09MnNiDR so với 09Mn2Si – 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 loại thép cacbon thấp kiểu Trung Quốc được sử dụng cho bình chịu áp lực, hoạt động ở nhiệt độ thấp và các thành phần kết cấu chung: 09MnNiDR và ​​09Mn2Si. Các yếu tố quyết định lựa chọn thường là sự cân bằng giữa độ bền ở nhiệt độ thấp và chi phí linh kiện, khả năng hàn và dễ chế tạo, hoặc các yêu cầu cơ học cụ thể so với chiến lược chống ăn mòn.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa hai loại thép này là việc cố ý thêm niken vào một loại và loại còn lại thì không, điều này chuyển hướng chiến lược hợp kim sang cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp và khả năng tôi luyện tinh tế ở loại thép có chứa niken, trong khi loại thép không chứa niken dựa nhiều hơn vào mangan và silic để tăng cường độ bền và khả năng khử oxy. Sự khác biệt này là lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh cho các ứng dụng bình chịu áp lực, đường ống và dịch vụ lạnh.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Nguồn gốc chính: Hệ thống ký hiệu của Trung Quốc (dòng GB/T) thường sử dụng các nhãn như 09MnNiDR và ​​09Mn2Si.
• Tiêu chuẩn có thể so sánh/toàn cầu: các nhà thiết kế thường tìm kiếm các tiêu chuẩn tương tự hoặc gần giống nhau trong EN (Châu Âu), ASTM/ASME (Hoa Kỳ) và JIS (Nhật Bản), nhưng tính tương đương trực tiếp một-một phải được xác minh bằng cách so sánh thành phần và tính chất cơ học chứ không chỉ dựa vào tên gọi.
• Phân loại vật liệu: cả hai loại đều là thép cacbon thấp, hợp kim cacbon thấp, dùng cho các ứng dụng kết cấu/áp suất (không phải thép công cụ hoặc thép không gỉ). Chúng thuộc nhóm thép chịu áp suất/đóng tàu/nhiệt độ thấp và thường được xử lý theo đặc tính tương tự HSLA khi có mặt các nguyên tố hợp kim vi mô.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	09MnNiDR (phạm vi điển hình)	09Mn2Si (phạm vi điển hình)
C	0,06–0,12% khối lượng	0,06–0,12% khối lượng
Mn	0,8–1,8% khối lượng	1,5–2,2% khối lượng
Si	0,10–0,50% khối lượng	0,20–0,60% khối lượng
P	≤ 0,030–0,035% khối lượng	≤ 0,030–0,035% khối lượng
S	≤ 0,030–0,035% khối lượng	≤ 0,030–0,035% khối lượng
Cr	vết – 0,20 wt% (nếu có)	vết–0,20 wt% (nếu có)
Ni	0,5–1,5% khối lượng	thường <0,25 wt% (vết)
Mo	vết–0,10 wt%	vết–0,10 wt%
V, Nb, Ti, B	có thể có sự hợp kim hóa vi mô	có thể có sự hợp kim hóa vi mô
N	được kiểm soát như phần còn lại	được kiểm soát như phần còn lại

Ghi chú: - Các phạm vi được báo cáo ở trên chỉ mang tính chất tham khảo và phản ánh thông lệ thương mại điển hình; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật của nhà máy.
- Niken là hợp kim được thêm vào một cách có chủ đích trong 09MnNiDR để cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp hơn và để điều chỉnh khả năng làm cứng; 09Mn2Si đạt được độ bền chủ yếu với hàm lượng mangan và silic cao hơn (silicon cũng hoạt động như chất khử oxy và ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt).
- Cả hai loại đều giữ hàm lượng C ở mức thấp để duy trì khả năng hàn và độ dẻo; P và S được kiểm soát về độ dẻo dai và chất lượng mối hàn.

