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

Giới thiệu

Việc lựa chọn hợp kim phù hợp cho các bộ phận chịu áp suất, đường ống hoặc các linh kiện chịu nhiệt độ cao là một bài toán nan giải thường gặp đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất. Các quyết định thường cân bằng giữa khả năng chịu nhiệt và khả năng chống rão dài hạn với khả năng hàn, tính dễ chế tạo và tổng chi phí vòng đời. Cả 12Cr1MoV và 10CrMo910 đều được thiết kế cho ứng dụng nhiệt độ cao, nhưng chúng được tối ưu hóa cho các kết hợp khác nhau về độ bền, độ dẻo dai và độ ổn định ở nhiệt độ cao.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này là hiệu suất tương đối của chúng dưới nhiệt độ và ứng suất cao kéo dài (tức là khả năng chống biến dạng dài hạn ở nhiệt độ lò hơi/hơi nước). Sự khác biệt này thúc đẩy sự so sánh phổ biến giữa chúng khi thiết kế ống góp hơi, bộ gia nhiệt lại, bộ siêu nhiệt và các bộ phận khác trong nhà máy điện và quy trình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 12Cr1MoV: Thường xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc gia về thép nhà máy điện và đường ống dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao. Nó được phân loại là thép ferit hợp kim thấp đến trung bình, bổ sung các nguyên tố hợp kim vi mô để tăng cường độ bền và khả năng chống rão.
• 10CrMo910: Xuất hiện trong các tiêu chuẩn đường ống nồi hơi và bình chịu áp suất cho dịch vụ nhiệt độ cao; đây là thép hợp kim ferritic được thiết kế đặc biệt để cải thiện độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão.

Các tiêu chuẩn liên quan khi tham chiếu đến các vật liệu này hoặc các vật liệu tương đương bao gồm các quy chuẩn quốc gia và quốc tế như ASME/ASTM, EN, GB và JIS. Các ký hiệu chính xác và yêu cầu cơ học đối với sản phẩm liền mạch và hàn sẽ khác nhau tùy theo tiêu chuẩn và dạng sản phẩm (ống, tấm, rèn), vì vậy hãy luôn xác nhận tờ tiêu chuẩn hoặc chứng chỉ vật liệu cụ thể.

Phân loại: - Cả hai đều là thép hợp kim (ferritic), không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ. Chúng thường được sử dụng cho các ứng dụng chịu áp suất nhiệt độ cao hơn là môi trường chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	12Cr1MoV	10CrMo910
C	Thấp (được kiểm soát để hạn chế martensite và cải thiện độ dẻo dai)	Thấp (kiểm soát khả năng hàn và độ dẻo dai)
Mn	Trung bình (khử oxy và tăng cường)	Trung bình (khử oxy và tăng cường)
Si	Thấp-trung bình (khử oxy; ảnh hưởng đến quy mô)	Thấp-trung bình
P	Rất thấp (kiểm soát tạp chất để tăng độ dẻo dai)	Rất thấp
S	Rất thấp (kiểm soát tạp chất; khả năng gia công)	Rất thấp
Cr	Trung bình (cung cấp khả năng chống oxy hóa và chống rão)	Cao (nguyên tố hợp kim chính cho độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa)
Ni	Thông thường thấp/vết tích	Thấp/vết
Mo	Trung bình (cải thiện độ bền kéo và độ ổn định của cacbua)	Trung bình–cao (chìa khóa cho sức bền rão và sự hình thành cacbua)
V	Thấp (hợp kim vi mô để tăng cường kết tủa)	Thấp-trung bình (hợp kim vi mô để chống rão)
Nb (Cb)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ (hợp kim vi mô)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ
Ti	Dấu vết/vi mô (nếu sử dụng để ổn định)	Dấu vết/vi mô
B	Không thường đáng kể	Không thường đáng kể
N	Kiểm soát (ảnh hưởng đến lượng mưa và cường độ)	Được kiểm soát

