10CrMo910 so với 12Cr1MoV – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

10CrMo910 và 12Cr1MoV là hai loại thép hợp kim crom-molypden thường được cân nhắc cho các chi tiết chịu áp suất nhiệt độ cao như ống nồi hơi, đường ống và các bộ phận tuabin. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc giữa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão dài hạn so với khả năng chống oxy hóa, khả năng hàn và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho hệ thống hơi nước ở các dải nhiệt độ/áp suất khác nhau, lựa chọn ống cho nhà máy điện, hoặc chỉ định các loại rèn và ống mà tính dễ chế tạo và hiệu suất sau hàn là yếu tố quan trọng.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: một loại nhấn mạnh sự cân bằng giữa crom với các nguyên tố hợp kim vi mô để tối đa hóa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão, trong khi loại còn lại chứa tỷ lệ crom cao hơn nhằm cải thiện khả năng chống oxy hóa và đóng cặn với phạm vi ram và ứng dụng khác nhau. Do chúng có các cửa sổ ứng dụng chồng chéo nhưng không giống hệt nhau, nên chúng thường được so sánh khi tối ưu hóa khả năng chịu nhiệt, khả năng hàn và chi phí vòng đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 10CrMo910
• Thường được sử dụng cho thép martensitic/ferritic hàm lượng crom cao, được dùng cho đường ống và ống dẫn của nhà máy điện. Nó được cung cấp theo tiêu chuẩn quốc gia ở Châu Âu và Trung Quốc và thường được sử dụng làm tên gọi thay thế cho thép thuộc họ P9x (tham khảo tiêu chuẩn quốc gia cụ thể để biết sự tương đương chính xác).
• Các loại tiêu chuẩn điển hình: các biến thể EN và GB; tham khảo tiêu chuẩn áp dụng (ví dụ: EN hoặc GB/Trung Quốc) và dữ liệu của nhà sản xuất để biết chỉ định và giới hạn chính xác.

• Phân loại: Thép hợp kim (thép chịu nhiệt/thép gia cường chống biến dạng).

• 12Cr1MoV

• Một hợp kim có hàm lượng crom, vanadi và molypden cao hơn thường được sử dụng trong thiết bị năng lượng hóa thạch và hóa dầu.
• Xuất hiện trong các tiêu chuẩn Đông Âu và Nga (GOST) và một số danh mục quốc gia; cũng được tham khảo trong tài liệu quốc tế về các ứng dụng hơi nước.
• Phân loại: Thép hợp kim (thép chịu nhiệt có hàm lượng crom cao).

Lưu ý: Cả hai loại thép này đều không phải là thép không gỉ theo định nghĩa hiện đại (tức là >11–12% Cr và luyện kim chống ăn mòn cụ thể), mặc dù 12Cr1MoV có thể đạt đến mức crom, nhờ đó khả năng chống oxy hóa được cải thiện. Luôn kiểm tra chỉ định tiêu chuẩn chính xác và giới hạn hóa chất được chứng nhận khi mua hàng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần danh nghĩa điển hình (wt%) thường được báo cáo cho các nhóm này. Đây là những phạm vi mang tính đại diện—luôn xác nhận với chứng chỉ của nhà cung cấp hoặc tiêu chuẩn cụ thể.

Yếu tố	10CrMo910 (phạm vi danh nghĩa điển hình, wt%)	12Cr1MoV (phạm vi danh nghĩa điển hình, wt%)
C	0,05 – 0,12	0,08 – 0,18
Mn	0,20 – 0,60	0,30 – 0,70
Si	0,10 – 0,60	0,10 – 0,50
P (tối đa)	≤ 0,025	≤ 0,030
S (tối đa)	≤ 0,010	≤ 0,020
Cr	8,5 – 10,5	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0,40	≤ 0,40
Mo	0,80 – 1,05	0,30 – 0,70
V	0,05 – 0,30	0,08 – 0,30
Nb (hoặc Ta)	0,03 – 0,12 (nếu có chỉ định)	–
Ti	≤ 0,02 (nếu có quy định)	–
B	≤ 0,003 (có thể có thêm một số lượng nhỏ)	–
N	≤ 0,03	≤ 0,03

