Z25 so với Z35 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa hai cấp sản phẩm gần giống nhau khi chỉ định thép cho công trình kết cấu, chịu áp lực hoặc chế tạo nặng. Quyết định giữa Z25 và Z35 thường cân bằng giữa cường độ yêu cầu và hiệu suất xuyên suốt so với chi phí, khả năng hàn và tính khả dụng. Các bối cảnh quyết định phổ biến bao gồm vỏ tàu hàn, tấm thép dày cho cầu và các kết cấu chế tạo sẵn có, nơi có nguy cơ rách lớp (tách lớp) hoặc độ bền định hướng là mối quan tâm.

Ở cấp độ cao hơn, Z35 được định vị là loại thép hiệu suất cao hơn so với Z25: nó thường có khả năng chống rách lớp xuyên suốt tốt hơn và độ bền cao hơn, thường đạt được nhờ quá trình xử lý hóa học và nhiệt cơ được kiểm soát. Z25 được lựa chọn khi cần độ bền và độ dẻo dai phù hợp với chi phí thấp hơn, đồng thời dễ chế tạo và hàn hơn. Các loại thép này được so sánh vì chúng hướng đến các lĩnh vực ứng dụng tương tự nhưng khác nhau về chiến lược hợp kim hóa và quy trình xử lý để tối ưu hóa các yếu tố đánh đổi nêu trên.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính có thể xuất hiện các cấp sản phẩm có tiền tố Z hoặc số hiệu tương tự: các ký hiệu quốc gia và độc quyền (EN, ASTM/ASME, JIS, GB) hoặc tiêu chuẩn nhà máy. Lưu ý: Z25 và Z35 là nhãn cấp sản phẩm được một số nhà máy và đơn vị cung cấp thông số kỹ thuật sử dụng; chúng không phải là tên ASTM phổ biến như S275 hoặc S355.
• Phân loại theo họ:
• Z25: thường là thép kết cấu hợp kim thấp hoặc hợp kim vi mô (có độ bền từ thấp đến trung bình).
• Z35: thường là thép hợp kim siêu nhỏ hoặc thép hợp kim thấp có độ bền cao được tối ưu hóa để cải thiện tính chất xuyên suốt và độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn.
• Người dùng phải đối chiếu Z25/Z35 với thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp để xác minh mua sắm và thiết kế.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần hóa học chính xác của Z25 và Z35 tùy thuộc vào từng nhà cung cấp. Bảng dưới đây cung cấp các nguyên tố hợp kim điển hình của thép trong khung hiệu suất này và các phạm vi định tính hoặc chỉ định phổ biến trong dữ liệu sản phẩm của nhà máy. Luôn kiểm tra bằng chứng nhận phân tích.

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (mang tính chất tham khảo; tham khảo giấy chứng nhận của nhà máy) | Phần tử | Z25 (chiến lược điển hình) | Z35 (chiến lược điển hình) | |---|---:|---:| | C (cacbon) | Thấp đến trung bình; được tối ưu hóa cho khả năng hàn và độ dẻo (chỉ định: ~0,08–0,20%) | Thấp đến trung bình; được kiểm soát để cân bằng độ bền và khả năng hàn (chỉ định: ~0,08–0,22%) | | Mn (mangan) | Trung bình để hỗ trợ độ bền và khả năng làm cứng (chỉ định: ~0,3–1,2%) | Trung bình đến cao hơn một chút để tăng độ bền (chỉ định: ~0,4–1,4%) | | Si (silicon) | Lượng nhỏ để khử oxy (≈0,1–0,4%) | Tương tự, được kiểm soát về độ dẻo dai (≈0,1–0,4%) | | P (phốt pho) | Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai (<0,03%) | Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai (<0,03%) | | S (lưu huỳnh) | Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo (<0,02%) | Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo (<0,02%) | | Cr, Ni, Mo (hợp kim) | Thường là tối thiểu hoặc không có trong các cấp cơ bản; có thể chứa một lượng nhỏ bổ sung trong các biến thể hợp kim | Có thể chứa các lượng nhỏ bổ sung được kiểm soát để cải thiện khả năng tôi và độ dẻo dai trong các cấp biến thể | | V, Nb, Ti (hợp kim vi mô) | Có thể bao gồm hợp kim vi mô theo vết (mức ppm) để tinh chỉnh hạt và tăng cường độ | Nhiều khả năng là hàm lượng hợp kim vi mô được thiết kế và chế biến để cải thiện độ dẻo dai xuyên suốt chiều dày | | B (bo) | Thường không có hoặc ở mức rất thấp | Có thể được một số nhà máy sử dụng với lượng bổ sung nhỏ để tăng khả năng tôi luyện (ppm) | | N (nitơ) | Được kiểm soát để quản lý độ ổn định và độ bền của tạp chất | Được kiểm soát; hàm lượng N thấp thường hỗ trợ độ dẻo dai |

