4Cr13 so với 9Cr18 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

4Cr13 và 9Cr18 là hai loại thép không gỉ martensitic được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn Trung Quốc và quốc tế. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn giữa chúng: cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và độ giữ cạnh (thép cacbon cao, hàm lượng crom cao) với chi phí, độ bền và tính dễ chế tạo (thép martensitic cacbon thấp). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các bộ phận dao và dụng cụ, các bộ phận van và bơm, các bộ phận chịu mài mòn cho thiết bị công nghiệp và các ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn được kiểm soát với bề mặt được tôi cứng.

Sự khác biệt kỹ thuật chính là 9Cr18 là thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon cao hơn, hàm lượng crom cao hơn, được tối ưu hóa về độ cứng và khả năng chống mài mòn, trong khi 4Cr13 là thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon thấp hơn, đánh đổi một phần khả năng chống mài mòn để lấy độ bền, khả năng hàn và chi phí vật liệu thấp hơn. Những đặc tính này thúc đẩy sự so sánh phổ biến trong thiết kế và sản xuất, đặc biệt là khi độ mài mòn bề mặt, khả năng giữ cạnh và khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình mâu thuẫn với các yêu cầu về tạo hình, ghép nối và va đập.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung và tương đương được tham chiếu trong tài liệu thương mại và kỹ thuật quốc tế:
• GB/T (Trung Quốc): 4Cr13, 9Cr18 (ký hiệu cấp độ của Trung Quốc)
• JIS/AISI/SAE: 4Cr13 thường được coi là tương tự như họ AISI 420/420J2; 9Cr18 thường được so sánh với AISI 440C/9Cr (thép không gỉ martensitic hàm lượng cacbon cao) về chức năng mặc dù thành phần chính xác khác nhau tùy theo tiêu chuẩn.
• EN/ASTM: Không có tên EN hoặc ASTM nào hoàn toàn phù hợp; sự tương đương thường được xử lý bằng cách kết hợp các yêu cầu về hóa học và cơ học thay vì chỉ định chính xác.
• Phân loại:
• 4Cr13: Thép không gỉ Martensitic (thép không gỉ dùng cho dụng cụ/thép không gỉ dùng cho kết cấu)
• 9Cr18: Thép không gỉ martensitic hàm lượng cacbon cao (thép không gỉ dùng làm dụng cụ/martensitic chống mài mòn)

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình được sử dụng trong các bảng thông số kỹ thuật và dữ liệu nhà cung cấp cho các loại này. Các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo và sẽ thay đổi tùy theo tiêu chuẩn hoặc nhà cung cấp cụ thể; hãy kiểm tra thông số kỹ thuật mua hàng để biết các giới hạn nhạy cảm với hợp đồng.

Yếu tố	Phạm vi điển hình — 4Cr13 (danh nghĩa)	Phạm vi điển hình — 9Cr18 (danh nghĩa)
C	0,30–0,45% khối lượng	0,80–1,05% khối lượng
Mn	≤ 1,0–1,2% khối lượng	≤ 1,0% khối lượng
Si	≤ 1,0% khối lượng	≤ 1,0% khối lượng
P	≤ 0,03–0,04% khối lượng	≤ 0,03–0,04% khối lượng
S	≤ 0,03% khối lượng	≤ 0,03% khối lượng
Cr	12–14% khối lượng	17–19% khối lượng
Ni	thường theo dõi	thường theo dõi
Mo	thường có dấu vết/không có	thường theo dõi/không có
V, Nb, Ti, B, N	nói chung không cố ý hợp kim hóa; có thể có lượng dư nhỏ	nói chung không cố ý hợp kim hóa; có thể có lượng dư nhỏ