Giải thích về hiệu ứng hợp kim - Crom (Cr): tăng khả năng chống oxy hóa và chống đóng cặn ở nhiệt độ cao, tăng khả năng làm cứng và chống ram. Cr cao hơn của 12Cr1MoV mang lại khả năng chống oxy hóa bề mặt và bám cặn tốt hơn ở một số nhiệt độ. - Molypden (Mo): tăng cường ma trận ở nhiệt độ cao và cải thiện khả năng chống rão. 10CrMo910 thường có Mo cao hơn để tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao. - Vanadi (V): tạo thành các cacbua/nitrit mịn giúp ghim các vị trí sai lệch và ranh giới hạt, cải thiện độ bền kéo và làm mềm tôi sau thời gian dài tiếp xúc. - Niobi (Nb), titan (Ti), bo (B): việc bổ sung hợp kim vi mô giúp tinh chỉnh kích thước hạt, ổn định cacbua/nitrit và có thể tăng cường độ dai và độ rão. - Cacbon (C): góp phần tăng độ bền và khả năng làm cứng; C cao hơn sẽ tăng độ bền nhưng sẽ giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu không được kiểm soát.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - 10CrMo910: Được thiết kế để phát triển cấu trúc vi mô martensitic sau khi chuẩn hóa và ram. Cấu trúc vi mô bao gồm martensitic dạng thanh được tôi luyện với các loại carbide và carbonitride phân tán (kết tủa chứa V, Nb, Mo) tạo nên độ bền kéo đứt cao. - 12Cr1MoV: Cũng thường được chuẩn hóa và ram để tạo ra martensite ram, nhưng hàm lượng Cr cao hơn có thể thúc đẩy sự hình thành các loại cacbua M23C6 khác nhau và các oxit tạo vảy ổn định hơn. Hợp kim vi mô tạo ra khả năng kết tủa tương tự như 10CrMo910 nhưng thành phần hóa học cacbua thay đổi.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa có kiểm soát để hòa tan các cacbua thô và tạo ra hạt austenit đồng nhất chuyển thành martensite khi làm nguội. - Làm nguội & ram: Phương pháp điển hình là chuẩn hóa, sau đó ram ở nhiệt độ phù hợp để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dai mong muốn. Ram làm giảm độ cứng, ổn định cacbua và phục hồi độ dẻo. - Xử lý nhiệt cơ: Xử lý nhiệt cơ có kiểm soát (TMCP) có thể tinh chỉnh các hạt và kết tủa các chất phân tán mịn—đặc biệt có giá trị đối với ống và tấm để cải thiện độ dẻo dai và hiệu suất chống rão. - Lão hóa và tiếp xúc lâu dài: Cả hai loại thép đều cho thấy sự mềm hóa martensitic và sự thô hóa kết tủa theo thời gian ở nhiệt độ cao. Hàm lượng Mo cao hơn và quá trình vi hợp kim hóa được kiểm soát làm chậm quá trình phân hủy trong thép giống 10CrMo910.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây cung cấp một cái nhìn tổng quan so sánh định tính thay vì giá trị tuyệt đối (vì mức độ đặc tính phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và cấp phối chính xác). Tham khảo chứng chỉ nhà máy và các quy chuẩn thiết kế liên quan để biết giá trị thiết kế số.

Tài sản	10CrMo910	12Cr1MoV	Bình luận
Độ bền kéo	Cao hơn (thường)	Vừa phải	Hợp kim kiểu 10CrMo910 được tối ưu hóa để có độ bền kéo cao hơn ở nhiệt độ cao nhờ Mo và hợp kim vi mô.
Sức chịu lực	Cao hơn (thường)	Vừa phải	Hợp kim vi mô và hóa học Cr–Mo làm tăng hiệu suất và độ bền kéo dài ở nhiệt độ cao trong 10CrMo910.
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt (tùy thuộc vào tính khí)	Tốt	Cả hai đều có thể đạt được độ dẻo chấp nhận được sau khi tôi luyện đúng cách; C cao hơn sẽ làm giảm độ dẻo.
Độ bền va đập (nhiệt độ phòng)	Tốt đến rất tốt với xử lý nhiệt thích hợp	Tốt	Độ dẻo dai phụ thuộc vào độ sạch và xử lý nhiệt; cả hai đều có thể trở nên dẻo dai nếu được kiểm soát.
Độ cứng (sau khi tôi luyện)	Cao hơn (cho mục tiêu sức mạnh)	Vừa phải	10CrMo910 có xu hướng được tôi luyện đến mức độ cứng có thể chịu được ứng suất thiết kế cao hơn.

