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

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa 15CrMo và 12Cr1MoV khi thiết kế thiết bị áp suất, đường ống và các bộ phận cho ứng dụng nhiệt độ cao. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường xoay quanh sự cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão, khả năng hàn và các yêu cầu xử lý sau hàn, cũng như chi phí và tính khả dụng của vật liệu.

Sự khác biệt chính về mặt luyện kim giữa hai loại thép họ Cr-Mo này là sự hiện diện và vai trò tương đối của molypden và vanadi: một loại chủ yếu dựa vào sự gia cường crom-molypden, trong khi loại còn lại bao gồm việc bổ sung vanadi có kiểm soát để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường kết tủa. Vì cả hai đều là thép ferit hợp kim thấp, dùng cho các ứng dụng nhiệt độ cao, chúng thường được so sánh để sử dụng trong nồi hơi, bình chịu áp suất và hệ thống trao đổi nhiệt, nơi cần sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Cả hai loại thép này đều thuộc nhóm thép Cr-Mo ferritic hợp kim thấp, được sử dụng trong các ứng dụng chịu áp suất và nhiệt độ cao. Chúng được phân loại theo nhiều hệ thống tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế khác nhau; vui lòng tham khảo tiêu chuẩn cụ thể để biết giới hạn hóa học và cơ học chính xác.

• Hệ thống tiêu chuẩn chung trong đó thép Cr–Mo tương đương hoặc liên quan xuất hiện:
• ASME/ASTM (Hoa Kỳ) — vật liệu bình chịu áp suất và đường ống (Nhóm số P để đánh giá quy trình xử lý nhiệt và hàn)
• EN (Châu Âu) — Ký hiệu EN cho thép hợp kim thấp được sử dụng trong nồi hơi và bình chịu áp suất
• GB (Trung Quốc) — cấp quốc gia và các loại tương đương cho thép Cr–Mo
• GOST (Nga/Liên Xô cũ) — 12Cr1MoV thường được tìm thấy theo các chỉ định GOST
• JIS (Nhật Bản) — thép Cr–Mo liên quan trong các loại thiết bị chịu áp lực

Phân loại: cả 15CrMo và 12Cr1MoV đều là thép hợp kim thấp (không phải thép không gỉ), thường được phân loại là thép ferritic/perlitic chịu nhiệt để sử dụng ở nhiệt độ cao thay vì thép dụng cụ hoặc HSLA chỉ dùng cho kết cấu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt sự hiện diện điển hình của các nguyên tố phổ biến theo định tính. Để biết giới hạn thành phần chính xác, vui lòng tham khảo tiêu chuẩn hoặc chứng chỉ vật liệu hiện hành.

Yếu tố	15CrMo (định tính)	12Cr1MoV (định tính)
C	Thấp (kiểm soát độ dẻo dai và khả năng hàn)	Thấp (kiểm soát độ dẻo dai và khả năng hàn)
Mn	Trung bình (khử oxy và tăng cường)	Vừa phải
Si	Dấu vết-trung bình (khử oxy)	Dấu vết–trung bình
P	Dư thừa (giữ ở mức thấp)	Còn lại (giữ ở mức thấp)
S	Còn lại (giữ ở mức thấp)	Còn lại (giữ ở mức thấp)
Cr	Nguyên tố hợp kim chính (cải thiện khả năng oxy hóa và độ bền ở nhiệt độ cao)	Nguyên tố hợp kim chính (vai trò tương tự)
Ni	Thông thường là tối thiểu/không có	Thông thường là tối thiểu/không có
Mo	Có mặt (cung cấp khả năng làm cứng và độ bền kéo dài)	Có mặt—thường được kiểm soát ở mức tương tự hoặc cao hơn để hỗ trợ khả năng chống rão
V	Không có hoặc rất thấp	Có mặt với số lượng được kiểm soát (hợp kim vi mô để tinh chế hạt và tăng cường kết tủa)
Lưu ý	Vắng mặt/dấu vết	Vắng mặt/dấu vết
Ti	Theo dõi nếu có (khử oxy hóa/kết tủa)	Theo dõi nếu có
B	Dấu vết trong một số biến thể	Dấu vết trong một số biến thể
N	Dư	Dư

