ZF100 so với ZF140 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ZF100 và ZF140 là các mác thép thương mại thường gặp trong chuỗi cung ứng cho các linh kiện kỹ thuật, chế tạo nặng và các chi tiết chịu mài mòn hoặc chịu tải. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn giữa thép có hàm lượng hợp kim thấp hơn, dễ chế tạo hơn và thép có hàm lượng hợp kim cao hơn, độ bền cao hơn, trong đó nhu cầu sử dụng biện minh cho chi phí tăng thêm. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng giữa khả năng hàn và độ bền, chi phí sản xuất so với tuổi thọ, và khả năng xử lý nhiệt dễ dàng so với khả năng tôi cứng có thể đạt được.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa của chúng: ZF140 được pha chế với hàm lượng hợp kim cao hơn để tăng khả năng tôi và độ bền, trong khi ZF100 được chỉ định gần với thành phần hợp kim thấp hơn, dễ hàn hơn. Vì lý do này, các nhà thiết kế thường xuyên so sánh chúng khi cần cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các thông số kỹ thuật thép quốc tế chính được sử dụng để phân loại hoặc đánh giá chuẩn các loại thép tương tự:
• ASTM / ASME (Hoa Kỳ)
• EN / EN ISO (Châu Âu)
• JIS (Nhật Bản)
• GB (Trung Quốc)
• ISO (Quốc tế)
• Lưu ý về các sản phẩm tương đương trực tiếp: ZF100 và ZF140 là tên gọi của nhà cung cấp hoặc sản phẩm khu vực chứ không phải tên gọi chuẩn hóa toàn cầu. Người mua nên yêu cầu giấy chứng nhận kiểm tra nhà máy và bảng dữ liệu hóa học/cơ học để tham chiếu chính xác với các cấp ASTM, EN, JIS hoặc GB.
• Phân loại (chung):
• ZF100: thường được bán trên thị trường dưới dạng thép kết cấu/kỹ thuật hợp kim hoặc hợp kim trung bình (có thể xử lý nhiệt, không phải thép không gỉ).
• ZF140: thường được tiếp thị là thép kết cấu/kỹ thuật hợp kim cao hơn với khả năng làm cứng và độ bền được cải thiện (thép hợp kim có thể xử lý nhiệt).
• Cả hai loại này thường không được phân loại là thép không gỉ; chúng không phải là thép công cụ theo nghĩa đen, nhưng có thể được sử dụng trong các ứng dụng tôi và ram tương tự như thép HSLA/hợp kim tùy thuộc vào công thức.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh thành phần định tính. Vì các chỉ định ZF là riêng biệt theo nhà cung cấp và phạm vi thành phần thay đổi tùy theo nguồn, bảng này sử dụng các mô tả mức độ tương đối (Dấu vết / Thấp / Trung bình / Cao / Đáng chú ý) thay vì tỷ lệ phần trăm tuyệt đối.

Yếu tố	Vai trò điển hình	ZF100 (tương đối)	ZF140 (tương đối)
C (cacbon)	Sự cân bằng giữa độ bền, khả năng tôi và khả năng hàn	Trung bình	Trung bình-Cao
Mn (mangan)	Độ bền, khả năng khử oxy, khả năng làm cứng	Trung bình	Trung bình-Cao
Si (silicon)	Khử oxy, sức mạnh	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình
P (phốt pho)	Tạp chất; nguy cơ giòn	Dấu vết-Thấp	Dấu vết-Thấp
S (lưu huỳnh)	Khả năng gia công (nếu được thêm vào) nhưng có nguy cơ giòn	Dấu vết	Dấu vết
Cr (crom)	Độ cứng, độ mài mòn, khả năng chống ăn mòn	Thấp	Trung bình
Ni (niken)	Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp	Dấu vết-Thấp	Dấu vết-Thấp
Mo (molypden)	Độ cứng, khả năng chống rão	Dấu vết-Thấp	Thấp–Trung bình
V (vanadi)	Tinh chế hạt, khả năng chịu nhiệt	Dấu vết	Dấu vết-Thấp
Nb/Ti/B (hợp kim vi mô)	Kiểm soát ngũ cốc, tăng cường lượng mưa	Dấu vết (có thể)	Dấu vết-Thấp (có thể)
N (nitơ)	Sức mạnh thông qua nitrua nếu hợp kim	Dấu vết	Dấu vết

