12Cr1MoV so với 15CrMo – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép hợp kim thấp có mối quan hệ mật thiết khi chỉ định các thành phần cho thiết bị áp suất, đường ống và các ứng dụng nhiệt độ cao. Những khó khăn thường gặp khi lựa chọn xoay quanh việc cân bằng giữa độ bền và khả năng chống rão ở nhiệt độ cao với khả năng hàn, tính dễ chế tạo và chi phí. Một so sánh phổ biến là giữa 12Cr1MoV và 15CrMo, cả hai đều được sử dụng trong nồi hơi, bình chịu áp lực và các bộ phận kết cấu tiếp xúc với nhiệt.

Sự khác biệt cốt lõi giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa của chúng: một loại bao gồm các nguyên tố hợp kim hóa vi mô tạo thành cacbua mạnh hơn, giúp tăng khả năng tôi và độ bền nhiệt độ cao, trong khi loại còn lại được điều chế để có thành phần đơn giản hơn và dễ chế tạo hơn. Sự khác biệt này dẫn đến sự đánh đổi về hiệu suất cơ học, quy trình hàn và khả năng thích ứng với nhiệt độ cao hơn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 12Cr1MoV
• Thường xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc gia về thép bình chịu áp lực và thép nồi hơi (ví dụ, nhiều tiêu chuẩn của Trung Quốc và Đông Âu). Nó được phân loại là thép hợp kim thấp, được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cao (thép nồi hơi/áp lực).
• 15CrMo
• Xuất hiện trong các thông số kỹ thuật truyền thống của châu Âu và quốc tế về thép hợp kim thấp dùng cho nồi hơi và bình chịu áp lực (trước đây là các ký hiệu liên quan đến EN/BS). Đây cũng là loại thép hợp kim thấp, chịu nhiệt.

Phân loại cho cả hai: thép áp suất/thép nồi hơi hợp kim thấp (ferritic) (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA theo nghĩa hợp kim vi mô hiện đại, mặc dù có thể có các nguyên tố hợp kim vi mô).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại này sử dụng các chiến lược hợp kim khác nhau: loại đầu tiên tập trung vào việc bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim vi mô (chất tạo thành cacbua/nitrit) để cải thiện độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão, trong khi loại còn lại là hợp kim crom-molypden đơn giản hơn được tối ưu hóa để có độ dẻo dai tốt và khả năng hàn dễ dàng hơn.

Bảng — sự hiện diện định tính của các nguyên tố hợp kim | Nguyên tố | 12Cr1MoV (sự hiện diện định tính) | 15CrMo (sự hiện diện định tính) | |---|---:|---:| | C (cacbon) | Thấp đến trung bình (kiểm soát độ bền) | Thấp đến trung bình | | Mn (mangan) | Hiện tại (chất trợ giúp tăng cường độ bền/độ dẻo dai) | Hiện tại | | Si (silicon) | Có mặt với lượng nhỏ (khử oxy hóa) | Có mặt với lượng nhỏ | | P (phốt pho) | Dư lượng/được kiểm soát (giữ ở mức thấp) | Dư lượng/được kiểm soát (giữ ở mức thấp) | | S (lưu huỳnh) | Dấu vết/được kiểm soát | Dấu vết/được kiểm soát | | Cr (crom) | Trung bình (cải thiện khả năng oxy hóa và độ bền) | Trung bình (hợp kim chính) | | Ni (niken) | Thường không có hoặc có dấu vết | Thường không có hoặc có dấu vết | | Mo (molypden) | Có mặt (cải thiện độ bền kéo và khả năng làm cứng) | Có mặt (nhưng thường có hàm lượng thấp hơn so với loại hợp kim nặng hơn) | | V (vanadi) | Thêm hợp kim nhỏ (tạo thành cacbua/nitrit) | Thường không có hoặc chỉ có dấu vết | | Nb (niobi) | Thường không có hoặc có dấu vết | Thường không có hoặc có dấu vết | | Ti (titan) | Có thể theo dõi (khử oxy hóa/ổn định) | Có thể theo dõi | | B (bo) | Không điển hình | Không điển hình | | N (nitơ) | Vết (ảnh hưởng đến sự hình thành hợp kim nhỏ cacbua/nitrit) | Vết |