Giải thích: - 12Cr1MoV sử dụng sự kết hợp của crom, molypden và vanadi làm chiến lược tăng cường chính: Cr và Mo làm tăng độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống đóng cặn; V góp phần tăng cường khả năng chống kết tủa và chống biến dạng. - 10CrMo910 nhấn mạnh hàm lượng crom và molypden cao hơn để cải thiện khả năng chống rão, chống oxy hóa và độ ổn định lâu dài của carbide ở nhiệt độ làm việc cao hơn. Hợp kim vi mô (V, Nb) và kiểm soát chặt chẽ tạp chất và tạp chất xen kẽ (C, N) giúp ổn định cấu trúc vi mô và làm chậm quá trình rão.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại thép đều là thép ferritic, sau khi xử lý nhiệt thích hợp, sẽ tạo ra cấu trúc vi mô martensite đã tôi hoặc bainit/ferritic-pearlitic đã tôi tùy thuộc vào thành phần và xử lý nhiệt. - 12Cr1MoV: Sau khi chuẩn hóa và ram hoặc xử lý nhiệt sau hàn thích hợp (PWHT), cấu trúc thường được ram martensite/ferrite với hợp kim cacbua mịn và kết tủa giàu vanadi giúp tăng khả năng chống rão. - 10CrMo910: Được thiết kế để duy trì cấu trúc vi mô martensitic/ferritic ổn định ở nhiệt độ vận hành cao hơn; cacbua (M23C6, cacbua giàu Mo) và kết tủa hợp kim siêu nhỏ được kiểm soát để tối đa hóa các đặc tính chống đứt gãy.

Các phương pháp xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa và ram: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa để tinh chỉnh kích thước hạt, sau đó là ram để tạo ra sự kết hợp mong muốn giữa độ bền và độ dẻo dai. - Làm nguội và ram: Được sử dụng có chọn lọc tùy thuộc vào dạng sản phẩm và tính chất cơ học cần thiết; tuy nhiên, nhiều loại thép chịu áp suất dựa vào quá trình chuẩn hóa có kiểm soát thay vì làm nguội đột ngột để giảm biến dạng. - Xử lý nhiệt cơ học: Kiểm soát chặt chẽ (cán có kiểm soát + làm nguội nhanh) có thể tinh chỉnh thêm kích thước hạt và phân phối kết tủa, cải thiện độ dẻo dai và khả năng chịu kéo dài—thường được sử dụng nhiều hơn trong các biến thể 10CrMo910 cao cấp.

PWHT: - Xử lý nhiệt sau hàn rất quan trọng đối với cả hai loại thép để làm giảm độ cứng, khôi phục độ dẻo dai và ổn định kết tủa. Chu trình PWHT được lựa chọn theo quy chuẩn và độ dày để tránh hiện tượng giòn hoặc ram quá mức.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	12Cr1MoV (định tính)	10CrMo910 (định tính)
Độ bền kéo	Trung bình đến cao ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ cao vừa phải	Cao ở nhiệt độ môi trường và giữ lại tốt hơn ở nhiệt độ cao hơn
Sức chịu lực	Vừa phải	Trung bình-cao với khả năng giữ nhiệt tốt hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt khi được xử lý nhiệt đúng cách	Độ dẻo tốt; có thể thấp hơn một chút nếu được tối ưu hóa để có độ bền kéo dài cao
Độ bền va đập	Tốt, đặc biệt là với xử lý nhiệt được kiểm soát	Tốt, nhưng thành phần và xử lý nhiệt nhằm mục đích chống rão có thể đánh đổi một số độ bền ở nhiệt độ thấp để có độ ổn định ở nhiệt độ cao
Độ cứng	Vừa phải (tình trạng ôn hòa)	Trung bình đến cao hơn (điều kiện tôi luyện nhắm vào khả năng chống rão)

