3Cr13 so với 4Cr13 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

3Cr13 và 4Cr13 là các loại thép không gỉ martensitic được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện đòi hỏi khả năng chống ăn mòn vừa phải, khả năng chống mài mòn và độ bền (ví dụ: dao kéo, van, trục và các bộ phận bơm). Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải cân nhắc giữa độ bền cơ học/khả năng tôi và độ dẻo/khả năng hàn khi lựa chọn giữa hai loại thép này.

Sự khác biệt kỹ thuật chính là hàm lượng carbon cao hơn trong 4Cr13 so với 3Cr13, làm tăng khả năng tôi luyện, độ cứng đạt được và độ bền, nhưng lại làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. Vì có cùng hàm lượng crom, cả hai đều có khả năng chống ăn mòn cơ bản tương đương với thép không gỉ martensitic, nhưng quá trình gia công và tính chất cuối cùng của chúng khác nhau chủ yếu do sự khác biệt nhỏ về carbon và hợp kim.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tên gọi chính: Quy ước đặt tên quốc gia Trung Quốc (GB)—3Cr13 và 4Cr13.
• Phân loại: Thép không gỉ martensitic (không gỉ, có thể ram, thường có thể xử lý nhiệt thành martensitic).
• Tương đương gần đúng trong cùng một họ: Các loại thép này nằm trong cùng một họ chung với thép không gỉ martensitic AISI/UNS (thường được so sánh với dòng 410/420), nhưng không có sự tương ứng 1:1 nào được đảm bảo giữa các tiêu chuẩn—hãy tham khảo các tài liệu tiêu chuẩn cụ thể hoặc chứng chỉ nhà máy để có sự so sánh chính xác.
• Các tiêu chuẩn khác cần tham khảo cho các vật liệu thép không gỉ-martensitic tương đương: ASTM/ASME (họ A240 cho tấm/lá thép không gỉ; mã UNS cụ thể cho thanh), JIS (dòng thép không gỉ martensitic SUS) và EN (ký hiệu thép không gỉ martensitic). Luôn kiểm tra bảng thành phần và tính chất cơ học trong tiêu chuẩn áp dụng hoặc bảng dữ liệu của nhà cung cấp.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần hóa học điển hình (wt%). Đây là phạm vi đại diện thường được sử dụng trong các thông số kỹ thuật; hãy luôn xác minh thành phần chính xác từ giấy chứng nhận vật liệu.

Yếu tố	3Cr13 (phạm vi điển hình)	4Cr13 (phạm vi điển hình)
C	0,18 – 0,30	0,28 – 0,40
Mn	≤ 1,0	≤ 1,0
Si	≤ 1,0	≤ 1,0
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	12,0 – 14,0	12,0 – 14,0
Ni	≤ 0,6	≤ 0,6
Mo	≤ 0,1	≤ 0,1
V	≤ 0,1 (thường không được chỉ định)	≤ 0,1
Lưu ý	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Nguyên tố hợp kim chủ yếu là crom (≈12–14%) để tạo ra tính chất cơ bản của thép không gỉ và hỗ trợ ma trận martensitic sau khi tôi.
- Sự khác biệt chủ yếu nằm ở carbon: 4Cr13 được điều chế với hàm lượng carbon cao hơn để tăng khả năng tôi và độ cứng đạt được. Các nguyên tố phụ (Mn, Si) chủ yếu là chất khử oxy và sẽ ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng tôi; Mo, V (nếu có) sẽ tăng nhẹ khả năng tôi và khả năng chịu nhiệt. Các loại thép này thường không có hàm lượng đáng kể Ti/Nb/B.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Carbon: tăng độ bền kéo, độ cứng và khả năng chống mài mòn bằng cách thúc đẩy sự hình thành martensite và carbide; giảm độ dẻo và khả năng hàn.
- Crom: cung cấp khả năng chống ăn mòn (lớp màng thụ động) và tăng khả năng tôi cứng; Cr quá thấp sẽ làm giảm hiệu suất chống ăn mòn.
- Mo, V: khi có hàm lượng nhỏ, làm tăng khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn.
- Mn/Si: ảnh hưởng nhẹ đến quá trình khử oxy, độ bền và độ dẻo dai.

