0Cr13 so với 1Cr13 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

0Cr13 và 1Cr13 là hai loại thép phổ biến trong họ thép không gỉ martensitic, được sử dụng trong van, bơm, dao kéo, ốc vít và các bộ phận chịu mài mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa độ cứng và khả năng chống mài mòn với độ bền, khả năng hàn và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho trục chống ăn mòn hoặc vật liệu làm viền van, trong đó độ cứng (khả năng chống mài mòn) phải cân bằng với độ bền gãy và tính dễ chế tạo.

Sự khác biệt thực tế chính giữa 0Cr13 và 1Cr13 là hàm lượng cacbon và cách cacbon ảnh hưởng đến khả năng tôi martensitic: hàm lượng cacbon cao hơn mang lại độ cứng/độ bền và khả năng chống mài mòn sau khi xử lý nhiệt cao hơn, nhưng lại làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn, trong khi hàm lượng cacbon thấp hơn dễ gia công hơn và cho độ dẻo dai tốt hơn nhưng độ cứng tối đa thấp hơn. Vì cả hai đều là thép không gỉ martensitic với hàm lượng crom tương đương, chúng thường được so sánh trong thiết kế khi cần cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và hiệu suất cơ học.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Trung Quốc): 0Cr13, 1Cr13 (tên gọi chung của Trung Quốc dành cho thép không gỉ martensitic).
• JIS (Nhật Bản): các họ tương tự bao gồm dòng SUS410 / SUS420 (hữu ích để tham khảo chéo).
• EN (Châu Âu): thép không gỉ martensitic được quy định trong các bộ phận EN 10088, với các sản phẩm tương đương thường ở sê-ri 410/420.
• ASTM/ASME: các vật liệu tương đương được tìm thấy trong phân loại AISI (410, 420, 430, v.v.); sự tương đương chính xác đòi hỏi phải tham chiếu chéo tính chất và hóa học danh nghĩa.

Phân loại: Cả 0Cr13 và 1Cr13 đều là thép không gỉ martensitic (thép không gỉ sắt, có thể xử lý nhiệt). Chúng không phải là thép không gỉ austenitic (không phải thép không gỉ duplex), cũng không phải là thép HSLA hay thép dụng cụ theo nghĩa chặt chẽ, mặc dù chúng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu đặc tính chống mài mòn và có thể xử lý nhiệt của thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình được sử dụng trong thương mại; giới hạn thực tế phụ thuộc vào tiêu chuẩn hoặc nhà cung cấp. Đây chỉ là các giới hạn gần đúng, nhằm thể hiện sự khác biệt tương đối (không phải giới hạn quy định).

Yếu tố	0Cr13 (điển hình, xấp xỉ)	1Cr13 (điển hình, xấp xỉ)
C	0,03 – 0,08 wt% (carbon thấp hơn)	0,08 – 0,15 wt% (cacbon cao hơn)
Mn	≤ 1,0% khối lượng	≤ 1,0% khối lượng
Si	≤ 1,0% khối lượng	≤ 1,0% khối lượng
P	≤ 0,04% khối lượng	≤ 0,04% khối lượng
S	≤ 0,03% khối lượng	≤ 0,03% khối lượng
Cr	12,0 – 14,0% khối lượng	12,0 – 14,0% khối lượng
Ni	≤ 0,6% khối lượng	≤ 0,6% khối lượng
Mo	≤ 0,3 wt% (thường không có)	≤ 0,3 wt% (thường không có)
V	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
Nb, Ti, B, N	mức độ vết nếu có	mức độ vết nếu có

