Q345R so với Q420R – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn đúng mác thép bình chịu áp lực là một bài toán khó thường gặp đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất khi cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí. Q345R và Q420R là hai loại thép hợp kim thấp cacbon-mangan do Trung Quốc chỉ định, được phát triển cho các ứng dụng bình chịu áp lực; việc lựa chọn thực tế giữa chúng thường phụ thuộc vào phạm vi áp suất/nhiệt độ yêu cầu và các ràng buộc chế tạo liên quan. Tóm lại, sự khác biệt thực tế chính là tính phù hợp sử dụng của chúng: Q345R được chọn cho các bình chịu áp suất/nhiệt độ từ thấp đến trung bình, trong đó độ dẻo và khả năng hàn được ưu tiên, trong khi Q420R được chọn khi cần biên độ bền cao hơn (cho phép thành mỏng hơn hoặc áp suất thiết kế cao hơn).

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn quốc gia chính: Ký hiệu thép bình chịu áp lực của Trung Quốc (thường được tham chiếu trong loạt GB/GB/T dành cho bình chịu áp lực — lưu ý rằng phải kiểm tra mã tham chiếu địa phương và năm xuất bản để biết thông số kỹ thuật của dự án).
• Mối quan hệ quốc tế: các loại thép này thường được so sánh với thép HSLA kết cấu và thép bình chịu áp suất trong hệ thống EN và ASTM, nhưng cả Q345R và Q420R đều không tương đương trực tiếp với một loại thép ASTM/EN duy nhất; các thông số kỹ thuật và yêu cầu thử nghiệm khác nhau.
• Lớp vật liệu: cả Q345R và Q420R đều là thép hợp kim thấp, cacbon-mangan được thiết kế riêng cho ứng dụng trong bình chịu áp suất (tức là loại kết cấu/HSLA có độ bền cao thay vì thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Sự hiện diện / vai trò điển hình — Q345R	Sự hiện diện / vai trò điển hình — Q420R
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp để duy trì khả năng hàn và độ bền; mức tối đa được kiểm soát (trên danh nghĩa là phần mười thấp)	Trần carbon cao hơn một chút so với Q345R để hỗ trợ độ bền cao hơn; vẫn giữ ở mức tương đối thấp
Mn (Mangan)	Nguyên tố chính tăng cường và khử oxy; hàm lượng vừa phải để cân bằng độ bền và độ dẻo dai	Hàm lượng Mn từ trung bình đến cao hơn một chút để hỗ trợ cường độ chịu kéo và khả năng tôi luyện cao hơn
Si (Silic)	Một lượng nhỏ như chất khử oxy; không phải là chất đóng góp chính cho sức mạnh	Vai trò tương tự — số lượng nhỏ được kiểm soát
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp như tạp chất; hạn chế sự suy giảm độ dẻo dai	Giữ ở mức thấp; khả năng kiểm soát tương đương với Q345R
S (Lưu huỳnh)	Mức độ thấp để tránh giòn và cải thiện khả năng hàn	Mức độ thấp; lý do tương tự
Cr, Ni, Mo	Thường có ở mức rất thấp hoặc mức vết trong các loại Q tiêu chuẩn; không có hàm lượng hợp kim bổ sung cao	Có thể chứa các thành phần bổ sung nhỏ hoặc kiểm soát chặt chẽ hơn trong một số thông số kỹ thuật để tăng khả năng tôi luyện/độ bền
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Có thể có mặt với lượng nhỏ/vết tích trong quy trình nghiền hiện đại để kiểm soát kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai	Có nhiều khả năng được sử dụng (hoặc chỉ định) để tinh chế hạt và tăng cường độ bền kéo mà không làm giảm độ dẻo
B	Dấu vết nếu được sử dụng để kiểm soát độ cứng trong các mẻ nấu chảy cụ thể	Có thể theo dõi các tuyến sản xuất cụ thể
N (Nitơ)	Được kiểm soát thông qua quá trình khử oxy; ảnh hưởng đến hình dạng và độ dai của tạp chất	Kiểm soát tương tự