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

Cả hai loại đều được thiết kế để xử lý nhiệt thành cấu trúc vi mô martensitic. Các lộ trình luyện kim và phản ứng điển hình:

• Nguyên liệu (ủ hoặc chuẩn hóa): ferritic/pearlitic với một số carbide tùy thuộc vào hàm lượng carbon. 3Cr13 thường có nền mềm hơn với sự phân bố carbide mịn hơn so với 4Cr13 ở cùng trạng thái xử lý.
• Làm nguội và ram: phương pháp tiêu chuẩn để phát triển cấu trúc martensitic và cân bằng độ cứng/độ dẻo mong muốn.
• Austenit hóa (phạm vi nhiệt độ điển hình cho các loại thép không gỉ martensitic tương tự: 980–1050 °C) để hòa tan cacbua và tạo thành austenit đồng nhất.
• Làm nguội để biến đổi austenit thành martensite. Hàm lượng cacbon cao hơn (4Cr13) tạo ra tỷ lệ martensite cứng và cacbua giữ lại cao hơn; 4Cr13 thường đạt độ cứng cao hơn so với 3Cr13 trong cùng một lần làm nguội.
• Tôi ở nhiệt độ 150–650 °C tùy thuộc vào sự cân bằng giữa độ cứng/độ dẻo dai mục tiêu. Tôi làm giảm độ cứng nhưng cải thiện độ dẻo dai; 4Cr13 cần được tôi cẩn thận hơn để duy trì khả năng chống mỏi và tránh tình trạng giòn quá mức.
• Chuẩn hóa: có thể tinh chỉnh kích thước hạt và giảm sự phân tách; sau đó là quá trình tôi luyện nếu cần.
• Xử lý nhiệt cơ học: quá trình làm nguội và ram sau đó sẽ ảnh hưởng đến mật độ sai lệch và độ bền cuối cùng; 4Cr13 nhạy cảm hơn với quá trình làm cứng bằng quá trình làm nguội do C cao hơn.

Hậu quả về mặt vi cấu trúc: - 3Cr13: martensite có hàm lượng cacbon thấp hơn — độ cứng thấp hơn một chút, độ dẻo và độ dai tốt hơn khi được ram tương đương. - 4Cr13: martensite có hàm lượng cacbon cao hơn — độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn, nguy cơ tạo thành mạng martensite và cacbua giòn cao hơn nếu xử lý nhiệt không đúng cách.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình sau quá trình tôi và ram thông thường (lưu ý: giá trị chỉ mang tính minh họa; xác minh bằng dữ liệu của nhà cung cấp).

Tài sản	3Cr13 (điển hình)	4Cr13 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	600 – 900	800 – 1100
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	350 – 650	550 – 900
Độ giãn dài (%)	10 – 20	6 – 15
Độ bền va đập (J, Charpy V-notch)	vừa phải (thay đổi theo tính khí)	thấp hơn (cùng độ cứng)
Độ cứng (HRC, tôi luyện)	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

Giải thích: - 4Cr13 có thể đạt được độ bền và độ cứng cao hơn 3Cr13 do có hàm lượng carbon cao hơn và khả năng làm cứng tốt hơn một chút.
- 3Cr13 có xu hướng cứng hơn và dẻo hơn ở điều kiện tôi luyện tương đương; 4Cr13 đánh đổi độ dẻo và độ bền để có khả năng chống mài mòn tốt hơn và độ bền tĩnh cao hơn.
- Độ bền va đập phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tôi luyện; đối với các ứng dụng yêu cầu khả năng chống va đập hoặc sốc, quá trình tôi luyện thích hợp là rất quan trọng và 3Cr13 thường có phạm vi độ bền rộng hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu chịu ảnh hưởng của cacbon và độ tôi. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành mactenxit ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), làm tăng khả năng nứt và đòi hỏi phải gia nhiệt trước/xử lý nhiệt sau hàn (PWHT).

