L390 so với L415 – 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 đối mặt với những đánh đổi khi lựa chọn mác thép: cường độ cao hơn thường xung đột với tính dễ chế tạo và hàn, trong khi khả năng hàn tốt hơn có thể hạn chế cường độ tối đa hoặc khả năng chống mài mòn có thể đạt được. L390 và L415 được ghép đôi trong nhiều cuộc thảo luận về lựa chọn vì chúng chiếm vị trí liền kề trong phổ thép kết cấu hợp kim thấp và thép công cụ, nơi các nhà thiết kế cân bằng giữa cường độ cung cấp và tính tiện lợi trong chế tạo.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này là sự cân bằng giữa độ bền/khả năng tôi tối đa có thể đạt được và tính dễ hàn/chế tạo. L415 thường được chỉ định khi cần độ bền và khả năng tôi xuyên suốt chiều dày cao hơn, trong khi L390 thường được ưu tiên khi ưu tiên khả năng hàn, độ dẻo dai và xử lý nhiệt đơn giản hơn. Do quy ước đặt tên và thành phần hóa học chính xác có thể thay đổi tùy theo tiêu chuẩn hoặc nhà cung cấp, người dùng nên xác nhận chứng chỉ nhà máy và các tiêu chuẩn áp dụng cho bất kỳ giao dịch mua cụ thể nào.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung để kiểm tra cả hai loại: EN (Tiêu chuẩn Châu Âu), ASTM/ASME (Mỹ), JIS (Nhật Bản) và các tiêu chuẩn quốc gia như GB (Trung Quốc). Không phải tất cả các tiêu chuẩn đều sử dụng nhãn L390/L415 chính xác; chúng có thể là tên thương mại hoặc tên thương mại được liên kết với các số hiệu tiêu chuẩn tương đương.
• Phân loại:
• L390 — thường được coi là thép kết cấu hoặc thép kỹ thuật hợp kim thấp; đôi khi được sử dụng trong các ứng dụng tạo dao/dụng cụ/tạo hình khi cần độ dẻo dai cân bằng và độ bền vừa phải.
• L415 — thường là thép hợp kim thấp có độ bền cao hơn hoặc biến thể có độ cứng cao hơn được sử dụng khi cần độ bền kéo/giới hạn chảy lớn hơn hoặc độ cứng sâu hơn.
• Loại: Cả hai đều không phải là thép không gỉ (trừ khi được chỉ định rõ ràng trong thông số kỹ thuật của nhà cung cấp); cả hai đều là thép hợp kim thấp hoặc thép vi hợp kim, không phải thép công cụ thông thường hoặc thép không gỉ. Hãy xác nhận xem loại thép đang đề cập là thép kết cấu hợp kim, thép công cụ biến thể hay sản phẩm đặc biệt từ một nhà máy cụ thể.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt định tính chiến lược hợp kim điển hình. Thành phần chính xác thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật và nhà sản xuất; hãy tham khảo thông số kỹ thuật vật liệu thực tế và chứng nhận thử nghiệm nhà máy để mua sắm hoặc thiết kế.

