9Cr18Mo so với 9Cr18MoV – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

9Cr18Mo và 9Cr18MoV là thép không gỉ martensitic thường được sử dụng trong các bộ phận cần cân bằng giữa độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn - ví dụ như dụng cụ cắt, chi tiết chịu mài mòn, linh kiện van và một số loại ốc vít. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng gia công, khả năng hàn, độ bền và hiệu suất chống mài mòn khi lựa chọn giữa hai loại thép này.

Sự khác biệt kỹ thuật chính là việc bổ sung vanadi một cách có chủ đích vào 9Cr18MoV để tạo ra các cacbua vanadi cứng, ổn định, cải thiện khả năng chống mài mòn và bám dính, cũng như khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Cả hai loại đều có chung một nền tảng cacbon cao, crom cao, tạo ra các vi cấu trúc martensitic sau khi tôi và ram, nhưng thành phần hóa học được biến đổi của vanadi làm thay đổi loại cacbua, khả năng tôi cứng và giới hạn thực tế của quá trình xử lý nhiệt và chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các hệ thống tiêu chuẩn chung có hợp kim thép không gỉ martensitic tương tự: GB (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc), JIS (Nhật Bản), EN (Châu Âu), ASTM/ASME (Hoa Kỳ). Nhiều tên gọi sản phẩm thương mại (ví dụ: tên bắt nguồn từ 9Cr18) được tìm thấy trong thông số kỹ thuật của GB hoặc nhà cung cấp độc quyền thay vì một tên loại ASTM duy nhất.
• Phân loại:
• Cả 9Cr18Mo và 9Cr18MoV đều là thép không gỉ martensitic (thép không gỉ dùng làm dụng cụ/dao).
• Chúng không phải là thép HSLA hay thép cacbon thông thường; chúng thuộc loại thép dụng cụ/dao không gỉ có hàm lượng cacbon cao và hàm lượng crom từ trung bình đến cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: sự hiện diện định tính của các nguyên tố chính (Cao / Trung bình / Thấp / Vết / Phụ gia)

Yếu tố	9Cr18Mo	9Cr18MoV
C (Cacbon)	Cao (yếu tố làm cứng chính)	Cao (yếu tố làm cứng chính)
Mn (Mangan)	Thấp–Trung bình (chất khử oxy, ảnh hưởng nhẹ đến khả năng làm cứng)	Thấp–Trung bình
Si (Silic)	Thấp (chất khử oxy)	Thấp
P (Phốt pho)	Theo dõi (kiểm soát tạp chất)	Dấu vết
S (Lưu huỳnh)	Dấu vết (thường được giảm bớt cho các cấp độ hiệu suất)	Dấu vết
Cr (Crom)	Cao (độ thụ động của thép không gỉ, chất tạo thành cacbua)	Cao
Ni (Niken)	Dấu vết thấp (thường là tối thiểu)	Dấu vết thấp
Mo (Molypden)	Trung bình (cải thiện khả năng chống ăn mòn và làm cứng thứ cấp)	Trung bình
V (Vanadi)	Dấu vết/Không có (không cố ý thêm vào)	Đã thêm (điểm khác biệt chính)
Nb (Niobi)	Dấu vết/Không có	Dấu vết/Không có
Ti (Titan)	Dấu vết/Không có	Dấu vết/Không có
B (Bo)	Dấu vết (nếu có để kiểm soát độ cứng)	Dấu vết
N (Nitơ)	Dấu vết (có giới hạn; ảnh hưởng đến hiệu suất của thép không gỉ)	Dấu vết

Ghi chú: - Danh pháp thương mại điển hình "9Cr18" ám chỉ thép có hàm lượng carbon cao (khoảng 0,8–1,0 wt.%) và hàm lượng crom cao (khoảng 13–18 wt.%); tiền tố số thường liên quan đến hàm lượng carbon và crom trong một số hệ thống quốc gia. Cần lấy thông tin về phạm vi danh nghĩa chính xác từ nhà cung cấp hoặc tiêu chuẩn áp dụng. - Chiến lược hợp kim: cacbon tạo độ cứng sau khi tôi; crom cung cấp khả năng chống ăn mòn và tạo thành cacbua giàu crom; molypden tăng khả năng chống ăn mòn và góp phần làm cứng thứ cấp; vanadi tạo thành cacbua chữ V rất cứng, mịn giúp tăng khả năng chống mài mòn và độ ổn định khi ram.