Cái nào mạnh hơn, cứng hơn hay dẻo hơn và tại sao - Độ bền: Thép loại 10CrMo910 thường được chỉ định để có ứng suất thiết kế cao hơn và khả năng chống rão do hàm lượng Mo cao hơn cộng với hợp kim vi mô (V, Nb) giúp tăng cường độ kết tủa. - Độ dẻo dai: Với quá trình chuẩn hóa và ram thích hợp, cả hai loại thép đều có thể đạt được độ dẻo dai mong muốn. Quy trình sản xuất thép sạch hơn và kiểm soát chặt chẽ hàm lượng C và N giúp duy trì các đặc tính chịu va đập. - Độ dẻo: Cả hai đều đạt được độ dẻo chấp nhận được, nhưng hàm lượng cacbon cao hơn và lượng mưa lớn có thể làm giảm độ giãn dài nếu không được xử lý cẩn thận.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn bị ảnh hưởng bởi lượng cacbon tương đương, các nguyên tố hợp kim và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi luyện.

Công thức dự đoán hữu ích: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (WRC) để dự đoán nứt lạnh do hydro gây ra: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 10CrMo910: Hàm lượng Mo và hợp kim vi mô cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và CE/Pcm, làm tăng nguy cơ hình thành vùng HAZ martensitic cứng, nứt nguội và nhu cầu xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT). PWHT là bắt buộc đối với các ứng dụng áp suất để ram vùng HAZ và giảm ứng suất dư. - 12Cr1MoV: Hàm lượng Cr cao hơn cũng làm tăng khả năng tôi cứng, nhưng hàm lượng Mo thấp hơn có thể làm giảm một phần khả năng tôi cứng so với 10CrMo910; tuy nhiên, thường cần phải nung nóng sơ bộ và hàn phủ (PWHT). Cả hai loại đều yêu cầu quy trình hàn đạt tiêu chuẩn, nhiệt độ hàn giữa các lớp hàn được kiểm soát và đôi khi cần kim loại hàn phù hợp để tránh vùng mềm hoặc pha giòn. - Hướng dẫn thực hành: Sử dụng vật liệu hàn có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt trước đầy đủ, kiểm soát nhiệt đầu vào và hàn PWHT ở nhiệt độ quy định. Luôn tuân thủ các yêu cầu của tiêu chuẩn (ASME, EN hoặc quốc gia) về thử nghiệm PWHT và sau hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại thép này đều không phải là thép không gỉ theo nghĩa chống ăn mòn trong môi trường ẩm ướt. Cần có các biện pháp bảo vệ trong môi trường khí quyển, nước hoặc ăn mòn.
• Bảo vệ bề mặt: mạ kẽm thường không được sử dụng cho hệ thống hơi nước nhiệt độ cao; thay vào đó, lớp phủ bảo vệ (sơn chịu nhiệt độ cao), lớp phủ hợp kim hoặc lớp lót bên trong được sử dụng khi cần thiết. Bảo vệ catốt và dung sai ăn mòn là những đặc điểm thiết kế điển hình.
• Quá trình oxy hóa và đóng cặn: Hàm lượng Cr cao hơn trong 12Cr1MoV cải thiện sự hình thành các vảy oxit giàu crom bám dính và có thể làm giảm tổn thất khối lượng oxy hóa ở nhiệt độ hơi nước cao hơn so với thép có hàm lượng Cr thấp hơn. Tuy nhiên, hiệu suất oxy hóa thực tế phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần hóa học của hơi nước và thời gian tiếp xúc với môi trường.
• PREN (không áp dụng chung): Đối với hợp kim không gỉ, chỉ số PREN được sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho các loại thép hợp kim không ổn định này để lựa chọn khả năng ăn mòn nói chung—chỉ sử dụng cho các hợp kim không gỉ.

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

• Khả năng gia công: Độ bền cao hơn và điều kiện gia công cứng hơn làm giảm khả năng gia công. 12Cr1MoV với hàm lượng Cr cao hơn có thể mài mòn hơn một chút; 10CrMo910 với các chất kết tủa hợp kim vi mô có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ. Gia công nên được thực hiện trong điều kiện thường hóa hoặc ủ nếu có thể.
• Khả năng tạo hình và uốn cong: Cả hai đều bị hạn chế khi tạo hình nguội ở trạng thái thường hóa và ram; việc tạo hình sẽ dễ dàng hơn khi được cung cấp ở trạng thái thường hóa (hoặc ở trạng thái mềm hơn được xử lý bằng dung dịch nếu có). Thường cần phải xử lý nhiệt sau khi tạo hình.
• Hoàn thiện: Mài và hoàn thiện bề mặt tương tự như các loại thép hợp kim khác; sử dụng chất làm mát và dụng cụ thích hợp để kiểm soát độ cứng và độ mài mòn.

