S280GD so với S350GD – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

S280GD và S350GD là hai loại thép kết cấu mạ kẽm nhúng nóng được sử dụng rộng rãi, dành riêng cho các cấu kiện đúc nguội và chế tạo, yêu cầu lớp phủ kẽm chống ăn mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép này khi cân nhắc các tiêu chí như độ bền kết cấu, khả năng định hình, khả năng hàn và tổng chi phí vòng đời. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm khung kết cấu nhẹ, tấm vỏ bao che tòa nhà, các tiết diện đúc nguội, và vỏ ô tô hoặc công nghiệp, nơi độ bền lớp phủ và hiệu suất cơ học đều quan trọng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này là giới hạn chảy tối thiểu được đảm bảo—S350GD cho giới hạn chảy thiết kế cao hơn S280GD. Nhờ có giới hạn chảy được đảm bảo cao hơn, S350GD thường được lựa chọn khi cần giảm độ dày tiết diện, giảm trọng lượng hoặc tăng khả năng chịu tải, trong khi S280GD thường được ưu tiên khi ưu tiên tính dễ tạo hình hoặc giảm chi phí vật liệu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chính có các cấp độ này xuất hiện:
• EN (Châu Âu): EN 10346 định nghĩa các sản phẩm thép được phủ nhúng nóng liên tục; S280GD và S350GD là các loại sản phẩm phổ biến trong nhóm này.
• Các đơn vị tương đương cấp quốc gia hoặc khu vực có thể đề cập đến các yêu cầu về hóa chất và cơ học giống nhau theo các tên gọi khác nhau trong tài liệu của nhà cung cấp.
• Phân loại:
• Cả S280GD và S350GD đều là thép kết cấu cacbon hợp kim thấp, thuộc nhóm thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) dành cho sản phẩm tấm mạ kẽm. Chúng không phải là thép không gỉ và không được phân loại là thép công cụ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Giới hạn hóa học chính xác cho S280GD và S350GD được quy định bởi tiêu chuẩn cung cấp và giấy chứng nhận nhà máy. Thay vì trích dẫn một bảng hóa học chung, phần tóm tắt dưới đây sẽ xác định các nguyên tố được kiểm soát và giải thích vai trò luyện kim của chúng.

Bảng: Đặc điểm và vai trò thành phần điển hình (tham khảo giấy chứng nhận của nhà máy để biết giới hạn chính xác)

Yếu tố	Sự hiện diện điển hình / hướng dẫn	Vai trò luyện kim chính
C (Cacbon)	Thấp, được kiểm soát chặt chẽ (thép ít cacbon để hàn/tạo hình)	Tăng cường độ bền và khả năng làm cứng; hàm lượng C quá cao làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai
Mn (Mangan)	Kiểm soát lượng vừa phải	Tăng cường, khử oxy, cải thiện khả năng làm cứng và tính chất kéo
Si (Silic)	Thấp để theo dõi	Khử oxy; quá nhiều sẽ làm giảm chất lượng lớp phủ
P (Phốt pho)	Rất thấp (được kiểm soát)	Tạp chất; hàm lượng P cao làm giòn và giảm độ dẻo dai
S (Lưu huỳnh)	Rất thấp (được kiểm soát)	Tạp chất; làm giảm độ dẻo và khả năng gia công nếu cao
Cr (Crom)	Thông thường không có hoặc dấu vết	Không được sử dụng làm hợp kim chính trong các loại này
Ni (Niken)	Thông thường không có hoặc dấu vết	Không được sử dụng làm hợp kim chính trong các loại này
Mo (Molypden)	Thường không có hoặc dấu vết	Không thường có; được sử dụng trong các loại có độ cứng cao hơn
V, Nb, Ti (Các nguyên tố hợp kim vi mô)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong các biến thể có cường độ cao hơn	Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) giúp tăng cường bằng cách kết tủa và tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện năng suất ở hàm lượng hợp kim thấp
B (Bo)	Hiếm; có dấu vết trong một số sản phẩm	Chất làm cứng mạnh nếu sử dụng với lượng nhỏ
N (Nitơ)	Kiểm soát; thấp	Có thể tạo thành nitrua với các nguyên tố hợp kim vi mô; ảnh hưởng đến hành vi kết tủa

Ghi chú: - Các biến thể S350GD có độ bền cao hơn thường sử dụng hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) và xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát thay vì tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Giá trị hóa học chính xác thay đổi tùy theo nhà máy, độ dày sản phẩm và quy trình phủ—luôn xác minh chứng chỉ vật liệu (MTC) để lập kế hoạch mua sắm và hàn.

