09MnNiDR so với 15MnNiDR – 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 lựa chọn giữa các loại hợp kim có liên quan chặt chẽ khi cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí. 09MnNiDR và ​​15MnNiDR là hai loại thép hợp kim carbon được sử dụng trong bình chịu áp lực, các bộ phận kết cấu và chế tạo nặng, đòi hỏi sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng giữa khả năng chống gãy giòn và hiệu suất va đập ở nhiệt độ thấp với độ bền cao hơn hoặc chi phí vật liệu thấp hơn, và lựa chọn loại thép giúp giảm thiểu yêu cầu gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT).

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này nằm ở sự cân bằng hợp kim của chúng, ảnh hưởng đến khả năng tôi và khả năng chống gãy giòn: một loại được thiết kế để tối đa hóa độ bền khía và giảm thiểu nguy cơ giòn ở vùng lạnh hoặc vùng tôi, trong khi loại còn lại thay đổi thành phần để tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn, đồng thời giảm một phần độ bền và tăng độ nhạy cảm với quá trình tôi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Vì lý do này, các nhà thiết kế thường so sánh chúng khi chỉ định vật liệu cho thiết bị chịu áp suất, hoạt động ở nhiệt độ cực thấp hoặc dưới 0 độ C, hoặc các kết cấu hàn chịu tải nặng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các khuôn khổ quốc gia và quốc tế chung trong đó các điểm tương đương hoặc liên quan được chỉ định:
• GB (Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa) — những tên lớp này tuân theo các mẫu chỉ định thông thường của Trung Quốc.
• EN (Châu Âu) và ISO — có thể có các thuật ngữ chức năng tương đương nhưng có tên gọi khác nhau.
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) và ASTM/ASME — cung cấp các loại thép kết cấu hoặc thép chịu áp suất tương đương; có thể không có sự tương đương trực tiếp về tên gọi.
• Phân loại loại vật liệu:
• Cả 09MnNiDR và ​​15MnNiDR đều là thép hợp kim gốc cacbon-mangan (không phải thép không gỉ). Chúng thường được sử dụng làm thép hợp kim thấp với độ dẻo dai được cải thiện (thường được phân loại trong nhóm thép hợp kim chịu áp lực hoặc kết cấu thay vì nhóm thép dụng cụ hoặc thép không gỉ).
• Chúng không phải là thép dụng cụ hoặc thép không gỉ; chúng được mô tả tốt nhất là thép hợp kim thấp/loại HSLA được thiết kế để có độ bền.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh định tính các nguyên tố hợp kim chính và tác dụng dự kiến ​​của chúng. Tỷ lệ phần trăm danh nghĩa chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà sản xuất; bảng này mô tả mức độ và vai trò tương đối thay vì các con số cụ thể.

Yếu tố	09MnNiDR (mức độ và vai trò tương đối)	15MnNiDR (mức độ và vai trò tương đối)
C (cacbon)	Thấp hơn — nhấn mạnh độ bền và khả năng hàn	Cao hơn — tăng cường độ bền và độ cứng
Mn (mangan)	Chất trung gian — chất khử oxy, chất tăng cường dung dịch rắn, khả năng làm cứng	Trung bình — vai trò tương tự; có thể cao hơn một chút để hỗ trợ sức mạnh
Si (silicon)	Thấp đến mức vết — khử oxy	Thấp để theo dõi
P (phốt pho)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	Kiểm soát thấp (tạp chất)
S (lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	Kiểm soát thấp (tạp chất)
Cr (crom)	Dấu vết đến thấp — khả năng làm cứng, mài mòn nếu có	Theo dõi đến mức thấp
Ni (niken)	Trung bình — cải thiện độ dẻo dai, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp	Thấp đến trung bình — có thể thấp hơn 09MnNiDR
Mo (molypden)	Dấu vết hoặc không có — tăng khả năng làm cứng nếu có	Dấu vết hoặc vắng mặt
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Nói chung là không có hoặc có dấu vết — tinh chế hạt khi sử dụng	Có thể bao gồm hợp kim vi mô trong một số biến thể để tăng cường độ bền
B (bo)	Thường vắng mặt	Thường vắng mặt
N (nitơ)	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp