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - Carbon: Nguyên tố tạo độ cứng chính và tạo martensite. Hàm lượng carbon cao hơn trong 9Cr18 làm tăng độ cứng, khả năng chống mài mòn và tỷ lệ thể tích cacbua; đồng thời, nó cũng làm tăng khả năng giòn và nứt mối hàn nếu không được kiểm soát cẩn thận. - Crom: Cung cấp khả năng chống ăn mòn và góp phần làm cứng. Hàm lượng crom cao hơn của 9Cr18 cải thiện khả năng chống ăn mòn nói chung so với 4Cr13 và hỗ trợ hình thành các cacbua giàu crom cứng hơn, tăng cường khả năng chống mài mòn. - Mangan và silic: Chất khử oxy và chất ổn định austenit với hàm lượng nhỏ; hàm lượng Mn cao hơn làm tăng khả năng tôi luyện một cách khiêm tốn. - Các thành phần tạp chất (P, S): Giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và tránh giòn; S có thể được cố ý tăng nhẹ trong các biến thể gia công tự do, nhưng 4Cr13/9Cr18 điển hình không phải là loại có hàm lượng sunfua cao.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho cả hai loại đều là martensitic sau khi austenit hóa và làm nguội thích hợp, nhưng sự phân bố cacbua và hàm lượng cacbon trong ma trận khác nhau đáng kể.

• 4Cr13:
• Sau khi xử lý dung dịch và làm nguội, hỗn hợp chủ yếu là martensitic với thể tích cacbua giữ lại tương đối thấp. Cacbua thường nhỏ hơn và phân tán tốt hơn do hàm lượng cacbon thấp hơn.
• Quá trình tôi luyện làm giảm độ giòn và tạo ra martensite tôi luyện; độ cứng đạt được ở mức vừa phải và có thể điều chỉnh để cân bằng giữa độ dẻo dai và độ bền.

• Chuẩn hóa cung cấp cấu trúc đồng đều hơn cho quá trình gia công hoặc hoàn thiện tiếp theo.

• 9Cr18:

• Sau khi austenit hóa và tôi, martensite với hàm lượng crom cacbua cao hơn (M23C6 và các loại cacbua giàu Cr khác) thường được sử dụng do hàm lượng cacbon và crom cao. Mạng lưới cacbua hoặc các hạt lớn hơn làm tăng khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo dai.
• Quá trình tôi luyện làm giảm ứng suất bên trong và điều chỉnh độ cứng nhưng quá trình tôi luyện quá mức có thể làm mềm cacbua và giảm khả năng chống mài mòn.
• Để đạt được các tính chất tối ưu, cần kiểm soát chặt chẽ hơn nhiệt độ và thời gian austenit hóa để kiểm soát quá trình hòa tan và phân phối cacbua.

Hiệu ứng xử lý: - Chuẩn hóa/tinh chỉnh kích thước hạt có ích cho cả hai loại trước khi xử lý nhiệt cuối cùng. - Môi trường làm nguội, độ dày mặt cắt và nhiệt độ austenit hóa ảnh hưởng mạnh đến austenit giữ lại và độ cứng—đặc biệt quan trọng đối với 9Cr18 do khả năng làm cứng cao. - Xử lý nhiệt độ thấp đôi khi được sử dụng trong thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon cao (như các chất tương tự 9Cr18) để giảm austenit giữ lại và ổn định độ cứng.

4. Tính chất cơ học

Các đặc tính cơ học được báo cáo phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, nhiệt độ ram và dạng sản phẩm. Bảng sau đây cung cấp các phạm vi tham khảo cho các điều kiện xử lý nhiệt thường được chỉ định (tôi và ram). Các giá trị chỉ mang tính minh họa; vui lòng nêu rõ các yêu cầu cụ thể về đặc tính sau xử lý nhiệt trong hồ sơ mua sắm.

Tài sản	4Cr13 — điển hình (đã tôi và ram)	9Cr18 — điển hình (đã làm nguội và tôi luyện)
Độ bền kéo (MPa)	~600–1200 MPa (tùy thuộc vào điều kiện)	~800–1600 MPa (tùy thuộc vào điều kiện)
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~400–900 MPa	~600–1400 MPa
Độ giãn dài (%)	~8–20%	~5–15%
Độ bền va đập (J, khía)	Trung bình; cao hơn 9Cr18 cho độ cứng tương đương	Thấp hơn, đặc biệt là ở mức độ cứng cao
Độ cứng (HRC)	~40–56 HRC (tùy thuộc vào độ cứng)	~55–64 HRC (độ cứng có thể đạt được cao hơn)

