S220GD so với S250GD – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

S220GD và S250GD là các loại thép kết cấu mạ kẽm nhúng nóng phổ biến trên thị trường, được sử dụng cho các tiết diện cán nguội, vỏ bao che công trình và các cấu kiện kết cấu chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân nhắc chi phí, khả năng định hình, khả năng hàn và khả năng chịu tải tối thiểu cần thiết.

Sự khác biệt thực tế quan trọng nhất giữa hai loại này là giới hạn chảy tối thiểu được đảm bảo: một loại đảm bảo giới hạn chảy thấp hơn và loại còn lại đảm bảo giới hạn chảy cao hơn. Vì cả hai đều được sản xuất cho các dây chuyền mạ kẽm liên tục và có cùng quy trình hóa học và quy trình xử lý, nên việc lựa chọn thường phụ thuộc vào việc liệu độ bền cao hơn của vật liệu cấp cao hơn có bù đắp được bất kỳ sự đánh đổi nào về khả năng định hình, khả năng hàn hoặc chi phí cho một ứng dụng nhất định hay không.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN / Châu Âu: S220GD, S250GD — tên gọi sản phẩm thông dụng cho thép mạ kẽm nhúng nóng trong EN 10346 (thép mạ nhúng nóng liên tục).
• ISO: Thường được tham chiếu thông qua các tiêu chuẩn hài hòa EN / ISO cho thép phủ.
• Các tiêu chuẩn khu vực khác: Các loại thép cán nguội có kết cấu tương đương tồn tại trong các dòng sản phẩm JIS, GB và ASTM, nhưng ký hiệu "SxxxGD" có nguồn gốc từ châu Âu và được các nhà sản xuất thép toàn cầu cung cấp thép cuộn và thép tấm mạ kẽm sử dụng rộng rãi.
• Họ vật liệu: Cả S220GD và S250GD đều là thép hợp kim thấp (HSLA) có hàm lượng carbon thấp, hợp kim vi mô/cường độ cao, được thiết kế để tạo hình và phủ; chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Các mác thép S220GD và S250GD được chế tạo dưới dạng thép cacbon thấp với hàm lượng mangan, silic được kiểm soát chặt chẽ và một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) khi cần thiết để đạt được cường độ cao hơn thông qua quá trình xử lý nhiệt cơ. Thành phần chính xác tùy thuộc vào nhà cung cấp và được điều chỉnh bởi tiêu chuẩn sản phẩm và quy trình sản xuất.

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (% khối lượng). Đây là phạm vi chỉ dẫn được sử dụng trong thực tế; luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp để biết quy trình mua sắm và hàn.

Yếu tố	S220GD (phạm vi điển hình, wt %)	S250GD (phạm vi điển hình, wt %)
C	≤ 0,12 (thường ≤ 0,10)	≤ 0,12 (thường ≤ 0,10)
Mn	0,3 – 1,0	0,3 – 1,2
Si	≤ 0,50 (thường là 0,02 – 0,15)	≤ 0,50 (thường là 0,02 – 0,15)
P	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,010	≤ 0,010
Cr	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Ni	≤ 0,30 (vết)	≤ 0,30 (vết)
Mo	≤ 0,10 (nếu sử dụng)	≤ 0,10 (nếu sử dụng)
V	≤ 0,05 (biến thể hợp kim vi mô)	≤ 0,05 (biến thể hợp kim vi mô)
Lưu ý	≤ 0,05 (nếu hợp kim vi mô)	≤ 0,05 (nếu hợp kim vi mô)
Ti	≤ 0,05 (nếu sử dụng)	≤ 0,05 (nếu sử dụng)
B	dấu vết	dấu vết
N	≤ 0,012	≤ 0,012

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan là những nguyên tố chính tạo nên độ bền. Cacbon làm tăng độ bền kéo/giới hạn chảy nhưng làm giảm khả năng hàn và tạo hình nếu tăng lên. - Silic và mangan còn có tác dụng khử oxy và gia cường thông qua dung dịch rắn. - Hợp kim vi mô với Nb, Ti hoặc V cho phép tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình làm cứng kết tủa và tinh chỉnh kích thước hạt bằng cách sử dụng kiểm soát nhiệt cơ học, cho phép tăng cường độ mà không có lượng cacbon dư thừa. - Hàm lượng phốt pho/lưu huỳnh thấp giúp cải thiện độ dẻo dai và khả năng tạo hình.

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

Cấu trúc vi mô trong sản xuất tiêu chuẩn: - Cả hai loại thép này thường được sản xuất bằng phương pháp cán nóng có kiểm soát, sau đó là phương pháp làm nguội (TMCP — xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát) hoặc cán nguội thông thường và ủ trước khi mạ kẽm. Cấu trúc vi mô điển hình là ferit với hàm lượng bainite hoặc perlit mịn được kiểm soát tùy thuộc vào quy trình xử lý. - S220GD có độ bền đảm bảo thấp hơn, thường được sản xuất với cấu trúc vi mô ferritic nhiều hơn và ít kết tủa hợp kim vi mô hơn, tạo độ dẻo và khả năng định hình. - S250GD thường chứa mật độ sai lệch cao hơn một chút hoặc các kết tủa hợp kim siêu nhỏ được kiểm soát và kích thước hạt mịn hơn được thiết kế trong TMCP để tăng cường độ bền mà không làm tăng đáng kể lượng cacbon.

