2Cr13 so với 3Cr13 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường gặp phải một tình huống khó xử khi lựa chọn thép không gỉ martensitic cho các bộ phận: cân bằng giữa chi phí và khả năng gia công với độ bền, khả năng chống mài mòn và hiệu suất chống ăn mòn. 2Cr13 và 3Cr13 là hai loại thép không gỉ martensitic có mối quan hệ chặt chẽ, thường được cân nhắc cho các bộ phận van, trục, chốt và chi tiết chịu mài mòn; việc lựa chọn giữa chúng thường phụ thuộc vào tải trọng làm việc, độ cứng yêu cầu, khả năng hàn và nhu cầu hoàn thiện bề mặt.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược carbon của chúng: một loại được thiết kế với hàm lượng carbon vừa phải để ưu tiên độ bền và dễ chế tạo hơn, trong khi loại còn lại chứa hàm lượng carbon cao hơn để tăng khả năng tôi cứng và chống mài mòn sau khi xử lý nhiệt. Vì chúng có hàm lượng crom tương tự nhau, các nhà thiết kế thường so sánh chúng khi cần dung dịch thép không gỉ martensitic, nhưng cần cân nhắc sự đánh đổi giữa độ bền/độ cứng và độ dẻo dai/khả năng hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tài liệu tham khảo quốc tế phổ biến và tương đương:
• GB (Trung Quốc): các loại được chỉ định là 2Cr13, 3Cr13 theo nhiều tiêu chuẩn GB/T dành cho thép không gỉ.
• Tương đương JIS (Nhật Bản) / SUS: các loại thép này thường được coi là tương đương với các họ thép martensitic JIS/SUS (ví dụ, trong khoảng SUS410/420) tùy thuộc vào hàm lượng cacbon.
• EN / ASTM / ASME: không có ký hiệu EN hoặc ASTM nào giống nhau cho 2Cr13/3Cr13; thay vào đó, hãy xem các phân loại thép không gỉ martensitic (ví dụ: các loại tương đương EN X20Cr13 hoặc danh sách loại ASTM A276) và các bảng tham chiếu chéo của nhà cung cấp.
• Phân loại: cả 2Cr13 và 3Cr13 đều là thép không gỉ martensitic (tức là thép không gỉ có thể xử lý nhiệt với khoảng 12–14% Cr), không phải thép không gỉ austenitic, HSLA hoặc thép công cụ theo nghĩa chặt chẽ nhất—mặc dù các đặc tính của chúng sau khi tôi có thể giống với các đặc tính của thép công cụ đã tôi trong một số ứng dụng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần điển hình. Lưu ý: thông số kỹ thuật thương mại thay đổi tùy theo nhà máy và tiêu chuẩn; luôn kiểm tra giấy chứng nhận phân tích thực tế cho từng mẻ nấu hoặc thanh.

Yếu tố	2Cr13 (phạm vi điển hình)	3Cr13 (phạm vi điển hình)
C (cacbon)	~0,15–0,25 wt% (trung bình)	~0,24–0,33 wt% (cao hơn)
Mn (mangan)	≤ 1,0 wt% (thường là 0,3–1,0)	≤ 1,0% khối lượng
Si (silicon)	≤ 1,0 wt% (chất khử oxy)	≤ 1,0% khối lượng
P (phốt pho)	≤ 0,03–0,04% khối lượng	≤ 0,03–0,04% khối lượng
S (lưu huỳnh)	≤ 0,03–0,04% khối lượng	≤ 0,03–0,04% khối lượng
Cr (crom)	~12,0–14,5% khối lượng	~12,0–14,5% khối lượng
Ni (niken)	≤ 0,5 wt% (thường thấp)	≤ 0,5% khối lượng
Mo (molypden)	thường không có hoặc có dấu vết	thường không có hoặc có dấu vết
V, Nb, Ti, B, N	thường theo dõi hoặc không được chỉ định	thường theo dõi hoặc không được chỉ định

Giải thích về chiến lược - Crom (Cr): Cả hai loại đều sử dụng crom tương tự để mang lại đặc tính chống ăn mòn của thép không gỉ martensitic và cho phép hình thành cấu trúc vi mô martensitic khi tôi. - Carbon (C): Yếu tố khác biệt chính. Hàm lượng carbon cao hơn trong 3Cr13 làm tăng khả năng tôi cứng và độ cứng đạt được sau khi tôi/ram, cải thiện khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn so với 2Cr13 có hàm lượng carbon thấp hơn. - Các nguyên tố phụ (Mn, Si, P, S): Kiểm soát khả năng khử oxy, khả năng gia công nóng và khả năng gia công. Lưu huỳnh có thể tăng cao trong các biến thể gia công tự do nhưng sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai. - Cân bằng hợp kim: Vì cả hai loại thép này chủ yếu là thép Cr–C nên chúng dựa vào sự cân bằng cacbon và crom thay vì bổ sung đáng kể Ni, Mo hoặc V để điều chỉnh các đặc tính.

