tiết diện
Cầu có nhu cầu tải trọng vừa phải và khả năng tạo hình là quan trọng	Các bộ phận máy móc hạng nặng, kết cấu hàn có nhu cầu tải trọng cao và hạn chế về trọng lượng/tiết diện
Các phần được tạo hình nguội và các cụm lắp ráp chế tạo đòi hỏi độ dẻo tốt	Các ứng dụng có cường độ chịu kéo cao cho phép tiết kiệm độ dày và trọng lượng của thép

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HX300LAD khi độ dẻo cao hơn, dễ tạo hình hơn và chi phí vật liệu thấp hơn là ưu tiên hàng đầu. - Chọn HX420LAD khi cần tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn hoặc độ dày tiết diện giảm và có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát chế tạo/hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: HX420LAD thường đắt hơn tính theo tấn so với HX300LAD do kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn, hợp kim hóa và chế biến vi mô (TMCP) bổ sung và có khả năng cho năng suất trên một đơn vị trọng lượng thấp hơn do chi phí chế biến cao hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn tại các nhà máy cán thép tấm lớn; HX300LAD có tính khả dụng rộng hơn với các dạng sản phẩm tiêu chuẩn và phạm vi độ dày, trong khi tính khả dụng của HX420LAD có thể hạn chế hơn ở các kích thước tấm rất dày hoặc độ cứng cụ thể tùy thuộc vào nhà máy.
• Mẹo mua sắm: Đối với các dự án có nhu cầu về khối lượng lớn, hãy liên hệ với nhà máy sớm để xác minh thời gian giao hàng và xác nhận giấy chứng nhận thử nghiệm của nhà máy (hóa học và cơ học).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	HX300LAD	HX420LAD
Khả năng hàn	Rất tốt (CE thấp hơn)	Tốt, nhưng hơi nhạy cảm hơn với độ dày và nhiệt độ làm nóng trước
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt với độ dẻo cao hơn	Độ bền cao hơn với độ dẻo dai được thiết kế; cần kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn
Khả năng định hình	Tốt hơn	Đủ nhưng đòi hỏi nhiều hơn

Sự giới thiệu: - Chọn HX300LAD nếu bạn cần thép HSLA tiết kiệm chi phí, có độ dẻo tốt, dễ tạo hình và hàn, đồng thời có giới hạn chảy ~300 MPa đáp ứng các yêu cầu về kết cấu. - Chọn HX420LAD nếu bạn yêu cầu độ bền kéo cao hơn (~420 MPa) để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện và kế hoạch chế tạo của bạn có thể đáp ứng được độ cứng cao hơn một chút và các điều khiển nhiệt/hàn liên quan.

Lưu ý cuối cùng: Thành phần chính xác và chế độ bảo hành cho HX300LAD và HX420LAD phụ thuộc vào nhà máy cung cấp và thông số kỹ thuật của hợp đồng. Để lựa chọn vật liệu cuối cùng, vui lòng yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy, xem xét dữ liệu cơ học phụ thuộc vào độ dày và thực hiện thẩm định quy trình hàn theo yêu cầu cho việc lắp ráp hoàn thiện và điều kiện vận hành.