Q345R so với Q370R – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q345R và Q370R là thép bình chịu áp lực do Trung Quốc chỉ định, thường được xem xét khi xác định vật liệu tấm và vỏ cho nồi hơi, bình chịu áp lực và các kết cấu hàn tương tự. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như khả năng hàn so với giới hạn chảy cao hơn, độ bền ở nhiệt độ thấp so với chi phí chế tạo, và tính khả dụng về độ dày tấm hoặc điều kiện chuẩn hóa.

Điểm khác biệt chính giữa hai loại này là Q370R là loại bình chịu áp lực được cải tiến, có độ bền cao hơn, sử dụng hợp kim tinh luyện và gia công để nâng cao hiệu suất chịu kéo/chiều dài trong khi vẫn đảm bảo độ bền và khả năng hàn. Vì cả hai đều xuất hiện trong các không gian ứng dụng tương tự, các nhà thiết kế thường so sánh chúng để quyết định xem hiệu suất kết cấu cao hơn có biện minh cho những tác động tiềm ẩn đến quy trình hàn, xử lý nhiệt và chi phí hay không.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Trung Quốc): Q345R và Q370R được quy định trong các tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc về thép bình chịu áp lực và các văn bản quy phạm liên quan. Các giới hạn hóa học và cơ học cụ thể được quy định trong GB/T và các quy chuẩn bình chịu áp lực tương ứng.
• ASME / ASTM: Không có phép ánh xạ trực tiếp một-một; các loại thép tương tự của phương Tây cho các ứng dụng chịu áp suất bao gồm ASTM A516 (cho thép cacbon) và nhiều tấm thép chuẩn hóa khác nhau, nhưng cần so sánh dựa trên kết quả hóa học và cơ học cụ thể thay vì sự tương đương về tên gọi.
• EN (Châu Âu) / JIS (Nhật Bản): Các tiêu chuẩn Châu Âu và Nhật Bản chỉ định loại thép bình chịu áp suất riêng (ví dụ: loạt EN 10028 dành cho sản phẩm phẳng) và việc lựa chọn nên được tham chiếu chéo theo các đặc tính và thử nghiệm bắt buộc thay vì tên cấp danh nghĩa.

Phân loại: Cả Q345R và Q370R đều là thép cacbon hợp kim thấp, dùng cho bình chịu áp lực (không phải thép không gỉ). Chúng thuộc nhóm thép tấm HSLA/bình chịu áp lực, trong đó Q370R thường có phương pháp hợp kim hóa/nhiệt cơ học mạnh hơn để đạt được mức giới hạn chảy cao hơn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại này có chung các nguyên tố chính (C, Mn, Si, P, S) nhưng khác nhau về nồng độ cho phép và các chất bổ sung hợp kim vi mô ảnh hưởng đến khả năng làm cứng, tăng cường kết tủa và tinh luyện hạt.

Bảng: Các đặc điểm thành phần điển hình (phạm vi đại diện; xác minh chứng chỉ nhà cung cấp để biết giá trị chính xác)

Yếu tố	Q345R — Phạm vi / vai trò điển hình	Q370R — Phạm vi / vai trò điển hình
C	Hàm lượng carbon thấp, được kiểm soát để đảm bảo hiệu suất của bình chịu áp suất hàn (ví dụ: ~≤0,20%)	Kiểm soát C cao hơn một chút hoặc tương tự để đạt năng suất cao hơn; vẫn giữ ở mức đủ thấp để có thể hàn được
Mn	Trung bình (khử oxy, cường độ)	Độ cứng vừa phải đến cao hơn một chút để hỗ trợ độ bền và khả năng làm cứng
Si	Chất khử oxy nhỏ (≤~0,35%)	Tương tự như Q345R
P	Kiểm soát chặt chẽ (giới hạn tạp chất)	Kiểm soát tương tự hoặc chặt chẽ hơn một chút trong một số thông số kỹ thuật
S	Hàm lượng lưu huỳnh thấp giúp tăng độ dẻo dai	Hàm lượng lưu huỳnh thấp; được kiểm soát tương tự
Cr, Ni, Mo	Nói chung là tối thiểu trong Q345R; thỉnh thoảng có thêm một số bổ sung nhỏ trong các biến thể đặc biệt	Có thể bao gồm một lượng nhỏ (từ dấu vết đến phần mười phần trăm thấp) ở một số nhà sản xuất để tăng khả năng làm cứng và độ bền
V, Nb, Ti	Thường không có hoặc ở mức rất thấp trong Q345R cơ bản	Các biến thể Q370R có nhiều khả năng bao gồm hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) để tăng cường kết tủa và tinh chế hạt
B, N	Không phải là chiến lược hợp kim chính; N được kiểm soát	N được kiểm soát; dấu vết B đôi khi được sử dụng trong thép hợp kim vi mô để kiểm soát độ cứng