Giải thích: - Độ bền và độ cứng: 9Cr18 có thể được tôi luyện đến độ cứng và độ bền kéo cao hơn do có hàm lượng cacbon và crom cacbua mài mòn cao hơn; do đó, nó vượt trội hơn đối với các bộ phận chịu mài mòn quan trọng. - Độ dẻo dai và độ dai: 4Cr13 thường có độ dẻo dai và độ giãn dài tốt hơn ở mức độ cứng nhất định do hàm lượng carbon và cacbua thấp hơn. - Sự đánh đổi này rất kinh điển: 9Cr18 có ưu điểm là chống mài mòn/giữ cạnh; 4Cr13 có ưu điểm là độ bền và dễ xử lý sau này hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được xác định bởi hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim thúc đẩy khả năng tôi cứng và hình thành martensite trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Hai biểu thức dự đoán thường được sử dụng 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: - Hàm lượng cacbon cao và crom cao của 9Cr18 tạo ra lượng cacbon tương đương cao hơn và $P_{cm}$, cho thấy xu hướng nứt nguội cao hơn, vùng HAZ martensitic cứng và nhu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn để tôi martensitic vùng HAZ. - 4Cr13, với hàm lượng cacbon thấp hơn, thường có CE thấp hơn và khả năng hàn tốt hơn; tuy nhiên, đây vẫn là thép không gỉ martensitic và có thể cần gia nhiệt và ram trước sau khi hàn ở các đoạn dày hơn để tránh nứt vùng HAZ. Nên sử dụng điện cực có hàm lượng hydro thấp và kiểm soát nhiệt đầu vào cho cả hai loại.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả 4Cr13 và 9Cr18 đều được phân loại là thép không gỉ martensitic và có khả năng chống ăn mòn chủ yếu nhờ hàm lượng crom. Khả năng chống ăn mòn của chúng không bằng thép không gỉ austenitic (ví dụ: 304/316) hoặc các loại thép không gỉ duplex trong môi trường giàu clorua hoặc oxy hóa cao.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ:

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

• Đối với các cấp độ này, Mo và N thường không có hoặc ở mức thấp, do đó PREN chủ yếu được thúc đẩy bởi Cr. Hàm lượng crom cao hơn của 9Cr18 về cơ bản tạo ra PREN cao hơn 4Cr13, ngụ ý khả năng chống rỗ tốt hơn một chút trong môi trường trung tính đến ăn mòn nhẹ. Tuy nhiên, cả hai cấp độ đều không được thiết kế cho ứng dụng hàng hải khắc nghiệt hoặc clorua mà không có lớp bảo vệ bề mặt.
• Khi khả năng chống ăn mòn không đủ, biện pháp bảo vệ bề mặt thông thường sẽ được áp dụng:
• Thụ động hóa (axit nitric hoặc axit citric) để phục hồi lớp màng thụ động sau khi gia công.
• Lớp phủ như mạ điện hoặc PVD cho bề mặt trượt/chống mài mòn hoặc sơn bảo vệ, nếu có.
• Mạ kẽm thường không được áp dụng cho các chất nền thép không gỉ để cải thiện khả năng chống ăn mòn và có thể không liên kết tốt; hoàn thiện bề mặt và thụ động hóa được ưa chuộng hơn.

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

• Khả năng gia công:
• Hợp kim 4Cr13 nhìn chung dễ gia công hơn hợp kim 9Cr18 do độ cứng thấp hơn trong điều kiện ủ/chuẩn hóa và hàm lượng cacbua thấp hơn. Có thể có các biến thể gia công tự do, nhưng hợp kim 4Cr13 tiêu chuẩn không phải là hợp kim gia công tự do.
• 9Cr18, với hàm lượng cacbon và cacbua cứng cao hơn, làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và có thể yêu cầu dụng cụ cacbua, tốc độ ăn dao chậm hơn và chiến lược tạo phoi được kiểm soát.
• Khả năng định hình:
• Cả hai đều là thép không gỉ martensitic và có khả năng định hình nguội hạn chế trong điều kiện tôi cứng. Việc định hình dễ dàng nhất trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa trước khi tôi và ram cuối cùng.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Đánh bóng và mài là phương pháp phổ biến cho cả hai; 9Cr18 thường yêu cầu chất mài mòn mạnh hơn và cân nhắc đến tuổi thọ của dụng cụ.

