9Cr18 so với 9Cr18Mo – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa 9Cr18 và 9Cr18Mo là một quyết định phổ biến đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất khi chỉ định thép không gỉ martensitic cho các linh kiện đòi hỏi sự kết hợp giữa khả năng chống mài mòn, độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn ở một mức độ nhất định. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và chi phí, khả năng tôi và độ cứng cuối cùng so với khả năng hàn, và tuổi thọ chịu mài mòn so với tính dễ chế tạo.

Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là việc bổ sung molypden có chủ đích vào 9Cr18Mo. Sự thay đổi hợp kim này làm tăng khả năng chống ăn mòn cục bộ và cải thiện khả năng tôi mà không làm thay đổi đáng kể đặc tính chung của nhóm thép không gỉ martensitic. Vì cả hai loại đều là thép không gỉ martensitic hàm lượng carbon cao, hàm lượng crom cao, nên chúng thường được so sánh với các loại lưỡi dao, van, ổ trục và các bộ phận chịu mài mòn, trong đó độ cứng và khả năng chống ăn mòn bề mặt đều quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và chỉ định chung của khu vực cần chú ý:
• GB (Trung Quốc): các loại được dán nhãn là 9Cr18 và 9Cr18Mo xuất hiện trong các danh mục công nghiệp và quốc gia của Trung Quốc.
• EN / ISO: không có sự so sánh chính xác 1:1; các loại thép này thường được coi là biến thể thép không gỉ martensitic độc quyền hoặc quốc gia (có các loại tương tự trong dòng AISI 440).
• JIS (Nhật Bản) / ASTM / ASME: có thể tìm thấy tính chất hóa học tương tự trong các họ thép không gỉ martensitic AISI/ASTM (ví dụ: AISI 440A/B/C), nhưng sự khác biệt về chỉ định chính xác và dung sai cần phải tham chiếu chéo.
• Loại vật liệu: Cả 9Cr18 và 9Cr18Mo đều là thép không gỉ martensitic (hàm lượng carbon cao, hàm lượng crom cao). Chúng không phải là HSLA hay thép cacbon thông thường; chúng là thép không gỉ do hàm lượng crom nhưng không phải là austenitic.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp phạm vi thành phần điển hình (% khối lượng) được sử dụng làm hướng dẫn kỹ thuật cho các loại vật liệu này. Cần tham khảo chứng chỉ nhà máy thực tế và tiêu chuẩn áp dụng cho các quyết định mua sắm; thành phần thay đổi tùy theo nhà sản xuất và nền đất cụ thể.

Yếu tố	9Cr18 (phạm vi điển hình, wt%)	9Cr18Mo (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,80 – 1,05	0,80 – 1,05
Mn	≤ 1,00	≤ 1,00
Si	≤ 1,00	≤ 1,00
P	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	16,0 – 19,0	16,0 – 19,0
Ni	≤ 0,6	≤ 0,6
Mo	≤ 0,25 (thường ≈0)	0,2 – 1,0 (điển hình ≈0,3–0,8)
V	≤ 0,2	≤ 0,2
Nb/Ti/B	theo dõi/kiểm soát	theo dõi/kiểm soát
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Những phạm vi này chỉ mang tính chất tham khảo; nhà cung cấp có thể đưa ra mức dung sai chặt chẽ hơn. - Sự khác biệt cơ bản là Mo; 9Cr18Mo chứa Mo có chủ đích để tăng khả năng chống rỗ và khả năng làm cứng. - Hàm lượng cacbon cao (~0,8–1,0%) và hàm lượng crom cao (~16–19%) lần lượt thúc đẩy khả năng làm cứng martensitic và khả năng chống ăn mòn bề mặt.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon kiểm soát độ cứng và độ bền đạt được sau khi tôi/rau; C cao hơn mang lại độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Crom có ​​khả năng chống ăn mòn (thụ động hóa) và góp phần làm cứng. - Molypden làm tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở, đồng thời cải thiện khả năng tôi và tôi thứ cấp trong quá trình ram. Nó cũng có thể tinh chế hóa học cacbua để tăng khả năng chống mài mòn. - Các nguyên tố phụ (V, Nb, Ti) có thể có mặt để kiểm soát hành vi tạp chất và độ ổn định của cacbua và do đó ảnh hưởng đến độ dẻo dai và đặc tính nghiền.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại đều được thiết kế để tạo thành martensite sau khi tôi ở nhiệt độ austenit hóa thích hợp, với sự phân tán các cacbua giàu crom (ví dụ: M23C6, M7C3 tùy thuộc vào thành phần hóa học và xử lý nhiệt chính xác). - Trong 9Cr18Mo, cacbua có thể chứa Mo, làm thay đổi kích thước, sự phân bố và độ ổn định so với 9Cr18.