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

• Cấu trúc vi mô cơ bản (sau khi austenit hóa và tôi thích hợp): chủ yếu là martensite cộng với sự phân tán của các cacbua (cacbua giàu Cr, và trong các biến thể chứa vanadi, cacbua giàu V). Ma trận được ram martensite sau các chu kỳ ram.
• 9Cr18Mo: cacbua thường giàu crom (ví dụ: M23C6 hoặc các cacbua crom phức hợp tương tự) cùng với một số pha chứa Mo. Quá trình ram làm cho cacbua trở nên thô hơn ở nhiệt độ cao, làm giảm độ cứng nhưng có thể tăng độ dẻo dai.
• 9Cr18MoV: vanadi thúc đẩy sự hình thành các cacbua vanadi (VC) mịn có độ ổn định nhiệt và chống lại sự thô hóa; điều này làm tinh chỉnh sự phân bố cacbua, cải thiện khả năng chống mài mòn và tăng khả năng chống ram—tức là, loại này giữ được độ cứng tốt hơn trong quá trình ram ở nhiệt độ cao hơn (hành vi làm cứng thứ cấp từ Mo và V).
• Các tuyến xử lý nhiệt điển hình:
• Austenit hóa (dung dịch hóa) ở nhiệt độ cụ thể để hòa tan cacbua khi cần thiết và tạo thành austenit đồng nhất.
• Làm nguội (bằng dầu hoặc không khí tùy thuộc vào kích thước mặt cắt và khả năng làm cứng) để tạo thành martensit.
• Tôi ở nhiệt độ được kiểm soát: tôi ở nhiệt độ thấp để có độ cứng tối đa; tôi ở nhiệt độ cao hơn để có độ dẻo dai tốt hơn. 9Cr18MoV có thể chịu được nhiệt độ cao hơn mà không làm giảm nhiều độ cứng do hiệu ứng VC và Mo tinh tế.
• Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và cải thiện độ dẻo dai; hợp kim vi mô vanadi có thể ảnh hưởng hơn nữa đến việc kiểm soát kích thước hạt thông qua chốt cacbon-nitrit nếu có.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh định tính các tính chất cơ học (hiệu suất tương đối)

Tài sản	9Cr18Mo	9Cr18MoV
Độ bền kéo	Cao	Cao hơn một chút (do cacbua mịn hơn và khả năng tôi luyện tăng lên)
Cường độ chịu kéo	Cao	Cao hơn một chút
Độ giãn dài (độ dẻo)	Trung bình–Thấp	Thấp hơn một chút (do lượng kết tủa cacbua nhiều hơn)
Độ bền va đập	Tốt hơn (tương đối)	Thấp hơn (đánh đổi để giảm hao mòn)
Độ cứng (đã tôi luyện và ram)	Cao	Cao hơn (tối ưu hóa chống mài mòn; giữ nguyên độ cứng khi tôi luyện)