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon: nguyên tố làm cứng chính cho thép martensitic. Hàm lượng C cao hơn làm tăng độ cứng tối đa và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Crom (≈12–14%): cung cấp khả năng chống ăn mòn bằng cách hình thành lớp oxit thụ động; ở mức này, nó cung cấp khả năng “không gỉ” cơ bản trong môi trường nhẹ nhưng khả năng chống rỗ kém hơn so với thép không gỉ hợp kim cao hơn. - Mangan và silic: chất khử oxy và ảnh hưởng nhẹ đến khả năng tôi cứng. - Ni và Mo thấp: thường là tối thiểu ở các cấp độ này; sự thiếu hụt Mo sẽ hạn chế khả năng chống rỗ và chống ăn mòn ở nhiệt độ cao.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả hai loại đều tạo thành martensite khi tôi ở nhiệt độ austenit hóa, tùy theo thành phần và phương pháp xử lý nhiệt của chúng. - Trong điều kiện ủ, chúng có thể cho thấy tàn dư ferit/pearlit tùy thuộc vào quá trình làm nguội, nhưng để sử dụng theo mục đích, chúng thường được làm cứng thành martensite + martensite ram.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Austenit hóa (đặc trưng của thép không gỉ martensitic): xử lý dung dịch ở nhiệt độ thích hợp để tạo thành austenit đồng nhất, sau đó làm nguội để thu được martensit. - Tôi luyện: giảm độ giòn, cải thiện độ dẻo dai và ổn định độ cứng cuối cùng. Tôi luyện ở nhiệt độ cao hơn làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo. - Chuẩn hóa so với tôi: Chuẩn hóa có thể được sử dụng trên các bộ phận ít quan trọng hơn để tinh chỉnh kích thước hạt; tôi hoàn toàn + ram được sử dụng khi cần độ bền cao hơn hoặc khả năng chống mài mòn.

Phản ứng tương đối: - 1Cr13 (C cao hơn) đạt độ cứng sau khi tôi cao hơn và có thể được ram ở phạm vi độ cứng được duy trì cao hơn; nó nhạy cảm hơn với nhiệt độ ram khi điều chỉnh độ bền so với độ dẻo dai. - 0Cr13 (C thấp hơn) tạo ra martensitic có độ cứng thấp hơn cho cùng một quá trình xử lý nhiệt và ít có khả năng hình thành các cấu trúc martensitic giòn đòi hỏi phải ram rất cẩn thận—điều này cải thiện độ dẻo dai và giảm nguy cơ nứt trong các chu kỳ làm nguội/ram.

Xử lý nhiệt cơ: - Rèn và cán có kiểm soát sau đó là xử lý nhiệt thích hợp có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện độ dẻo dai ở cả hai loại; tuy nhiên, 1Cr13 có hàm lượng carbon cao hơn vẫn có khả năng tôi cứng hơn và do đó nhạy cảm hơn với độ dày mặt cắt và tốc độ làm nguội.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. Thay vì các giá trị tuyệt đối (thay đổi theo quá trình ram), bảng dưới đây so sánh các xu hướng tương đối trong các điều kiện tôi và ram điển hình được sử dụng trong công nghiệp.

Tài sản	0Cr13	1Cr13
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn (dẻo hơn)	Thấp hơn (ít dẻo hơn)
Độ bền va đập	Tốt hơn (độ dẻo dai cao hơn)	Thấp hơn (độ dẻo dai giảm ở độ cứng tương đương)
Độ cứng (sau khi tôi/rau)	Tối đa vừa phải	Mức tối đa cao hơn có thể đạt được

Giải thích: - 1Cr13, với hàm lượng cacbon cao hơn, cho phép độ bền và độ cứng cao hơn sau khi tôi và ram; điều này làm cho nó được ưa chuộng ở những nơi có yêu cầu cao về khả năng chống mài mòn. - 0Cr13 có độ dẻo dai và độ dai tốt hơn cho cùng một quá trình gia công danh nghĩa vì hàm lượng carbon thấp hơn làm giảm xu hướng tạo ra martensite giòn và ứng suất còn lại. - Việc lựa chọn chế độ xử lý nhiệt và ram có thể đánh đổi độ cứng để lấy độ dẻo dai ở cả hai loại; 1Cr13 có độ cứng rộng hơn nhưng cần xử lý nhiệt cẩn thận hơn để tránh giòn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ martensitic phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, khả năng tôi tổng thể và sự hiện diện của các nguyên tố mở rộng vùng austenit.