Các phương pháp xử lý nhiệt và phản ứng: - Ủ/chuẩn hóa: Tạo ra martensite ram hoặc carbide hình cầu; hữu ích cho gia công trước khi tôi cứng hoàn toàn. Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt austenite trước đó và hòa tan một số carbide tùy thuộc vào nhiệt độ. - Làm nguội & ram: Phương pháp tiêu chuẩn để đạt được độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Austenit hóa (nhiệt độ điển hình phụ thuộc vào dữ liệu của nhà cung cấp), làm nguội để tạo thành martensite, sau đó ram ở nhiệt độ đã chọn để thay đổi độ cứng thành độ dẻo dai. - 9Cr18Mo thường đạt độ cứng cao hơn một chút, tạo ra cấu trúc martensitic đồng đều hơn ở các phần dày hơn. - Gia công nhiệt cơ: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện độ dẻo dai; molypden giúp duy trì khả năng tôi cứng trong quá trình gia công này.

Ý nghĩa: - 9Cr18Mo ít bị chuyển đổi không hoàn toàn (austenit còn lại) ở mặt cắt ngang lớn hơn do khả năng tôi luyện được cải thiện. - Thành phần hóa học của cacbua trong 9Cr18Mo thường ổn định hơn trong môi trường ăn mòn.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp phạm vi nhiệt độ sau khi tôi và ram điển hình được sử dụng để so sánh thông số kỹ thuật (tham khảo chứng chỉ kiểm tra nhà máy để mua).

Tài sản	9Cr18 (phạm vi điển hình)	9Cr18Mo (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	900 – 1600	900 – 1650
Giới hạn chảy (MPa)	600 – 1400	600 – 1450
Độ giãn dài (%)	6 – 18	6 – 18
Độ bền va đập (J, Charpy)	thấp-trung bình; phụ thuộc vào quá trình tôi luyện	tương đương hoặc cải thiện đôi chút (độ dẻo dai xuyên suốt tốt hơn ở các phần dày hơn)
Độ cứng (HRC)	48 – 63 (tùy theo tính khí)	48 – 63 (có thể đạt được mức tương tự hoặc cao hơn một chút ở cùng nhiệt độ do Mo)

Giải thích: - Cả hai loại đều có thể đạt độ cứng và độ bền kéo rất cao khi được làm cứng hoàn toàn; khả năng làm cứng tăng ít hơn từ Mo giúp duy trì độ bền ở các phần dày hơn. - Độ dẻo dai được thúc đẩy bởi quá trình tôi luyện và phân phối cacbua; molypden thường cải thiện độ dẻo dai một chút và giảm nguy cơ giòn tôi luyện trong một số chế độ. - Độ giãn dài bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon cao; cả hai đều kém dẻo hơn thép không gỉ có hàm lượng cacbon thấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon cao gặp nhiều thách thức do hàm lượng carbon và khả năng làm cứng của chúng.

