1Cr13 so với 2Cr13 – 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 xuyên phải đối mặt với sự lựa chọn giữa thép không gỉ và thép hợp kim có mối quan hệ mật thiết, trong đó những khác biệt nhỏ về thành phần có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và chi phí. Hai loại thép thường được sử dụng cho các ứng dụng thép không gỉ martensitic chống mài mòn là 1Cr13 và 2Cr13. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thực tế thường tập trung vào sự đánh đổi giữa độ bền và khả năng chống mài mòn so với độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép thương mại này nằm ở sự cân bằng hợp kim của chúng - đáng chú ý nhất là hàm lượng crom và cacbon - dẫn đến khả năng tôi luyện, độ cứng đạt được và hiệu suất chống ăn mòn khác nhau. Vì cả hai loại thép đều được sử dụng trong các dòng sản phẩm tương tự (van, trục, bộ phận bơm, cánh và dụng cụ), các kỹ sư so sánh chúng để quyết định nên ưu tiên độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn hay độ bền và dễ chế tạo hơn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung và tham chiếu chéo trong đó các điểm có thành phần hóa học tương tự có thể xuất hiện:
• GB (Trung Quốc): 1Cr13, 2Cr13 (tên gọi thông dụng của Trung Quốc)
• JIS (Nhật Bản): tương đương thường được so sánh với dòng SUS420 (dành cho thép không gỉ martensitic)
• EN / EN ISO: có thể so sánh với các bộ phận của dòng X12Cr (họ thép không gỉ martensitic)

• ASTM/ASME: không phải là tương đương trực tiếp 1:1, nhưng AISI 420 và các thông số kỹ thuật thép không gỉ martensitic khác là những so sánh về mặt chức năng

• Phân loại:

• Cả 1Cr13 và 2Cr13 đều là thép không gỉ martensitic (không gỉ, có thể xử lý nhiệt). Chúng không phải là thép HSLA hợp kim thấp hay thép dụng cụ theo nghĩa truyền thống, mặc dù chúng được sử dụng cho các ứng dụng chịu mài mòn và cắt gọt nhờ khả năng tôi cứng.

Lưu ý: phạm vi số chính xác và tên gọi khác nhau tùy theo quốc gia và nhà máy; luôn kiểm tra với giấy chứng nhận vật liệu của nhà cung cấp.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện các dải thành phần tiêu biểu được sử dụng trong công nghiệp cho hai loại thép này. Đây là các dải thành phần điển hình—cần tham khảo các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn cụ thể của nhà máy để tính toán mua sắm hoặc thiết kế.

Yếu tố	1Cr13 điển hình (wt%)	2Cr13 điển hình (wt%)
C	0,08 – 0,20	0,15 – 0,30
Mn	≤ 1,0 (điển hình 0,3 – 0,8)	≤ 1,0 (điển hình 0,3 – 0,8)
Si	≤ 1,0 (điển hình 0,2 – 0,8)	≤ 1,0 (điển hình 0,2 – 0,8)
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	~12,0 – 13,5	~13,0 – 14,5
Ni	≤ 0,3	≤ 0,3
Mo	≤ 0,1	≤ 0,1
V	≤ 0,10	≤ 0,10
Nb / Ti / B	dấu vết / thường <0,03	dấu vết / thường <0,03
N	dấu vết	dấu vết

Giải thích về cách hợp kim ảnh hưởng đến các tính chất: - Cacbon làm tăng độ bền, độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng tôi luyện nhưng lại làm giảm độ dẻo và khả năng hàn khi tăng lên. - Crom có ​​khả năng chống ăn mòn và góp phần làm cứng và phản ứng ram trong thép không gỉ martensitic; việc tăng dần sẽ cải thiện độ ổn định của màng thụ động và duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao. - Mangan và silic là chất khử oxy và ảnh hưởng đến khả năng làm cứng; mangan dư thừa có thể làm giảm độ dẻo dai. - Hợp kim vi mô nhỏ (V, Nb) có thể tinh chỉnh cacbua và cấu trúc hạt, cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống rão một chút.