8. Ứng dụng điển hình

10CrMo910	12Cr1MoV
Đường ống hơi nước nhiệt độ cao, ống gia nhiệt lại/quá nhiệt, các thành phần yêu cầu độ bền kéo dài cao lên đến nhiệt độ hơi nước trung bình đến cao	Ống góp hơi, đường ống nhiệt độ cao, nơi khả năng chống oxy hóa và kiểm soát cặn được tăng cường là quan trọng
Các thành phần của nhà máy điện trong đó thiết kế đòi hỏi ứng suất cho phép cao hơn hoặc tuổi thọ kéo dài	Các thành phần ưu tiên khả năng chống oxy hóa bề mặt cùng với khả năng chống rão vừa phải
Các bộ phận chịu áp suất yêu cầu quy trình PWHT nghiêm ngặt và các giải pháp hàn có độ bền cao	Các thành phần áp suất trong nhà máy nhiệt điện và hóa dầu phục vụ trong môi trường oxy hóa

Cơ sở lựa chọn: - Chọn hợp kim giống 10CrMo910, trong đó độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống rão và độ ổn định cơ học lâu dài dưới ứng suất là những yếu tố thiết kế chính. - Chọn 12Cr1MoV khi khả năng chống oxy hóa/cặn bẩn và độ ổn định bề mặt ở nhiệt độ cao tương đối quan trọng hơn và khi có thể chấp nhận được sự đánh đổi trong quá trình chế tạo hơi khác nhau.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Chi phí vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim và quy trình sản xuất. Hợp kim có hàm lượng Mo và hợp kim vi lượng cao hơn (họ 10CrMo910) thường đắt hơn tính theo kilôgam so với thép Cr-Mo đơn giản hơn do quy trình hợp kim hóa và kiểm soát quy trình nghiêm ngặt hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở dạng ống, đường ống, tấm và rèn từ các nhà máy chuyên dụng. Tính khả dụng có thể khác nhau tùy theo khu vực; thép kiểu P91 (họ 10CrMo910) được cung cấp rộng rãi ở các thị trường có ngành công nghiệp nhiệt điện lớn, trong khi các loại thép đặc thù theo khu vực như 12Cr1MoV có thể phổ biến hơn ở các chuỗi cung ứng Đông Âu và một số nước châu Á.
• Thời gian hoàn thành: Đối với các loại vật liệu có thông số kỹ thuật cao và chất lượng tốt, thời gian hoàn thành sẽ tăng lên—hãy lập kế hoạch mua sắm sớm và yêu cầu giấy chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy và hồ sơ xử lý nhiệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	10CrMo910	12Cr1MoV
Khả năng hàn	Tốt (yêu cầu nung nóng trước/PWHT; khả năng làm cứng cao hơn)	Công bằng (cần làm nóng trước/PWHT)
Sức mạnh-Độ dẻo dai (T nâng cao)	Độ bền cao và khả năng chống rão	Độ dẻo dai trung bình-cao, tốt
Trị giá	Cao hơn (do Mo và hợp kim vi mô)	Vừa phải

Khuyến nghị kết luận - Chọn 10CrMo910 nếu: - Thiết kế đòi hỏi ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ cao hoặc khả năng chống rão vượt trội. - Độ ổn định cơ học lâu dài dưới nhiệt độ và ứng suất cao liên tục là ưu tiên hàng đầu. - Bạn có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn (làm nóng trước, PWHT) và chi phí vật liệu cao hơn một chút.

• Chọn 12Cr1MoV nếu:
• Khả năng chống oxy hóa/cặn bẩn bề mặt và hàm lượng crom cao hơn rất quan trọng đối với môi trường hoạt động của bạn.
• Bạn đang tìm kiếm sự cân bằng giữa hiệu suất hoạt động tốt ở nhiệt độ cao với chi phí vừa phải và khả năng cung cấp ở một số khu vực nhất định.
• Những hạn chế về chế tạo và mua sắm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra hợp kim Cr–Mo đơn giản hơn.

Lưu ý cuối cùng: Các cấp độ này được xác định theo các tiêu chuẩn cụ thể có giới hạn chính xác và giá trị thiết kế cơ học khác nhau. Luôn sử dụng tiêu chuẩn vật liệu chính xác và chứng chỉ thử nghiệm nhà máy để xác minh thành phần hóa học, điều kiện xử lý nhiệt và các đặc tính cơ học đã được chứng nhận trước khi chấp nhận thiết kế hoặc mua sắm.