Giải thích: - 10CrMo910 được thiết kế để chịu được ứng suất cao hơn trong thời gian dài hơn ở nhiệt độ cao, do đó khả năng duy trì độ bền và khả năng chống nứt vỡ do rão của nó thường vượt trội hơn 12Cr1MoV ở nhiệt độ cao. Ở điều kiện môi trường xung quanh, cả hai loại thép đều có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền tĩnh và độ dẻo dai tương đương khi được xử lý theo các tiêu chuẩn. - 12Cr1MoV thường mang lại sự cân bằng thuận lợi giữa độ bền xung quanh và khả năng chế tạo dễ dàng hơn, khiến nó trở nên hấp dẫn khi khả năng chống rão cực lâu dài không phải là yếu tố chính.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng:

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

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

Giải thích định tính: - Cả hai loại thép đều giữ hàm lượng cacbon thấp để duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai. Hàm lượng Cr và Mo cao hơn trong 10CrMo910 làm tăng khả năng tôi và nâng cao chỉ số khả năng hàn so với thép hợp kim thấp hơn, đòi hỏi phải gia nhiệt sơ bộ, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp và PWHT cẩn thận hơn để tránh nứt nguội và nứt do hydro hỗ trợ. - 12Cr1MoV, có hàm lượng hợp kim cường độ cao tương đối thấp và kiểm soát chặt chẽ quá trình hợp kim hóa vi mô, thường dễ hàn hơn, mặc dù PWHT vẫn là bắt buộc đối với các mối hàn giữ áp suất. - Đối với cả hai loại: tuân theo quy trình hàn tiêu chuẩn/mã, kiểm soát hydro, áp dụng phương pháp gia nhiệt trước và PWHT thích hợp và sử dụng kim loại hàn được chỉ định để duy trì độ bền kéo dài.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đây là thép hợp kim ferritic, không phải loại thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn trong môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn bị hạn chế so với thép không gỉ.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: sơn, phủ lớp chịu nhiệt độ cao và phun nhiệt; đối với môi trường xung quanh, sử dụng các phương pháp xử lý bề mặt thông thường (sơn lót + sơn) hoặc mạ kẽm (nếu có thể). Đối với môi trường hơi nước nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa bên trong được đảm bảo bằng hợp kim crom và molypden thay vì lớp phủ bề mặt.
• Công thức PREN không áp dụng cho các hợp kim ferritic không gỉ, có hàm lượng nitơ thấp sau:

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

• Lưu ý: PREN hữu ích để xếp hạng thép không gỉ; không áp dụng phương pháp này cho thép cacbon/hợp kim như 12Cr1MoV hoặc 10CrMo910.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều có khả năng gia công tương tự như các loại thép hợp kim khác khi ở điều kiện thường hóa/ram. Các thông số gia công cần tính đến sự phân bố kết tủa cứng hơn trong các hợp kim được tối ưu hóa cho khả năng chống rão.
• Khả năng tạo hình: Cả hai đều có thể được tạo hình và uốn cong ở nhiệt độ môi trường xung quanh nếu sử dụng đúng quy trình; khả năng tạo hình giảm khi nhiệt độ tôi cao hơn và quy trình xử lý có độ bền cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt và mài: Các cấu trúc vi mô giàu cacbua trong thép có hàm lượng Cr/Mo cao (biến thể 10CrMo910) có thể mài mòn dụng cụ nhiều hơn; kiểm soát các thông số cắt và gia công cho phù hợp.
• Lưu ý chế tạo: các phần dày hơn và các biến thể hợp kim cao cần kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ hơn để tránh các vùng cứng và đảm bảo hiệu quả của PWHT.

8. Ứng dụng điển hình

12Cr1MoV	10CrMo910
Bộ gia nhiệt nước cấp, đường ống và phụ kiện ở các phần nhiệt độ trung bình đến cao, nơi cần độ bền môi trường tuyệt vời và độ bền lâu dài tốt	Ống siêu nhiệt và ống gia nhiệt lại, đường ống hơi và ống góp ở những vùng có nhiệt độ cao hơn, nơi mà độ bền kéo dài lâu dài là rất quan trọng
Các thành phần nồi hơi trong hệ thống có nhiệt độ hơi nước vừa phải và ưu tiên chế tạo tiết kiệm chi phí	Đường ống và các bộ phận của nhà máy điện áp suất cao, nhiệt độ cao, ưu tiên tuổi thọ và khả năng chống oxy hóa
Bình chịu áp suất và van trong các nhà máy hoạt động ở nhiệt độ cao nhưng không phải nhiệt độ thiết kế tối đa	Các thành phần trong chu trình hơi nước siêu tới hạn hoặc nâng cao, trong đó hàm lượng hợp kim cao hơn giúp cải thiện tuổi thọ