Giải thích: - Cả hai loại đều đạt độ cứng sau khi tôi cao nhờ hàm lượng cacbon cao. Loại chứa vanadi thường đạt giá trị độ bền kéo và độ cứng bằng hoặc cao hơn trong cùng một chu kỳ xử lý nhiệt nhất định vì các hạt VC tinh chỉnh cấu trúc vi mô và chống lại sự mềm hóa trong quá trình ram. - Độ cứng và thể tích cacbua tăng thường làm giảm độ dẻo và độ bền va đập; do đó 9Cr18MoV có xu hướng hy sinh một số độ dẻo dai để có khả năng chống mài mòn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép không gỉ martensitic hàm lượng carbon cao là một thách thức và cần được kiểm soát bằng các biện pháp nung nóng trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) phù hợp. Hai chỉ số tương đương carbon thường được sử dụng để đánh giá định tính:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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: - Hàm lượng cacbon cao cộng với Cr, Mo hoặc V đáng kể làm tăng cả giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, tương quan với khả năng tôi luyện cao hơn và nguy cơ nứt nguội cao hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt trong mối hàn. - 9Cr18MoV, chứa vanadi, thường có hàm lượng cacbon hiệu dụng cao hơn một chút so với 9Cr18Mo đối với cùng một thành phần, làm tăng nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT. - Các biện pháp thực tế: sử dụng điện cực ít hydro hoặc kim loại hàn phù hợp với thành phần thép không gỉ martensitic, gia nhiệt trước để làm nguội chậm, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và thực hiện ram PWHT (ram) để giảm ứng suất dư và giảm độ cứng ở vùng HAZ. Đối với hàn sửa chữa khi không thể hàn PWHT hoàn toàn, hãy cân nhắc các phương pháp hàn thay thế (gắn chặt cơ học, hàn đồng thau, hoặc sử dụng hợp kim hàn dẻo hơn một cách thận trọng).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Khả năng chống ăn mòn: Cả hai loại thép không gỉ này đều có khả năng chống ăn mòn từ trung bình đến tốt trong không khí và môi trường ôn hòa nhờ hàm lượng crom. Khả năng chống ăn mòn của chúng không bằng thép không gỉ austenit (ví dụ: 304/316) trong môi trường ăn mòn mạnh.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường được sử dụng cho thép không gỉ austenit/duplex có hàm lượng nitơ cao; công thức là:

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

• Đối với 9Cr18Mo và 9Cr18MoV, PREN có tác dụng hạn chế vì hàm lượng nitơ thấp và cấu trúc vi mô là martensitic; hiệu suất ăn mòn phụ thuộc vào hàm lượng crom và sự phân bố cacbua (sự kết tủa cacbua có thể làm cạn kiệt crom cục bộ và làm giảm tính thụ động).
• Lời khuyên về bảo vệ và xử lý bề mặt:
• Tránh tình trạng nhạy cảm (kết tủa crom cacbua ở ranh giới hạt) bằng cách xử lý dung dịch thích hợp và làm nguội nhanh khi khả năng chống ăn mòn là yếu tố quan trọng.
• Đối với dịch vụ khắc nghiệt hoặc khi tính toàn vẹn của thép không gỉ không đủ, hãy cân nhắc lớp phủ (mạ điện, PVD, crom cứng), xử lý thụ động hoặc sử dụng hợp kim chống ăn mòn tốt hơn.
• Đối với thép không gỉ được sử dụng trong các vai trò tương tự, mạ kẽm, sơn hoặc phủ polyme là phổ biến; đối với các loại thép không gỉ martensitic này, hoàn thiện bề mặt (đánh bóng) và thụ động hóa là phương pháp điển hình.

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

• Gia công: cả hai loại đều dễ gia công hơn khi ủ (mềm) so với khi tôi cứng. Ở trạng thái tôi cứng, sự hiện diện của cacbua cứng—đặc biệt là trong 9Cr18MoV—làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ và đòi hỏi dụng cụ cacbua, tốc độ cắt thấp hơn và lượng chạy dao được kiểm soát.
• Mài và hoàn thiện: độ mài mòn của dụng cụ và bánh xe cao hơn đối với thép chứa vanadi; cần phải lựa chọn cẩn thận vật liệu mài mòn và mài bánh xe.
• Tạo hình/uốn cong: hạn chế ở trạng thái tôi cứng. Tạo hình nguội chỉ khả thi khi ủ; uốn và dập nên được thực hiện trước khi tôi cứng và ram cuối cùng.
• Xử lý nhiệt: ủ để tạo hình, sau đó xử lý nhiệt toàn bộ để đạt được tính chất cuối cùng. Mài bề mặt và đánh bóng cuối cùng thường được thực hiện sau khi xử lý nhiệt để kiểm soát biến dạng.

