09CuPCrNi so với SPA-H – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải lựa chọn giữa thép hợp kim thấp được tối ưu hóa về khả năng chống ăn mòn và độ bền so với thép cacbon thông thường dùng cho bình chịu áp lực, ưu tiên chi phí và tính khả dụng rộng rãi. Quyết định này thường cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn (hoặc hiệu suất chịu được khí quyển/nước biển), độ bền ở nhiệt độ vận hành, khả năng hàn và tính kinh tế của việc cung cấp tấm hoặc mặt cắt.

09CuPCrNi là hợp kim chứa đồng và niken, hàm lượng carbon thấp theo phong cách Nhật Bản, được thiết kế để cải thiện khả năng chống ăn mòn khí quyển và độ bền so với thép carbon thông thường. SPA-H là ký hiệu thép carbon bình chịu áp lực ASME/ký hiệu cũ, được sử dụng cho các tấm và vỏ, nơi mà độ bền thông thường và khả năng chế tạo có thể dự đoán được là mối quan tâm chính. Do đó, chúng thường được so sánh khi các nhà thiết kế cân nhắc nên chỉ định cấp thép carbon bình chịu áp lực thấp, chống ăn mòn hay lựa chọn thép carbon bình chịu áp lực tiêu chuẩn cho bình, đường ống hoặc cấu kiện kết cấu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 09CuPCrNi
• Nguồn gốc: Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản / danh pháp định danh theo phong cách JIS.
• Phân loại điển hình: Thép hợp kim thấp (ít cacbon) được bổ sung Cu, Cr, Ni một cách có chủ đích để tăng khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và độ dẻo dai.
• SPA-H
• Nguồn gốc: Ký hiệu vật liệu cũ của ASME / ASTM được sử dụng trong danh sách tấm bình chịu áp suất (kiểm tra ASME Phần II Phần A và các thông số kỹ thuật ASTM hiện hành để lập bản đồ hiện tại).
• Phân loại điển hình: Thép bình chịu áp suất hợp kim thấp/cacbon (thường được coi là loại thép tấm cacbon dùng cho nồi hơi và bình chịu áp suất).

Lưu ý về nhận dạng: việc ánh xạ chính xác theo số ASTM/EN/JIS hiện tại có thể thay đổi tùy theo phiên bản; luôn kiểm tra giấy chứng nhận của nhà máy và tài liệu tiêu chuẩn có liên quan để biết các yêu cầu chính xác về hóa chất và cơ học.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Tổng quan về thành phần định tính (để so sánh ở cấp độ thông số kỹ thuật). Để biết giới hạn số chính xác, hãy tham khảo tiêu chuẩn hoặc chứng chỉ nhà máy có liên quan.

Yếu tố	09CuPCrNi (chiến lược điển hình)	SPA‑H (chiến lược điển hình)
C	Thấp (ký hiệu “09” biểu thị hàm lượng C thấp để có khả năng hàn và độ dẻo dai)	Thấp–trung bình (mức thép cacbon điển hình cho tấm bình chịu áp suất)
Mn	Có mặt để cung cấp khả năng kiểm soát độ bền và độ cứng	Có mặt như là yếu tố sức mạnh chính/dung dịch rắn
Si	Một lượng nhỏ như chất khử oxy; hiệu ứng hợp kim hạn chế	Một lượng nhỏ như chất khử oxy; hiệu ứng hợp kim vi mô thỉnh thoảng
P	Được kiểm soát; có thể cao hơn thép siêu sạch nhưng khả năng chống ăn mòn bị hạn chế	Giới hạn tối đa được kiểm soát theo thông số kỹ thuật của bình chịu áp suất
S	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai; có thể bị giới hạn bởi cấp độ	Giữ ở mức thấp; kiểm soát các tạp chất để có độ dẻo dai
Cr	Bổ sung có chủ đích để cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ cứng	Thông thường là thấp hoặc dư trừ khi được chỉ định là biến thể hợp kim thấp
Ni	Được thêm vào để tăng cường độ dẻo dai, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hơn	Thông thường là thấp hoặc còn sót lại trừ khi có một tấm hợp kim được chỉ định
Mo	Nói chung là bị hạn chế hoặc không có trừ khi có biến thể đặc biệt	Thông thường không có trừ khi cấp độ bình chịu áp suất hợp kim thấp được chỉ định
V, Nb, Ti	Không phải là nguyên tố hợp kim chính trong thành phần 09CuPCrNi tiêu chuẩn; có thể xuất hiện dưới dạng vết	Có thể xuất hiện dưới dạng hợp kim vi mô trong một số loại thép bình chịu áp suất nhưng không có trong SPA-H cổ điển
B, N	Được kiểm soát; N đóng vai trò trong sức mạnh khi được hợp kim hóa một cách có chủ ý	Được kiểm soát theo yêu cầu của tiêu chuẩn