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng 10CrMo910 khi thiết kế nhiệt độ và ứng suất, cộng với tuổi thọ chịu kéo đứt cần thiết, đẩy nhu cầu về vật liệu theo hướng hàm lượng Cr và Mo cao hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn các chất kết tủa. - Sử dụng 12Cr1MoV ở nơi có nhiệt độ hoạt động cao nhưng trong phạm vi mà hợp kim vi mô được tối ưu hóa mang lại tuổi thọ đủ dài với chi phí vật liệu thấp hơn và chế tạo dễ dàng hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Vật liệu có hàm lượng Cr và Mo cao hơn (10CrMo910) thường có giá thành cao hơn trên mỗi kilôgam so với vật liệu có hàm lượng hợp kim thấp hơn (12Cr1MoV), do giá nguyên tố hợp kim và yêu cầu xử lý.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường có sẵn ở dạng sản phẩm tiêu chuẩn (ống, tấm, rèn) tại các khu vực có ngành công nghiệp điện và hóa dầu lớn. Tính khả dụng của các dạng sản phẩm cụ thể và chứng nhận (ống áp lực so với ống lò hơi) phụ thuộc vào các nhà máy và nhà cung cấp trong khu vực.
• Mẹo mua sắm: Tổng chi phí lắp đặt phải bao gồm quy trình hàn, chu kỳ PWHT, kiểm tra và tuổi thọ dự kiến; chi phí mua 10CrMo910 cao hơn có thể được bù đắp bằng khoảng thời gian bảo trì dài hơn và ít lần thay thế hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	12Cr1MoV	10CrMo910
Khả năng hàn	Tốt (dễ hơn, nhưng cần PWHT)	Tốt nhưng đòi hỏi khắt khe hơn (khả năng làm cứng cao hơn; nung nóng sơ bộ/PWHT nghiêm ngặt)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Cân bằng; độ bền môi trường tốt	Độ bền nhiệt độ cao hơn và khả năng giữ độ rão lâu dài tốt hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận và hướng dẫn: - Chọn 12Cr1MoV nếu thiết kế hoạt động ở nhiệt độ cao nhưng không ở nhiệt độ hơi nước/lò hơi cao, nơi tuổi thọ biến dạng là yếu tố hạn chế; khi chế tạo dễ dàng, chi phí vật liệu thấp và độ bền môi trường tốt là ưu tiên hàng đầu, thì 12Cr1MoV thường là lựa chọn phù hợp. - Chọn 10CrMo910 nếu ứng dụng yêu cầu các thành phần phải chịu nhiệt độ hơi nước cao hơn, ứng suất kéo dài hơn hoặc yêu cầu tuổi thọ chống nứt kéo dài và khả năng chống oxy hóa tốt hơn; hãy đầu tư vào quy trình hàn và PWHT nghiêm ngặt hơn để nhận ra những ưu điểm của vật liệu.

Lưu ý cuối cùng: Luôn tham khảo tiêu chuẩn vật liệu hiện hành, quy chuẩn thiết kế của dự án và chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp để biết chính xác các yêu cầu về hóa học và cơ học. Khi tuổi thọ đến khi hỏng hoặc tuổi thọ rão dài hạn là rất quan trọng, hãy yêu cầu các nhà cung cấp vật liệu cung cấp đường cong rão-đứt gãy, dữ liệu đặc tính dài hạn và các quy trình hàn/PWHT được khuyến nghị, đồng thời thực hiện đánh giá tuổi thọ ở cấp độ kỹ thuật thay vì chỉ dựa vào tên cấp.