Tóm tắt hiệu ứng hợp kim: - Cacbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu hàm lượng quá cao.
- Mangan làm tăng độ cứng và độ bền kéo; Mn cao hơn có thể làm giảm độ dẻo và tăng CE.
- Silic góp phần tăng cường độ bền, khả năng chịu nhiệt và khử oxy; hàm lượng Si cao hơn có thể làm giảm nhẹ khả năng hàn và độ hoàn thiện bề mặt.
- Niken cải thiện đáng kể độ dẻo dai (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp), tinh chỉnh cấu trúc vi mô và tăng cường độ vừa phải mà không gây ra ảnh hưởng CE lớn so với lượng Mn tăng tương đương.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại thép này thường có cấu trúc vi mô ferit-pearlit sau khi cán nóng và chuẩn hóa thông thường.
- 09MnNiDR: hàm lượng niken làm mịn kích thước hạt austenit trước đó và giảm nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-giòn, tạo ra hỗn hợp ferit-perlite mịn hơn hoặc ferit mịn hơn với các cacbua phân tán sau khi làm nguội có kiểm soát. Niken cũng thúc đẩy quá trình chuyển đổi đồng đều hơn và có thể cải thiện xu hướng bainit khi làm nguội nhanh hơn.
- 09Mn2Si: hàm lượng mangan và silic cao hơn thúc đẩy ferit tăng cường và peclit ổn định hơn; silic ngăn chặn sự kết tủa cacbua trong quá trình ram và có thể ảnh hưởng đến sự hình thành bainit nếu áp dụng quá trình xử lý nhiệt cơ học.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ austenit hóa) tạo ra cấu trúc vi mô ferit-perlit mịn đồng nhất ở cả hai cấp và là phương pháp phổ biến để đồng nhất các tính chất.
- Làm nguội và ram: cả hai đều có thể được làm cứng rồi ram để tăng độ bền và độ dẻo dai, nhưng các cấp độ này thường được sử dụng trong điều kiện cán chuẩn hóa hoặc cán có kiểm soát; quá trình làm cứng sâu bị hạn chế do hàm lượng cacbon thấp.
- Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): có thể được áp dụng để sản xuất các cấu trúc vi mô ferritic hạt mịn và cải thiện sự cân bằng giữa độ bền/giới hạn chảy; niken thúc đẩy hiệu suất va đập ở nhiệt độ thấp tốt hơn sau TMCP.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	09MnNiDR (điển hình)	09Mn2Si (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~410–560	~380–520
Giới hạn chảy (MPa)	~270–380	~240–360
Độ giãn dài (%)	~20–30	~20–30
Tác động Charpy (khi lăn, ở T thấp)	giá trị nhiệt độ thấp tốt hơn (ví dụ, J cao hơn ở −20 đến −40 °C)	đủ ở nhiệt độ môi trường xung quanh; độ dẻo dai thấp hơn ở nhiệt độ dưới 0
Độ cứng (HB/Brinell)	~120–190 (phụ thuộc vào quy trình)	~110–180 (phụ thuộc vào quy trình)

Giải thích: - 09MnNiDR thường có độ bền va đập vượt trội ở nhiệt độ thấp nhờ hàm lượng niken và tinh chế hạt. Độ bền kéo/giới hạn chảy của nó tương đương hoặc cao hơn một chút tùy thuộc vào hàm lượng Mn và quá trình xử lý.
- 09Mn2Si đạt được độ bền cần thiết thông qua hàm lượng Mn và Si cao hơn; nó hoạt động tốt ở nhiệt độ môi trường nhưng nhìn chung có nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-giòn cao hơn so với loại chịu lực Ni.
- Bộ tính chất chính xác phụ thuộc vào độ dày của tấm, lịch sử nhiệt và bất kỳ hợp kim vi mô hoặc TMCP nào.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố cần xem xét về khả năng hàn tập trung vào hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp và khả năng tôi cứng. Hai chỉ số thường được sử dụng là Hệ số tương đương cacbon IIW và công thức Pcm để dự đoán khả năng nứt nguội:

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

Và

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

Giải thích định tính: - Cả hai loại đều có hàm lượng carbon thấp, giúp hàn tốt.
- Niken 09MnNiDR làm tăng độ dẻo dai của kim loại hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), bản thân niken có tác động khiêm tốn đến CE khi so sánh từng nguyên tố, nhưng cải thiện độ dẻo dai của HAZ và giảm nhiệt độ chuyển tiếp giòn sau khi hàn.
- 09Mn2Si, với hàm lượng Mn và Si cao hơn, có thể có nguy cơ giòn và cứng cao hơn một chút ở vùng HAZ khi hàn không đúng cách; silic có thể làm tăng bắn tóe mối hàn và ảnh hưởng đến tính chất xỉ.
- Thực hành khuyến nghị: sử dụng kim loại hàn phù hợp, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, chỉ áp dụng xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) khi cần thiết theo độ dày/tiêu chuẩn, và thực hiện kiểm soát hydro cho cả hai loại. 09MnNiDR có thể cho phép gia nhiệt trước thấp hơn hoặc hiệu suất nhiệt độ thấp tốt hơn sau hàn so với 09Mn2Si đối với độ dày tương đương.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 09MnNiDR và ​​09Mn2Si đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều là thép cacbon thông thường và cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn. Các chiến lược bảo vệ điển hình bao gồm mạ kẽm nhúng nóng, sơn lót và lớp phủ giàu kẽm, hệ thống epoxy/urethane, hoặc bảo vệ catốt cho các ứng dụng chôn/ngâm.
• Vì chúng không gỉ nên các chỉ số như PREN không được áp dụng; để tham khảo, PREN được tính như sau:

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

nhưng điều này chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N đáng kể. Trong các loại thép hợp kim thấp này, hành vi ăn mòn được chi phối bởi độ hoàn thiện bề mặt, lớp phủ và môi trường (hàm lượng clorua, độ pH, nhiệt độ). Niken có thể mang lại khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt hơn một chút so với hợp kim mangan-silic thuần túy, nhưng điều này không thể thay thế cho lớp phủ bảo vệ thích hợp.