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - C và Mn chủ yếu tạo nên độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; hàm lượng cacbon thấp hơn hỗ trợ khả năng hàn và độ dẻo. - Cu và Ni cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp mà không làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện. - Cr góp phần tăng khả năng chống ăn mòn và có thể làm tăng khả năng tôi luyện một cách khiêm tốn. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) khi có mặt sẽ làm tăng độ bền thông qua quá trình kết tủa và tinh chỉnh hạt; chúng có thể làm giảm 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: - 09CuPCrNi - Cán mỏng hoặc chuẩn hóa: cấu trúc ferit-perlit mịn hoặc bainit ram tùy thuộc vào quá trình chế biến; hợp kim với Ni và Cr giúp tinh chỉnh kích thước hạt ferit và ổn định độ dẻo dai. - Phản ứng xử lý nhiệt: phản ứng với quá trình thường hóa và ram; thường không dùng để làm cứng bằng phương pháp tôi và ram mạnh do hàm lượng cacbon thấp, nhưng có thể được xử lý nhiệt cơ học để cải thiện sự cân bằng độ bền và độ dẻo dai. - SPA‑H - Cán: ferit–perilit đặc trưng cho tấm bình chịu áp suất; cấu trúc vi mô hướng tới tính chất cơ học đồng nhất và độ dẻo dai có thể dự đoán được. - Phản ứng xử lý nhiệt: được cung cấp ở trạng thái chuẩn hóa hoặc cán theo thông số kỹ thuật; một số loại thép bình chịu áp suất được chuẩn hóa để cải thiện độ dẻo dai.

Tác động của các tuyến xử lý: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ cao) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện tính đồng nhất cũng như độ dẻo dai cho cả hai loại. - Làm nguội và ram có thể làm tăng đáng kể độ bền nhưng đòi hỏi hàm lượng hợp kim thích hợp và kiểm soát khả năng làm cứng để tránh nứt; hàm lượng C thấp trong 09CuPCrNi và SPA‑H thường hạn chế phản ứng làm cứng có thể đạt được so với thép hợp kim cao hơn. - Cán nhiệt cơ học (lăn có kiểm soát) cải thiện độ bền và độ dẻo dai thông qua quá trình tinh chỉnh hạt và chuyển đổi có kiểm soát—thường được sử dụng trong các tấm hiện đại để đạt được sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai thuận lợi.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh định tính về hành vi cơ học điển hình (tham khảo tiêu chuẩn cấp thực tế hoặc báo cáo thử nghiệm nhà máy để biết giá trị đảm bảo).

Tài sản	09CuPCrNi	SPA-H
Độ bền kéo	Vừa phải — được thiết kế để có sức mạnh cân bằng	Trung bình — mức tối thiểu được chỉ định cho việc sử dụng bình chịu áp suất
Sức chịu lực	Trung bình — năng suất tốt cho các tấm có độ dày từ mỏng đến trung bình	Trung bình — được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về năng suất tối thiểu của mã
Độ giãn dài	Độ dẻo tốt do hàm lượng C thấp và hợp kim tăng độ dẻo dai	Độ dẻo tốt đặc trưng của thép cacbon chế tạo bình chịu áp lực
Độ bền va đập	Nói chung cao hơn ở nhiệt độ thấp do bổ sung Ni/Cr	Độ dẻo dai tốt khi được chuẩn hóa; có thể thấp hơn các loại hợp kim ở nhiệt độ rất thấp
Độ cứng	Độ cứng tuyệt đối thấp hơn (khả năng gia công và hàn tốt hơn)	Tương tự hoặc cao hơn một chút tùy thuộc vào cấp độ và độ dày của tấm

