15CrMo so với 20CrMo – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

15CrMo và 20CrMo là hai loại thép hợp kim crom-molypden thường gặp trong các ứng dụng bình chịu áp lực, phát điện và linh kiện cơ khí. Các kỹ sư và nhóm mua sắm thường cân nhắc lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng các yêu cầu như độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão so với độ cứng và độ bền xuyên suốt chiều dày cho các chi tiết chịu tải nặng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc liệu chi tiết có thể hoạt động trong thời gian dài ở nhiệt độ cao (ưu tiên hàm lượng cacbon thấp/độ ổn định nhiệt cao hơn) hay cần độ bền tôi và khả năng tôi cao hơn (ưu tiên hàm lượng cacbon cao hơn).

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các loại thép này nằm ở hàm lượng carbon và ảnh hưởng của chúng lên khả năng tôi và ram: loại thép có hàm lượng carbon thấp hơn mang lại độ bền và khả năng sử dụng tốt hơn ở nhiệt độ cao, trong khi loại thép có hàm lượng carbon cao hơn có thể đạt được độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi xử lý nhiệt thích hợp. Vì cả hai đều là thép Cr-Mo, chúng thường được so sánh cho các chi tiết chịu áp suất ở nhiệt độ trung bình và cho các bộ phận kết cấu/cơ khí, nơi khả năng hàn, phản ứng xử lý nhiệt và chi phí đều quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung và tham chiếu chéo:
• GB/T (Trung Quốc): các ký hiệu như 15CrMo và 20CrMo xuất hiện trong thông số kỹ thuật GB dành cho thép chế tạo bình chịu áp suất.
• EN / DIN: các loại thép Cr–Mo tương tự được tìm thấy trong các họ EN/DIN (ví dụ, 13CrMo4-5; sự tương đương chính xác phụ thuộc vào hóa học và xử lý nhiệt).
• JIS (Nhật Bản) và ASTM/ASME (Hoa Kỳ): có những loại thép có mục đích tương đương hoặc tương tự, nhưng để có loại thép phù hợp chính xác cần phải xác nhận về mặt hóa học và cơ học.
• Phân loại:
• Cả 15CrMo và 20CrMo đều là thép hợp kim (thép hợp kim thấp Cr-Mo), không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ và không phải HSLA theo đúng nghĩa. Chúng thường được sử dụng cho bình chịu áp suất, đường ống và các bộ phận cơ khí tiếp xúc với nhiệt độ cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (mang tính đại diện; đối chiếu với tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy để thiết kế cuối cùng).

Yếu tố	15CrMo (phạm vi điển hình)	20CrMo (phạm vi điển hình)
C	0,10–0,18% khối lượng	0,17–0,24% khối lượng
Mn	0,35–0,65% khối lượng	0,35–0,65% khối lượng
Si	0,10–0,37% khối lượng	0,10–0,37% khối lượng
P	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
S	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
Cr	~0,8–1,1% khối lượng	~0,8–1,3% khối lượng
Mo	~0,12–0,25% khối lượng	~0,12–0,30% khối lượng
Ni	≤ 0,30 wt% (vết)	≤ 0,30 wt% (vết)
V, Nb, Ti, B, N	Thông thường không được thêm vào với số lượng đáng kể; có thể có ở mức vết/hợp kim vi mô	Như nhau

Ghi chú: - Các phạm vi này minh họa cho thành phần hóa học thường gặp trong nhà máy đối với hai tên loại thép; các tiêu chuẩn cụ thể (GB/T, EN, JIS, ASTM) và số nhiệt độ xác định giới hạn chính xác. - Chiến lược hợp kim hóa: Cr và Mo làm tăng độ cứng, độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chịu nhiệt. Cacbon làm tăng độ bền và độ cứng sau khi tôi, nhưng làm giảm độ dẻo/độ dai và khả năng hàn khi tăng. Mangan và silic là chất khử oxy, góp phần làm tăng độ bền và độ cứng.