Yếu tố	Mức độ điển hình (tương đối)	Vai trò và tác dụng chức năng
C (Cacbon)	L390: thấp–trung bình	Cung cấp độ bền và khả năng làm cứng; C cao hơn làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai.
C (Cacbon)	L415: trung bình–cao hơn	Hàm lượng cacbon tăng lên giúp tăng cường độ bền và độ cứng khi tôi; đòi hỏi kiểm soát mối hàn chặt chẽ hơn.
Mn (Mangan)	L390: trung bình	Cải thiện độ bền và khả năng làm cứng; góp phần vào khả năng khử oxy và kéo giãn.
Mn	L415: trung bình–cao	Hàm lượng Mn cao hơn hỗ trợ khả năng làm cứng và độ bền kéo; có thể làm tăng nguy cơ nứt nguội nếu không được nung nóng trước.
Si (Silic)	Cả hai: thấp–trung bình	Chất khử oxy; góp phần tăng cường độ bền; hàm lượng Si quá nhiều có thể làm giảm khả năng hàn của một số kim loại phụ.
P (Phốt pho)	Cả hai: kiểm soát thấp	Độ tạp chất — giữ ở mức thấp để tránh bị giòn.
S (Lưu huỳnh)	Cả hai: kiểm soát rất thấp	Độ tạp chất — giữ ở mức thấp; các loại gia công tự do có thể có S cao hơn (không điển hình ở đây).
Cr (Crom)	L390: thấp–trung bình	Tăng khả năng làm cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn; một lượng nhỏ bổ sung sẽ cải thiện phản ứng ram.
Cr (Crom)	L415: trung bình–cao hơn	Tăng cường khả năng làm cứng và độ bền nhiệt cao hơn; góp phần làm giảm khả năng hàn ở hàm lượng cao hơn.
Ni (Niken)	L390: có thể thấp	Cải thiện độ dẻo dai và độ dai khi có mặt.
Ni (Niken)	L415: thấp–trung bình	Được sử dụng khi cần độ dẻo dai ở cường độ cao hơn.
Mo (Molypden)	L390: thấp	Tăng khả năng làm cứng và duy trì độ bền ở nhiệt độ cao.
Mo (Molypden)	L415: trung bình	Tăng cường khả năng làm cứng và cho phép cường độ tôi cao hơn; có thể làm giảm khả năng hàn nếu không có quá trình làm nóng trước thích hợp.
V/Nb/Ti (hợp kim vi mô)	L390: hợp kim vi mô có thể xảy ra	Làm mịn hạt và tăng cường kết tủa; cải thiện độ dẻo dai và độ bền mà không có quá nhiều cacbon.
V/Nb/Ti	L415: hợp kim vi mô có thể xảy ra	Được sử dụng để tăng cường độ bền và kiểm soát kích thước hạt; giúp đạt được độ bền cao hơn với độ dẻo dai được kiểm soát.
B (Bo)	Cả hai: dấu vết, nếu có	Lượng bổ sung rất nhỏ làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện; nếu có thì có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hàn.
N (Nitơ)	Cả hai: được kiểm soát	Nguyên tố hợp kim/tác nhân tạo màng — được kiểm soát về độ dẻo dai và hành vi tạo nitrua.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: Các nguyên tố làm tăng độ cứng (Cr, Mo, Mn, B, và đôi khi là Ni) cho phép chuyển biến martensitic sâu hơn trong quá trình tôi và do đó tăng cường độ bền xuyên suốt ở các tiết diện dày hơn. Các nguyên tố vi hợp kim (V, Nb, Ti) cho phép gia cường hạt mịn và độ dẻo dai tốt mà không cần hàm lượng cacbon quá cao, cải thiện tỷ lệ độ bền trên độ dẻo dai. Tuy nhiên, độ cứng cao hơn và các nguyên tố cacbon tương đương thường làm giảm khả năng hàn và tăng yêu cầu gia nhiệt trước/xuyên lớp để tránh nứt.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• L390: Sau các chu kỳ chuẩn hóa hoặc tôi và ram, L390 có xu hướng cho thấy nền martensitic hoặc bainit ram với các hạt austenit tiền hợp kim tương đối mịn khi được vi hợp kim hóa. Điều này tạo ra độ dai cân bằng với độ bền vừa phải.
• L415: có xu hướng tạo thành tỷ lệ martensite hoặc bainit ở nhiệt độ thấp hơn sau khi tôi, đặc biệt là ở các phần dày hơn hoặc khi tôi để tăng độ cứng. Việc kiểm soát kích thước hạt austenit trước và ram là rất quan trọng để đạt được độ dẻo dai chấp nhận được.
• Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng:
• Chuẩn hóa: cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa để tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó; L390 phản ứng tốt với độ dẻo dai được cải thiện. L415 chuẩn hóa sẽ cho độ bền cao hơn sau khi ram tiếp theo.
• Làm nguội & ram: phương pháp chính để đạt được độ bền cao. L415 thường yêu cầu môi trường làm nguội mạnh hơn hoặc ram chậm hơn để đạt được độ bền thiết kế; ram là cần thiết để khôi phục độ dẻo dai.
• Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát kết hợp làm nguội nhanh có thể tạo ra các cấu trúc vi mô bainit hoặc martensitic-bainit mịn có độ bền cao và độ dẻo dai tốt, thường cho khả năng hàn tốt hơn so với các chu trình tôi/ram nặng.
• Lưu ý thực tế: Khi khả năng làm cứng tăng lên, yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) và gia nhiệt trước trở nên quan trọng hơn để tránh nứt nguội do hydro hỗ trợ.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây so sánh các xu hướng tính chất dự kiến. Giá trị thực tế phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt, hình dạng sản phẩm và nhà cung cấp. Sử dụng báo cáo thử nghiệm tại nhà máy để xác minh thiết kế.