Giải thích: - 09CuPCrNi có xu hướng cung cấp độ bền ở nhiệt độ thấp và khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tốt hơn ở mức độ cường độ tương tự, nhờ bổ sung Ni và Cu. - SPA‑H cung cấp các đặc tính cơ học có thể dự đoán được, đạt tiêu chuẩn cho các ứng dụng bình chịu áp suất; độ dẻo dai của nó đủ cho nhiều điều kiện sử dụng nhưng có thể cần phải chuẩn hóa hoặc các phần dày hơn để đáp ứng các yêu cầu về va đập ở nhiệt độ thấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được quyết định bởi hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương và các chất bổ sung hợp kim ảnh hưởng đến khả năng làm cứng và khả năng tiếp xúc với hydro.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (được trình bày để giải thích thay vì tính toán ở đây): - Carbon tương đương (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm (Chỉ số khả năng 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: - 09CuPCrNi: hàm lượng cacbon thấp làm giảm xu hướng tôi cứng; tuy nhiên, Cu, Cr và Ni làm tăng CE một cách khiêm tốn. Khả năng hàn nhìn chung tốt, nhưng khuyến nghị về xử lý nhiệt trước và sau hàn phụ thuộc vào độ dày và quy trình hàn vì Cu và Cr có thể ảnh hưởng đến độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nguy cơ nứt. - SPA‑H: khả năng hàn tốt cho độ dày vừa phải, đặc trưng của tấm bình chịu áp lực. Hàm lượng cacbon và Mn là yếu tố chính; áp dụng các quy trình gia nhiệt trước/hàn sau tiêu chuẩn cho tấm cacbon. Luôn đánh giá CE và Pcm cho hóa chất cán và độ dày tấm cụ thể để xác định nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT.

Hướng dẫn thực tế: luôn sử dụng báo cáo thử nghiệm tại nhà máy và tính toán CE/Pcm cho lô thực tế để thiết lập các thông số hàn; thực hiện PWHT khi được yêu cầu theo quy định hoặc khi CE gợi ý khả năng làm cứng cao hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• 09CuPCrNi
• Được thiết kế để cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển so với thép cacbon thông thường, nhờ bổ sung Cu và Cr giúp hình thành lớp màng bảo vệ và giảm tốc độ ăn mòn đồng đều trong nhiều môi trường.
• Vẫn chưa đạt tiêu chuẩn thép không gỉ - trong môi trường có tính axit hoặc clorua mạnh, cần có biện pháp bảo vệ bổ sung (lớp phủ, lớp lót) hoặc thông số kỹ thuật của thép không gỉ.
• SPA-H
• Không chống ăn mòn vượt quá khả năng chống ăn mòn của thép cacbon thông thường; cần bảo vệ bề mặt như sơn, phủ dung môi/epoxy hoặc mạ kẽm (nếu có) khi tiếp xúc lâu dài với khí quyển.
• Để bảo vệ chống ăn mòn bên trong các bình chứa, hãy sử dụng lớp lót/lớp phủ hoặc chọn hợp kim chống ăn mòn.

Khi phát sinh các vấn đề liên quan đến thép không gỉ: - PREN (khả năng chống rỗ) chỉ liên quan đến thép không gỉ hoặc thép không gỉ hai lớp: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Chỉ số này không áp dụng cho các loại thép có hàm lượng carbon/hợp kim thấp này.

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

• 09CuPCrNi
• Khả năng gia công: trung bình đến tốt; độ cứng thấp hơn và hóa chất được kiểm soát hỗ trợ hoạt động cắt nhưng hợp kim có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công so với thép cacbon thông thường.
• Khả năng tạo hình: tốt do có hàm lượng C thấp và độ dẻo; thích hợp để uốn và tạo hình theo các thông lệ tiêu chuẩn.
• Hoàn thiện bề mặt: phản ứng tốt với các phương pháp xử lý bề mặt thông thường; quá trình hàn có thể cần chú ý để tránh hiện tượng nóng chảy do đồng gây ra trong một số điều kiện gia công nhất định (hiếm gặp ở hợp kim này khi được sản xuất tốt).
• SPA-H
• Khả năng gia công: thường tốt đối với tấm cacbon; hiệu suất phụ thuộc vào độ dày và xử lý nhiệt.
• Khả năng tạo hình: áp dụng các quy trình tạo hình tiêu chuẩn cho tấm bình chịu áp suất; có thể cần uốn bán kính lớn và gia nhiệt có kiểm soát đối với các phần dày hơn.
• Hoàn thiện: có thể sơn, phủ hoặc mạ dễ dàng.

