Q370R so với Q420R – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Q370R và Q420R là những tên gọi được sử dụng trong danh pháp thép bình chịu áp lực của Trung Quốc để chỉ các loại thép kết cấu không gỉ, có độ bền cao, dành cho thiết bị chịu áp lực. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa hai loại thép này: chọn loại có độ bền thấp hơn, dễ chế tạo và hàn hơn, hoặc chọn loại có độ bền cao hơn, cho phép tiết diện mỏng hơn và giảm trọng lượng nhưng có thể áp dụng các quy trình xử lý nhiệt và hàn nghiêm ngặt hơn.

Sự đánh đổi cơ bản giữa các cấp độ này thực chất là sự cân bằng giữa độ bền thiết kế có thể đạt được so với khả năng hàn thực tế và khả năng quản lý độ bền trong chế tạo. Vì cả hai cấp độ đều được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng tương tự (bình chịu áp lực, nồi hơi và các cấu kiện kết cấu nặng), việc hiểu rõ sự khác biệt của chúng về chiến lược hợp kim hóa, phản ứng của cấu trúc vi mô với quá trình xử lý nhiệt, hành vi cơ học và các tác động trong chế tạo là điều cần thiết để lựa chọn vật liệu tối ưu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Hệ thống quốc gia chính: GB của Trung Quốc (tiêu chuẩn quốc gia). Hậu tố “R” trong các ký hiệu này biểu thị khả năng áp dụng cho thiết bị chịu áp suất.
• Không có sự tương đương trực tiếp một-một nào trong các hệ thống ASTM/ASME hoặc EN; việc lựa chọn theo các tiêu chuẩn quốc tế nên được thực hiện bằng cách so sánh các đặc tính cơ học và độ dẻo dai cần thiết thay vì thay thế trực tiếp theo cấp độ.
• Phân loại: cả Q370R và Q420R đều là thép cacbon-mangan (hợp kim thấp) không gỉ, có độ bền cao, thường được phân loại là thép loại HSLA để sử dụng trong bình chịu áp suất thay vì thép dụng cụ hoặc thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các thành phần hóa học điển hình cần so sánh. Phạm vi hóa chất chính xác được đảm bảo thay đổi tùy theo nhà sản xuất và tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật; bảng này cố ý sử dụng các chỉ số định tính thay vì giá trị số để tránh trình bày sai lệch.

Yếu tố	Q370R (nhấn mạnh điển hình)	Q420R (nhấn mạnh điển hình)
C (Cacbon)	Trung bình — được kiểm soát để cân bằng độ bền và khả năng hàn	Cao hơn một chút hoặc được kiểm soát khác nhau để tăng cường độ chịu kéo
Mn (Mangan)	Trung bình — sức mạnh chính và thành phần khử oxy	Trung bình đến cao hơn — góp phần tăng cường độ bền và khả năng làm cứng
Si (Silic)	Thấp–trung bình — khử oxy, tăng cường hạn chế	Thấp-trung bình
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp — kiểm soát tạp chất	Giữ ở mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Giảm thiểu để tăng độ bền và khả năng hàn	Thu nhỏ
Cr (Crom)	Thường rất thấp hoặc không có	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong một số biến thể
Ni (Niken)	Thông thường thấp hoặc không có	Thông thường thấp hoặc không có
Mo (Molypden)	Thường không có hoặc tối thiểu	Đôi khi có mặt với số lượng nhỏ để cải thiện khả năng làm cứng
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Có thể bao gồm hợp kim vi mô với số lượng nhỏ để tinh chế hạt	Có nhiều khả năng bao gồm hợp kim vi mô để tăng cường độ ở độ dày nhất định
B (Bo)	Thông thường không có hoặc dấu vết	Dấu vết B có thể được sử dụng trong một số biến thể có cường độ cao hơn
N (Nitơ)	Được kiểm soát như tạp chất/gia cường thứ cấp	Được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon và mangan là chất tăng cường chính; việc tăng chúng sẽ làm tăng năng suất và độ bền kéo nhưng cũng làm tăng khả năng tôi cứng và xu hướng hình thành martensite cứng trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn (HAZ). - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) cung cấp khả năng gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt, tạo ra độ bền cao hơn mà không có lượng cacbon dư thừa và cải thiện độ dẻo dai khi được xử lý đúng cách. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Mo hoặc Cr có thể làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền nhiệt độ cao nhưng lại ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng hàn nếu không được quản lý cẩn thận.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong quá trình xử lý thông thường, Q370R có xu hướng tạo thành cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc ferit cộng bainit hạt mịn, được thiết kế để cân bằng tốt giữa độ dẻo và độ bền. - Q420R, hướng đến các đặc tính chịu kéo/giới hạn chảy cao hơn, thường dựa vào ferit hạt mịn hơn với nhiều thành phần bainit hoặc martensitic hơn ở các tiết diện nặng hơn hoặc khi sử dụng các phương pháp xử lý nhiệt cơ học. Hợp kim vi mô và cán/chuẩn hóa có kiểm soát là những công cụ để đạt được độ bền mà không cần hàm lượng carbon quá mức.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí sau khi nung) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và có thể đồng nhất cấu trúc vi mô cho cả hai loại, cải thiện độ dẻo dai. - Làm nguội và ram (Q&T) ít phổ biến hơn đối với tấm bình chịu áp suất số lượng lớn nhưng có thể được áp dụng cho các thành phần yêu cầu độ bền cao hơn và độ dẻo dai được kiểm soát; Q420R có nhiều khả năng được sản xuất hoặc hoàn thiện bằng phương pháp cán nhiệt cơ học hoặc chuẩn hóa cộng với làm nguội có kiểm soát để đạt được các giá trị quy định. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) với khả năng làm mát nhanh có thể tạo ra các vi cấu trúc bainit/ferrit mịn giúp cải thiện độ bền và độ dẻo dai đồng thời — đặc biệt hữu ích đối với Q420R khi mục tiêu về độ bền cao hơn.