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào - Việc tăng hàm lượng cacbon và mangan làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng lại làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu không được kiểm soát. - Crom, molypden và vanadi làm tăng khả năng làm cứng và độ bền ở nhiệt độ cao, đồng thời cải thiện khả năng chống nhiệt - hữu ích cho các phần dày hơn cần làm cứng đồng đều. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai mà không gây ra nhiều tổn hại về cacbon. - Hàm lượng hợp kim tổng hợp cao hơn trong ZF140 mang lại khả năng làm cứng tốt hơn và độ bền khi tôi cao hơn; ZF100 nhấn mạnh các đặc tính cân bằng với các đặc tính chế tạo được cải thiện.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - ZF100: Khi được chuẩn hóa, tạo ra hỗn hợp ferit và peclit hoặc cấu trúc bainit tinh chế tùy thuộc vào quá trình làm nguội. Khi được tôi và ram, nó tạo thành martensite ram hoặc bainit ram với độ dẻo và độ dai tốt nếu hàm lượng cacbon ở mức trung bình. - ZF140: Với khả năng hợp kim hóa và độ cứng cao hơn, quá trình tôi luyện sẽ tạo ra cấu trúc martensitic hoặc martensitic-bainit một cách đáng tin cậy hơn ngay cả ở những đoạn dày hơn. Sau khi ram, martensitic ram dự kiến ​​sẽ có độ bền và khả năng chịu ram cao hơn.

Các tuyến đường xử lý nhiệt và tác động - Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh hạt; hàm lượng hợp kim của ZF140 làm chậm động học chuyển đổi, tạo ra bainit/martensite mịn hơn ở cùng tốc độ làm nguội so với ZF100. - Làm nguội & ram: ZF140 đạt độ cứng cao hơn; ở điều kiện làm nguội tương đương, ZF140 thường đạt độ cứng sau khi làm nguội cao hơn và do đó độ bền ram cao hơn. ZF100 yêu cầu nhiệt độ làm nguội nhẹ hơn hoặc ram thấp hơn để đạt được độ bền vừa phải với độ dẻo dai được cải thiện. - Xử lý nhiệt cơ học: Cán nóng với làm mát có kiểm soát (TMCP) có thể tạo ra các cấu trúc vi mô bainit hạt mịn ở cả hai loại; hiệu ứng này rõ rệt hơn ở ZF140 do kiểm soát chuyển đổi có sự hỗ trợ của hợp kim.

4. Tính chất cơ học

Vì thông số kỹ thuật khác nhau giữa các nhà cung cấp nên bảng dưới đây cung cấp các mô tả so sánh thay vì giá trị tuyệt đối.

Tài sản	ZF100 (điển hình)	ZF140 (điển hình)
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt hơn (cao hơn)	Thấp-trung bình
Độ bền va đập	Tốt (đặc biệt là khi được tôi luyện)	Tốt nhưng có thể cần phải kiểm soát quá trình tôi luyện để tránh bị giòn
Độ cứng (HRC/HB tương đối)	Vừa phải	Cao hơn

Diễn giải - ZF140 được thiết kế để có độ bền và độ cứng cao hơn nhờ hàm lượng hợp kim và khả năng tôi luyện cao hơn. Điều này khiến nó trở nên ưu tiên khi cần khả năng chịu tải, khả năng chống mài mòn hoặc các tiết diện mỏng hơn, được xử lý nhiệt, có độ bền cao. - ZF100 thường có độ dẻo dai vượt trội và dễ dàng đạt được độ dai hơn qua nhiều phương pháp xử lý nhiệt, giúp dễ dàng chế tạo và lắp ráp hàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương, hợp kim, độ dày tiết diện và kiểm soát nhiệt trước/sau khi hàn. Các chỉ số tiêu biểu được các kỹ sư sử dụng:

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

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

Giải thích định tính - ZF100: Hàm lượng hợp kim tổng thể thấp hơn thường mang lại $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn, chuyển thành khả năng hàn tốt hơn và yêu cầu xử lý nhiệt trước/sau hàn (PWHT) thấp hơn đối với độ dày tiết diện mỏng đến trung bình. - ZF140: Hàm lượng hợp kim cao hơn làm tăng cả $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$; điều này làm tăng nguy cơ nứt nguội do hydro và độ cứng của kim loại hàn martensitic. Việc gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, vật tư tiêu hao hàm lượng hydro thấp và PWHT có thể là cần thiết hơn—đặc biệt đối với các tiết diện dày hơn.

Hướng dẫn thực tế - Luôn tính toán lượng cacbon tương đương có liên quan từ hóa chất nhà máy và đánh giá độ dày của mặt cắt. - Chỉ định các tiêu chuẩn về quy trình hàn (WPS/PQR) và giới hạn đo hydro cho ZF140 trong các điều kiện khắt khe.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả ZF100 và ZF140 đều không phải là thép không gỉ theo công thức tiêu chuẩn; khả năng chống ăn mòn đến từ cách xử lý bề mặt.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ khỏi tác động của khí quyển.
• Lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện) để trang trí và bảo vệ chống ăn mòn.
• Mạ hoặc mạ kim loại để chống mài mòn và ăn mòn cục bộ.
• Khi cần hợp kim thép không gỉ hoặc chống ăn mòn, chúng không phải là vật liệu thay thế. Không sử dụng các chỉ số thép không gỉ như PREN trừ khi thép có chứa hợp kim thép không gỉ cố ý: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lưu ý: PREN thường không áp dụng cho ZF100/ZF140 trừ khi nhà cung cấp cung cấp rõ ràng hóa chất đạt chuẩn thép không gỉ.