Công thức dự đoán hữu ích (chỉ giải thích định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (chỉ số khả năng hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Hướng dẫn định tính: - Vì 4Cr13 có C cao hơn nên $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tính toán của nó thường cao hơn 3Cr13, cho thấy khả năng hàn kém hơn và khả năng cứng HAZ và nứt nguội cao hơn.
- Thực hành tốt nhất: kiểm soát quá trình gia nhiệt trước, giới hạn tốc độ làm nguội giữa các lớp hàn, sử dụng kim loại hàn phù hợp (có hàm lượng cacbon tương đương hoặc thấp hơn một chút) và áp dụng phương pháp PWHT khi cần thiết để ram martensite HAZ. 3Cr13 chịu được các phương pháp hàn thông thường hơn nhưng vẫn có thể cần gia nhiệt trước đối với các phần dày hơn hoặc điều kiện hạn chế.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều là thép không gỉ martensitic (≈12–14% Cr): chúng tạo thành lớp thụ động bảo vệ và có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép cacbon thông thường nhưng kém hơn thép austenitic (304/316) và thép duplex trong môi trường ăn mòn.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường không hữu ích đối với các loại thép không gỉ martensitic có hàm lượng Mo, N thấp này. Để đầy đủ hơn: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Với Mo và N thường gần bằng 0 ở các cấp độ này, giá trị PREN thấp hơn so với hợp kim duplex hoặc austenit; do đó, các cấp độ này phù hợp với môi trường ăn mòn nhẹ (khí quyển, hơi có tính axit/kiềm, tiếp xúc hạn chế với clorua) nhưng không phù hợp với môi trường chứa clorua nghiêm trọng không có lớp phủ hoặc bảo vệ catốt.
• Bảo vệ bề mặt cho các sản phẩm tương đương không phải thép không gỉ không áp dụng được; đối với các loại thép martensitic không gỉ này, các biện pháp bảo vệ thông thường bao gồm thụ động hóa sau khi chế tạo, mạ điện, đánh bóng có kiểm soát và lớp phủ bảo vệ trong quá trình sử dụng (sơn hữu cơ, lớp phủ hy sinh) khi nguy cơ clorua hoặc rỗ là đáng kể.

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

• Khả năng gia công: Thép 4Cr13 có hàm lượng carbon cao hơn thường cứng hơn khi ủ và sẽ gây mài mòn dụng cụ nhiều hơn; tuy nhiên, cả hai loại thép này đều gia công khá tốt với dụng cụ và tốc độ phù hợp. Thép 4Cr13 đã tôi sẽ khó gia công hơn nếu không được làm mềm.
• Khả năng tạo hình: 3Cr13 có khả năng tạo hình nguội và uốn cong tốt hơn 4Cr13 do hàm lượng carbon thấp hơn; khả năng kéo sâu hoặc tạo hình mạnh đều bị hạn chế so với thép không gỉ austenit.
• Mài, đánh bóng và hoàn thiện bề mặt: Độ cứng cao hơn của 4Cr13 mang lại khả năng chống mài mòn tốt hơn khi sử dụng, nhưng có thể cần các thao tác hoàn thiện mạnh hơn. Nên xử lý nhiệt và ram trước khi gia công/hoàn thiện cuối cùng để tránh biến dạng.
• Biến dạng do xử lý nhiệt: Cả hai loại đều dễ bị biến dạng trong quá trình làm nguội và ram; cần phải cố định cẩn thận, làm nguội dần và gia công ở mức dung sai thích hợp.