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu quá nhiều. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) cho phép tăng cường độ thông qua quá trình tinh luyện hạt và làm cứng kết tủa mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Kiểm soát các khe hở thấp (P, S, N) và thực hành thép sạch giúp cải thiện độ dẻo và hiệu suất xuyên suốt chiều dày.

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

Cấu trúc vi mô và phản ứng điển hình:

• Z25:
• Quy trình sản xuất: cán nóng thông thường với tùy chọn chuẩn hóa hoặc ram nhẹ.
• Cấu trúc vi mô: chủ yếu là ferit-perlit hoặc ferit hạt mịn với perlit được kiểm soát; các biến thể hợp kim vi mô cho thấy kết tủa mịn làm tăng cường độ chịu kéo.

• Phản ứng xử lý nhiệt: quá trình chuẩn hóa làm mịn hạt và cải thiện độ dẻo dai; quá trình làm nguội và ram mạnh không phổ biến đối với loại này.

• Z35:

• Quy trình xử lý: có thể sử dụng cán có kiểm soát (xử lý có kiểm soát nhiệt cơ, TMCP) và làm mát nhanh để tinh chỉnh cấu trúc vi mô và tạo ra các thành phần bainit/ferrit mịn.
• Cấu trúc vi mô: ferit hạt mịn hơn với bainite phân tán hoặc các túi martensite/bainit tôi luyện trong một số biến thể hợp kim thấp; kiểm soát tạp chất được thiết kế để giảm nguy cơ rách lớp.
• Phản ứng xử lý nhiệt: TMCP và làm mát có kiểm soát làm tăng độ bền và cải thiện độ dẻo dai xuyên suốt chiều dày hiệu quả hơn so với chuẩn hóa đơn giản; có thể làm nguội và ram nếu được chỉ định nhưng sẽ thay đổi phân loại.

Tác dụng của các tuyến đường chung: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô; cải thiện độ dẻo dai cho cả hai cấp. - Làm nguội và ram: tăng độ bền đáng kể nhưng đòi hỏi phải kiểm soát quá trình hàn và gia nhiệt trước/sau nghiêm ngặt hơn. - TMCP: cho độ bền và độ dẻo dai cao hơn với khả năng hàn tốt bằng cách tinh chỉnh cấu trúc vi mô mà không cần hợp kim nặng.

4. Tính chất cơ học

Giá trị cơ học chính xác phụ thuộc vào chứng nhận nhà máy, hình dạng sản phẩm (tấm, cuộn, chi tiết rèn) và xử lý nhiệt. Bảng sau đây cung cấp các phạm vi so sánh mang tính chất tham khảo và các mô tả định tính; vui lòng kiểm tra các giá trị cụ thể trong tài liệu mua sắm.

Bảng: Tính chất cơ học chỉ định (phạm vi điển hình; tham khảo dữ liệu nhà máy) | Bất động sản | Z25 (mang tính chỉ dẫn) | Z35 (mang tính chỉ dẫn) | |---|---:|---:| | Độ bền kéo | Trung bình — thường ở mức thấp đến trung bình đối với thép kết cấu | Cao hơn — thường trên Z25, phản ánh độ bền kéo cao hơn | | Giới hạn chảy | Phạm vi thấp/trung bình (phù hợp với kết cấu chung) | Cao hơn; được thiết kế cho tải trọng tĩnh cao hơn | | Độ giãn dài (%) | Độ dẻo tốt; thích hợp để tạo hình và chế tạo | Thấp hơn một chút hoặc tương đương; tùy thuộc vào quá trình xử lý | | Độ bền va đập (Charpy, - hoặc nhiệt độ chỉ định) | Trung bình; tùy thuộc vào độ sạch và quá trình xử lý | Độ dày xuyên suốt và độ bền định hướng cao hơn; được thiết kế để chống rách lớp | | Độ cứng (HB hoặc HRC) | Trung bình | Cao hơn, nhưng vẫn nằm trong phạm vi có thể hàn được đối với nhiều cấp độ |