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

• Khả năng gia công: ZF100 thường dễ gia công hơn do độ cứng và hàm lượng hợp kim thấp hơn. ZF140, với độ cứng và hàm lượng hợp kim cao hơn, có thể yêu cầu dụng cụ cứng hơn, tốc độ cắt thấp hơn và thay dụng cụ thường xuyên hơn.
• Khả năng tạo hình: ZF100 có khả năng tạo hình nguội tốt hơn nhờ độ dẻo cao hơn. ZF140 có thể yêu cầu quy trình tạo hình nóng hoặc uốn có kiểm soát, và cần phải tính đến độ đàn hồi.
• Hoàn thiện: Mài, phun bi và hoàn thiện bề mặt tiêu tốn nhiều tài nguyên hơn trên ZF140 do độ cứng cao hơn; việc kiểm soát ứng suất bề mặt trong quá trình xử lý cũng quan trọng hơn.

8. Ứng dụng điển hình

ZF100 – Ứng dụng điển hình	ZF140 – Công dụng điển hình
Các bộ phận kết cấu chung, trục chịu lực trung bình, khung, cụm hàn có chi phí chế tạo và khả năng hàn quan trọng	Trục, bánh răng, linh kiện chịu mài mòn cao, các bộ phận tôi và ram khi cần độ cứng và độ bền cao hơn
Các thành phần đòi hỏi độ dẻo dai và độ bền va đập tốt sau khi xử lý nhiệt tiêu chuẩn	Các thành phần trong các phần dày hơn cần phải làm cứng xuyên suốt mà không cần làm nguội quá mức
Các bộ phận máy móc và giá đỡ chịu tải trung bình sẽ được bảo vệ bằng lớp phủ	Các bộ phận tiếp xúc với ứng suất cơ học cao, mài mòn vừa phải hoặc tải trọng mỏi cao

Cơ sở lựa chọn - Chọn loại thép phù hợp với yêu cầu chức năng thay vì chỉ dựa vào cường độ danh nghĩa. ZF100 phù hợp khi chế tạo, khả năng hàn và hiệu quả chi phí là những yếu tố quan trọng. ZF140 được chọn khi cần độ bền sử dụng cao hơn, khả năng chống mài mòn hoặc khả năng đạt được độ cứng đồng đều ở các tiết diện dày hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: ZF140 thường đắt hơn tính theo tấn do hàm lượng hợp kim cao hơn và quy trình xử lý/xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn. ZF100 thường là lựa chọn có chi phí thấp hơn.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở dạng tấm, thanh và rèn từ các nhà máy chuyên dụng; tuy nhiên, các loại thép tương tự ZF100 được dự trữ rộng rãi hơn. ZF140 có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng hoặc có thời gian giao hàng lâu hơn tùy thuộc vào nhà sản xuất và yêu cầu xử lý nhiệt.
• Tư vấn mua sắm: Yêu cầu điều kiện xử lý nhiệt, chứng chỉ kiểm tra nhà máy (hóa học và cơ học), điều kiện giao hàng và hình thức cung cấp (tấm, thanh, rèn). Đàm phán thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu cho các loại thép không đạt tiêu chuẩn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Tiêu chuẩn	ZF100	ZF140
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Trung bình – Thách thức (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ dai tốt ở mức độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn với độ dẻo dai tốt nếu được tôi luyện đúng cách
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Phần kết luận - Chọn ZF100 nếu: - Tốc độ chế tạo, khả năng hàn và chi phí vật liệu thấp là những yếu tố chính. - Các bộ phận có độ dày từ mỏng đến trung bình, không yêu cầu độ cứng cao. - Độ dẻo và độ bền hấp thụ năng lượng là quan trọng.

• Chọn ZF140 nếu:
• Độ bền xuyên suốt cao hơn và khả năng chống mài mòn là điều cần thiết.
• Các thành phần phải đạt được độ bền tôi và ram cao hơn ở các phần dày hơn.
• Dự án có thể đáp ứng các quy trình hàn khắt khe hơn, gia nhiệt trước/PWHT và chi phí vật liệu cao hơn để kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Lưu ý mua sắm cuối cùng: Luôn luôn lấy dữ liệu hóa học và cơ học chính xác từ nhà máy cho lô ZF100 hoặc ZF140 cụ thể đang được xem xét. Sử dụng các phép tính tương đương carbon và xác nhận WPS/PQR để xác nhận quy trình hàn và chỉ định xử lý nhiệt sau hàn khi cần thiết theo điều kiện vận hành.