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Crom và molypden làm tăng độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống rão và khả năng làm cứng; chúng cũng làm giảm nhẹ khả năng hàn nếu có hàm lượng đáng kể. - Vanadi (và các nguyên tố hợp kim vi mô khác như niobi) góp phần tăng cường độ bền thông qua các kết tủa cacbua/nitrit mịn và quá trình tinh luyện hạt; điều này làm tăng cường độ bền kéo và khả năng chống rão nhưng lại làm tăng khả năng tôi và nguy cơ hình thành martensite trong vùng chịu nhiệt (HAZ) trong quá trình hàn. - Carbon kiểm soát độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; giữ ở mức thấp đến trung bình ở các cấp độ này để duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai. - Mangan và silic chủ yếu là chất khử oxy và góp phần không nhỏ vào độ bền và độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Cả hai loại thép đều là cấu trúc vi mô ferritic-pearlitic hoặc ferritic chuẩn hóa ở trạng thái giao hàng sau khi được chuẩn hóa hoặc chuẩn hóa-ram. Đối với thép bình chịu áp lực thông thường, cấu trúc vi mô mục tiêu là cấu trúc bainit ram hoặc ferrit/pearlitic hạt mịn tùy thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và tốc độ làm nguội. - 12Cr1MoV, do hợp kim vi mô (vanadi) và molypden, có xu hướng tạo ra các kết tủa mịn hơn và có thể phát triển cấu trúc martensite/ferrite được tôi luyện có hạt mịn hơn ở các vùng được làm mát nhiều; điều này tạo ra độ bền cao hơn và khả năng chống rão được cải thiện. - 15CrMo thường có cấu trúc vi mô ferit/pearlit tôi luyện thông thường được tối ưu hóa để có độ dẻo dai ở nhiệt độ cao vừa phải.

Phản ứng xử lý nhiệt - Chuẩn hóa: Cả hai loại thép đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai; các nguyên tố hợp kim vi mô trong 12Cr1MoV giúp ổn định các hạt mịn trong các chu kỳ chuẩn hóa thích hợp. - Làm nguội và ram: Cả hai đều có thể được làm nguội và ram, nhưng sự hiện diện của vanadi và khả năng làm cứng cao hơn trong loại hợp kim nặng hơn đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận mức độ làm nguội và ram để tránh độ cứng HAZ quá mức và đạt được độ dẻo dai cần thiết. - Xử lý nhiệt cơ học: 12Cr1MoV được hưởng lợi nhiều hơn từ quá trình cán/xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát vì các kết tủa hợp kim siêu nhỏ giúp xác định ranh giới hạt, cải thiện độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ.

4. Tính chất cơ học

Việc cung cấp các tính chất cơ học có thể so sánh về mặt định tính giúp tránh đưa ra những con số chính xác gây hiểu lầm đồng thời làm rõ sự khác biệt.

Bảng — hành vi cơ học so sánh (định tính) | Bất động sản | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Độ bền kéo | Xu hướng cao hơn (do hợp kim vi mô và Mo) | Trung bình | | Độ bền kéo | Xu hướng cao hơn | Trung bình | | Độ giãn dài (dẻo) | Tốt, có thể thấp hơn một chút so với 15CrMo nếu được hợp kim hóa nhiều/tôi quá mức | Tốt, thường dẻo hơn ở điều kiện tiêu chuẩn | | Độ bền va đập | Tốt khi xử lý nhiệt đúng cách; nhạy cảm với điều kiện HAZ | Nói chung rất tốt, độ bền HAZ thường vượt trội trong cùng một quy trình hàn | | Độ cứng | Có thể đạt độ cứng cao hơn sau khi tôi và ram | Thấp hơn trong điều kiện tương đương |