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

• Cấu trúc vi mô được cán/chuẩn hóa:
• 15CrMo ở điều kiện chuẩn hóa thường là ferit-pearlit hoặc cấu trúc vi mô bainit mịn có độ cứng giữ lại tương đối thấp và độ dẻo dai tốt; được chọn cho các bộ phận chịu áp suất hoạt động ở nhiệt độ cao.
• 20CrMo, với hàm lượng cacbon cao hơn và Cr–Mo tương đương, có thể tạo thành peclit mịn hơn hoặc chuyển thành bainit/martensite dễ dàng hơn trong quá trình làm nguội nhanh, giúp tăng độ cứng và độ bền sau khi tôi và ram.
• Hiệu quả của xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa/tinh luyện: cả hai loại thép đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ austenit hóa) bằng cách tạo ra ferit-perlit hoặc bainit mịn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội; 20CrMo có xu hướng phát triển độ cứng cao hơn do hàm lượng cacbon.
• Làm nguội và ram: 20CrMo đạt được độ bền sau khi làm nguội và độ bền sau khi ram cao hơn nhưng dễ bị nứt khi làm nguội hơn và cần kiểm soát chặt chẽ hơn về nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn. 15CrMo đạt được độ bền phù hợp để sử dụng trong bình chịu áp suất với độ nhạy khi làm nguội thấp hơn.
• Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể cải thiện độ bền và độ dẻo dai cho cả hai loại, nhưng loại có hàm lượng carbon thấp hơn thường có cấu trúc vi mô chịu được hư hỏng tốt hơn khi sử dụng ở nhiệt độ cao.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các đặc tính so sánh (hành vi định tính/điển hình; kiểm tra chứng nhận sản phẩm để biết giá trị chính xác)

Tài sản	15CrMo	20CrMo	Ghi chú
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn	20CrMo đạt độ bền kéo cao hơn sau khi tôi và ram do độ C/độ cứng cao hơn
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn	20CrMo cho năng suất cao hơn sau khi xử lý nhiệt
Độ giãn dài (%)	Cao hơn (dẻo hơn)	Thấp hơn (ít dẻo hơn)	Hàm lượng carbon cao hơn làm giảm độ dẻo
Độ bền va đập	Tốt hơn ở nhiệt độ cao	Tốt ở nhiệt độ môi trường khi được làm nguội/tôi luyện nhưng kém hơn ở nhiệt độ T cao	15CrMo dùng để duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ cao
Độ cứng (HRC/HRB)	Thấp hơn (gia công/tạo hình dễ dàng hơn)	Cao hơn (khi xử lý nhiệt)	20CrMo có thể đạt độ cứng cao hơn sau khi xử lý nhiệt thích hợp

Giải thích: - Đối với các điều kiện xử lý nhiệt tương đương nhằm phục vụ bình chịu áp suất (điều kiện tôi luyện), 15CrMo thường mang lại phản ứng dẻo dai và bền bỉ hơn ở nhiệt độ sử dụng, trong khi 20CrMo có thể được sử dụng khi cần độ bền tôi và khả năng chống mài mòn cao hơn. - Các nhà thiết kế phải kết hợp xử lý nhiệt với môi trường làm việc: đối với khả năng chống rão, độ ổn định khi ram và hàm lượng carbon thấp có thể là mong muốn; đối với các bộ phận chịu tải yêu cầu độ bền kéo/độ bền kéo cao hơn, có thể ưu tiên hàm lượng carbon/độ cứng cao hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim. Hai chỉ số thực nghiệm được sử dụng rộng rãi là:

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

Và

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

Giải thích định tính: - 20CrMo, có hàm lượng carbon lớn hơn, thường có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn 15CrMo đối với cùng mức Mn, Cr và Mo — cho thấy khả năng bị cứng HAZ và nứt nguội cao hơn trừ khi áp dụng xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) thích hợp. - Hàm lượng carbon thấp hơn của 15CrMo làm giảm nhu cầu gia nhiệt trước nhiều và cho phép thực hiện hàn dễ dàng hơn, mặc dù PWHT vẫn thường được yêu cầu trong dịch vụ bình chịu áp suất để giảm ứng suất dư và làm dịu vùng HAZ. - Cả hai loại đều chứa Cr và Mo giúp tăng khả năng tôi luyện; các quy trình hàn (làm nóng trước, hàn xen kẽ và hàn PWHT) phải được chứng nhận theo quy định (ví dụ: ASME Mục IX) cho các ứng dụng chịu áp suất.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 15CrMo và 20CrMo đều không phải thép không gỉ; cả hai đều cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình: sơn, hệ thống phủ công nghiệp, mạ kẽm (nếu phù hợp với nhiệt độ thiết kế và dịch vụ) hoặc ốp bằng hợp kim chống ăn mòn cho môi trường khắc nghiệt hơn.
• PREN không áp dụng cho các loại thép hợp kim thấp không gỉ này, nhưng khi thảo luận về khả năng chống ăn mòn của hợp kim thép không gỉ, người ta sẽ sử dụng:

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

• Đối với khả năng chống oxy hóa/chống cáu cặn ở nhiệt độ cao, hàm lượng Cr và Mo sẽ hữu ích, nhưng để chống ăn mòn thực sự (clorua, môi trường axit) thì cần phải có hợp kim thép không gỉ hoặc lớp phủ bề mặt.