Hệ quả thực tế: 2Cr13 có xu hướng được chỉ định để mang lại độ cứng cao hơn sau khi tôi và khả năng chống mài mòn, trong khi 1Cr13 được chọn khi cần độ dẻo dai tốt hơn một chút và dễ chế tạo hơn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều chứa ferit cộng với cacbua; sau khi tôi, chúng tạo thành martensite với crom cacbua phân bố (M23C6, M7C3 và cementit tùy thuộc vào hàm lượng C và các nguyên tố khác). - 1Cr13 (C thấp hơn và Cr thấp hơn một chút) tạo ra ma trận martensitic với ít cacbua hơn và nhỏ hơn ở một mức xử lý nhiệt nhất định, có xu hướng tạo ra độ dẻo dai tốt hơn sau khi ram. - 2Cr13 (C cao hơn và thường cao hơn Cr) tạo thành phần thể tích pha martensitic cao hơn và nhiều cacbua kết tủa hơn, mang lại độ cứng sau khi tôi và khả năng chống mài mòn cao hơn nhưng độ dẻo dai thấp hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Phương pháp thông thường: austenit hóa (thường ở nhiệt độ 950–1050 °C tùy thuộc vào kích thước và thành phần của phần), làm nguội (dầu hoặc không khí đối với phần mỏng), sau đó ram để đạt độ cứng/độ dai mong muốn. - Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt và có thể cải thiện khả năng gia công cũng như độ dẻo dai trước khi tôi và ram lần cuối. - Làm nguội và ram: nhiệt độ và thời gian ram kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai. Tôi luyện ở nhiệt độ cao hơn làm giảm độ cứng nhưng tăng độ dẻo và khả năng chống va đập. - Xử lý nhiệt cơ học (cán + làm nguội có kiểm soát) ít phổ biến hơn đối với các loại thép không gỉ martensitic này nhưng có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện độ dẻo dai.

Lưu ý thực tế: Vì 2Cr13 có hàm lượng cacbon/khả năng làm cứng cao hơn nên dễ bị biến dạng martensite cứng, giòn ở các phần dày và cần phải có chu trình austenit hóa và ram cẩn thận để tránh nứt.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây thể hiện các đặc tính có thể đạt được sau khi xử lý tôi và ram thông thường. Các giá trị này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước tiết diện, thông số xử lý nhiệt và thành phần hóa học chính xác; hãy coi những phạm vi này là hướng dẫn chứ không phải là giá trị tối thiểu được đảm bảo.

Tài sản (điển hình sau Q&T)	1Cr13	2Cr13
Độ bền kéo (MPa)	600 – 900	700 – 1100
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	300 – 700	500 – 950
Độ giãn dài (%)	8 – 18	6 – 14
Tác động Charpy (J, phòng T)	trung bình (cao hơn)	thấp hơn (giảm độ dẻo dai)
Độ cứng (HRC)	35 – 54 (tùy thuộc vào quy trình)	40 – 58 (có thể đạt HRC cao hơn)

Giải thích: - 2Cr13 thường đạt được độ bền kéo và độ cứng cao hơn do có nhiều cacbon hơn và martensite cứng hơn, nhưng độ dẻo và độ bền va đập lại thấp hơn. - 1Cr13 thường được lựa chọn khi cần độ bền vừa phải với độ dẻo dai và khả năng chế tạo tốt hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon tương đương và khả năng tôi cứng. Hàm lượng C và Cr cao hơn làm tăng khả năng hình thành martensite cứng trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), làm tăng nguy cơ nứt nguội.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích bao gồm lượng cacbon tương đương IIW và công thức Pcm: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - 2Cr13, với hàm lượng cacbon cao hơn và hàm lượng crom cao hơn một chút, có hàm lượng cacbon tương đương cao hơn và khả năng làm cứng tốt hơn, do đó dễ tạo ra martensite cứng ở vùng HAZ và do đó cần phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn để tránh nứt. - 1Cr13 (C thấp hơn) hàn dễ dàng hơn nhưng vẫn đòi hỏi các quy trình hàn phù hợp với thép không gỉ martensitic (làm nóng trước, thực hành ít hydro và tôi sau khi hàn nếu cần). - Sử dụng kim loại hàn: dây hàn có độ cứng phù hợp hoặc thấp hơn, và gia nhiệt/rau mối hàn sau khi hàn là những biện pháp phổ biến.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại thép không gỉ này đều là thép không gỉ martensitic với khả năng chống ăn mòn khiêm tốn so với thép austenitic. Crom tạo ra lớp màng thụ động, nhưng lượng crom và cacbua giàu cacbon tổng thể thấp hơn ở ranh giới hạt có thể làm suy giảm Cr cục bộ và làm giảm khả năng chống ăn mòn.
• Đối với môi trường điển hình:
• 1Cr13: phù hợp với môi trường có tính ăn mòn nhẹ (khí quyển, nước nhẹ) khi được đánh bóng và thụ động hóa.
• 2Cr13: khả năng chống rỗ được cải thiện đôi chút nếu hàm lượng crom cao hơn một chút, nhưng sự hình thành cacbua tăng lên có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn thực tế trừ khi được xử lý nhiệt và thụ động hóa đúng cách.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không thực sự hữu ích đối với các loại mác thép martensitic có hàm lượng Mo thấp, N thấp này, nhưng công thức là:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với 1Cr13 và 2Cr13, PREN sẽ thấp so với các loại thép duplex hoặc siêu austenit, vì Mo và N không đáng kể.
• Bảo vệ bề mặt: mạ kẽm, lớp phủ bảo vệ, sơn phủ và thụ động hóa là những phương pháp phổ biến khi cần khả năng chống ăn mòn cao hơn. Đối với các bộ phận chịu mài mòn, lớp phủ crôm cứng hoặc lớp phủ phun nhiệt thường được áp dụng.

