12Cr1MoV so với T12 – 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 thép hợp kim thấp, chịu nhiệt độ cao và thép công cụ carbon cao khi thiết kế các chi tiết đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng gia công và khả năng chống mài mòn. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thường xoay quanh các yếu tố đánh đổi như độ bền và khả năng hàn ở nhiệt độ cao so với khả năng chống mài mòn và độ cứng đạt được — cũng như phương pháp xử lý nhiệt và chế tạo phù hợp cho từng vật liệu.

Ở cấp độ tổng quát, 12Cr1MoV là thép kết cấu hợp kim thấp Cr–Mo–V được thiết kế cho ứng dụng nhiệt độ cao (bình chịu áp lực, linh kiện nồi hơi), trong khi T12 (được sử dụng trong danh pháp dụng cụ) biểu thị thép công cụ hợp kim cao, hàm lượng cacbon cao được tối ưu hóa để tôi cứng và chống mài mòn. Sự khác biệt cơ bản nằm ở mục đích sử dụng: 12Cr1MoV được thiết kế để chống rão, độ bền và khả năng chế tạo trong môi trường áp suất/nhiệt độ; T12 được thiết kế để có độ cứng và tuổi thọ mài mòn cao trong các ứng dụng dụng cụ. Những mục tiêu thiết kế khác nhau này giải thích lý do tại sao chúng được so sánh: đôi khi cùng một hình dạng thành phần có thể được thực hiện trong thép công cụ (nếu cần khả năng chống mài mòn cực cao) hoặc thép kết cấu hợp kim thấp (nếu độ bền, khả năng hàn và độ ổn định nhiệt là tối quan trọng).

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 12Cr1MoV: Thường xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc gia về thép nồi hơi và bình chịu áp lực (ví dụ: GB/Trung Quốc, các tiêu chuẩn tương đương EN có thể có tên gọi khác nhau). Nó được phân loại là thép chịu nhiệt/bình chịu áp lực hợp kim thấp (không phải thép không gỉ).
• T12: Xuất hiện như một loại thép dụng cụ trong nhiều tiêu chuẩn khác nhau (nhóm thép dụng cụ). Tùy thuộc vào khu vực pháp lý, ký hiệu dòng T tương ứng với tên sản phẩm thép dụng cụ DIN, JIS hoặc tên sản phẩm độc quyền. Nó được phân loại là thép dụng cụ (hàm lượng cacbon cao, hợp kim để tăng độ cứng và chống mài mòn).

Tóm tắt phân loại: - 12Cr1MoV — thép kết cấu/chịu nhiệt hợp kim thấp. - T12 — thép dụng cụ (nhiều cacbon, tập trung vào độ cứng/độ mài mòn).

Luôn xác nhận các yêu cầu chính xác về hóa chất và cơ học từ tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà cung cấp khi mua sắm.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần đại diện (wt%). Đây là phạm vi so sánh điển hình cho các cuộc thảo luận về kỹ thuật; hãy tham khảo thông số kỹ thuật chính xác hoặc giấy chứng nhận vật liệu để tính toán mua sắm hoặc thiết kế.