Giải thích về chiến lược hợp kim: - Hàm lượng carbon thấp và Mn/S/Si được kiểm soát nhằm duy trì khả năng hàn và tạo hình tốt. - Hợp kim vi mô (thêm một lượng nhỏ Nb, V hoặc Ti) giúp tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình tinh luyện hạt và gia cường kết tủa mà không cần tăng lượng cacbon lớn, nếu không sẽ làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Hóa chất phủ kẽm và tình trạng bề mặt cũng được kiểm soát để đảm bảo lớp phủ bám dính và khả năng định hình.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - S280GD sản xuất theo công nghệ hiện đại: chủ yếu là ferritic-pearlitic hoặc ferritic hạt mịn với ma trận cacbon thấp—được thiết kế để có thể tạo hình và hàn. - S350GD sau khi sản xuất: cấu trúc vi mô ferritic mịn hơn với mật độ kết tủa/vị trí cao hơn do hợp kim hóa nhỏ và gia công nguội; có thể xuất hiện kết tủa carbide/niobi/titan mịn tùy thuộc vào hóa học và xử lý nhiệt cơ học.

Tác dụng của quá trình xử lý: - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) được sử dụng cho nhiều sản phẩm HSLA giúp tinh chỉnh kích thước hạt, tạo ra cường độ năng suất cao hơn thông qua sự kết hợp giữa quá trình tinh chỉnh hạt và quá trình gia cường kết tủa mà không cần xử lý làm nguội và ram. - Chuẩn hóa: nung nóng lại và làm mát bằng không khí có thể tinh chỉnh cấu trúc hạt và cải thiện độ dẻo dai nhưng không phổ biến đối với các sản phẩm dải phủ sau khi mạ kẽm. - Làm nguội và ram: không điển hình hoặc không thực tế đối với các sản phẩm dải mạ kẽm nhúng nóng liên tục; chúng thường được cung cấp ở dạng cán nguội hoặc cán nóng và phủ, trong đó độ bền đạt được nhờ thành phần và lịch trình cán thay vì xử lý nhiệt số lượng lớn.

Ý nghĩa: - S350GD đạt năng suất cao hơn chủ yếu nhờ kiểm soát thành phần và TMCP, không phải nhờ hàm lượng carbon cao hơn hoặc các phương pháp tôi/rau thông thường, giúp duy trì khả năng hàn và độ dẻo so với phương pháp martensitic carbon thông thường có độ bền tương đương.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các tính chất cơ học đặc trưng (mang tính chỉ dẫn; kiểm tra MTC để biết các giá trị cụ thể của sản phẩm)

Tài sản	S280GD	S350GD
Cường độ chịu kéo (tối thiểu được đảm bảo)	280 MPa (cơ sở chỉ định)	350 MPa (cơ sở chỉ định)
Độ bền kéo (phạm vi chỉ định)	Thông thường ở mức trung bình trên năng suất; tùy thuộc vào độ dày/chế biến (chỉ mang tính chất tham khảo)	Thông thường cao hơn S280GD; phạm vi phụ thuộc vào độ dày/quy trình xử lý (chỉ mang tính chất tham khảo)
Độ giãn dài / Độ dẻo	Độ dẻo cao hơn S350GD ở độ dày tương đương	Độ giãn dài đồng đều thấp hơn S280GD do độ bền cao hơn, nhưng vẫn dẻo để tạo hình khi được chỉ định đúng cách
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; phụ thuộc vào độ dày và cách xử lý; nói chung là phù hợp cho các ứng dụng xây dựng	Tốt nhưng có thể thấp hơn một chút so với S280GD ở các phần dày hơn hoặc ứng dụng nhiệt độ thấp; được kiểm soát bởi quy trình và hóa học
Độ cứng	Thấp hơn S350GD trong điều kiện cung cấp	Cao hơn S280GD, tỷ lệ thuận với năng suất cao hơn