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

• Cắt: cả hai đều dễ dàng cắt bằng các phương pháp nhiệt và cơ học thông thường; hàm lượng Si cao hơn trong 09Mn2Si có thể tạo ra phoi cứng hơn một chút và mài mòn dụng cụ nhiều hơn so với thép có hàm lượng Si thấp hơn. Niken trong 09MnNiDR có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công so với các loại thép cacbon thông thường tương đương, nhưng tác động này không đáng kể ở mức sử dụng thấp.
• Tạo hình và uốn cong: hàm lượng carbon thấp đảm bảo khả năng tạo hình tốt cho cả hai loại ở nhiệt độ phòng; 09MnNiDR đảm bảo tốt hơn cho các hoạt động tạo hình ở nhiệt độ thấp do độ dẻo dai được cải thiện.
• Hoàn thiện bề mặt và sơn: bề mặt giàu silicon có thể cần phải chuẩn bị bề mặt cẩn thận hơn trước khi phủ; cả hai đều phản ứng tốt với quy trình phun cát và phủ thông thường.

8. Ứng dụng điển hình

09MnNiDR — Công dụng điển hình	09Mn2Si — Ứng dụng điển hình
Vỏ và đầu bình chịu áp suất dùng cho nhiệt độ thấp	Bình chịu áp suất chung và nồi hơi ở nhiệt độ môi trường đến trung bình
Đường ống ở nhiệt độ cực thấp hoặc dưới 0 độ C khi cần cải thiện độ bền va đập	Các thành phần cấu trúc, bể chứa và đường ống nơi hiệu quả về chi phí được ưu tiên
Chế tạo ngoài khơi hoặc ở vùng khí hậu lạnh, nơi độ bền HAZ là rất quan trọng	Các bộ phận chế tạo cho bộ trao đổi nhiệt, nồi hơi và các sản phẩm chế tạo chung
Các thành phần yêu cầu khả năng chịu hư hỏng được cải thiện ở T thấp	Các ứng dụng đòi hỏi cường độ Mn/Si cao hơn và khả năng khử oxy hóa

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại chứa niken khi hoạt động ở nhiệt độ dưới 0 độ C, quan tâm nhiều đến độ bền HAZ hoặc khi cần cải thiện khả năng chịu hư hỏng.
- Chọn loại mangan-silic khi độ nhạy về chi phí cao hơn, hiệu suất ở nhiệt độ môi trường chấp nhận được và sự cân bằng giữa khử oxy/cường độ từ Si/Mn có lợi.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 09MnNiDR thường đắt hơn 09Mn2Si trên mỗi tấn do hàm lượng niken. Biến động của thị trường niken có thể ảnh hưởng đến biến động giá.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: cả hai loại thép này thường có sẵn dưới dạng tấm cán và ống hàn từ các nhà máy lớn của Trung Quốc và các nhà cung cấp quốc tế có dự trữ thép chịu áp suất/kết cấu hàm lượng carbon thấp. Thép tấm và cuộn khổ rộng được cung cấp rộng rãi; thép tấm tôi chuyên dụng hoặc thép tấm chất lượng cao có thể cần thời gian giao hàng. Các biến thể chứa niken có thể ít phổ biến hơn trong một số dòng sản phẩm của nhà máy, làm tăng thời gian giao hàng hoặc số lượng đặt hàng tối thiểu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	09MnNiDR	09Mn2Si
Khả năng hàn	Tốt — cải thiện độ bền HAZ	Tốt — rủi ro độ cứng cao hơn một chút
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền ở nhiệt độ thấp tốt hơn; độ bền tốt	Độ bền môi trường tốt; độ bền tiết kiệm chi phí
Chi phí tương đối	Cao hơn (hàm lượng niken)	Thấp hơn

Khuyến nghị kết luận: - Chọn 09MnNiDR nếu bạn cần độ bền nhiệt độ thấp được cải thiện, hiệu suất HAZ/va đập tốt hơn cho môi trường làm việc lạnh hơn, hoặc khả năng chịu hư hỏng được cải thiện trong các kết cấu hàn. Sản phẩm này được ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng nhiệt độ cực thấp hoặc dưới 0 độ C và khi độ bền HAZ của mối hàn là yếu tố quan trọng.
- Chọn 09Mn2Si nếu thiết kế của bạn chủ yếu hoạt động ở nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ thấp vừa phải, chi phí là một hạn chế chính và bạn có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền và khả năng hàn thông qua thiết kế, quy trình hàn và thực hành sau hàn phù hợp. 09Mn2Si là lựa chọn hoàn hảo cho các bình chịu áp suất thông thường, nồi hơi và các bộ phận kết cấu không yêu cầu ưu điểm của niken.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác minh chứng chỉ nhà máy cụ thể (phân tích hóa học và kết quả thử nghiệm cơ học), điều kiện xử lý nhiệt/độ dày và các yêu cầu về tiêu chuẩn/mã áp dụng trước khi lựa chọn vật liệu cuối cùng.