Ghi chú: Bảng này cố ý tránh các tuyên bố giá trị đơn lẻ. Thực tiễn sản xuất và giới hạn hóa chất chính xác phải được xác nhận dựa trên thông số kỹ thuật của người mua và chứng nhận thử nghiệm của nhà máy. Nhìn chung, Q420R đạt được cường độ cao hơn chủ yếu nhờ kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn và tối ưu hóa quá trình hợp kim hóa vi mô (các nguyên tố tinh luyện hạt), chứ không phải nhờ sự gia tăng đáng kể các nguyên tố hợp kim thông thường.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan làm tăng độ bền kéo và độ bền chảy nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu sử dụng quá nhiều. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) cho phép sản lượng cao hơn ở độ dẻo nhất định bằng cách tinh luyện hạt và tăng cường kết tủa, mang lại sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai tốt hơn so với việc chỉ tăng C. - Vết Cr/Ni/Mo sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền ở nhiệt độ cao nhưng thường không đáng kể trong Q345R/Q420R tiêu chuẩn trừ khi cần xử lý nhiệt cụ thể hoặc dịch vụ ở nhiệt độ cao hơn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại đều được cung cấp ở trạng thái thường hóa hoặc cán có kiểm soát, tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit mịn. Các biến thể vi hợp kim sẽ cho thấy các hạt mịn hơn và kết tủa pha giữa, giúp tăng cường độ chảy. - Q345R: thường được tối ưu hóa cho ma trận ferit dẻo với perlit phân tán; chú trọng vào độ dẻo dai và độ giãn dài đồng đều. - Q420R: đạt được độ bền cao hơn thông qua kích thước hạt mịn hơn và/hoặc tăng cường kết tủa; có thể xuất hiện perlit cao hơn hoặc ferit mịn hơn tùy thuộc vào lịch sử nhiệt.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí sau khi austenit hóa) làm mịn hạt và đồng nhất các tính chất; thường được sử dụng để đảm bảo độ ổn định về kích thước và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại. - Tôi và ram: không thường được áp dụng cho tấm bình chịu áp suất tiêu chuẩn dùng để tạo hình/hàn, nhưng có thể được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt. Vì cả hai loại đều là hợp kim thấp, chúng phản ứng với quá trình tôi/ram với độ bền và độ dẻo dai tăng lên nếu được thực hiện đúng cách; lưu ý ứng suất dư tăng lên. - Các nhà máy sử dụng phương pháp cán nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) kết hợp làm nguội nhanh để tạo ra độ bền cao hơn với độ dẻo dai được duy trì — đặc biệt hiệu quả đối với Q420R, cho phép sản lượng cao hơn với độ dẻo chấp nhận được.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	Q345R (mục tiêu điển hình)	Q420R (mục tiêu điển hình)
Giới hạn chảy (Rp0.2/Rp%)	Đặc tính ~345 MPa (tham chiếu tên cấp)	Đặc tính ~420 MPa (tham chiếu tên cấp)
Độ bền kéo (UTS)	Phạm vi điển hình cao hơn năng suất; thường ở mức trung bình hàng trăm MPa	Phạm vi kéo dài hơn phù hợp với năng suất tăng
Độ giãn dài (A%)	Độ dẻo cao hơn nói chung (ví dụ, độ giãn dài phần trăm hai chữ số điển hình)	Độ giãn dài thấp hơn một chút so với Q345R nhưng vẫn dẻo để tạo hình/hàn
Độ bền va đập (Charpy)	Được chỉ định để đáp ứng các yêu cầu về va đập ở nhiệt độ thấp của bình chịu áp suất; độ bền khía tốt	Cũng được chỉ định cho độ bền khía nhưng nhiệt độ hoặc năng lượng tối thiểu có thể nghiêm ngặt hơn đối với một số ứng dụng nhất định
Độ cứng	Trung bình (thích hợp cho gia công và tạo hình tiêu chuẩn)	Độ cứng cao hơn một chút phù hợp với độ bền cao hơn