Giải thích: - Tên S280 và S350 biểu thị giới hạn chảy tối thiểu lần lượt là 280 MPa và 350 MPa; độ bền kéo, độ giãn dài và các đặc tính va đập thay đổi tùy theo độ dày, lớp phủ và quy trình của nhà cung cấp. - S350GD có khả năng chịu tải cao hơn trên mỗi đơn vị mặt cắt ngang, nhưng độ bền cao hơn đó đi kèm với khả năng tạo hình và độ giãn dài giảm vừa phải so với S280GD khi độ dày, bán kính uốn và phương pháp tạo hình giống hệt nhau.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố cần xem xét về khả năng hàn đối với thép HSLA mạ kẽm chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Các chỉ số phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng hàn bao gồm hàm lượng cacbon tương đương IIW và Pcm của Nhật Bản.

Công thức hữu ích (khuyến khích giải thích theo hướng định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích: - Cả S280GD và S350GD đều được thiết kế với hàm lượng carbon tương đương tương đối thấp so với thép tôi và ram; TMCP và hợp kim vi mô giúp duy trì độ cứng vừa phải, hỗ trợ khả năng hàn. - S350GD có thể có CE hoặc Pcm cao hơn một chút do hợp kim vi mô và hàm lượng Mn cao hơn được sử dụng để đạt được độ bền; tuy nhiên, do độ bền đến từ các chất kết tủa mịn và tinh chế hạt chứ không phải từ hàm lượng cacbon cao hơn nên khả năng hàn vẫn được chấp nhận đối với các quy trình thông thường (MIG/MAG, SAW, hàn điện trở) khi sử dụng vật tư tiêu hao, vật liệu gia nhiệt trước và vật liệu xuyên qua được khuyến nghị. - Lớp mạ kẽm cần lưu ý thêm về mối hàn (hơi kẽm, độ xốp, khói). Thực hành tiêu chuẩn: loại bỏ lớp mạ cục bộ đối với mối hàn giáp mối khi cần thiết, kiểm soát các thông số hàn và đảm bảo thông gió đầy đủ.

Hướng dẫn thực tế: - Luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy để ước tính CE/Pcm và thực hiện quy trình thẩm định (WPS/PQR) cho các kết cấu hàn quan trọng. - Áp dụng mức nhiệt đầu vào thấp hơn hoặc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp khi cần thiết để tránh độ cứng HAZ quá mức hoặc mất độ dẻo dai.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn được tạo ra nhờ lớp mạ kẽm (thường là mạ kẽm nhúng nóng) chứ không phải nhờ hợp kim.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng: bảo vệ chống ăn mòn chính cho S280GD và S350GD trong môi trường khí quyển.
• Lớp phủ bổ sung: lớp sơn lót, sơn hoặc lớp phủ polymer có thể kéo dài tuổi thọ trong môi trường khắc nghiệt.
• Thiết kế cơ học: cho phép thoát nước và tránh các khe hở nơi lớp phủ sẽ bị xuống cấp nhanh hơn.

Công thức PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) có liên quan đến thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN không áp dụng cho S280GD và S350GD vì chúng không phải là loại thép không gỉ và dựa vào khả năng bảo vệ bằng kẽm thay vì khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ.

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

• Tạo hình và uốn cong:
• S280GD thường có khả năng tạo hình nguội tốt hơn và có thể chịu được bán kính uốn cong hẹp hơn cũng như các hoạt động dập mạnh hơn đối với cùng độ dày.
• S350GD mạnh hơn nên sẽ yêu cầu bán kính uốn cong lớn hơn hoặc bù độ đàn hồi bổ sung và có thể cần dụng cụ tối ưu hóa để tránh nứt.
• Cắt và xén:
• Cả hai loại đều có thể gia công và cắt tốt bằng dụng cụ tiêu chuẩn; độ bền tăng lên ở S350GD có thể khiến dụng cụ bị mài mòn nhiều hơn một chút và cần phải điều chỉnh nhỏ về khoảng cách cắt hoặc tuổi thọ dự kiến ​​của dụng cụ.
• Khả năng gia công:
• Không được tối ưu hóa cho gia công tốc độ cao; hiệu suất gia công phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon và lớp phủ. Lớp phủ kẽm nên được xem xét trong quá trình lập kế hoạch quy trình để kiểm soát độ mài mòn dụng cụ và phoi.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Bề mặt mạ kẽm hạn chế một số thao tác hoàn thiện (ví dụ: sơn cần được xử lý sơ bộ đúng cách). Hoàn thiện cơ học (chải) phải tránh làm hỏng lớp phủ nếu muốn duy trì khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình theo từng loại