Yếu tố	12Cr1MoV (đại diện)	T12 (thép công cụ đại diện)
C	0,08–0,18	0,7–1,4
Mn	0,3–0,7	0,2–1,0
Si	0,15–0,40	0,1–0,5
P	≤0,03	≤0,03
S	≤0,03	≤0,03
Cr	0,9–1,3	0,5–5,0 (thường cao hơn ở một số loại thép dụng cụ)
Ni	≤0,5	≤1.0 (thay đổi)
Mo	0,2–0,6	0,1–3,0 (tùy thuộc vào họ thép công cụ)
V	0,03–0,15	0,1–1,0 (thép dụng cụ thường sử dụng V để hình thành cacbua)
Nb (Cb)	dấu vết/≤0,05	dấu vết/≤0,1
Ti	dấu vết	dấu vết
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Các phạm vi này chỉ mang tính minh họa và không thay thế cho chứng chỉ vật liệu. Thành phần của một biến thể T12 nhất định có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào việc nó là thép công cụ vonfram, molypden hay crom. - 12Cr1MoV sử dụng hàm lượng Cr, Mo và V nhỏ được kiểm soát để tăng cường độ bền nhiệt độ cao và độ ổn định khi ram mà không tạo ra hàm lượng cacbua cao thường thấy ở thép dụng cụ. - Thành phần T12 nhấn mạnh các nguyên tố tạo thành cacbon và cacbua cao hơn (V, W, Mo, Cr) để tạo ra sự phân tán mịn các cacbua cứng và cung cấp độ cứng cao sau khi tôi và ram.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon làm tăng khả năng tôi luyện và độ cứng có thể đạt được nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo khi carbon tăng. - Cr và Mo góp phần làm tăng khả năng tôi cứng, độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống ram; Cr cũng cải thiện khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. - V làm mịn kích thước hạt và tạo thành cacbua cứng để chống mài mòn; V nhỏ trong 12Cr1MoV hỗ trợ độ bền kéo dài ở nhiệt độ cao, trong khi V lớn hơn trong thép dụng cụ góp phần tăng khả năng chống mài mòn.

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

• 12Cr1MoV:
• Cấu trúc vi mô điển hình trong điều kiện chuẩn hóa + ram: bainit ram/martensite ram với các chất kết tủa mịn (Mo, V cacbua và có thể là crom cacbua) giúp ổn định tính chất rão.
• Phản ứng xử lý nhiệt: Thường hóa sau đó ram hoặc khử ứng suất kết hợp với xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) là tiêu chuẩn. Hợp kim vi mô và hàm lượng Cr-Mo kiểm soát khả năng ram và độ bền rão.

• Quá trình xử lý nhiệt cơ (cán có kiểm soát) có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai hơn nữa.

• T12:

• Cấu trúc vi mô điển hình trong điều kiện tôi luyện: ma trận martensite có mật độ cacbua cứng cao (cacbua VC, Mo/W, cacbua Cr tùy thuộc vào hợp kim chính xác).
• Phản ứng xử lý nhiệt: Ủ (mềm) để gia công, sau đó làm nguội bằng dầu hoặc khí từ nhiệt độ austenit hóa và nhiều lần ram để đạt được sự cân bằng độ cứng/độ dai cần thiết. Thép dụng cụ thường yêu cầu kiểm soát nhiệt độ austenit hóa chính xác để hòa tan đủ cacbua mà không làm hạt phát triển quá mức.
• Quá trình tôi luyện kiểm soát độ cứng cuối cùng và có thể sử dụng quá trình tôi luyện thứ cấp để đạt được độ cứng cao ổn định ở nhiệt độ tôi luyện cao.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Tính chất cơ học điển hình (phạm vi phụ thuộc nhiều vào quá trình xử lý nhiệt).

Tài sản	12Cr1MoV (chuẩn hóa/tôi luyện)	T12 (ủ vs làm cứng)
Độ bền kéo (MPa)	~500–750	Ủ: ~700–900; Làm cứng: >1000–2000+
Giới hạn chảy (MPa)	~300–500	Ủ: ~400–700; Làm cứng: thay đổi, thường cao
Độ giãn dài (%)	12–20	Ủ: 8–18; Làm cứng: thường thấp (1–8)
Độ bền va đập (Charpy)	Trung bình đến cao (tùy thuộc vào xử lý nhiệt)	Ủ: vừa phải; Làm cứng: thấp trừ khi được tôi luyện đặc biệt
Độ cứng (HRC)	~200–260 HB (~20–25 HRC)	Ủ: ~180–250 HB; Làm cứng: 55–65 HRC (dịch vụ gia công)