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

• Cấu trúc vi mô cơ bản: Khi sản xuất và xử lý bằng dung dịch, cả hai loại này thường là austenit hoặc một phần austenit tùy thuộc vào lịch sử sản xuất; sau khi làm nguội thích hợp, chúng tạo thành martensite.
• Tác dụng của cacbon:
• 2Cr13 (carbon trung bình): Tạo ra cấu trúc vi mô martensitic với tính tứ giác thấp hơn và độ cứng ban đầu sau khi tôi thấp hơn so với loại carbon cao hơn. Quá trình ram tạo ra sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai, đồng thời ít có nguy cơ bị giòn quá mức.
• 3Cr13 (carbon cao hơn): Tạo ra phần thể tích martensite cứng cao hơn và nhiều cacbua được giữ lại hơn sau khi xử lý nhiệt, cho phép độ cứng khi tôi và ram cao hơn nhưng dễ bị giòn khi ram nếu ram không đúng cách.
• Các tuyến xử lý nhiệt:
• Ủ/ủ mềm: Được sử dụng để giảm độ cứng khi gia công; cả hai loại đều phản ứng tốt với ủ mềm, nhưng 3Cr13 vẫn cứng hơn 2Cr13 ở các chu kỳ ủ tương đương.
• Làm nguội và ram: Austenit hóa ở nhiệt độ cụ thể của từng loại thép (thường nằm trong khoảng 950–1020 °C đối với thép loại Cr13, tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp), làm nguội (bằng dầu/không khí tùy thuộc vào kích thước tiết diện và hợp kim) và ram đến độ cứng mong muốn. 3Cr13 đạt độ cứng cao hơn ở nhiệt độ ram nhất định nhờ thành phần cacbon của nó.
• Chuẩn hóa và nhiệt cơ học: Chuẩn hóa có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; hợp kim nặng hơn hoặc hàm lượng carbon cao hơn đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận hơn để tránh khả năng làm cứng quá mức và nứt khi làm nguội.

4. Tính chất cơ học

Bảng: xu hướng tính chất cơ học so sánh (giá trị phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt; phạm vi chỉ mang tính chất tham khảo).

Tài sản	2Cr13 (điển hình)	3Cr13 (điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình-cao (phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	Cao hơn (có thể đạt UTS cao hơn sau khi làm cứng)
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo dai / độ giãn dài tốt hơn	Độ giãn dài giảm so với 2Cr13
Độ bền va đập	Nói chung là cao hơn (độ dẻo dai tốt hơn)	Độ bền va đập thấp hơn khi được tôi luyện
Độ cứng (HRC hoặc HB)	Độ cứng tối đa thấp hơn sau khi tôi	Độ cứng có thể đạt được cao hơn sau khi tôi luyện

Giải thích - Độ bền so với độ dẻo: Hàm lượng cacbon cao trong 3Cr13 làm tăng độ bền kéo và độ bền chảy khi chuyển sang dạng martensitic, nhưng lại làm giảm độ dẻo và độ bền va đập. 2Cr13 mang lại bộ tính chất cân bằng hơn cho các ứng dụng đòi hỏi tính bền hơn. - Lưu ý: Giá trị chính xác là hàm của nhiệt độ austenit hóa, môi trường làm nguội, kích thước tiết diện và lịch trình ram — luôn sử dụng dữ liệu đặc tính của nhà cung cấp và thực hiện thử nghiệm đủ điều kiện trong các ứng dụng quan trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng carbon, hợp kim kết hợp (Cr, Mn, Mo, V) và độ dày tiết diện. Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành martensite cứng, giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và làm tăng nhu cầu gia nhiệt trước/sau.

Các chỉ số định tính hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm (thực tế đối với thép không gỉ): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải - 3Cr13, với hàm lượng cacbon cao hơn, sẽ cho thấy $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn 2Cr13, ngụ ý khả năng hình thành các cấu trúc vi mô cứng, dễ nứt nguội trong vùng HAZ cao hơn. Việc nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và ram sau hàn (PWHT) quan trọng hơn đối với 3Cr13. - 2Cr13 dễ hàn hơn trong quy trình hàn tiêu chuẩn và dễ dàng hàn các kim loại hàn thông dụng cũng như các quy trình hàn khác, nhưng cả hai loại đều có thể yêu cầu kiểm soát cẩn thận và vật liệu hàn phù hợp cho mối hàn chịu áp lực hoặc kết cấu.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất ăn mòn: Cả hai loại đều là thép không gỉ martensitic với hàm lượng crom khoảng 12–14,5%. Khả năng chống ăn mòn của chúng hạn chế hơn so với các loại austenitic (ví dụ: 304/316). Khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ, khe hở) bị hạn chế, đặc biệt là trong môi trường clorua.
• Những cân nhắc về vật liệu không gỉ: Nếu một bộ phận không bắt buộc phải bằng thép không gỉ hoặc được sử dụng trong môi trường ăn mòn, thì việc áp dụng lớp phủ bảo vệ (mạ kẽm thường không được sử dụng trên thép không gỉ; thay vào đó, hãy cân nhắc mạ, thụ động hóa hoặc lớp phủ polyme) hoặc chỉ định loại thép không gỉ có hàm lượng Cr/Cr–Mo cao hơn có thể phù hợp hơn.
• PREN (dành cho các loại thép austenit/duplex; không cung cấp nhiều thông tin cho thép Cr13 martensitic nhưng được cung cấp để hoàn thiện): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Làm rõ: PREN chủ yếu được sử dụng để xếp hạng khả năng chống rỗ trong thép không gỉ austenit/duplex, trong đó Mo và N thay đổi đáng kể. Đối với 2Cr13/3Cr13, PREN có giá trị sử dụng hạn chế vì Mo và N thường ở mức tối thiểu.