Ghi chú: - Giới hạn hóa chất chính xác được quy định bởi nhà cung cấp và tiêu chuẩn áp dụng. Bảng này nhằm mục đích làm nổi bật các chiến lược hợp kim: Q345R sử dụng hóa học bảo thủ để cân bằng độ bền và khả năng hàn; Q370R thường dựa vào hàm lượng hợp kim và/hoặc hợp kim vi mô cao hơn một chút cùng với kiểm soát quy trình để đạt được hiệu suất cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu hàm lượng quá cao. - Mangan làm tăng độ bền và khả năng làm cứng, hỗ trợ quá trình khử oxy. - Hợp kim vi mô với Nb, V, Ti tạo ra độ bền thông qua các kết tủa mịn và tinh chế hạt, cải thiện độ bền mà không làm tăng lượng cacbon theo tỷ lệ. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Cr, Mo, Ni làm tăng khả năng tôi luyện và độ bền ở nhiệt độ cao nhưng được sử dụng một cách tiết kiệm trong thép chế tạo bình chịu áp suất để kiểm soát chi phí và duy trì khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Q345R: Được sản xuất để tạo ra cấu trúc vi mô ferit-perilit hoặc ferit hình kim có hạt mịn sau khi cán và chuẩn hóa có kiểm soát; cấu trúc vi mô được lựa chọn để tạo sự cân bằng giữa độ dẻo dai và độ dẻo ở nhiệt độ sử dụng thông thường. - Q370R: Đạt được năng suất cao hơn nhờ sự kết hợp giữa độ bền dịch chuyển/chất tan cao hơn một chút và kết tủa hợp kim vi mô. Cấu trúc vi mô thường bao gồm ferit mịn hơn với peclit được kiểm soát và thành phần bainit được tăng cường trong một số phương pháp cơ nhiệt.

Phản ứng với quá trình xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa: Cả hai loại thép đều đáp ứng chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh hạt và dự đoán các tính chất cơ học. Nhiệt độ chuẩn hóa phải được kiểm soát để ngăn ngừa hiện tượng ram quá mức các kết tủa hợp kim siêu nhỏ trong Q370R. - Làm nguội và ram: Không phải là tiêu chuẩn cho các tấm bình chịu áp suất này (thường được sản xuất dưới dạng chuẩn hóa hoặc cán có kiểm soát), nhưng nếu áp dụng, hợp kim Q370R sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm cứng và phản ứng ram mạnh hơn Q345R. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Đặc biệt quan trọng đối với Q370R để đạt được độ bền cao hơn với độ dẻo dai cần thiết; TMCP giúp tạo ra các cấu trúc vi mô hạt mịn và các tính chất đồng nhất thông qua quá trình cán mạnh cộng với làm nguội nhanh.