Giải thích: - Hai loại thép này sử dụng cùng một chiến lược gia đình—carbon cộng với mangan làm nền tảng, với niken được đưa vào, trong đó độ bền ở nhiệt độ thấp là yếu tố quyết định thiết kế. Biến thể carbon thấp hơn nhấn mạnh vào việc giảm độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và cải thiện khả năng hàn; biến thể carbon cao hơn đánh đổi độ dẻo dai và khả năng hàn để lấy độ bền và khả năng chống mài mòn của kim loại cơ bản. - Niken thúc đẩy mạnh mẽ tính dẻo ở nhiệt độ thấp và cải thiện độ bền va đập. Cacbon làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng nhưng cũng làm tăng khả năng bị nhiễm martensite HAZ và nứt nguội nếu không áp dụng các biện pháp kiểm soát hàn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Các cấu trúc vi mô được chuẩn hóa hoặc làm mát bằng không khí cho cả hai loại sẽ chủ yếu là ferit với perlit và có thể là bainit tùy thuộc vào tốc độ làm mát và hàm lượng hợp kim.
• Thành phần ít cacbon, nhiều niken hơn (09MnNiDR) có xu hướng tạo ra ma trận ferit-perit mịn hơn với độ dẻo dai được cải thiện và giảm xu hướng hình thành martensite giòn khi làm nguội nhanh.
• Loại có hàm lượng carbon cao hơn (15MnNiDR) có tỷ lệ thể tích perlit hoặc các thành phần cứng hơn lớn hơn trong quá trình chế biến tương tự, tạo ra độ bền và độ cứng cao hơn.
• Ảnh hưởng của xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa: Tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện tính đồng nhất; cả hai loại đều phản ứng tốt, nhưng 09MnNiDR cho thấy độ dẻo dai tương đối tốt hơn sau khi chuẩn hóa do hàm lượng carbon thấp hơn.
• Làm nguội và ram: Tăng cường độ bền ở cả hai quá trình, với 15MnNiDR đạt độ cứng sau khi tôi cao hơn; ram làm giảm độ giòn nhưng phải cân bằng để duy trì độ dẻo dai.
• Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tăng cường độ thông qua các cấu trúc bainit hoặc perlit mịn—15MnNiDR có thể được điều chỉnh để có cường độ cao hơn bằng cách sử dụng các tuyến đường như vậy, trong khi 09MnNiDR thường nhấn mạnh vào việc làm nguội có kiểm soát để duy trì độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Vì giá trị tính chất chính xác phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và hình dạng sản phẩm nên bảng dưới đây so sánh hành vi tương đối dự kiến ​​thay vì các con số tuyệt đối.

Tài sản	09MnNiDR (tương đối)	15MnNiDR (tương đối)
Độ bền kéo	Trung bình	Cao hơn
Sức chịu lực	Trung bình	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn	Thấp hơn
Độ bền va đập (nhiệt độ thấp)	Cao hơn (độ bền khía tốt hơn)	Thấp hơn (nhạy cảm hơn)
Độ cứng	Thấp đến trung bình	Cao hơn

Giải thích: - 15MnNiDR thường đạt được độ bền và độ cứng cao hơn do hàm lượng carbon cao hơn và có thể có hợp kim vi mô; tuy nhiên, điều này thường phải trả giá bằng độ giãn dài giảm và độ bền va đập thấp hơn, đặc biệt là ở vùng HAZ hoặc ở nhiệt độ thấp. - 09MnNiDR thường có độ dẻo dai và độ bền vượt trội, do đó được ưa chuộng ở những nơi có yêu cầu cao về độ dẻo dai khi gãy và khả năng chống nứt giòn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi lượng cacbon tương đương và hợp kim làm tăng khả năng tôi. Hai thước đo thực nghiệm thường được sử dụng để đánh giá khả năng hàn là lượng cacbon tương đương IIW và Pcm:

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

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

Giải thích định tính: - 09MnNiDR: Hàm lượng carbon thấp hơn và hàm lượng niken tương đối cao hơn tạo ra hàm lượng carbon tương đương thấp hơn và khả năng làm cứng HAZ giảm, do đó có khả năng hàn vượt trội (yêu cầu nung nóng trước/PWHT thấp hơn, nguy cơ nứt nguội thấp hơn) so với thép có hàm lượng carbon cao hơn. - 15MnNiDR: Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng giá trị carbon tương đương, làm tăng nguy cơ hình thành các cấu trúc vi mô vùng HAZ cứng, giòn và nứt nguội. Cấp độ này thường yêu cầu kiểm soát hàn chặt chẽ hơn (gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, PWHT tùy thuộc vào độ dày) và chú trọng hơn đến việc kiểm soát hydro. - Niken cải thiện khả năng hàn bằng cách giảm nhiệt độ chuyển đổi và hỗ trợ độ dẻo dai ở vùng HAZ; do đó, hàm lượng niken có thể bù đắp một phần hàm lượng cacbon cao hơn nhưng không hoàn toàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn nói chung tương tự như thép cacbon hợp kim thấp. Các chiến lược bảo vệ bao gồm:
• Mạ kẽm nhúng nóng, hệ thống sơn/lớp phủ thích hợp hoặc ốp tường ở những nơi có nguy cơ ăn mòn.
• Chỉ số thép không gỉ:
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Vì Cr và Mo thấp hoặc không có trong các loại này nên chỉ số loại PREN không hướng dẫn lựa chọn; thay vào đó, hệ thống bề mặt quyết định tuổi thọ trong môi trường ăn mòn.
• Chọn 09MnNiDR hoặc 15MnNiDR cho các ứng dụng kết cấu hoặc áp suất khi có kế hoạch triển khai hệ thống bảo vệ chống ăn mòn chủ động; không cho rằng khả năng chống ăn mòn nội tại vượt quá môi trường nhẹ.

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

• Khả năng gia công:
• 09MnNiDR: Độ cứng thấp hơn và hàm lượng carbon thấp hơn thường cải thiện khả năng gia công và tạo ra tuổi thọ dụng cụ có thể dự đoán được hơn.
• 15MnNiDR: Độ bền/độ cứng cao hơn có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và đòi hỏi dung sai gia công lớn hơn hoặc dụng cụ chuyên dụng.
• Khả năng tạo hình và gia công nguội:
• 09MnNiDR có khả năng uốn cong và định hình tốt hơn do có độ dẻo cao hơn.
• 15MnNiDR có thể cần lực tạo hình và ủ cao hơn để có bán kính hẹp.
• Hoàn thiện bề mặt và xử lý sau:
• Các loại có độ cứng cao hơn thường đòi hỏi các chiến lược mài và hoàn thiện khác nhau; cả hai đều dễ hàn và gia công bằng các quy trình thực hành tốt nhất, nhưng 15MnNiDR đòi hỏi nhiều sự chú ý hơn.

8. Ứng dụng điển hình

09MnNiDR (công dụng điển hình)	15MnNiDR (công dụng điển hình)
Bình chịu áp suất và nồi hơi ưu tiên độ bền và khả năng hàn ở nhiệt độ thấp	Các thành phần đòi hỏi độ bền kim loại cơ bản cao hơn và khả năng chống mài mòn (bánh răng, trục trong thiết bị hạng nặng)
Các mặt hàng dịch vụ ở nhiệt độ cực thấp hoặc dưới 0 độ C trong đó độ bền của khía là rất quan trọng	Các thành phần kết cấu chịu tải nặng hơn, trong đó cường độ cao hơn làm giảm độ dày của tiết diện
Các phần hàn dày cần phải tối đa hóa độ bền HAZ	Các bộ phận dễ bị mài mòn hoặc nơi có thể áp dụng xử lý nhiệt sau để đạt được độ bền