Các công thức tương đương carbon chính hữu ích cho đánh giá định tính: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức PCM: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Vì 1Cr13 có hàm lượng cacbon cao hơn nên nó tạo ra $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn so với 0Cr13, làm tăng xu hướng nứt nguội, hình thành martensite trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) và nứt có sự hỗ trợ của hydro. - 0Cr13, có hàm lượng carbon thấp hơn, dễ hàn hơn khi sử dụng kim loại hàn thông thường và các quy trình xử lý nhiệt trước/sau khi hàn (PWHT), và yêu cầu quá trình làm nóng trước ít mạnh hơn. Hướng dẫn thực tế: - Gia nhiệt trước và PWHT thường được yêu cầu cho cả hai loại thép khi hàn các phần dày hơn hoặc các cụm chi tiết quan trọng. Đối với 1Cr13, việc gia nhiệt trước cao hơn, nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát và PWHT nghiêm ngặt hơn giúp giảm độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nguy cơ nứt. - Lựa chọn kim loại độn: sử dụng kim loại độn martensitic hoặc austenitic-ferritic tương thích tùy thuộc vào tính chất mong muốn; kim loại độn austenitic có thể giảm thiểu nguy cơ nứt vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhưng sẽ làm thay đổi tính ăn mòn và tính chất cơ học tại chỗ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cả 0Cr13 và 1Cr13 đều là thép không gỉ vì chúng chứa crom ở mức ~12–14%, hỗ trợ hình thành lớp màng thụ động trong nhiều môi trường. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn của chúng ở mức trung bình và thấp hơn đáng kể so với thép không gỉ hợp kim cao hơn (ví dụ: 304/316).

• Ăn mòn nói chung: phù hợp trong môi trường ăn mòn nhẹ (không khí, nước) nhưng không khuyến khích sử dụng trong môi trường giàu clorua hoặc môi trường rỗ nếu không có biện pháp bảo vệ.
• Khả năng chống rỗ và khe hở: hạn chế—Hàm lượng Mo thường thấp hoặc không có; do đó, số tương đương khả năng chống rỗ thông thường (PREN) thấp và ít áp dụng cho các loại thép này.

Chỉ số ăn mòn hữu ích (nếu có): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Đối với 0Cr13 và 1Cr13, với Mo và N không đáng kể, PREN chủ yếu được điều khiển bởi crom và sẽ khiêm tốn hơn so với thép không gỉ duplex hoặc austenit.

Bảo vệ bề mặt cho môi trường không khắc nghiệt: - Mạ kẽm: không phổ biến trên thép không gỉ; có thể sử dụng thay thế trên thép cacbon giá rẻ. - Sơn, mạ: thường dùng để tăng cường khả năng chống ăn mòn khi cần tính thẩm mỹ và bảo vệ. - Thụ động hóa: thụ động hóa hóa học (axit nitric hoặc axit citric) có thể phục hồi/tối ưu hóa lớp thụ động sau khi chế tạo.

Làm rõ: PREN có ý nghĩa đối với các loại thép không gỉ có hàm lượng Mo và N đáng kể; đối với các loại thép martensitic này, PREN chỉ nhấn mạnh khả năng chống rỗ hạn chế của chúng.

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

• Khả năng gia công: Thép 1Cr13 có hàm lượng cacbon cao hơn thường cứng hơn và do đó khó gia công hơn ở trạng thái tôi. Khả năng gia công tốt hơn ở trạng thái ủ hoặc ram có độ cứng thấp hơn. Thép 0Cr13 dễ gia công hơn khi cần độ cứng xử lý nhiệt tương tự.
• Mài và hoàn thiện: Độ cứng cao hơn của 1Cr13 khiến quá trình hoàn thiện mài mòn trở nên khó khăn hơn và làm tăng độ mài mòn của dụng cụ; 0Cr13 dễ gia công hơn.
• Khả năng định hình và uốn cong: Thép 0Cr13 hàm lượng carbon thấp có khả năng định hình và độ đàn hồi tốt hơn ở điều kiện làm mềm (ủ). Nhìn chung, thép không gỉ martensitic không dễ định hình bằng thép austenitic.
• Hoàn thiện bề mặt và khắc: Cả hai loại thép đều đáp ứng với quá trình hoàn thiện bằng thép không gỉ thông thường; tuy nhiên, thường cần phải mài và thụ động hóa sau khi hàn để khôi phục khả năng chống ăn mòn sau khi chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