4. Tính chất cơ học

Bảng: So sánh đặc tính cơ học điển hình (phạm vi đại diện; xác nhận bằng chứng chỉ)

Tài sản	Q345R — Điển hình	Q370R — Điển hình
Giới hạn chảy (MPa)	Danh nghĩa ~345	Danh nghĩa ~370
Độ bền kéo (MPa)	Phạm vi điển hình ~470–630	Phạm vi điển hình ~500–700
Độ giãn dài (%)	Thông thường ≥20 (tùy thuộc vào độ dày)	Thông thường ≥17–20 (thấp hơn một chút ở độ dày bằng nhau)
Độ bền va đập	Năng lượng tác động được chỉ định ở nhiệt độ (được thiết kế để có độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp chấp nhận được)	Mục tiêu là để phù hợp với Q345R ở nhiệt độ thử nghiệm tương tự nhưng đôi khi đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn
Độ cứng (HB hoặc HRC)	Trung bình (phù hợp với tấm dẻo)	Cao hơn một chút do cơ chế tăng cường sức mạnh

Giải thích: - Q370R bền hơn (giới hạn chảy danh nghĩa cao hơn và khả năng chịu kéo cao hơn) nhờ hợp kim hóa và gia công. Độ bền cao hơn này có thể đi kèm với sự giảm nhẹ về độ giãn dài đồng đều và khả năng tăng độ nhạy với chu kỳ nhiệt hàn nếu có các thành phần có độ cứng cao hơn. - Độ bền là tiêu chí thiết kế cho cả hai loại; các nhà sản xuất Q370R thường kiểm soát thành phần và quy trình để duy trì yêu cầu về năng lượng va đập theo quy định của bình chịu áp suất.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và độ cứng. Hai chỉ số hữu ích:

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

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

Giải thích định tính: - $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi cứng cao hơn và nguy cơ hình thành martensite cao hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ), làm tăng yêu cầu xử lý nhiệt trước khi nung/sau khi hàn (PWHT). - Q345R thường có hàm lượng carbon tương đương thấp hơn và do đó dễ hàn hơn với các quy trình hàn thông thường và nhu cầu làm nóng trước thấp hơn. - Q370R, do hàm lượng hợp kim và hợp kim vi mô tăng nhỏ, có thể có hàm lượng cacbon tương đương cao hơn; điều này đòi hỏi phải có quy trình hàn cẩn thận hơn (làm nóng trước, nhiệt độ giữa các đường hàn, lựa chọn vật liệu hàn và đôi khi là PWHT) để tránh hiện tượng giòn HAZ hoặc nứt nguội. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm mịn kích thước hạt và có thể cải thiện độ dẻo dai, nhưng chúng cũng làm tăng độ bền ở nhiệt độ cao và có thể làm tăng nhẹ các biện pháp tương đương cacbon; khuyến nghị nên đánh giá quy trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q345R và Q370R đều là thép hợp kim thấp không gỉ. Chúng không có khả năng chống ăn mòn hóa học và thường cần được bảo vệ bề mặt khi làm việc trong môi trường khí quyển hoặc ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm nhúng nóng (nếu cần thiết về độ dày và mục đích sử dụng), lớp phủ hữu cơ (sơn, epoxy, polyurethane), mạ kim loại (phun kẽm/nhôm) hoặc ốp bằng hợp kim chống ăn mòn khi cần thiết.
• Công thức PREN không áp dụng (đối với thép không gỉ). Đối với vật liệu thép không gỉ, chỉ số PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Khi chỉ định Q345R hoặc Q370R cho môi trường có nguy cơ ăn mòn, việc lựa chọn phải cân nhắc đến hệ thống sơn phủ và chế độ kiểm tra phù hợp; mạ kẽm có thể thay đổi quy trình hàn và chế tạo sau đó.

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

• Cắt: Cả hai loại đều có khả năng cắt tương tự nhau khi sử dụng oxy-nhiên liệu, plasma hoặc laser; Độ bền cao hơn của Q370R có thể làm tăng nhẹ độ mài mòn của dụng cụ khi gia công các phụ kiện liền kề.
• Tạo hình/uốn cong: Q345R dẻo hơn nên thường dễ tạo hình hơn trên cùng một bán kính uốn cong; Q370R yêu cầu bán kính uốn cong tối thiểu lớn hơn một chút hoặc uốn cong có kiểm soát để tránh nứt, đặc biệt là ở các tấm dày hơn.
• Khả năng gia công: Độ bền và hợp kim vi mô tăng lên trong Q370R có thể làm giảm khả năng gia công và có thể yêu cầu điều chỉnh tốc độ/cấp liệu và lựa chọn dụng cụ so với Q345R.
• Xử lý nhiệt và giảm ứng suất: PWHT có thể được yêu cầu theo quy định hoặc quy trình hàn thường xuyên hơn đối với các loại thép có độ bền cao hơn; phối hợp trình tự chế tạo cho phù hợp.