Ghi chú: Tên mác thép cho biết mức giới hạn chảy tối thiểu gần đúng và đưa ra thứ tự rõ ràng: Q420R bền hơn. Các yêu cầu chính xác về độ bền kéo, độ giãn dài và độ va đập được quy định bởi tiêu chuẩn hiện hành và thông số kỹ thuật của người mua — luôn kiểm tra bằng chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy. Độ bền cao hơn của Q420R có thể đòi hỏi phải chú ý nhiều hơn đến việc thẩm định quy trình hàn và dung sai định hình.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được xác định bởi hàm lượng cacbon, khả năng tôi kết hợp (từ Mn và các hợp kim khác) và các nguyên tố hợp kim vi mô. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng:

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

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

Diễn giải (định tính): - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn với nhiệt độ nung nóng trước thấp hơn và nguy cơ nứt nguội do hydro gây ra giảm. - Q345R, với hàm lượng carbon danh nghĩa thấp hơn một chút và ít chất làm cứng hơn, thường có khả năng hàn tốt hơn (CE/Pcm thấp hơn) và cần ít nhiệt độ làm nóng trước hơn Q420R, trong điều kiện các yếu tố khác đều như nhau. - Độ bền cao hơn của Q420R và bất kỳ sự gia tăng hợp kim/khả năng làm cứng nào cũng đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn các thông số hàn: nung nóng trước, nhiệt độ giữa các đường hàn, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, và trình độ của quy trình hàn cũng như xử lý nhiệt sau hàn (nếu cần). - Luôn thực hiện đánh giá chất lượng quy trình và kiểm soát hydro dựa trên phân tích hóa học và độ dày của chứng chỉ nhà máy.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q345R và Q420R đều là thép cacbon-mangan không gỉ. Chúng không có khả năng chống ăn mòn bẩm sinh và cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.
• Các lựa chọn bảo vệ phổ biến: hệ thống sơn tại xưởng hoặc ngoài hiện trường, lớp phủ epoxy hoặc polyurethane, mạ kẽm nhúng nóng (tùy thuộc vào độ dày và hạn chế về hình dạng) và dung sai ăn mòn trong thiết kế.
• Các chỉ số hiệu suất thép không gỉ như PREN không áp dụng cho thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Điều này chỉ liên quan đến thép không gỉ duplex/austenitic.
• Khi lo ngại về mỏi do ăn mòn, môi trường clorua hoặc dịch vụ chua (H2S), hãy chọn loại kim loại phù hợp (hợp kim không gỉ, bọc hoặc chống ăn mòn) thay vì dựa vào loại Q có lớp bảo vệ bề mặt.

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

• Tạo hình: Độ bền uốn thấp hơn của Q345R giúp tạo hình nguội, uốn và cán dễ dàng hơn với độ đàn hồi giảm và lực yêu cầu thấp hơn. Q420R sẽ yêu cầu tải tạo hình cao hơn và độ bền dụng cụ chặt chẽ hơn; bán kính uốn và trình tự tạo hình phải tính đến độ bền uốn cao hơn và độ giãn dài thấp hơn.
• Cắt và gia công: cả hai loại thép đều có thể gia công bằng phương pháp tiêu chuẩn; độ bền cao hơn/Q420R có thể khiến dụng cụ bị mài mòn nhanh hơn và có thể cần phải điều chỉnh tốc độ cắt/bước tiến.
• Hoạt động hàn và sau hàn: Q420R thường cần kiểm soát quá trình nung nóng trước/chuyển tiếp nghiêm ngặt hơn và xử lý nhiệt sau hàn tiềm năng trên các phần dày để ngăn ngừa nứt hydro và đáp ứng các yêu cầu về độ bền.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai loại đều chấp nhận các phương pháp xử lý bề mặt thông thường; cẩn thận khi mài/hàn để tránh hiện tượng thoát cacbon bề mặt hoặc giòn vùng HAZ.