Giải thích về chiến lược hợp kim: - Crom làm tăng khả năng chống oxy hóa và góp phần tăng độ bền ở nhiệt độ cao. - Molypden làm tăng khả năng tôi cứng, tăng cường ma trận ở nhiệt độ cao và cải thiện khả năng chống rão và mềm hóa. - Vanadi, khi được sử dụng làm phụ gia hợp kim vi mô, sẽ tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước và tạo thành cacbua/nitrit ổn định, giúp tăng cường độ bền và khả năng chống rão, đặc biệt là sau khi ram. Vanadi cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình ram và giảm sự tách lớp ranh giới hạt ở nhiệt độ cao. - Cacbon và mangan được cân bằng để cung cấp độ bền cơ bản cần thiết trong khi vẫn duy trì khả năng hàn ở mức chấp nhận được.

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

Cấu trúc vi mô điển hình của thép Cr–Mo trong điều kiện cung cấp và sau khi xử lý nhiệt tuân theo các mẫu ferritic/pearlitic hoặc martensitic/bainit đã ram có thể dự đoán được tùy thuộc vào các tuyến xử lý nhiệt.

• Chuẩn hóa theo phương pháp: Cả hai loại này thường có thành phần martensite/bainite đã tôi luyện hoặc hỗn hợp ferrite-pearlite mịn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và thành phần. Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô.
• Làm nguội và ram: Để đạt được độ bền cao hơn và khả năng chống rão, quá trình tôi để tạo thành martensite, sau đó ram sẽ tạo ra martensite/bainite ram. Molypden và vanadi ảnh hưởng đến khả năng chống ram—Mo làm chậm quá trình mềm hóa, trong khi V tạo thành các kết tủa ổn định, ngăn cản chuyển động biến dạng và rão.
• Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tạo ra ferit và bainit hạt mịn, cải thiện độ dẻo dai và độ bền mà không làm tăng độ cứng quá mức. Hợp kim vi mô vanadi đáp ứng tốt với các phương pháp nhiệt cơ học bằng cách kết tủa các cacbua/nitrit mịn trong quá trình làm nguội có kiểm soát.
• Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT): Cả hai loại thép này thường yêu cầu PWHT khi sử dụng trong bình chịu áp lực để tôi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và giảm ứng suất dư. Sự hiện diện của Mo và V làm thay đổi động học ram—nhiệt độ và thời gian tôi PWHT phải tuân theo tiêu chuẩn vật liệu và quy chuẩn thiết kế.

4. Tính chất cơ học

Giá trị cơ học chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn, hình dạng sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp các đặc tính cơ học định tính so sánh.

Tài sản	15CrMo	12Cr1MoV
Độ bền kéo	Trung bình đến cao (sau khi ủ)	Trung bình đến cao; thường tương đương hoặc cao hơn một chút khi xử lý nhiệt tương tự
Sức chịu lực	Vừa phải	Có thể so sánh với mức cao hơn một chút (do hợp kim vi mô và sự gia cố kết tủa)
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt (thích hợp cho việc tạo hình và hàn)	Tốt, nhưng có thể thấp hơn một chút nếu sử dụng biện pháp tăng cường lượng mưa cao hơn
Độ bền va đập (nhiệt độ phòng / nhiệt độ thấp)	Tốt với xử lý nhiệt thích hợp	Tốt; vanadi và hạt mịn có thể cải thiện khả năng duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ cao
Độ cứng (sau khi tôi)	Vừa phải	Trung bình; có khả năng chống mềm hóa cao hơn trong quá trình sử dụng

Giải thích: - Hợp kim vi mô 12Cr1MoV với vanadi thường mang lại khả năng chống rão tốt hơn và cân bằng độ bền-độ dẻo dai tốt hơn ở nhiệt độ cao khi so sánh với thép Cr-Mo thông thường không có V, đặc biệt là sau khi xử lý nhiệt thích hợp. - 15CrMo hoạt động tốt trong nhiều ứng dụng nhiệt độ cao tiêu chuẩn và có thể dễ hàn và chế tạo hơn do có thành phần hóa học đơn giản hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép Cr-Mo phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và độ tôi. Hai phương trình thường được sử dụng để đánh giá định tính là:

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

Và

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

Diễn giải (định tính): - Mo và V cao hơn làm tăng hệ số $(Cr+Mo+V)$, làm tăng chỉ số độ cứng được tính toán và cho thấy nguy cơ cứng HAZ và nứt nguội cao hơn nếu thực hành hàn không được điều chỉnh. - Cả hai loại thép này thường yêu cầu nung nóng sơ bộ có kiểm soát và PWHT bắt buộc để sử dụng trong bình chịu áp suất. 12Cr1MoV, do có vanadi và Mo được kiểm soát, có thể yêu cầu kiểm soát nhiệt chặt chẽ hơn trong quá trình hàn và PWHT để tránh giòn và đạt được độ tôi mong muốn của vùng HAZ. - Vật liệu hàn, nhiệt độ liên lớp và quy trình PWHT phù hợp theo quy định của bộ luật hiện hành là rất cần thiết. 15CrMo có thể dễ hàn hơn một chút do có thành phần hợp kim vi mô đơn giản hơn, nhưng vẫn yêu cầu PWHT trong nhiều điều kiện làm việc.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 15CrMo và 12Cr1MoV đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị giới hạn bởi hợp kim (Cr, Mo) và điều kiện bề mặt. Việc lựa chọn thép cho môi trường ăn mòn đòi hỏi phải có lớp phủ hoặc lớp bảo vệ catốt.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: sơn, phủ epoxy, lót lò, phủ phun nhiệt hoặc mạ kẽm khi phù hợp với nhiệt độ sử dụng và thiết kế (lưu ý rằng mạ kẽm không phù hợp với nhiều ứng dụng nhiệt độ cao).
• PREN không áp dụng cho các loại thép Cr–Mo không gỉ này, nhưng để tham khảo, công thức PREN là:

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

Chỉ số này được thiết kế cho thép không gỉ austenit và không dự đoán khả năng chống ăn mòn của thép ferritic Cr-Mo một cách có ý nghĩa. Thay vào đó, dung sai ăn mòn và hệ thống bảo vệ được lựa chọn dựa trên môi trường (oxy hóa, sunfua hóa, chứa clorua, v.v.) và nhiệt độ vận hành.

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

• Khả năng gia công: Vanadi và hàm lượng Mo cao hơn có thể làm giảm khả năng gia công bằng cách tạo ra các cacbua cứng hơn; 15CrMo có thể dễ gia công hơn trong một số điều kiện. Các thông số về dụng cụ và cắt nên tính đến điều kiện hợp kim và nhiệt luyện.
• Khả năng tạo hình: Là thép hợp kim thấp, cả hai loại thép đều cho phép thực hiện các thao tác tạo hình tiêu chuẩn (uốn, cán) khi nằm trong phạm vi nhiệt độ thích hợp. Giới hạn tạo hình nguội tăng khi cường độ tăng; việc gia nhiệt trước khi tạo hình có thể được khuyến nghị cho các tiết diện dày hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều áp dụng gia công và xử lý bề mặt thông thường; quá trình mài và đánh bóng tuân theo quy trình điển hình của thép hợp kim trung bình.
• Lượng nhiệt đầu vào trong quá trình chế tạo: Kiểm soát lượng nhiệt đầu vào để tránh hiện tượng cứng quá mức hoặc phát triển hạt. Sử dụng PWHT khi có yêu cầu của quy chuẩn.