4. Tính chất cơ học

Vì các bảo đảm về mặt số liệu thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật và nhà sản xuất nên sự so sánh dưới đây mang tính chất định tính, chỉ ra kỳ vọng tương đối theo các thông số kỹ thuật dự kiến.

Tài sản	Q370R	Q420R
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn (được thiết kế để đáp ứng lớp sức mạnh cao hơn)
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn (phân biệt chính)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt	Tốt đến giảm nhẹ ở độ dày bằng nhau do có độ bền cao hơn
Độ bền va đập	Nói chung là tốt (được thiết kế để sử dụng dưới áp suất)	Có thể tương đương nhưng đòi hỏi quá trình xử lý và kiểm soát chặt chẽ hơn để đảm bảo độ dẻo dai tương đương
Độ cứng	Vừa phải	Cao hơn (phản ánh sức mạnh cao hơn)

Giải thích: - Q420R được thiết kế để mang lại năng suất và độ bền kéo cao hơn; để duy trì độ dẻo dai thích hợp, các nhà sản xuất dựa vào hợp kim vi mô và xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát thay vì chỉ đơn giản là tăng hàm lượng carbon. - Nếu quá trình xử lý và kiểm soát chất lượng không chặt chẽ, các loại thép có độ bền cao hơn có thể giảm độ dẻo và tăng độ nhạy với cơ chế gãy giòn, đặc biệt là ở các mặt cắt dày hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, hiệu quả hợp kim hóa để tăng độ cứng và mức độ tạp chất còn lại. Hai chỉ số thực nghiệm phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng hàn:

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

• Pcm (chỉ số thận trọng hơn về khả năng nứt mối hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Q370R thường có hàm lượng cacbon hiệu dụng thấp hơn Q420R, tạo ra yêu cầu gia nhiệt trước/hàn sau dễ dàng hơn và nguy cơ cứng HAZ và nứt nguội thấp hơn. - Q420R, do mục tiêu về độ bền cao hơn và khả năng bổ sung hợp kim vi mô hoặc hàm lượng Mn cao hơn một chút, thường có CE hoặc Pcm cao hơn và do đó có thể yêu cầu các quy trình hàn nghiêm ngặt hơn: nhiệt độ giữa các đường hàn được kiểm soát, gia nhiệt trước, xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) trong một số trường hợp hoặc vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp. - Vật liệu hàn được chỉ định chính xác, nhiệt lượng đầu vào được kiểm soát và kiểm soát hydro là cần thiết cho Q420R để duy trì độ bền HAZ và tránh gãy giòn. Việc thẩm định quy trình hàn nên được thực hiện với độ dày tiêu biểu.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q370R và Q420R đều là thép cacbon/hợp kim thấp không gỉ — chúng không có khả năng chống ăn mòn nội tại như các loại thép không gỉ.
• Các chiến lược bảo vệ tiêu chuẩn: hệ thống sơn/phủ, mạ kẽm (nhúng nóng hoặc điện phân), chất ức chế ăn mòn hoặc lớp phủ/lót tùy thuộc vào môi trường sử dụng.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; để tham khảo, công thức PREN phổ biến được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Khi lựa chọn môi trường ăn mòn, cần tập trung vào hệ thống bảo vệ phù hợp hoặc lựa chọn lớp phủ bằng thép không gỉ/hợp kim nếu cần thiết.