8. Ứng dụng điển hình

09CuPCrNi	SPA-H
Các bộ phận kết cấu khí quyển hoặc ven biển cần khả năng chống ăn mòn cao và độ bền ở nhiệt độ thấp (ví dụ: kết cấu ngoài trời, một số bể chứa)	Bình chịu áp suất và tấm nồi hơi, các ứng dụng kết cấu chung trong đó việc tuân thủ quy định và chi phí là yếu tố chính
Bể chứa và bình chứa cỡ trung bình có khả năng ăn mòn vừa phải và cần độ bền cao	Bộ trao đổi nhiệt, bình chịu áp suất và bồn chứa được chế tạo theo thông số kỹ thuật của tấm ASME/ASTM
Các thành phần đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng hàn và hiệu suất khí quyển được cải thiện	Các ứng dụng đòi hỏi tính khả dụng của tấm tiêu chuẩn, hiệu quả về chi phí và các phương pháp chế tạo có thể dự đoán được

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 09CuPCrNi khi khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và độ bền ở nhiệt độ thấp với chi phí tương đương và độ phức tạp trong chế tạo là quan trọng. - Chọn SPA‑H khi ưu tiên sử dụng tấm carbon cho bình chịu áp suất thông thường có tính khả dụng rộng rãi và tuân thủ quy định.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 09CuPCrNi
• Chi phí: thường cao hơn tấm carbon cơ bản vì phải bổ sung đồng và niken và sản lượng ít hơn.
• Tính khả dụng: hạn chế hơn; có sẵn từ các nhà cung cấp sản xuất tấm hợp kim thấp chống ăn mòn — thời gian giao hàng có thể lâu hơn và có thể áp dụng số lượng đặt hàng tối thiểu.
• SPA-H
• Chi phí: nhìn chung thấp hơn trên mỗi kilôgam do thành phần hóa học đơn giản hơn và sản lượng lớn.
• Tính khả dụng: có sẵn rộng rãi tại các nhà máy cán thép tấm lớn và các nhà phân phối với kích thước và độ dày tiêu chuẩn; phù hợp hơn cho việc mua sắm hàng hóa số lượng lớn.

Mẹo mua sắm: xác nhận thời gian giao hàng và khả năng truy xuất nguồn gốc chứng chỉ; giá cả và tình trạng sẵn có sẽ khác nhau tùy theo khu vực và dạng sản phẩm (tấm, lá, rèn).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Diện mạo	09CuPCrNi	SPA-H
Khả năng hàn	Tốt (C thấp; cần đánh giá hợp kim)	Tốt (quy trình thép cacbon tiêu chuẩn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ thấp; độ bền vừa phải	Độ bền có thể dự đoán được theo từng mã; độ bền tốt khi được chuẩn hóa
Trị giá	Cao hơn (hợp kim + khối lượng thấp hơn)	Dưới (tấm hàng hóa)

Sự giới thiệu: - Chọn 09CuPCrNi nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tốt hơn và độ bền vượt trội ở nhiệt độ thấp trong khi vẫn giữ được khả năng hàn và tạo hình tốt — ví dụ như bể chứa ngoài trời, công trình ven biển hoặc tàu tiếp xúc với môi trường ăn mòn vừa phải mà thép không gỉ không phù hợp. - Chọn SPA‑H nếu ưu tiên của bạn là tấm carbon cho bình chịu áp suất có sẵn rộng rãi, tiết kiệm chi phí, đáp ứng các yêu cầu của mã ASME/ASTM dành cho nồi hơi và bình chứa, và có lớp bảo vệ bề mặt tiêu chuẩn (sơn, lớp lót) cung cấp khả năng kiểm soát ăn mòn chấp nhận được.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chính xác các yêu cầu về hóa chất và cơ học trong tiêu chuẩn hiện hành hoặc chứng chỉ kiểm tra nhà máy cho lô hàng bạn định mua. Đối với yêu cầu hàn quan trọng và làm việc ở nhiệt độ thấp, hãy tính toán chỉ số cacbon tương đương ($CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$) từ thành phần thực tế và tham khảo thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) và các yêu cầu của quy chuẩn trước khi chế tạo.