Vật liệu nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn và tại sao: - Độ bền: Z35 được thiết kế để cung cấp độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn Z25 thông qua sự kết hợp giữa hàm lượng hợp kim cao hơn một chút và kiểm soát quy trình. - Độ bền: Z35 có xu hướng cải thiện độ dày xuyên suốt và khả năng chống tách lớp nhờ quy trình sản xuất thép sạch hơn, kiểm soát hình dạng tạp chất và xử lý nhiệt cơ học. Điều này rất quan trọng khi có nguy cơ rách lớp. - Độ dẻo: Z25 có thể có độ giãn dài đồng đều cao hơn một chút trong một số điều kiện do độ bền thấp hơn; tuy nhiên, Z35 được xử lý cẩn thận có thể giữ được độ dẻo tốt trong khi vẫn tăng độ bền.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu được xác định bởi hàm lượng cacbon tương đương và độ tôi. Để đánh giá định tính, bạn có thể sử dụng hàm lượng cacbon tương đương IIW và chỉ số Pcm:

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

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

Diễn giải (định tính): - Z25: Với hàm lượng carbon tương đối thấp và tính chất hóa học đơn giản hơn, có xu hướng có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn—giúp hàn dễ hơn, yêu cầu gia nhiệt trước/sau ít hơn và khả năng nứt nguội thấp hơn. - Z35: Cường độ cao hơn và hợp kim vi mô được thêm vào hoặc Mn cao hơn một chút có thể làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ một chút. Điều này đòi hỏi các thông số kỹ thuật quy trình hàn cẩn thận hơn (PQR/WPS), có thể gia nhiệt trước và chú ý đến việc kiểm soát hydro. - Ở cả hai cấp độ: độ dày, cấu hình mối hàn và quy trình chế tạo (độ sạch, nung hydro, lựa chọn điện cực) ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hàn. Kiểm tra bằng phương pháp thẩm định quy trình hàn sử dụng thành phần hóa học của tấm hàn mục tiêu.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép không gỉ: Z25 và Z35 thường là thép hợp kim thấp không gỉ. Khả năng chống ăn mòn được cung cấp bởi lớp phủ và thiết kế:
• Mạ kẽm nhúng nóng, sơn lót giàu kẽm, lớp phủ epoxy hoặc mạ kim loại là những chiến lược bảo vệ phổ biến.
• Chọn hệ thống sơn phủ dựa trên môi trường (mức độ ăn mòn C3–C5 hoặc môi trường biển so với nông thôn/công nghiệp).
• Lưu ý về thép không gỉ: PREN không áp dụng trừ khi cấp độ là hợp kim thép không gỉ. Để tham khảo, hợp kim thép không gỉ sử dụng: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ —được sử dụng để ước tính khả năng chống rỗ của thép không gỉ.
• Khi nào nên cân nhắc thép không gỉ: Nếu cần khả năng chống ăn mòn lâu dài mà không cần lớp phủ bên ngoài, hãy chuyển sang họ thép không gỉ thay vì dựa vào Z25/Z35.