Giải thích: - T12 ở trạng thái tôi luyện sẽ cứng hơn và chống mài mòn tốt hơn nhiều so với 12Cr1MoV, nhưng độ dẻo và độ bền va đập lại kém hơn. - 12Cr1MoV cung cấp một tập hợp các đặc tính cân bằng được tối ưu hóa cho khả năng chống biến dạng và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao và dễ gia công và hàn hơn. - Số lượng tài sản phụ thuộc rất nhiều vào tính chất hóa học và xử lý nhiệt chính xác — luôn sử dụng chứng chỉ của nhà cung cấp cho thiết kế.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim. Các công thức thực nghiệm hữu ích bao gồm:

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

Và

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

Giải thích định tính: - 12Cr1MoV: Hàm lượng cacbon trung bình và hợp kim được kiểm soát tạo ra hàm lượng cacbon tương đương trung bình. Khả năng hàn đạt yêu cầu với quá trình nung nóng sơ bộ thích hợp, đầu vào nhiệt được kiểm soát và quy trình hàn PWHT bắt buộc cho ứng dụng chịu áp suất, nhiệt độ cao để tránh nứt hydro và phục hồi độ dẻo dai. - T12: Hàm lượng cacbon cao và các hợp chất cacbua đáng kể tạo ra hàm lượng cacbon tương đương cao và khả năng hàn kém. Hàn thường không được khuyến khích, trừ khi có chuyên gia; nếu cần hàn, cần phải nung nóng sơ bộ nghiêm ngặt, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, xử lý nhiệt sau hàn và thường là kim loại bổ sung chuyên dụng. Hàn sửa chữa thép dụng cụ tôi cứng là một thách thức.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép dụng cụ 12Cr1MoV và T12 thông thường đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế.
• 12Cr1MoV: Khoảng 1% Cr và Mo có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vừa phải và có thể giúp chống đóng cặn ở nhiệt độ cao. Đối với ăn mòn trong khí quyển hoặc ẩm ướt, thường cần bảo vệ bề mặt (lớp phủ, sơn, lớp ốp hoặc bảo vệ catốt).
• T12: Thép dụng cụ có hàm lượng cacbon cao với nhiều cacbua không có khả năng chống ăn mòn; chúng dễ bị gỉ trong môi trường ẩm ướt và thường cần được bảo vệ chống ăn mòn (dầu, lớp phủ, mạ).
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Đối với vật liệu thép không gỉ, chỉ số này là:

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

nhưng điều này không áp dụng cho 12Cr1MoV hoặc T12.

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

• 12Cr1MoV:
• Khả năng định hình và hàn tốt trong điều kiện chuẩn hóa/rau tôi. Có thể cán và định hình theo quy trình tiêu chuẩn.
• Khả năng gia công là đặc trưng của thép hợp kim thấp; dễ hơn thép dụng cụ.

• Xử lý nhiệt để có được tính chất cuối cùng tương thích với các phương pháp chế tạo bình chịu áp suất tiêu chuẩn (thường hóa, ram, PWHT).

• T12:

• Khả năng gia công trong điều kiện ủ là hợp lý nhưng chậm hơn so với thép hợp kim thấp do hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn.
• Việc tạo hình bị hạn chế: độ cứng cao và hàm lượng cacbon cao khiến việc tạo hình nguội và uốn ở trạng thái cứng trở nên khó khăn; việc tạo hình phải diễn ra ở trạng thái ủ hoặc bằng các phương pháp đặc biệt.
• Mài và hoàn thiện là phương pháp phổ biến để có được hình dạng dụng cụ; hàm lượng cacbua đòi hỏi kỹ thuật mài mòn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình của từng loại.