8. Ứng dụng điển hình

Q345R — Công dụng điển hình	Q370R — Công dụng điển hình
Nồi hơi áp suất thấp đến trung bình, bình chứa ưu tiên độ dẻo và khả năng hàn	Bình chịu áp suất và vỏ tàu đòi hỏi ứng suất thiết kế cao hơn hoặc độ dày tấm giảm
Các thành phần cấu trúc chung trong chế tạo bể hàn và bình chịu nhiệt độ thấp	Các ứng dụng yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn, trọng lượng giảm hoặc các phần dày hơn với độ dẻo dai được duy trì
Tấm lớn, dễ hàn khi chi phí là hạn chế chính	Các tình huống mà mã cho phép sử dụng tấm có độ bền cao hơn để giảm trọng lượng hoặc độ dày vật liệu; cải tạo đòi hỏi công suất cao hơn mà không cần thay đổi hình học

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q345R khi tính đơn giản trong chế tạo, khả năng hàn đã được chứng minh và kiểm soát chi phí là ưu tiên hàng đầu. - Chọn Q370R khi cần tiết kiệm trọng lượng ở cấp độ kết cấu, ứng suất cho phép cao hơn hoặc biên độ thiết kế cao hơn và khi dự án có thể đáp ứng các quy định kiểm soát hàn/chế tạo nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q370R thường đắt hơn Q345R tính theo tấn do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, có thể bổ sung thêm hợp kim vi mô và thử nghiệm hoặc chứng nhận bổ sung để đáp ứng các mục tiêu cơ học khắt khe hơn.
• Tính khả dụng: Q345R trước đây phổ biến hơn và được lưu kho rộng rãi ở nhiều thị trường và độ dày. Tính khả dụng của Q370R đang tăng lên, đặc biệt là ở những nơi quy chuẩn công nhận thép bình chịu áp lực có độ bền cao hơn; tuy nhiên, hình dạng sản phẩm (độ dày tấm, chứng nhận) cần được xác nhận với các nhà máy và nhà phân phối ngay từ đầu quá trình mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Thuộc tính	Q345R	Q370R
Khả năng hàn	Rất tốt (CE thấp hơn)	Tốt, nhưng cần WPS đủ điều kiện và có thể là PWHT
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng cho dịch vụ thông thường	Độ bền cao hơn cho độ dẻo dai tương đương hoặc gần bằng với khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn Q345R nếu khả năng hàn, tính khả dụng rộng rãi, chi phí vật liệu thấp và dễ chế tạo là những ưu tiên hàng đầu — ví dụ, nồi hơi, bể chứa tiêu chuẩn và nhiều bộ phận chịu áp suất hàn trong đó ứng suất cho phép tiêu chuẩn là đủ. - Chọn Q370R nếu bạn cần độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn để giảm độ dày của tấm, đáp ứng ứng suất thiết kế cao hơn hoặc tối ưu hóa trọng lượng trong khi vẫn duy trì khả năng chống va đập — với điều kiện bạn có thể thực hiện các quy trình hàn đạt tiêu chuẩn, chế tạo có kiểm soát và chấp nhận chi phí vật liệu và gia công cao hơn một chút.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra báo cáo thử nghiệm nhà máy của nhà sản xuất và các yêu cầu của quy chuẩn áp dụng (tiêu chuẩn bình chịu áp lực, giới hạn độ dày, nhiệt độ va đập yêu cầu) trước khi lựa chọn cuối cùng. Việc xác nhận quy trình hàn và khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu là rất cần thiết cho cả hai loại thép, và chúng trở nên quan trọng hơn khi độ bền và khả năng tôi luyện tăng lên.