Giải thích - 12Cr1MoV được thiết kế để mang lại độ bền nhiệt độ cao hơn và khả năng chống rão thông qua hợp kim vi mô và hàm lượng molypden cao hơn; do đó, nó thường đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn sau khi xử lý nhiệt thích hợp. - 15CrMo, với ít hợp kim vi mô hơn, có xu hướng dễ gia công và hàn hơn, có độ dẻo dai và độ bền HAZ được duy trì tốt hơn một chút trong nhiều tình huống chế tạo. - Giá trị cơ học thực tế phụ thuộc vào thông số kỹ thuật chính xác, lộ trình xử lý nhiệt và hình dạng sản phẩm; kỹ sư nên tham khảo chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp để biết mức tối thiểu được đảm bảo.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được quyết định bởi lượng cacbon tương đương, các nguyên tố hợp kim làm tăng khả năng tôi luyện và các nguyên tố hợp kim vi mô tạo thành cacbua/nitrit ổn định.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích (để giải thích định tính) - Đương lượng cacbon (công thức IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức PCM tính độ nứt mối hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy khả năng làm cứng cao hơn và nhu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) tăng lên. - 12Cr1MoV thường tạo ra hàm lượng $CE$/$P_{cm}$ cao hơn do có molypden và vanadi, do đó quy trình hàn phải tính đến khả năng làm cứng HAZ tăng lên: nung nóng trước, kiểm soát đầu vào nhiệt và PWHT thường được yêu cầu để chế tạo bình chịu áp suất. - 15CrMo, với ít thành phần hợp kim vi mô hơn, thường có giá trị CE và Pcm được tính toán thấp hơn và nhìn chung dễ hàn hơn — mặc dù quá trình gia nhiệt trước và PWHT thường vẫn được chỉ định cho các phần dày và thiết bị chịu áp suất.

Hướng dẫn thực tế - Cả hai loại thép được sử dụng trong thiết bị chịu áp suất thường yêu cầu quy trình hàn đạt tiêu chuẩn và PWHT để khôi phục độ bền và giảm ứng suất dư. - Khi lựa chọn giữa hai loại, hãy cân nhắc độ phức tạp của chu trình PWHT cần thiết và năng suất hàn. Thép hợp kim nặng đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 12Cr1MoV và 15CrMo đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép ferritic hợp kim thấp. Việc lựa chọn nên cân nhắc đến nhu cầu về lớp phủ bảo vệ hoặc bảo vệ catốt khi ăn mòn là vấn đề đáng lo ngại.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình: hệ thống sơn, lớp phủ epoxy/phenolic, lớp phủ (lớp phủ hàn) hoặc mạ kẽm nhúng nóng cho các điều kiện môi trường xung quanh cần bảo vệ bằng mạ điện.
• Đối với thép không gỉ hoàn toàn, PREN không áp dụng được; tuy nhiên đối với thép hợp kim mà molypden góp phần tạo nên khả năng chống ăn mòn cục bộ trong môi trường đặc biệt, chỉ số PREN chỉ có liên quan nếu thép chứa hàm lượng crom và molypden đáng kể cùng với nitơ có thể đo được — không áp dụng cho các loại thép tiêu chuẩn 12Cr1MoV hoặc 15CrMo.
• Khi khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao là quan trọng, hàm lượng Cr và Mo cao hơn (như trong loại hợp kim nhiều hơn) mang lại hiệu suất tốt hơn, nhưng những loại thép này vẫn không thể thay thế cho thép không gỉ hoặc hợp kim chịu nhiệt độ cao.

Ví dụ về công thức PREN (thường không áp dụng cho các cấp độ này): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có khả năng gia công hợp lý trong điều kiện thường hóa hoặc ủ. Độ cứng và độ bền kết tủa cao hơn một chút trong thép 12Cr1MoV có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ so với thép 15CrMo.
• Khả năng tạo hình: 15CrMo có xu hướng dễ tạo hình nguội và uốn cong hơn một chút do cấu trúc vi mô đơn giản hơn và giới hạn chảy thấp hơn một chút trong điều kiện cung cấp.
• Nối và chế tạo: 12Cr1MoV đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn lượng nhiệt đầu vào và kiểm soát hydro (làm sạch điện cực, gia nhiệt trước) do khả năng làm cứng cao hơn từ Mo và V. Việc sử dụng kim loại hàn đủ tiêu chuẩn được đánh giá cho PWHT và các đặc tính cơ học phù hợp là điều cần thiết.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận mài, gia công và chuẩn bị bề mặt tiêu chuẩn để phủ. Kết tủa cacbua trong thép hợp kim vi mô có thể gây ra độ cứng cục bộ, ảnh hưởng đến quá trình hoàn thiện.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng — cách sử dụng thông thường theo cấp độ | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---| | Ống và đầu ống nồi hơi chịu nhiệt độ cao khi cần tăng cường khả năng chống rão | Đường ống nồi hơi và bình chịu áp suất cho dịch vụ nhiệt độ trung bình | | Các thành phần bình chịu áp suất đòi hỏi độ bền lâu dài cao hơn ở nhiệt độ cao | Vỏ bình chịu áp suất, mặt bích và phụ kiện chung ưu tiên tính dễ chế tạo | | Các thành phần có lợi cho việc cải thiện độ ổn định hạt và khả năng chống rão thông qua hợp kim vi mô | Các ứng dụng hàn thường xuyên và nhu cầu cao hơn về độ bền HAZ tốt và khả năng kiểm tra dễ dàng hơn | | Đường ống hơi và ống góp hoạt động ở nhiệt độ/áp suất cao hơn (tùy theo thông số kỹ thuật) | Đường ống tiết kiệm và các bộ phận kết cấu cho nhiệt độ từ thấp đến trung bình |