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

• Cắt và gia công:
• 2Cr13 (độ cứng tiềm năng cao hơn) thường mài mòn dụng cụ hơn và khó gia công hơn ở trạng thái tôi. Gia công ở trạng thái ủ giúp giảm mài mòn dụng cụ.
• 1Cr13 trong điều kiện ủ sẽ dễ dàng hơn khi chế tạo máy; sau khi tôi cứng, cả hai đều cần dụng cụ cacbua và thiết lập cứng.
• Tạo hình và uốn cong:
• Việc tạo hình nguội bị hạn chế khi vật liệu đã cứng lại. Ủ trước khi tạo hình là phương pháp tiêu chuẩn.
• Hoàn thiện:
• Cả hai loại đều có thể được mài và đánh bóng; 2Cr13 có xu hướng cần được mài mạnh hơn do có độ cứng và hàm lượng cacbua cao hơn.
• Nguy cơ biến dạng và nứt do xử lý nhiệt cao hơn đối với 2Cr13 trong quá trình làm nguội; cố định và làm mát có kiểm soát giúp kiểm soát biến dạng.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng điển hình của 1Cr13	Công dụng điển hình của 2Cr13
Trục, linh kiện van, bộ phận bơm, lưỡi dao chịu mài mòn vừa phải, phần cứng chung cần độ bền và khả năng chống ăn mòn hợp lý	Các bộ phận chịu mài mòn, nhíp lá, trục chịu tải cao hơn, các bộ phận cắt, các thành phần yêu cầu độ cứng tôi cao hơn và khả năng chống mài mòn
Các loại ốc vít, bu lông và các bộ phận chịu tải vừa phải, nơi mà tính dễ chế tạo được coi trọng	Dụng cụ và khuôn mẫu cho các bộ phận chịu tải nhẹ, chịu ứng suất tiếp xúc cao hơn, trong đó khả năng chống mài mòn được ưu tiên

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 1Cr13 khi thiết kế nhấn mạnh vào độ bền, chế tạo/hàn dễ dàng hơn và khả năng chống ăn mòn vừa phải với chi phí thấp hơn. - Chọn 2Cr13 khi độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn dưới tải là những yêu cầu chủ yếu và khi có thể thực hiện quy trình xử lý nhiệt và sau hàn theo ứng dụng cụ thể.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Nhìn chung, chi phí vật liệu cơ bản cho cả hai loại đều tương tự nhau vì sự khác biệt về hàm lượng crom là không đáng kể; 2Cr13 có thể đắt hơn một chút do kiểm soát chặt chẽ hơn về phạm vi carbon/cr và khả năng xử lý bổ sung (ví dụ: tôi luyện đến độ cứng cao).
• Tính khả dụng: Cả hai đều phổ biến ở các khu vực sản xuất thép không gỉ martensitic; các dạng sản phẩm cụ thể (thanh, rèn, tấm, phôi mài chính xác) thay đổi tùy theo nhà máy. Thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với các hóa chất đặc biệt, kích thước đặc biệt hoặc lô hàng được chứng nhận.
• Chi phí quy trình: Chế tạo và hàn 2Cr13 có thể làm tăng tổng chi phí bộ phận do xử lý nhiệt trước/sau khi hàn và thời gian gia công bổ sung.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	1Cr13	2Cr13
Khả năng hàn	Tốt hơn (C thấp hơn, CE thấp hơn)	Yêu cầu cao hơn (C cao hơn, CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng về độ dẻo dai và độ linh hoạt	Độ bền và độ cứng cao hơn, độ dẻo dai giảm
Chi phí (vật liệu + gia công)	Thấp đến trung bình	Trung bình đến cao hơn (do xử lý)

Sự giới thiệu: - Chọn 1Cr13 nếu bạn cần thép không gỉ martensitic cân bằng giữa độ bền với độ dẻo dai tốt hơn, dễ hàn và chế tạo hơn, và quá trình gia công tiết kiệm chi phí—ví dụ, trục, van và các bộ phận chung yêu cầu khả năng chống ăn mòn trong môi trường nhẹ và khả năng chống va đập tốt. - Chọn 2Cr13 nếu ưu tiên độ cứng cao hơn khi tôi, khả năng chống mài mòn và độ bền kéo cao hơn cho các bộ phận chịu mài mòn hoặc mỏi tiếp xúc—với điều kiện bạn có thể đáp ứng quy trình kiểm soát xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn, quy trình hàn đòi hỏi khắt khe hơn và chi phí xử lý có thể cao hơn.

Lời khuyên thực tế cuối cùng: luôn chỉ định chính xác chứng chỉ thử nghiệm/nhà máy hóa học và xử lý nhiệt cần thiết, đồng thời thực hiện thử nghiệm cụ thể cho từng ứng dụng (độ cứng, độ va đập, độ ăn mòn) trên các lô sản xuất có điều kiện dịch vụ quan trọng.