Tài sản	L390 (xu hướng điển hình)	L415 (xu hướng điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình đến cao	Cao hơn (mức tối đa có thể đạt được cao hơn)
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt đến trung bình	Thấp hơn (giảm độ dẻo ở cường độ đỉnh)
Độ bền va đập	Tốt (đặc biệt là sau khi tôi luyện)	Tốt đến trung bình; có thể thấp hơn ở mức độ cứng cao hơn
Độ cứng (HRC hoặc HB)	Phạm vi vừa phải sau khi nóng tính	Độ cứng có thể đạt được cao hơn sau khi tôi và ram

Giải thích: Hàm lượng hợp kim và/hoặc hàm lượng carbon tương đương cao hơn của L415 cho phép các nhà thiết kế đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn, nhưng những lợi ích này thường phải đánh đổi bằng độ dẻo và khả năng hàn. L390 nhấn mạnh sự cân bằng - độ bền hợp lý trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai và khả năng biến dạng tốt hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (độ tôi) và các nguyên tố hợp kim vi mô. Hai công thức dự đoán phổ biến hữu ích để diễn giải hành vi tương đối:

• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm cho khả năng nứt lạnh: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - L390: Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ từ thấp đến trung bình thường cho thấy quá trình hàn dễ dàng hơn với vật tư tiêu hao tiêu chuẩn và quá trình gia nhiệt sơ bộ ít nghiêm ngặt hơn. Hàm lượng carbon thấp hơn và hợp kim được hạn chế giúp đơn giản hóa thiết kế mối hàn và giảm lượng PWHT cần thiết. - L415: hàm lượng hợp kim và cacbon cao hơn làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, làm tăng khả năng nứt do hydro và liên quan đến quá trình tôi cứng. Hàn L415 thường yêu cầu gia nhiệt trước có kiểm soát, tiêu hao hydro thấp hơn, kiểm soát quá trình hàn xen kẽ và đôi khi là hàn điện trở nhiệt (PWHT).

Hướng dẫn thực hành: Đối với cả hai loại, hãy tuân thủ quy trình hàn của nhà cung cấp; thực hiện hàn PWHT nếu được chỉ định. Sử dụng điện cực điều khiển bằng hydro hoặc kim loại hàn phù hợp với độ bền và độ dẻo mong muốn. Trong trường hợp phải thực hiện hàn theo quy trình hàn thông thường tại xưởng với khả năng gia nhiệt trước hạn chế, L390 thường là lựa chọn an toàn hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả L390 và L415 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon/hợp kim thấp và cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường tiếp xúc trực tiếp.
• Các biện pháp bảo vệ chung:
• Mạ kẽm nhúng nóng, phun kẽm hoặc mạ kim loại để bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển.
• Sơn, lớp phủ epoxy hoặc hệ thống sơn tĩnh điện dành cho kiến ​​trúc hoặc những nơi có điều kiện tiếp xúc nhẹ.
• Bảo vệ catốt và lớp phủ chuyên dụng cho môi trường biển hoặc môi trường có tính ăn mòn cao.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng trừ khi cấp thép đó rõ ràng là thép không gỉ. Để tham khảo, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Nhưng chỉ số này chỉ áp dụng cho hợp kim không gỉ; L390/L415 nên được xử lý bằng các chiến lược bảo vệ thép cacbon thông thường.

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

• Cắt và gia công:
• L390: thường dễ gia công hơn ở điều kiện chuẩn hóa/rau tôi; độ cứng thấp hơn và tuổi thọ dụng cụ cũng như năng suất được cải thiện nhờ cacbon.
• L415: gia công có thể khó khăn hơn nếu được cung cấp ở trạng thái có độ cứng cao hoặc đã tôi; nên gia công trước ở trạng thái mềm hơn hoặc sử dụng dụng cụ cacbua và cấp liệu phù hợp.
• Tạo hình và uốn cong:
• L390: khả năng tạo hình tốt hơn, khả năng giảm độ uốn cong cho phép cao hơn trước khi nứt trong điều kiện chuẩn hóa hoặc ram.
• L415: quá trình tạo hình bị hạn chế hơn khi có nhiệt độ cao; tạo hình nguội có thể cần ủ hoặc sử dụng dụng cụ chuyên dụng.
• Hàn và hoàn thiện sau hàn:
• L390: dễ mài, gia công và hoàn thiện hơn sau khi hàn.
• L415: có thể cần thêm PWHT và nghiền cẩn thận để tránh tác động tôi luyện và duy trì các đặc tính.