12Cr1MoV	T12
Các thành phần nồi hơi và bình chịu áp suất, đường ống hơi, ống góp	Khuôn, đục, lưỡi cắt, dụng cụ gia công nguội
Các bộ phận kết cấu chịu nhiệt độ cao cần khả năng chống rão	Dụng cụ cắt, chi tiết chịu mài mòn (cần độ cứng cao)
Vỏ tuabin, hệ thống đường ống hơi, ống siêu nhiệt (nếu được phép)	Chèn dụng cụ, khuôn đùn hoặc khuôn kéo (kích thước nhỏ hơn)
Các thành phần yêu cầu chế tạo hàn và PWHT	Dụng cụ nhỏ, chính xác, trong đó độ cứng và khả năng giữ cạnh là yếu tố chính

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 12Cr1MoV khi yêu cầu chính là độ bền nhiệt độ cao, độ dẻo dai, khả năng hàn và chế tạo tiết kiệm chi phí. - Chọn T12 khi khả năng chống mài mòn và độ cứng tối đa là những yêu cầu quan trọng nhất và có thể quản lý được các hạn chế về hàn/tạo hình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• 12Cr1MoV: Thường có sẵn ở dạng tấm, ống và vật liệu rèn cho ngành công nghiệp điện và hóa dầu. Chi phí vừa phải; tính kinh tế theo quy mô đối với vật liệu kết cấu và bình chịu áp lực khối lượng lớn giúp tiết kiệm chi phí.
• T12: Thép công cụ thường được bán dưới dạng thanh, khối hoặc phôi đã tôi cứng trước; số lượng tấm lớn có hạn và giá thành mỗi kg cao hơn do quá trình hợp kim hóa và gia công. Xử lý nhiệt đặc biệt làm tăng tổng chi phí của các bộ phận dụng cụ hoàn thiện.
• Ghi chú mua sắm: Thời gian giao hàng cho các lô thép công cụ có xử lý nhiệt tùy chỉnh có thể lâu hơn; 12Cr1MoV thường dễ tìm hơn ở dạng sản phẩm tiêu chuẩn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt so sánh nhanh.

Tiêu chí	12Cr1MoV	T12
Khả năng hàn	Tốt (có làm nóng trước/PWHT)	Kém (cần có thủ tục đặc biệt)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được tối ưu hóa cho độ bền/độ dẻo dai	Được tối ưu hóa về độ cứng/độ mài mòn; độ dẻo dai thấp khi được tôi luyện
Chi phí (vật liệu + gia công)	Vừa phải	Cao hơn (vật liệu + xử lý nhiệt/hoàn thiện)

Kết luận — hướng dẫn lựa chọn: - Chọn thép 12Cr1MoV nếu bạn cần thép kết cấu hoặc bình chịu áp lực có độ bền nhiệt độ cao tốt, khả năng hàn đáng tin cậy (với PWHT) và cân bằng giữa độ bền và khả năng sản xuất. Các ứng dụng điển hình bao gồm nồi hơi, đường ống hơi và các bộ phận chịu áp lực yêu cầu mối nối và độ ổn định nhiệt. - Chọn T12 nếu yêu cầu chính là độ cứng tối đa và khả năng chống mài mòn cho các bộ phận gia công hoặc cắt/chịu mài mòn, và nếu bạn có thể chấp nhận khả năng hàn hạn chế, chi phí vật liệu trên mỗi đơn vị cao hơn và nhu cầu xử lý nhiệt và hoàn thiện chuyên biệt.

Khuyến nghị cuối cùng: Lựa chọn cuối cùng dựa trên các ưu tiên chức năng của linh kiện (nhiệt độ và áp suất so với độ mài mòn và khả năng giữ cạnh), phương pháp ghép nối và chế tạo cần thiết, và tổng chi phí vòng đời (bao gồm bảo trì và thay thế). Đối với bất kỳ ứng dụng quan trọng nào, hãy chỉ định tiêu chuẩn chính xác, yêu cầu chứng chỉ nhà máy/kiểm tra, và xác nhận quy trình hàn và xử lý nhiệt bằng các thử nghiệm và quy trình được chứng nhận.