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép có sự cân bằng giữa độ dẻo dai và độ bền phù hợp với điều kiện sử dụng. Đối với các chi tiết hàn, dày hoặc chịu nhiệt độ thấp, ưu tiên 09MnNiDR. Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao hơn và tuổi thọ sử dụng lâu dài hơn, độ bền rãnh khía và các điều kiện kiểm soát hàn được chấp nhận, 15MnNiDR có thể phù hợp.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• 15MnNiDR thường có giá thành rẻ hơn một chút trên mỗi đơn vị nếu thành phần hóa học của nó phụ thuộc nhiều hơn vào cacbon và ít hơn vào niken (niken là một yếu tố chi phí). Tuy nhiên, tổng chi phí chế tạo có thể cao hơn do công tác chuẩn bị hàn và các yêu cầu xử lý nhiệt bổ sung.
• 09MnNiDR có thể đắt hơn về chi phí vật liệu nếu có hàm lượng niken cao hơn, nhưng có thể giảm tổng chi phí dự án bằng cách giảm quá trình gia nhiệt trước/PWHT và gia công lại.
• Hình thức sản phẩm và nguồn cung cấp:
• Cả hai loại thép này thường có sẵn dưới dạng tấm, rèn và cán tại các khu vực mà các loại thép này được coi là tiêu chuẩn. Tính khả dụng phụ thuộc vào tiêu chuẩn hóa khu vực và chương trình sản xuất tại nhà máy; nếu dự án bị giới hạn về thời gian, hãy xác nhận thời gian giao hàng cho loại thép và dạng sản phẩm đã chọn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	09MnNiDR	15MnNiDR
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn, nguy cơ nứt HAZ thấp hơn)	Yêu cầu cao hơn (CE cao hơn, cần kiểm soát nhiệt độ trước/PWHT)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Ưu tiên độ dẻo dai và độ dẻo dai	Ưu tiên độ bền và độ cứng cao hơn
Chi phí (tổng dự án)	Tổng chi phí có thể thấp hơn do giảm hàn/xử lý nhiệt	Vật liệu có thể rẻ hơn theo kg nhưng chi phí chế tạo có thể tăng

Kết luận: - Chọn 09MnNiDR nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi độ dẻo dai cao, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. - Bạn dự kiến ​​sẽ hàn rộng rãi hoặc có độ dày phần lớn, trong đó độ bền HAZ và nguy cơ gãy giòn thấp là ưu tiên hàng đầu. - Việc giảm thiểu quá trình gia nhiệt trước, PWHT và gia công lại rất quan trọng đối với tiến độ dự án và kiểm soát chi phí. - Chọn 15MnNiDR nếu: - Động lực thiết kế chính là độ bền của kim loại cơ bản cao hơn hoặc khả năng chống mài mòn được cải thiện. - Kế hoạch chế tạo bao gồm các quy trình hàn được kiểm soát, gia nhiệt trước thích hợp và PWHT khi cần thiết. - Bạn có thể chấp nhận độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp giảm đi một chút để đổi lấy độ bền cao hơn hoặc chi phí vật liệu ban đầu thấp hơn.

Khuyến nghị cuối cùng: hãy chỉ định loại thép phù hợp với dạng hư hỏng mà bạn cần tránh gấp nhất. Nếu gãy giòn, nứt vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp là những mối quan tâm chính, hãy ưu tiên thành phần carbon thấp/độ bền cao. Nếu giảm tiết diện, mài mòn hoặc cường độ tĩnh tối đa là các yếu tố thúc đẩy và có thể kiểm soát chặt chẽ quá trình hàn, thì thành phần carbon cao hơn có thể được ưu tiên. Luôn xác nhận chính xác các thông số kỹ thuật hóa học và cơ học của loại thép đã chọn với chứng chỉ nhà máy và lập kế hoạch quy trình hàn theo lượng carbon tương đương đã tính toán và rủi ro của dự án.