Công thức dự đoán có liên quan: - Đương lượng cacbon (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (để dự đoán khả năng nứt nguội):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Cả hai loại đều có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao so với thép cacbon thấp, cho thấy khả năng hình thành martensite cao trong vùng HAZ và nguy cơ nứt nguội nếu không được nung nóng trước và làm nguội có kiểm soát. - 9Cr18Mo, do có thêm Mo, sẽ có hàm lượng cacbon tương đương cao hơn một chút theo hệ số $(Cr+Mo+V)/5$; tuy nhiên, Mo cũng cải thiện khả năng tôi cứng, điều này có thể làm tăng nguy cơ tạo ra vùng HAZ cứng và giòn. Trên thực tế, quy trình hàn cho cả hai loại vật liệu này đều yêu cầu nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và ram sau hàn khi yêu cầu về độ bền đòi hỏi. - Trong nhiều ứng dụng, gia công và cố định cơ học hoặc hàn bằng đồng được sử dụng để tránh hàn. Nếu cần hàn, phải chỉ định phương pháp chuẩn bị cạnh, gia nhiệt sơ bộ và PWHT.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Lưu ý về thép không gỉ và thép không gỉ: - Cả hai loại thép này đều không gỉ do có hàm lượng Cr nhưng khả năng chống ăn mòn không bằng thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ duplex trong môi trường clorua.

Dự đoán khả năng chống rỗ (PREN): - Đối với các hợp kim mà PREN có giá trị thông tin:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - Ứng dụng: PREN chủ yếu được sử dụng cho thép không gỉ austenit và thép không gỉ duplex. Đối với thép martensitic như 9Cr18 và 9Cr18Mo, PREN có thể cho biết khả năng chống rỗ tương đối; giá trị Mo làm tăng đáng kể PREN, do đó 9Cr18Mo sẽ có khả năng chống ăn mòn cục bộ (đặc biệt là rỗ và khe hở) tốt hơn 9Cr18 ở cùng hàm lượng Cr.

Hướng dẫn thực tế: - 9Cr18 có khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường có tính ăn mòn nhẹ và thường được sử dụng nguyên trạng cho lưỡi dao và các bộ phận chịu mài mòn. - 9Cr18Mo cải thiện khả năng chống rỗ, nứt khe và nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường chứa clorua — có giá trị khi bề mặt tiếp xúc với muối hoặc môi trường có tính axit. - Đối với môi trường khắc nghiệt, hãy cân nhắc phương pháp xử lý thụ động, phủ bề mặt (ví dụ: đánh bóng điện, phủ chuyển đổi) hoặc chỉ định các loại thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn nói chung cao hơn. - Khi lựa chọn biện pháp bảo vệ chống ăn mòn thông qua lớp phủ: mạ kẽm thường không được sử dụng cho các bộ phận thép không gỉ martensitic cứng dùng để chống mài mòn; sơn, lớp phủ chuyển đổi hoặc lớp mạ mỏng phổ biến hơn để bảo vệ chung.

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

• Khả năng gia công: Thép không gỉ martensitic hàm lượng cacbon cao khó gia công hơn ở trạng thái tôi. Quá trình gia công thường được thực hiện ở trạng thái ủ. Kích thước và sự phân bố cacbua ảnh hưởng đến quá trình mài và tuổi thọ dụng cụ; cacbua chứa Mo trong 9Cr18Mo có thể yêu cầu các cân nhắc về dụng cụ hơi khác.
• Khả năng định hình: Hạn chế ở trạng thái tôi cứng. Việc uốn và định hình nên được thực hiện trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi định hình và chu trình làm nguội/ram là phổ biến.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có thể được đánh bóng để có bề mặt sáng bóng; 9Cr18Mo có thể giữ được cạnh và độ bóng mịn hơn do sự phân bố cacbua và khả năng làm cứng cao hơn một chút.
• Các cân nhắc về xử lý nhiệt khi chế tạo: ủ để tạo hình, sau đó làm cứng/rau. Tránh làm nguội nhanh sau khi hàn; khuyến nghị làm nguội có kiểm soát và PWHT.