8. Ứng dụng điển hình

3Cr13 – Công dụng điển hình	4Cr13 – Công dụng điển hình
Lưỡi dao và dao kéo cần có độ bền cân bằng và khả năng chống ăn mòn	Dụng cụ cắt và dao cần có khả năng giữ lưỡi cắt và chống mài mòn cao hơn
Trục bơm, các bộ phận van có nhu cầu mài mòn vừa phải	Các bộ phận dễ bị mài mòn, con lăn, chốt và các bộ phận yêu cầu độ cứng cao hơn
Viền ô tô, ốc vít và phụ kiện cần uốn/tạo hình	Các thành phần ổ trục có khối lượng nhỏ, chốt chịu mài mòn và trục cứng
Các bộ phận thép không gỉ martensitic thông dụng trong đó khả năng hàn/sửa chữa là một yếu tố quan trọng	Các bộ phận đòi hỏi độ cứng xuyên suốt và độ bền tĩnh cao hơn là những yêu cầu chính

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 4Cr13 khi độ giữ cạnh, độ cứng và khả năng chống mài mòn là ưu tiên hàng đầu; chọn 3Cr13 khi độ dẻo, khả năng chống va đập và dễ chế tạo/hàn là yếu tố quan trọng. Chi phí và yêu cầu hoàn thiện bề mặt cũng là những yếu tố ảnh hưởng đến quyết định này.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 4Cr13 thường có giá cao hơn một chút so với 3Cr13 do hàm lượng carbon cao hơn và quá trình xử lý cần thiết để đạt được và kiểm soát các đặc tính độ cứng cao hơn; tuy nhiên, chênh lệch giá không đáng kể so với các loại hợp kim cao hơn (ví dụ: martensitic hoặc austenitic chứa Mo).
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi ở các khu vực có chuỗi cung ứng thép không gỉ ổn định (tấm, thanh, dải, phôi). Hình dạng sản phẩm (thanh, tấm, dải) và quy trình hoàn thiện (cán nguội, ủ, tôi) sẽ ảnh hưởng đến thời gian giao hàng và chi phí. Đối với đơn hàng số lượng lớn, hãy kiểm tra chứng chỉ nhà máy và thử nghiệm lô để xác định hàm lượng carbon nhằm đảm bảo các đặc tính cơ học mong muốn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt so sánh nhanh

Thuộc tính	3Cr13	4Cr13
Khả năng hàn	Tốt hơn (ít carbon hơn)	Thấp hơn (lượng carbon cao hơn, nguy cơ HAZ cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai tốt hơn	Độ bền và độ cứng cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn
Trị giá	Thấp hơn một chút	Cao hơn một chút

Kết luận và khuyến nghị thực tế: - Chọn 3Cr13 nếu bạn cần thép không gỉ martensitic cân bằng với độ dẻo và khả năng hàn tốt hơn, dễ tạo hình hơn và chi phí thấp hơn một chút—phù hợp với các bộ phận yêu cầu khả năng chống va đập, khả năng sửa chữa hoặc khả năng chống mài mòn ở mức trung bình. - Chọn 4Cr13 nếu thiết kế ưu tiên độ cứng cao hơn, khả năng chống mài mòn và độ bền tĩnh trong đó khả năng giữ cạnh hoặc mài mòn là rất quan trọng và nơi có thể kiểm soát xử lý nhiệt chặt chẽ hơn; chú ý nhiều hơn đến quy trình hàn, làm nóng trước và ram để tránh giòn.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn chính xác cần được xác thực dựa trên chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp, hình dạng linh kiện, điều kiện hạn chế trong quá trình hàn và môi trường làm việc cụ thể (môi trường ăn mòn, nhiệt độ, tải trọng tuần hoàn). Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy yêu cầu báo cáo thử nghiệm vật liệu (thành phần, độ cứng, độ bền kéo và dữ liệu va đập) và thực hiện thử nghiệm chất lượng (thử nghiệm hàn, thử nghiệm xử lý nhiệt) trước khi sản xuất hàng loạt.