8. Ứng dụng điển hình

4Cr13 — Công dụng phổ biến	9Cr18 — Công dụng phổ biến
Lưỡi dao cần có độ bền tốt và khả năng chống ăn mòn hợp lý (lưỡi dao giá rẻ, dao tiện ích)	Lưỡi dao và đồ dùng ăn uống cần độ giữ cạnh cao hơn và khả năng chống mài mòn (lưỡi dao giữ cạnh cao cấp)
Các thành phần van, trục bơm và phần cứng yêu cầu khả năng chống ăn mòn vừa phải với độ bền tốt	Các bộ phận chịu lực và bộ phận chịu mài mòn yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn cao
Các bộ phận cứng đa năng (khớp nối, các thành phần cấu trúc nhỏ)	Dụng cụ y tế và phẫu thuật (giới hạn ở một số dụng cụ cần độ cứng cao và bề mặt được thụ động hóa)
Các thành phần trang trí và kỹ thuật cần được hoàn thiện và hàn sau xử lý	Dụng cụ gia công nguội và các linh kiện dụng cụ nhỏ có nhu cầu mài mòn cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 4Cr13 cho các bộ phận cần độ bền, khả năng chống ăn mòn hợp lý và chi phí thấp hơn hoặc nơi hàn và tạo hình thường xuyên. - Chọn 9Cr18 cho các bộ phận ưu tiên độ cứng, khả năng chống mài mòn và giữ cạnh, chấp nhận chi phí gia công tăng lên và kiểm soát nhiệt/hàn nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Trị giá:
• 9Cr18 thường đắt hơn 4Cr13 tính theo kilôgam do hàm lượng crom và cacbon cao hơn và yêu cầu xử lý nhiệt khắt khe hơn để đạt được độ cứng cao.
• Chi phí xử lý (làm cứng, mài, mài mòn dụng cụ) đối với 9Cr18 cũng cao hơn.
• Khả dụng:
• Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi ở dạng sản phẩm thông thường (thanh, tấm, dải, tấm, rèn), nhưng kích thước cụ thể, bề mặt hoàn thiện và thanh thép được xử lý nhiệt có dung sai chặt chẽ có thể ít phổ biến hơn đối với 9Cr18 và được lưu trữ nhiều hơn ở các nhà cung cấp chuyên dụng.
• Đối với hoạt động mua sắm số lượng lớn, các biến thể 4Cr13 thường dễ dàng tìm được từ nhiều nhà máy; 9Cr18 có thể yêu cầu làm việc với các nhà cung cấp thép dụng cụ không gỉ chuyên dụng cho một số dạng sản phẩm nhất định.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	4Cr13	9Cr18
Khả năng hàn	Tốt đến trung bình; rủi ro thấp hơn 9Cr18	Trung bình đến kém; nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT cao hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải; độ dẻo dai và độ dai tốt hơn	Độ bền và độ cứng cao hơn; độ dẻo dai giảm
Trị giá	Chi phí vật liệu và chế biến thấp hơn	Chi phí vật liệu và chế biến cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn 4Cr13 nếu: - Bạn cần loại thép không gỉ martensitic có khả năng chống ăn mòn tốt, độ bền cao và tổng chi phí thấp hơn. - Công việc hàn, tạo hình hoặc chế tạo sau này diễn ra thường xuyên hoặc quan trọng. - Điều kiện dịch vụ bao gồm tải trọng va chạm vừa phải hoặc nơi mà sự phá hủy giòn nghiêm trọng không thể chấp nhận được.

• Chọn 9Cr18 nếu:
• Độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và giữ cạnh là những yếu tố thiết kế chính.
• Bạn có thể kiểm soát quá trình xử lý nhiệt, quy trình gia công và quy trình hàn (hoặc tránh hàn theo thiết kế).
• Ứng dụng này chấp nhận độ bền va đập thấp hơn và chi phí xử lý cao hơn để có tuổi thọ sử dụng lâu hơn hoặc hiệu suất cắt tốt hơn.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều là thép không gỉ martensitic và hiệu suất sử dụng của chúng phụ thuộc rất nhiều vào thành phần chính xác, độ dày tiết diện và quá trình xử lý nhiệt được kiểm soát chặt chẽ. Đối với các thông số kỹ thuật về mua sắm và kỹ thuật, hãy xác định rõ ràng các mục tiêu độ cứng/độ dai cần thiết, các yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn và kỳ vọng về khả năng chống ăn mòn để đảm bảo nhà cung cấp cung cấp vật liệu đã được xử lý cho ứng dụng dự định.