Cơ sở lựa chọn - Chọn loại hợp kim vi mô có hàm lượng cao hơn khi tuổi thọ thiết kế ở nhiệt độ cao, độ bền kéo và độ ổn định của hạt là tối quan trọng và ngân sách dự án cùng các biện pháp kiểm soát hàn có thể đáp ứng các quy trình nghiêm ngặt hơn. - Chọn hợp kim crom-molypden đơn giản hơn khi tốc độ chế tạo, độ nhạy hàn thấp hơn, hiệu quả về chi phí quan trọng hơn và nhiệt độ làm việc ở mức vừa phải.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Nhìn chung, loại có thêm các nguyên tố hợp kim vi mô (vanadi, Mo cao hơn một chút) sẽ đắt hơn tính theo tấn so với loại crom-molypden đơn giản hơn do chi phí nguyên tố hợp kim và khả năng kiểm soát quá trình chặt chẽ hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất dưới dạng sản phẩm tiêu chuẩn (tấm, ống, rèn) cho thị trường nồi hơi/bình chịu áp lực. Tính khả dụng khác nhau tùy theo khu vực - hãy liên hệ với các nhà máy và nhà phân phối địa phương để biết thời gian giao hàng. Các dạng và kích thước tiêu chuẩn dễ dàng có sẵn hơn cho biến thể 15CrMo đơn giản hơn ở một số thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng — so sánh ngắn gọn | Tiêu chuẩn | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Khả năng hàn | Khá — yêu cầu kiểm soát quá trình nung nóng trước/PWHT chặt chẽ hơn | Tốt — dễ hàn hơn | | Cân bằng độ bền – độ dẻo dai | Độ bền ở nhiệt độ cao cao hơn; độ dẻo dai tốt khi xử lý nhiệt đúng cách | Độ dẻo dai và độ dẻo tốt; độ bền vừa phải | | Chi phí | Cao hơn (do hợp kim hóa và chế biến vi mô) | Thấp hơn (tiết kiệm hơn) |

Sự giới thiệu - Chọn 12Cr1MoV nếu: linh kiện của bạn phải chịu được nhiệt độ cao hơn hoặc tuổi thọ dài hơn, bạn cần độ ổn định hạt tốt hơn và độ bền lâu dài hơn, và bạn có thể thực hiện các quy trình hàn, làm nóng trước và PWHT nghiêm ngặt hơn. - Chọn 15CrMo nếu: ứng dụng là thiết bị chịu áp suất ở nhiệt độ trung bình hoặc đường ống, trong đó tốc độ chế tạo, khả năng hàn dễ dàng hơn và chi phí vật liệu thấp hơn là những yếu tố chính, và thiết kế không yêu cầu độ bền kéo dài cao hơn của thép hợp kim vi mô.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận chính xác các yêu cầu về hóa chất và cơ học dựa trên thông số kỹ thuật của dự án và chứng chỉ nhà máy. Việc thẩm định quy trình hàn, lịch trình hàn PWHT và tiêu chí chấp nhận cơ học phải được thiết lập dựa trên cấp độ hàn, độ dày và nhiệt độ làm việc dự kiến ​​đã chọn.