Phản ứng với xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa, làm nguội và ram không phải là các bước sản xuất thông thường đối với các loại thép phủ này; chúng được sản xuất để đạt được độ bền thông qua cán và TMCP thay vì thông qua xử lý nhiệt số lượng lớn. - Nếu được gia nhiệt lại cục bộ (ví dụ: hàn), cấu trúc vi mô trong vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ đỉnh và tốc độ làm nguội. Thiết kế thép cacbon thấp hạn chế khả năng tôi cứng và giảm nguy cơ hình thành martensite giòn so với thép kết cấu cacbon cao hơn, nhưng các nguyên tố hợp kim vi mô có thể làm tăng nhẹ khả năng tôi cứng.

4. Tính chất cơ học

Bảng: So sánh các đặc tính cơ học điển hình. Các giá trị mang tính đại diện; giá trị thực tế được cung cấp phải được xác minh trên giấy chứng nhận của nhà máy và phụ thuộc vào độ dày và quy trình chế biến.

Tài sản	S220GD	S250GD
Giới hạn chảy tối thiểu (Rp0.2)	220 MPa (đảm bảo)	250 MPa (được đảm bảo)
Độ bền kéo điển hình (Rm)	Trung bình; phụ thuộc vào độ dày/quy trình; thường ở mức thấp-trung bình đối với tấm kết cấu	Cao hơn một chút so với S220GD; thay đổi tùy theo quá trình xử lý
Độ giãn dài (A%)	Độ dẻo cao hơn S250GD cho cùng độ dày	Độ giãn dài giảm nhẹ so với S220GD ở độ dày tương đương
Độ bền va đập	Nói chung là phù hợp với các bộ phận kết cấu được tạo hình nguội; không được chỉ định chung	Có thể so sánh được, nhưng độ dẻo dai cụ thể phụ thuộc vào TMCP và hóa học
Độ cứng	Thấp đến trung bình, thích hợp để hình thành	Cao hơn một chút so với mức trung bình do sức mạnh tăng lên

Giải thích: - S250GD mạnh hơn về mặt giới hạn chảy tối thiểu; điều này là có chủ đích để cho phép thiết kế khổ mỏng hơn hoặc khả năng chịu tải cao hơn. - S220GD thường dễ tạo hình hơn và có khả năng co giãn và phục hồi độ uốn cong tốt hơn một chút. - Sự khác biệt về độ dẻo dai là rất nhỏ và phụ thuộc vào quy trình — không có loại nào giòn; hiệu suất chịu va đập phải được xác nhận khi cần hiệu suất ở nhiệt độ thấp.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố đánh giá khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim vi mô. Để đánh giá định tính khả năng hàn, hai chỉ số thường được sử dụng là tương đương cacbon IIW và Pcm của Viện Hàn Quốc tế.

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

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

Giải thích định tính: - Cả S220GD và S250GD đều là thép cacbon thấp với CE$_{IIW}$ và Pcm tương đối thấp so với thép tôi và ram cường độ cao hơn. Điều này khiến chúng thường phù hợp với các quy trình hàn hồ quang thông thường (MMA, MIG/MAG, TIG) với quy trình gia nhiệt trước tiêu chuẩn. - S250GD, nếu được gia cường thông qua hợp kim vi mô hoặc TMCP thay vì tăng cacbon, thường vẫn giữ được khả năng hàn tốt; tuy nhiên, hàm lượng Mn hoặc hợp kim vi mô tăng có thể làm tăng CE và tăng khả năng làm cứng cục bộ, điều này có thể yêu cầu xử lý nhiệt trước hoặc sau hàn có kiểm soát ở các phần dày hơn hoặc điều kiện lạnh. - Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy tham khảo giá trị CE/Pcm của nhà cung cấp và tuân thủ các vật tư hàn được khuyến nghị cũng như quy trình gia nhiệt trước/sau khi gia nhiệt. Sử dụng thiết kế mối hàn và vật tư hàn có hàm lượng hydro thấp để giảm thiểu rủi ro.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả S220GD và S250GD đều là loại thép có lớp phủ: hậu tố “GD” biểu thị lớp mạ kẽm nhúng nóng (kẽm) được cung cấp dưới dạng sản phẩm mạ liên tục. Lớp mạ kẽm cung cấp khả năng bảo vệ catốt cho thép mềm.
• Các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn tiêu chuẩn: chọn khối lượng lớp phủ phù hợp (g/m²), xem xét hệ thống xử lý trước và sơn cho môi trường tiếp xúc với khí quyển hoặc môi trường khắc nghiệt, và chỉ định biện pháp bảo vệ cạnh hoặc bịt kín đường nối khi cần thiết.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho hợp kim thép không gỉ chứ không phải thép cacbon thấp tráng kẽm; để tham khảo:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Chỉ số này không áp dụng cho S220GD/S250GD vì chúng không phải là thép không gỉ.