8. Ứng dụng điển hình

15CrMo — Ứng dụng điển hình	12Cr1MoV — Ứng dụng điển hình
Ống lò hơi và đầu đốt cho dịch vụ hơi nước ở nhiệt độ vừa phải	Các thành phần nồi hơi và đường ống nhiệt độ cao cần cải thiện khả năng chống rão
Các thành phần của bình chịu áp suất có thể chấp nhận được là Cr–Mo hiệu quả về mặt chi phí	Các thành phần trong nhà máy điện và đơn vị hóa dầu cần độ bền ở nhiệt độ cao trong thời gian dài
Ống và phụ kiện cho dầu khí ở nhiệt độ vừa phải	Ống siêu nhiệt và ống gia nhiệt lại, các ống góp chịu tải trọng kéo dài
Các bộ phận kết cấu tiếp xúc với nhiệt độ cao nhưng không bị rão nghiêm trọng	Vỏ tuabin và các thành phần có độ ổn định hạt và khả năng chống rão là rất quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 15CrMo khi giá thành, dễ chế tạo và sử dụng ở nhiệt độ-áp suất tiêu chuẩn là đủ. - Chọn 12Cr1MoV khi ưu tiên độ bền nhiệt độ cao lâu dài, khả năng chống rão và độ ổn định của hạt dưới tải trọng tuần hoàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 12Cr1MoV thường có giá cao hơn so với các loại Cr–Mo đơn giản hơn do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn, bổ sung hợp kim vi mô và quy trình xử lý và kiểm tra thường khắt khe hơn. 15CrMo thường là lựa chọn tiết kiệm chi phí cho nhiều nhiệm vụ nhiệt độ cao tiêu chuẩn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường có sẵn ở dạng tấm, vòng rèn, thanh và ống tại các khu vực có ngành công nghiệp điện hóa thạch và nhiệt điện. Nhu cầu khu vực và tiêu chuẩn hóa địa phương ảnh hưởng đến thời gian giao hàng - hãy xác minh tính khả dụng của dạng sản phẩm cụ thể và quy trình xử lý nhiệt mà bạn yêu cầu.
• Mẹo mua sắm: Yêu cầu chứng chỉ vật liệu và hồ sơ xử lý nhiệt; chỉ định PWHT và thử nghiệm bắt buộc theo quy định về thiết bị áp suất để tránh các vấn đề thay thế.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	15CrMo	12Cr1MoV
Khả năng hàn	Tốt (thực hành PWHT tiêu chuẩn; dễ tha thứ hơn một chút)	Tốt nhưng đòi hỏi khắt khe hơn (khả năng làm cứng cao hơn đòi hỏi phải nung nóng trước/PWHT cẩn thận)
Sức mạnh-Độ dẻo dai ở T cao	Phù hợp với nhiều dịch vụ	Khả năng chống rão và độ bền lâu dài tốt hơn nhờ hiệu ứng V và Mo
Trị giá	Thấp hơn (thường tiết kiệm chi phí hơn)	Cao hơn (phí bảo hiểm cho hợp kim vi mô và hiệu suất)

Khuyến nghị: - Chọn 15CrMo nếu bạn có bình chịu áp suất tiêu chuẩn hoặc ứng dụng đường ống hoạt động ở nhiệt độ cao vừa phải, trong đó chi phí, chế tạo dễ dàng hơn và thực hành PWHT tiêu chuẩn là những yếu tố chính. - Chọn 12Cr1MoV nếu ứng dụng đòi hỏi khả năng chống rão lâu dài, độ ổn định hạt và độ bền nhiệt độ cao vượt trội dưới tải trọng liên tục hoặc chu kỳ nhiệt lặp lại—ngay cả khi điều này làm tăng chi phí vật liệu và gia công và yêu cầu kiểm soát hàn và PWHT chặt chẽ hơn.

Lưu ý mua sắm cuối cùng: luôn xác nhận chính xác cấp thép và các giới hạn cơ học/hóa học so với tiêu chuẩn tham chiếu và quy chuẩn dự án. Đối với các ứng dụng quan trọng ở nhiệt độ cao hoặc thời gian dài, hãy yêu cầu dữ liệu về độ rão-rách, hoàn thiện chứng chỉ nhà máy và thực hiện tuần tự các quy trình hàn và xử lý sau hàn theo yêu cầu của quy chuẩn để đảm bảo cấp thép đã chọn đáp ứng các yêu cầu trong quá trình sử dụng.