0Cr13 (carbon thấp hơn)	1Cr13 (cacbon cao hơn)
Thân van và các chi tiết trang trí ưu tiên độ bền và khả năng hàn được cải thiện	Các thành phần chống mài mòn như lưỡi dao, cạnh cắt và trục đòi hỏi độ cứng cao hơn
Trục, ốc vít, các bộ phận bơm trong môi trường ăn mòn vừa phải với PWHT thường xuyên	Lồng bi, ghế van và vòng đệm kín nơi độ cứng/khả năng chống mài mòn là rất quan trọng
Các bộ phận kết cấu thép không gỉ đa năng, nơi mà sự dễ chế tạo là quan trọng	Các công cụ, tấm mài mòn và các thành phần chịu mài mòn ở những nơi cần độ cứng cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng 0Cr13 khi khả năng hàn, độ dẻo dai và độ dẻo dai quan trọng hơn độ cứng đỉnh; phương pháp này được ưu tiên sử dụng cho các bộ phận có tải trọng động và hiệu suất sau khi hàn là quan trọng. - Sử dụng 1Cr13 khi độ cứng và khả năng chống mài mòn đạt được tối đa là yếu tố chính và khi có thể chấp nhận được việc xử lý nhiệt và kiểm soát hàn cẩn thận.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 1Cr13 và 0Cr13 nhìn chung có chi phí vật liệu cơ bản tương đương nhau vì hàm lượng crom chiếm phần lớn giá hợp kim. 1Cr13 có thể rẻ hơn một chút trên mỗi đơn vị chi phí gia công nếu độ cứng thành phẩm giảm bớt các công đoạn hoàn thiện, nhưng việc kiểm soát thêm các biện pháp hàn và xử lý nhiệt có thể làm tăng tổng chi phí sản phẩm.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi và có sẵn ở dạng tấm, thanh và rèn tại các khu vực sản xuất theo tiêu chuẩn GB và các thông số kỹ thuật tương đương. Các dạng sản phẩm cụ thể, quy trình kiểm soát thành phần chặt chẽ hoặc quy trình xử lý nhiệt chuyên biệt có thể ảnh hưởng đến thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Đặc điểm	0Cr13	1Cr13
Khả năng hàn	Tốt (tốt hơn 1Cr13)	Từ trung bình đến kém (yêu cầu làm nóng trước và PWHT nghiêm ngặt hơn)
Sự đánh đổi giữa sức mạnh và độ bền	Cân bằng hướng tới sự dẻo dai	Cân bằng theo hướng có độ bền/độ cứng cao hơn
Chi phí (chỉ vật liệu)	Có thể so sánh	Có thể so sánh

Kết luận — lựa chọn dựa trên nhu cầu ứng dụng: - Chọn 0Cr13 nếu bạn cần khả năng hàn tốt hơn, độ dẻo dai cao hơn và độ dẻo dai tốt hơn cho các bộ phận chịu tải trọng động hoặc khi tính đơn giản trong chế tạo là quan trọng. - Chọn 1Cr13 nếu bạn yêu cầu độ cứng sau khi xử lý nhiệt và khả năng chống mài mòn cao hơn và có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát nhiệt và hàn nghiêm ngặt để quản lý độ giòn và nguy cơ nứt vùng HAZ.

Ghi chú cuối cùng về thông số kỹ thuật và mua sắm: - Luôn yêu cầu nhà cung cấp cung cấp chứng nhận phân tích hóa học và điều kiện xử lý nhiệt; ghi rõ các đặc tính cơ học và chế độ xử lý nhiệt/rau củ cần thiết trên đơn đặt hàng. - Đối với các cụm hàn, hãy cung cấp thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) nêu chi tiết về yêu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát đường hàn, vật tư tiêu hao và PWHT, đồng thời xem xét NDT/kiểm tra khi hậu quả của lỗi là đáng kể.