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

• Tạo hình và uốn nguội: S220GD, với năng suất đảm bảo thấp hơn, thường có khả năng tạo hình tốt hơn một chút và bán kính uốn cho phép lớn hơn ở cùng độ dày. Giới hạn tạo hình nên được xác định bằng thử nghiệm toàn diện hoặc bảng dữ liệu của nhà cung cấp.
• Đục và ép: cả hai loại thép này đều được thiết kế cho các hoạt động tạo hình phổ biến trong xây dựng và lợp mái. Tuổi thọ dụng cụ tương đương nhau; tuy nhiên, độ bền cao hơn của thép S250GD làm tăng tải trọng tạo hình và có thể làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ.
• Khả năng gia công: cả hai loại thép này đều không được tối ưu hóa cho gia công tốc độ cao; cả hai đều gia công tương tự như thép kết cấu mềm. Khả năng gia công có thể được cải thiện bằng cách sử dụng dụng cụ và thông số cắt phù hợp.
• Hoàn thiện: Lớp mạ kẽm ảnh hưởng đến quá trình sơn và liên kết keo. Chuẩn bị bề mặt (ví dụ: chuyển đổi cromat hoặc sơn lót thích hợp) là tiêu chuẩn cho hệ thống sơn.

8. Ứng dụng điển hình

S220GD (sử dụng thông thường)	S250GD (sử dụng thông thường)
Mái và lớp phủ ở những nơi cần khả năng định hình cao	Cấu trúc và các mặt cắt có năng suất cao hơn cho phép giảm khổ đường ray
Lớp lót bên trong và ống dẫn có hình dạng rộng rãi	Xà gồ chịu lực định hình nguội, khung kết cấu nhẹ
Các bộ phận dập/đục lỗ không quan trọng	Các ứng dụng yêu cầu biên độ an toàn bổ sung cho khả năng chịu tải
Các ứng dụng kinh tế ưu tiên chi phí và dễ chế tạo	Các tình huống cần giảm trọng lượng bằng cách sử dụng thước đo mỏng hơn

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng S220GD khi hiệu quả tạo hình, khả năng uốn cong và chi phí thấp là ưu tiên hàng đầu và tải trọng thiết kế yêu cầu nằm trong giới hạn chảy thấp. - Sử dụng S250GD khi giới hạn chảy tối thiểu cao hơn cho phép sử dụng vật liệu mỏng hơn hoặc khi yêu cầu về kết cấu đòi hỏi giới hạn chảy đảm bảo cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: S250GD thường đắt hơn một chút so với S220GD do các đặc tính cơ học được đảm bảo cao hơn và khả năng cần phải xử lý vi hợp kim hoặc TMCP để đạt được các đặc tính này. Mức giá chênh lệch thay đổi tùy theo điều kiện thị trường.
• Tính khả dụng: Cả hai loại này thường được sản xuất bởi các nhà cung cấp cuộn lớn và có sẵn rộng rãi ở các dạng cuộn, tấm và khe thông dụng. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với khối lượng và chiều rộng lớp phủ tiêu chuẩn nhưng dài hơn đối với lớp phủ đặc biệt hoặc dung sai cơ học rất chặt chẽ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh (định tính)

Thuộc tính	S220GD	S250GD
Khả năng hàn	Tốt — dễ hơn do yêu cầu về sức mạnh thấp hơn	Tốt — nguy cơ CE cao hơn một chút nếu hợp kim vi mô
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt để tạo hình	Độ bền kéo cao hơn; độ dẻo dai tương tự nếu được xử lý đúng cách
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (phí bảo hiểm vừa phải)

Sự giới thiệu: - Chọn S220GD nếu: ứng dụng của bạn nhấn mạnh vào việc tạo hình, uốn và đột dập với nhu cầu về tấm mạ kẽm tiết kiệm nhất đáp ứng các yêu cầu về kết cấu vừa phải; khi độ dẻo tối đa cho các cấu hình phức tạp là điều cần thiết. - Chọn S250GD nếu: bạn cần cường độ chịu kéo cao hơn để giảm độ dày tiết diện, đạt được hệ số an toàn cao hơn hoặc đáp ứng các yêu cầu tải trọng kết cấu cụ thể trong khi vẫn giữ được ưu điểm của bề mặt mạ kẽm.

Lưu ý cuối cùng: Khi mua sắm và chế tạo, hãy luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy về thành phần hóa học, tính chất cơ học, khối lượng lớp phủ và quy trình tạo hình và hàn được nhà cung cấp khuyến nghị. Khi an toàn kết cấu hoặc độ bền ở nhiệt độ thấp là yếu tố quan trọng, hãy chỉ định và thử nghiệm các đặc tính cần thiết thay vì chỉ dựa vào tên mác thép.