8. Ứng dụng điển hình

Q345R (sử dụng phổ biến)	Q420R (sử dụng phổ biến)
Bình chứa, bồn chứa và nồi hơi áp suất thấp đến trung bình, trong đó khả năng hàn và độ dẻo là ưu tiên hàng đầu	Bình chịu áp suất và bộ trao đổi nhiệt yêu cầu áp suất thiết kế cao hơn hoặc thành mỏng hơn
Các thành phần cấu trúc chung trong hệ thống áp lực và khung đỡ	Vỏ chịu áp suất cao, bình dày hơn khi việc giảm trọng lượng/không gian là quan trọng
Các mặt hàng chế tạo đòi hỏi phải tạo hình và hàn rộng rãi với độ bền nhiệt độ thấp tốt	Các ứng dụng đòi hỏi biên độ cường độ cao hơn nhưng có thể kiểm soát cẩn thận các quy trình hàn

Cơ sở lựa chọn: - Khi tạo hình nên chọn Q345R, ưu tiên tính dễ hàn, chi phí và áp suất/nhiệt độ thiết kế nằm trong phạm vi cho phép. - Chọn Q420R khi cần cường độ chịu kéo cao hơn để giảm độ dày thành hoặc đáp ứng áp suất thiết kế cao hơn; chấp nhận kiểm soát chế tạo nhiều hơn và chi phí vật liệu cao hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q420R thường đắt hơn Q345R trên mỗi tấn do quy trình kiểm soát hợp kim và chế biến chặt chẽ hơn, cũng như dải tính chất cơ học cao hơn. Chi phí chính xác phụ thuộc vào địa điểm, độ dày tấm và công suất nhà máy.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất tại các vùng sản xuất thép lớn; tuy nhiên, kích thước tấm, độ dày và hình dạng sản phẩm được chuẩn hóa/gia công nhiệt cơ cụ thể sẽ khác nhau tùy theo nhà máy. Các nhà hoạch định dự án nên xác nhận thời gian giao hàng và hình dạng sản phẩm có sẵn (tấm, cuộn, cụm hàn) ngay từ đầu quá trình mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	Q345R	Q420R
Khả năng hàn	Tốt hơn (quy trình dễ dàng hơn, nhiệt độ làm nóng trước thấp hơn)	Yêu cầu kiểm soát hàn chặt chẽ hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt với độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn; duy trì độ dẻo dai thông qua quá trình hợp kim hóa/xử lý vi mô
Trị giá	Thấp hơn (điển hình)	Cao hơn (điển hình)

Khuyến nghị: - Chọn Q345R nếu bạn cần sự cân bằng giữa độ dẻo, mối hàn đơn giản và chi phí vật liệu thấp hơn cho các bình chịu áp suất hoạt động trong giới hạn áp suất/nhiệt độ vừa phải hoặc khi cần tạo hình rộng rãi. - Chọn Q420R nếu thiết kế yêu cầu độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn (để giảm độ dày thành, đáp ứng áp suất thiết kế cao hơn hoặc tiết kiệm trọng lượng) và bạn có thể đáp ứng các yêu cầu kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn, các yêu cầu nung nóng trước/PWHT tiềm ẩn và chi phí vật liệu cao hơn một chút.

Lưu ý cuối cùng: Các cấp độ hàn được thảo luận được xác định bởi các tài liệu tiêu chuẩn và chứng chỉ nhà máy cụ thể. Luôn ghi rõ phiên bản tiêu chuẩn hiện hành, tiêu chí chấp nhận cơ học (giới hạn chảy, độ bền kéo, nhiệt độ/năng lượng va đập), giới hạn hóa học, điều kiện giao hàng (chuẩn hóa, TMCP) và các yêu cầu về quy trình hàn bắt buộc trong tài liệu mua sắm. Kiểm tra tất cả các quyết định thiết kế và chế tạo dựa trên chứng chỉ thử nghiệm nhà máy thực tế và quy chuẩn hoặc tiêu chuẩn bình chịu áp lực hiện hành.