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

• Cắt: Cả hai loại đều có thể cắt bằng ngọn lửa, cắt bằng plasma hoặc cắt bằng laser; Độ bền cao hơn của Z35 có thể yêu cầu các thông số cắt được điều chỉnh và tạo ra các vùng chịu nhiệt cứng hơn.
• Khả năng gia công: Z25 thường dễ gia công hơn một chút do độ bền thấp hơn và ít bị tôi kết tủa. Z35, với hợp kim vi mô và độ bền cao hơn, có thể chịu mài mòn dụng cụ tốt hơn; hãy chọn dụng cụ và tốc độ phù hợp.
• Khả năng định hình và uốn cong: Z25 thường có khả năng uốn cong tốt hơn ở cùng độ dày do giới hạn chảy thấp hơn. Z35 có thể được định hình nếu được thiết kế phù hợp, nhưng bán kính uốn tối thiểu có thể lớn hơn và độ đàn hồi cao hơn.
• Lượng nhiệt đầu vào và tạo hình: Đối với tạo hình nặng hoặc tạo hình sau khi hàn, hãy xem xét phương pháp xử lý nhiệt được chỉ định cho từng loại và đảm bảo các quy trình không gây ra tình trạng mất độ bền không mong muốn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình của từng loại | Z25 (công dụng điển hình) | Z35 (công dụng điển hình) | |---|---| | Tấm và dầm kết cấu chung cần độ bền tiêu chuẩn và khả năng hàn tốt | Các thành phần và tấm chế tạo nặng cần độ bền cao hơn và hiệu suất xuyên suốt được cải thiện | | Khung chế tạo, băng tải và kết cấu thép nói chung | Chân đế bình chịu áp lực, mặt bích nặng và kết cấu hàn có nguy cơ bị rách lớp | | Bồn và thùng hàn chịu tải trung bình có lớp phủ chống ăn mòn | Cầu, các cấu trúc ngoài khơi hoặc gần bờ nơi độ bền xuyên suốt là rất quan trọng | | Các ứng dụng ưu tiên chi phí, dễ mua sắm và hàn đơn giản | Các ứng dụng ưu tiên khả năng chịu tải cao hơn, khả năng chống mỏi và giảm nguy cơ tách lớp |

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Z25 khi chi phí, chế tạo đơn giản và độ dẻo/khả năng hàn tổng thể tốt là những yếu tố chính. - Chọn Z35 khi cần tấm thép cứng hơn, bền hơn với hiệu suất xuyên suốt theo thiết kế (ví dụ: mối hàn dày, cụm hàn chịu tải nặng).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Z35 thường có giá cao hơn Z25 do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn, hợp kim vi mô, xử lý TMCP hoặc các bước thẩm định bổ sung. Mức giá cao hơn tùy theo khu vực và nhà sản xuất.
• Tính khả dụng: Z25 thường được cung cấp rộng rãi hơn với nhiều kích thước máy cán, độ dày và hình dạng sản phẩm. Z35 có thể được cung cấp dưới dạng cuộn và tấm tiêu chuẩn nhưng có thể bị giới hạn ở độ dày đặc biệt hoặc theo đơn đặt hàng số lượng nhỏ; thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với vật liệu Z35 được chứng nhận.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các sự đánh đổi chính | Đặc điểm | Z25 | Z35 | |---|---:|---:| | Khả năng hàn | Cao; PQR/WPS dễ hơn | Tốt nhưng cần chú ý nhiều hơn đến việc kiểm soát nhiệt độ trước/hydro | | Cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai | Độ bền vừa phải với độ dẻo dai tốt | Độ bền cao hơn với độ dẻo dai xuyên suốt được cải thiện | | Chi phí | Thấp hơn | Cao hơn |

Khuyến nghị: - Chọn Z25 nếu: - Dự án của bạn ưu tiên tính hiệu quả về chi phí, hàn đơn giản và hiệu suất kết cấu chung. - Độ dày tấm, cấu hình mối nối và điều kiện sử dụng không gây ra nguy cơ rách lớp hoặc ứng suất xuyên qua độ dày. - Bạn cần nguồn cung ứng rộng rãi và thời gian giao hàng ngắn.

• Chọn Z35 nếu:
• Bạn cần độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn và khả năng chống rách theo lớp hoặc rách xuyên suốt độ dày được cải thiện.
• Thiết kế bao gồm các kết nối hàn nặng, tấm dày hoặc các điều kiện mà độ bền định hướng là quan trọng (dễ bị mỏi hoặc tải trọng tuần hoàn).
• Bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn và có thể phải kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn để có kết cấu bền hơn.

Lưu ý cuối cùng: Z25 và Z35 là nhãn mác viết tắt cho sản phẩm, yêu cầu đảm bảo chính xác về thành phần hóa học và cơ học từ chứng chỉ nhà máy và thông số kỹ thuật áp dụng. Đối với các ứng dụng hàn chịu áp lực hoặc quan trọng về an toàn, hãy luôn ghi rõ các đặc tính cơ học cần thiết (giới hạn chảy, độ bền kéo, va đập ở nhiệt độ), giá trị hóa học tối đa cho phép và quy trình hàn bắt buộc trong hồ sơ mua sắm và bản vẽ.