8. Ứng dụng điển hình

9Cr18 (sử dụng phổ biến)	9Cr18Mo (sử dụng phổ biến)
Thép dao và lưỡi dao (dao kéo)	Lưỡi dao và dao kéo có khả năng chống rỗ khi dùng trong môi trường ẩm ướt hoặc có muối là rất quan trọng
Vòng bi, vòng đệm cho máy bơm (trong chất lỏng ít ăn mòn)	Van, các bộ phận bơm tiếp xúc với chất lỏng có chứa clorua
Ghế van, bộ phận cắt tỉa	Các thành phần yêu cầu độ cứng xuyên suốt cao hơn (các phần dày hơn)
Dụng cụ phẫu thuật (nơi hạn chế ăn mòn do khử trùng)	Các bộ phận của ngành công nghiệp hóa chất tiếp xúc không thường xuyên với clorua
Lò xo và các bộ phận chịu mài mòn nhỏ (nơi cần độ cứng cao)	Các thành phần có độ mài mòn cao cũng cần cải thiện khả năng chống ăn mòn cục bộ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 9Cr18 khi độ nhạy về chi phí và khả năng chống ăn mòn nói chung là chấp nhận được và khi ứng dụng chủ yếu dựa trên độ mài mòn hoặc độ cứng trong môi trường lành tính. - Chọn 9Cr18Mo khi cần cùng đặc tính độ cứng/độ mài mòn nhưng môi trường có chứa clorua hoặc axit, hoặc khi các phần dày hơn cần khả năng tôi cứng tốt hơn để đạt được các đặc tính đồng nhất.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 9Cr18 thường rẻ hơn 9Cr18Mo do có thêm nguyên tố hợp kim (Mo) và quy trình luyện kim phức tạp hơn một chút. Chênh lệch giá phụ thuộc vào hàm lượng Mo, giá Mo trên thị trường và quy trình chế biến tại nhà máy.
• Tình trạng sẵn có: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở dạng thanh, tấm và dải tại các nhà máy thép không gỉ và nhà phân phối chuyên dụng. 9Cr18 được dự trữ rộng rãi hơn dưới dạng mác thép martensitic thông dụng; 9Cr18Mo có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng tại một số thị trường hoặc được dự trữ tại những nơi có nhu cầu về thép không gỉ martensitic chứa Mo.
• Dạng sản phẩm phổ biến: thanh, rèn, phôi và dải/phôi phẳng chính xác. Điều kiện hoàn thiện cứng hoặc ủ sẽ ảnh hưởng đến thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (đánh giá định tính: Tốt / Trung bình / Kém)

Hệ mét	9Cr18	9Cr18Mo
Khả năng hàn	Trung bình–Kém	Trung bình–Kém (cần làm nóng trước/PWHT)
Sức mạnh-Độ dẻo dai (sau HT)	Độ bền cao, độ dẻo dai vừa phải	Độ bền cao, độ dẻo dai được cải thiện đôi chút ở các phần dày hơn
Khả năng chống ăn mòn cục bộ	Vừa phải	Tốt hơn (cải thiện khả năng chống rỗ/kẽ hở)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn
Khả dụng	Có sẵn rộng rãi	Có sẵn rộng rãi nhưng đôi khi chuyên biệt hơn

Sự giới thiệu: - Chọn 9Cr18 nếu bạn cần thép không gỉ martensitic tiết kiệm chi phí với độ cứng cao và khả năng chống mài mòn cho các ứng dụng trong môi trường tương đối lành tính hoặc khi hình dạng chi tiết mỏng và đồng đều để quá trình tôi tiêu chuẩn tạo ra các đặc tính chấp nhận được. - Chọn 9Cr18Mo nếu bộ phận sẽ hoạt động trong môi trường tiếp xúc với clorua hoặc có nguy cơ ăn mòn cục bộ, hoặc nếu các phần dày hơn cần khả năng làm cứng tốt hơn để đạt được sự chuyển đổi martensitic đồng đều và các tính chất cơ học trên toàn bộ phần.

Lưu ý mua sắm cuối cùng: Luôn ghi rõ phạm vi thành phần, dạng sản phẩm và trạng thái xử lý nhiệt chính xác trên đơn đặt hàng. Yêu cầu chứng chỉ nhà máy và, nếu cần, thông số kỹ thuật quy trình hàn (bao gồm cả gia nhiệt trước và hàn nóng chảy) cũng như hồ sơ thử nghiệm ăn mòn hoặc thụ động hóa cho các ứng dụng quan trọng.