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

• Khả năng gia công: Hàm lượng carbon cao hơn và cấu trúc vi mô cứng hơn làm giảm khả năng gia công. Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều có khả năng gia công tương đối tốt; 2Cr13 nhìn chung dễ gia công hơn 3Cr13. Có thể có các biến thể gia công tự do (có thêm S hoặc Se) nhưng độ bền/độ chống ăn mòn sẽ giảm.
• Khả năng tạo hình: Thép 2Cr13 ít carbon có khả năng tạo hình nguội và uốn cong tốt hơn. Thép 3Cr13, đặc biệt là khi được làm cứng, sẽ kém dẻo hơn và không phù hợp để tạo hình mà không qua quá trình ủ trung gian.
• Mài và hoàn thiện: Độ cứng cao hơn của 3Cr13 sau khi xử lý nhiệt khiến việc mài và hoàn thiện tốn nhiều công sức hơn nhưng lại mang lại tuổi thọ bề mặt tốt hơn. Yêu cầu và dung sai hoàn thiện bề mặt ảnh hưởng đến lựa chọn: để có độ hoàn thiện chặt chẽ và độ mài mòn cao, 3Cr13 có thể hợp lý hóa chi phí gia công cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: công dụng điển hình theo từng loại.

2Cr13 (sử dụng phổ biến)	3Cr13 (sử dụng phổ biến)
Thân van, trục bơm, ốc vít nơi độ bền và khả năng hàn là quan trọng	Các bộ phận mài mòn, lưỡi cắt, trục nhỏ và ổ trục yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn
Các thành phần martensitic mục đích chung yêu cầu khả năng chống ăn mòn vừa phải	Các thành phần sẽ được làm cứng để chống mài mòn (ví dụ: lưỡi cắt, dụng cụ nhỏ)
Các bộ phận cần hàn góc hoặc chế tạo tại xưởng	Các bộ phận được sản xuất đến độ cứng cuối cùng, yêu cầu các thao tác hàn tối thiểu

Cơ sở lựa chọn - Chọn 2Cr13 khi dịch vụ yêu cầu độ bền vừa phải, độ dẻo dai tốt hơn và chế tạo/hàn dễ dàng hơn. - Chọn 3Cr13 khi độ cứng và khả năng chống mài mòn sau khi tôi/ram cao hơn được ưu tiên và khi có thể kiểm soát hoặc giảm thiểu quá trình chế tạo.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 3Cr13 có thể có chi phí nguyên liệu thô cao hơn một chút ở một số thị trường do kiểm soát carbon chặt chẽ hơn và quy trình xử lý bổ sung (ví dụ: tôi/ram để tăng độ cứng). Tuy nhiên, chênh lệch giá thường không đáng kể so với các loại thép không gỉ hợp kim cao cấp hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại thép này thường có sẵn dưới dạng thanh, dây, rèn và các chi tiết dập từ các nhà máy khu vực, mặc dù tính khả dụng có thể khác nhau tùy theo quốc gia và chương trình sản xuất. Quản lý mua sắm nên xác nhận thời gian giao hàng và liệu nhà cung cấp có thể cung cấp các chứng chỉ xử lý nhiệt và kiểm tra theo yêu cầu hay không.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	2Cr13	3Cr13
Khả năng hàn	Tốt hơn (ít carbon hơn)	Thách thức hơn (lượng carbon cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng về độ dẻo dai và độ linh hoạt	Có xu hướng thiên về độ bền và độ cứng cao hơn
Chi phí (điển hình)	Thấp hơn một chút hoặc tương tự	Có thể chi phí xử lý cao hơn một chút

Kết luận và khuyến nghị - Chọn 2Cr13 nếu bạn cần thép không gỉ martensitic cân bằng giữa độ bền, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn hợp lý cho các bộ phận cần chế tạo, khả năng chống mài mòn vừa phải và gia công dễ dàng hơn. - Chọn 3Cr13 nếu yêu cầu chính là độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn sau khi tôi và ram, và nếu có thể giảm thiểu hoặc kiểm soát được quá trình hàn/chế tạo bằng cách gia nhiệt trước, lựa chọn vật liệu độn và PWHT thích hợp.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều phản ứng mạnh với xử lý nhiệt; hiệu suất sử dụng được xác định bởi phương pháp austenit hóa và ram được chọn cũng như thành phần danh nghĩa. Luôn xác nhận hiệu suất cơ học, chống ăn mòn và khả năng hàn bằng chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp và, đối với các ứng dụng quan trọng, hãy tiến hành kiểm tra quy trình hàn và thử nghiệm cấp linh kiện.