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

• Khả năng gia công: 15CrMo (hàm lượng carbon thấp hơn) thường dễ gia công hơn 20CrMo trong điều kiện xử lý nhiệt tương tự. Độ cứng cao hơn của 20CrMo làm tăng lực cắt và độ mài mòn dụng cụ.
• Tạo hình/uốn cong: 15CrMo chịu được tạo hình và uốn nguội tốt hơn do có độ dẻo cao hơn; 20CrMo có thể cần bán kính uốn thấp hơn hoặc ủ/chuẩn hóa trước khi tạo hình.
• Hoàn thiện: Mài bề mặt, đánh bóng và phun bi đều tương tự nhau, nhưng độ cứng cao hơn của 20CrMo có thể đòi hỏi phải sử dụng dụng cụ mạnh hơn hoặc tốc độ nạp liệu chậm hơn.
• Hàn và chế tạo: cả hai loại này thường yêu cầu gia nhiệt trước và PWHT khi sử dụng trong các ứng dụng chịu áp suất; mức độ và nhiệt độ phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và độ dày.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình

15CrMo	20CrMo
Các thành phần nồi hơi và bình chịu áp suất cho nhiệt độ cao vừa phải	Trục cơ khí, đinh tán, bu lông và các bộ phận chịu lực yêu cầu độ bền tôi/ram cao hơn
Ống và phụ kiện trong nhà máy điện nơi yêu cầu độ bền ở nhiệt độ	Bánh răng, khớp nối chịu tải nặng và các bộ phận kết cấu cần độ bền hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi xử lý nhiệt
Ống trao đổi nhiệt, đầu nối và mặt bích có khả năng chống rão và ổn định nhiệt độ là quan trọng	Các bộ phận và linh kiện ép vừa khít hoặc co lại chịu tải trọng cơ học tuần hoàn (sau khi xử lý nhiệt phù hợp)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 15CrMo khi hiệu suất nhiệt độ ổn định, độ dẻo và khả năng hàn với nguy cơ nứt hydro thấp là ưu tiên hàng đầu (bình chịu áp suất và đường ống). - Chọn 20CrMo khi cần độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn và có thể xử lý nhiệt được kiểm soát.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí nguyên liệu thô: cả hai đều là thép hợp kim Cr–Mo; sự khác biệt về chi phí nguyên liệu không đáng kể và chủ yếu phụ thuộc vào nguồn cung tại địa phương, hình dạng (tấm, thanh, ống) và yêu cầu xử lý.
• Chi phí xử lý: 20CrMo có thể có chi phí xử lý cao hơn do quy trình kiểm soát nhiệt/hàn nghiêm ngặt hơn và chi phí gia công/chế tạo dụng cụ có thể đắt hơn nếu mục tiêu là độ cứng cao hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng sản phẩm thông dụng (tấm, thanh, ống liền mạch) trên nhiều thị trường công nghiệp; các điều kiện xử lý nhiệt cụ thể và chứng nhận vật liệu chịu áp suất đường kính lớn có thể bị hạn chế hơn và cần thời gian giao hàng lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh cấp cao

Thuộc tính	15CrMo	20CrMo
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Yêu cầu gia nhiệt trước/PWHT nghiêm ngặt hơn (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt, độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn, độ dẻo thấp hơn khi được làm cứng
Chi phí (vật liệu + gia công)	Thấp đến trung bình	Trung bình đến cao hơn (tùy thuộc vào xử lý nhiệt)

Khuyến nghị: - Chọn 15CrMo nếu bạn cần hợp kim Cr–Mo cho ứng dụng nhiệt độ cao vừa phải, các thành phần bình chịu áp suất hoặc đường ống đòi hỏi độ ổn định nhiệt lâu dài, độ bền và khả năng hàn dễ dàng hơn. - Chọn 20CrMo nếu bạn cần độ bền xuyên suốt hoặc khả năng làm cứng cao hơn cho các bộ phận cơ khí, bánh răng, trục hoặc các thành phần sẽ được tôi và ram đến độ cứng và độ bền cao hơn, đồng thời bạn có thể kiểm soát quy trình xử lý nhiệt và hàn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận các đặc tính cơ học, điều kiện xử lý nhiệt và hóa chất chứng nhận nhà máy cần thiết so với quy chuẩn hoặc thông số kỹ thuật áp dụng cho ứng dụng của bạn. Đối với thiết bị chịu áp lực hàn, hãy tuân thủ quy chuẩn thiết kế hiện hành (ASME, EN, GB/T) và xác nhận quy trình hàn cũng như các yêu cầu về PWHT dựa trên lượng cacbon tương đương và độ dày đã tính toán.