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

• Cắt: cả hai loại đều có thể cắt tương tự nhau bằng các quy trình oxy-nhiên liệu, plasma hoặc laser hiện đại, nhưng độ bền cao hơn của Q420R có thể đòi hỏi nhiều năng lượng hơn một chút và tạo ra các vết cắt/cặn cứng hơn.
• Uốn và tạo hình: Q370R thường chịu được uốn và tạo hình nguội tốt hơn do năng suất thấp hơn một chút; Q420R yêu cầu kiểm soát bán kính uốn chặt hơn và có thể cần dung sai định hình lớn hơn hoặc tạo hình nóng cho các phần dày.
• Khả năng gia công: cả hai đều có thể gia công ở dạng tấm, nhưng thép hợp kim siêu nhỏ có độ bền cao hơn (Q420R) có thể làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ; cấp độ dụng cụ và các thông số cắt cần được điều chỉnh cho phù hợp.
• Hoàn thiện: các phương pháp xử lý bề mặt (phun cát, mài) không khác biệt đáng kể, mặc dù độ cứng cao hơn ở Q420R có thể ảnh hưởng đến thời gian xử lý.

8. Ứng dụng điển hình

Q370R — Công dụng điển hình	Q420R — Công dụng điển hình
Bình chịu áp suất chung và nồi hơi ưu tiên độ bền tốt và chế tạo đơn giản	Bình chịu áp suất và các thành phần kết cấu có độ bền thiết kế cao hơn cho phép các phần mỏng hơn hoặc thiết kế tiết kiệm trọng lượng
Bồn chứa và bình chứa có áp suất bên trong vừa phải và nơi năng suất hàn là rất quan trọng	Bình chịu áp suất cao, khung kết cấu chịu tải nặng và các bộ phận chịu ứng suất cao hơn
Các ứng dụng đòi hỏi chế tạo tiết kiệm chi phí và quy trình hàn đơn giản hơn	Các ứng dụng mà việc giảm thiểu khối lượng hoặc tối đa hóa ứng suất cho phép là quan trọng và có thể thực thi các biện pháp kiểm soát chế tạo

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q370R khi tốc độ chế tạo, quy trình hàn đơn giản hơn và độ bền đã được chứng minh ở các tấm dày hơn là ưu tiên hàng đầu. - Chọn Q420R khi các hạn chế về thiết kế đòi hỏi ứng suất cho phép cao hơn hoặc giảm trọng lượng và dự án có thể đáp ứng các quy trình hàn và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Q420R thường đắt hơn Q370R tính theo kg do được gia công với độ bền cao hơn, có thể bổ sung thêm hợp kim siêu nhỏ và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn. Tuy nhiên, việc giảm trọng lượng nhờ sử dụng các đoạn Q420R mỏng hơn có thể bù đắp chi phí vật liệu trong tổng chi phí linh kiện.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất dưới dạng tấm cho thiết bị chịu áp lực tại các thị trường cung cấp thép Trung Quốc; tính khả dụng tại địa phương sẽ phụ thuộc vào sản lượng của nhà máy và chuỗi cung ứng khu vực. Thời gian giao hàng có thể bị ảnh hưởng bởi các yêu cầu về độ dày, nhiệt độ và thử nghiệm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Đặc điểm	Q370R	Q420R
Khả năng hàn	Hàn tốt hơn/dễ hơn với các quy trình tiêu chuẩn	Yêu cầu kiểm soát hàn chặt chẽ hơn và đôi khi phải gia nhiệt trước/PWHT
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Sự cân bằng tốt mang lại độ dẻo dai và độ linh hoạt	Độ bền cao hơn; độ dẻo dai có thể đạt được nhưng cần được xử lý có kiểm soát
Chi phí (cơ sở vật chất)	Thấp hơn mỗi kg	Cao hơn trên mỗi kg, khả năng tiết kiệm chi phí tổng thể thông qua các phần mỏng hơn

Khuyến nghị kết luận: - Chọn Q370R nếu bạn ưu tiên năng suất chế tạo, quy trình hàn đơn giản hơn và độ bền chắc chắn cho công việc chế tạo bình chịu áp suất thông thường khi độ dày và biên độ tiêu chuẩn có thể chấp nhận được. - Chọn Q420R nếu thiết kế của bạn yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn hoặc bạn cần giảm thiểu trọng lượng/độ dày và bạn có thể thực thi các biện pháp kiểm soát mua sắm/xử lý chặt chẽ hơn, chỉ định các quy trình hàn đủ tiêu chuẩn và đảm bảo khả năng xử lý của nhà cung cấp về độ bền và hành vi HAZ.

Lưu ý cuối cùng: Luôn luôn dựa trên các yêu cầu cụ thể của quy chuẩn, bảng tính chất phụ thuộc vào độ dày và tiêu chuẩn quy trình hàn của dự án để lựa chọn cấp độ. Khi nghi ngờ, hãy yêu cầu chứng chỉ vật liệu nhà máy, chỉ định giới hạn năng lượng va đập và độ cứng cần thiết, và thực hiện các thử nghiệm quy trình hàn và tiêu chuẩn phù hợp với độ dày chi tiết và cấu hình mối nối.