8. Ứng dụng điển hình

L390 — Công dụng điển hình	L415 — Công dụng điển hình
Các thành phần cấu trúc đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cân bằng (trục, giá đỡ, khung chịu lực trung bình)	Các bộ phận kết cấu có độ bền cao (trục chịu lực nặng, các bộ phận dễ bị mài mòn, phụ kiện chịu tải trọng cao)
Các cụm hàn chế tạo trong đó tính dễ hàn và độ bền là ưu tiên hàng đầu	Các bộ phận yêu cầu độ bền kéo/độ bền chảy cao hơn hoặc độ thấm xử lý nhiệt sâu hơn (các phần dày hơn)
Các thành phần máy móc yêu cầu khả năng gia công tốt và khả năng chống mài mòn hợp lý	Các thành phần cần có độ cứng hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi tôi và ram
Ứng dụng trong đó lớp phủ hoặc mạ kẽm sau khi chế tạo được lên kế hoạch	Các ứng dụng mà các nhà thiết kế chấp nhận các biện pháp kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn để có độ bền cao hơn

Lý do lựa chọn: chọn L390 cho các công việc ưu tiên chế tạo, độ bền, hoặc không thể tránh khỏi hàn phức tạp. Chọn L415 cho các thiết kế đòi hỏi độ bền tĩnh, khả năng chống mài mòn hoặc khả năng chịu tải cao hơn, và môi trường chế tạo có thể đáp ứng các quy trình kiểm soát hàn và xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: L415 thường đắt hơn tính theo tấn khi hàm lượng hợp kim và quy trình xử lý (ví dụ: xử lý nhiệt chuyên dụng) cao hơn. L390 thường tiết kiệm chi phí hơn cho các ứng dụng không yêu cầu độ bền cực cao.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: cả hai loại thép này thường có sẵn ở dạng tấm, thanh và rèn tại các nhà máy chuyên dụng và trung tâm dịch vụ, nhưng thời gian giao hàng sẽ khác nhau tùy theo nhu cầu khu vực và liệu có yêu cầu xử lý nhiệt hoặc chứng nhận cụ thể hay không. Việc lưu kho tiêu chuẩn thường hướng đến các hợp kim kết cấu phổ biến hơn; các biến thể chuyên dụng có độ bền cao có thể yêu cầu vận hành nhà máy hoặc trì hoãn xử lý nhiệt.
• Mẹo mua sắm: chỉ định mục tiêu xử lý nhiệt, độ cứng hoặc cơ học cần thiết và các thử nghiệm vật liệu cần thiết (UT, MT, PMI, MTC) ngay từ đầu để tránh bất ngờ về giá cả và thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	L390	L415
Khả năng hàn	Tốt hơn (dễ hơn, làm nóng trước ít hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (nhiệt độ làm nóng trước/PWHT cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng; độ dẻo dai tốt với sức mạnh vừa phải	Độ bền có thể đạt được cao hơn; độ dẻo dai có thể giảm ở độ cứng tối đa
Trị giá	Nói chung là thấp hơn	Nói chung là cao hơn
Khả năng gia công/Khả năng định hình	Tốt hơn	Hạn chế hơn khi ở trạng thái cường độ cao
Độ phức tạp chế tạo điển hình	Thấp hơn	Cao hơn (yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn L390 nếu bạn cần thép kỹ thuật cân bằng có khả năng hàn tương đối tốt, gia công và tạo hình dễ dàng hơn, độ bền tốt cho các kết cấu hàn hoặc linh kiện được sản xuất trong môi trường xưởng với quy trình hàn tiêu chuẩn. - Chọn L415 nếu yêu cầu chính của bạn là độ bền kéo hoặc độ bền chảy cao hơn, độ cứng sâu hơn ở các phần dày hơn hoặc khả năng chống mài mòn tốt hơn và kế hoạch sản xuất có thể đáp ứng các quy trình hàn hạn chế hơn, gia nhiệt trước/PWHT và chi phí vật liệu có thể cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: Các thuật ngữ L390 và L415 có thể được sử dụng khác nhau tùy theo nhà cung cấp và tiêu chuẩn. Luôn xác nhận thành phần hóa học chính xác, các yêu cầu về tính chất cơ học và lộ trình xử lý nhiệt được chỉ định trong thông số kỹ thuật vật liệu và chứng nhận thử nghiệm nhà máy trước khi thiết kế hoặc mua sắm cuối cùng.