S280GD (ứng dụng điển hình)	S350GD (ứng dụng điển hình)
Các thành phần khung đinh, cấu trúc nhẹ, lớp phủ chung của tòa nhà và mặt tiền nơi cần khả năng định hình cao hơn	Các thành phần kết cấu yêu cầu khả năng chịu tải cao hơn ở độ dày giảm (ví dụ: xà gồ, phần chịu lực cán nguội, khung chịu lực nặng hơn)
Mái nhà, máng xối và các tấm ít chịu lực hơn, nơi chi phí và sự dễ chế tạo là yếu tố quan trọng	Các phần cần giảm trọng lượng hoặc tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao hơn (thân xe vận chuyển, vỏ bọc chịu lực nặng)
Các yếu tố trang trí và kiến ​​trúc cần uốn cong và tạo hình dễ dàng	Các thành phần có ứng suất thiết kế cao hơn hoặc cần tiết diện nhỏ hơn cho cùng một tải trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn S280GD khi tạo hình phức tạp, uốn cong chặt chẽ hoặc ưu tiên chi phí vật liệu thấp và cường độ yêu cầu có thể đạt được ở mức giới hạn chảy thấp hơn. - Chọn S350GD khi yêu cầu về kết cấu đòi hỏi cường độ chịu kéo cao hơn, khi việc giảm độ dày hoặc trọng lượng của thành phần có lợi hoặc khi quy định thiết kế cho phép sử dụng cường độ cao hơn để tối ưu hóa các mặt cắt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: S350GD thường có giá cao hơn S280GD do cần kiểm soát quá trình xử lý cao hơn, bổ sung hợp kim siêu nhỏ và yêu cầu về chất lượng; tuy nhiên, sử dụng S350GD ở độ dày thấp hơn có thể bù đắp chi phí vật liệu cho mỗi thành phần và tổng chi phí hệ thống.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi với độ dày tấm và cuộn thông dụng từ các nhà cung cấp lớn; thời gian giao hàng phụ thuộc vào trọng lượng, độ cứng và độ dày lớp phủ. Các kết hợp đặc biệt (lớp phủ rất dày, độ cứng khác thường) có thể có thời gian giao hàng lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Tài sản	S280GD	S350GD
Khả năng hàn	Rất tốt (CE thấp)	Tốt (CE cao hơn một chút ở một số biến thể)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo cao hơn	Độ bền cao hơn với độ dẻo giảm nhẹ ở độ dày tương đương
Chi phí (vật liệu)	Thấp hơn trên mỗi đơn vị diện tích	Cao hơn trên mỗi đơn vị diện tích nhưng có khả năng chi phí hệ thống thấp hơn khi thu nhỏ quy mô

Chọn S280GD nếu: - Thiết kế của bạn yêu cầu khả năng định hình nguội tốt hơn, bán kính uốn cong hẹp hơn hoặc thao tác dập đơn giản hơn. - Ưu tiên hàng đầu là chi phí vật liệu thấp trên một đơn vị diện tích và khả năng hàn tốt. - Tải trọng kết cấu có thể được đáp ứng bằng cường độ chịu kéo thấp hơn mà không cần tăng độ dày tiết diện.

Chọn S350GD nếu: - Bạn cần cường độ chịu kéo cao hơn để giảm độ dày của tiết diện, giảm trọng lượng thành phần hoặc tăng khả năng chịu tải. - Thiết kế có lợi thế về tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt hơn và có thể thích ứng với khả năng tạo hình giảm đi một chút. - Bạn chấp nhận khả năng chi phí vật liệu cao hơn một chút để đổi lấy mặt cắt nhỏ hơn hoặc hiệu suất kết cấu được cải thiện.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác minh các giá trị hóa học và cơ học chính xác trên chứng chỉ thử nghiệm nhà máy đối với cuộn hoặc tấm được cung cấp, thực hiện các kiểm tra thiết kế phù hợp về khả năng tạo hình và quy trình hàn, và xem xét tổng chi phí vòng đời (vật liệu, chế tạo và lớp phủ bảo vệ) khi lựa chọn giữa S280GD và S350GD.