8. Ứng dụng điển hình

9Cr18Mo (Công dụng phổ biến)	9Cr18MoV (Công dụng phổ biến)
Lưỡi dao và dao kéo cần có sự cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và độ bền	Các cạnh cắt, dao công nghiệp và các bộ phận chịu mài mòn ưu tiên độ bền mài mòn
Các thành phần và trục van trong môi trường vừa phải	Vòng bi và ống lót chịu mài mòn ở những nơi có khả năng chống mài mòn là rất quan trọng
Lò xo và ốc vít yêu cầu độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vừa phải	Chèn dụng cụ chịu mài mòn cao, lưỡi cắt và các thành phần chịu mài mòn trượt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 9Cr18Mo khi cần sự cân bằng tốt hơn giữa độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn và khi khả năng gia công/hàn hoặc chi phí là những hạn chế quan trọng. - Chọn 9Cr18MoV khi khả năng chống mài mòn và duy trì độ cứng khi ram là yếu tố thiết kế chính, và khi có thể chấp nhận độ dẻo dai thấp hơn một chút và chi phí gia công/hàn cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: 9Cr18MoV thường đắt hơn do bổ sung vanadi và quá trình xử lý liên quan để duy trì sự phân bố cacbua mịn; chi phí gia công và hoàn thiện cũng cao hơn.
• Tình trạng sẵn có: cả hai loại này thường được cung cấp từ các nhà cung cấp thép không gỉ và thép dụng cụ chuyên dụng dưới dạng thanh, tấm, dải và phôi. 9Cr18Mo (là một hợp chất hóa học đơn giản hơn) có xu hướng được dự trữ rộng rãi hơn trên thị trường dao và phần cứng thông dụng; biến thể vanadi có thể được cung cấp chủ yếu thông qua các nhà cung cấp chuyên dụng hoặc theo yêu cầu dưới dạng sản phẩm cụ thể.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các sự đánh đổi chính (Định tính)

Thuộc tính	9Cr18Mo	9Cr18MoV
Khả năng hàn	Tốt hơn (nhưng vẫn còn hạn chế)	Thách thức hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt hơn cho độ cứng tương tự	Độ bền và độ cứng cao hơn, độ dẻo dai thấp hơn
Khả năng chống mài mòn	Tốt	Cao cấp (chống mài mòn/bám dính)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn 9Cr18Mo nếu bạn cần thép không gỉ martensitic tiết kiệm chi phí với độ dẻo dai hợp lý, gia công dễ dàng hơn ở trạng thái ủ và khả năng chống ăn mòn vừa phải—phù hợp cho dao, van và các bộ phận thông dụng cần có độ dẻo nhất định. - Chọn 9Cr18MoV nếu tuổi thọ sử dụng bị chi phối bởi sự mài mòn hoặc bám dính và độ cứng được giữ lại cao hơn sau khi tôi là rất quan trọng—phù hợp với dao công nghiệp, miếng chèn chống mài mòn và các thành phần mà khả năng giữ độ cứng khi sử dụng vượt trội hơn nhược điểm về độ bền và chi phí chế tạo.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn yêu cầu nhà cung cấp cung cấp giấy chứng nhận vật liệu và khuyến nghị xử lý nhiệt cho hình dạng sản phẩm mong muốn. - Đối với hàn, hãy xin các kỹ sư hàn các quy trình gia nhiệt trước, hàn xen kẽ và hàn PWHT cụ thể và thực hiện thử nghiệm chứng nhận quy trình khi cần thiết về an toàn. - Tạo mẫu và xác thực lịch trình xử lý nhiệt và các thông số gia công trên các bộ phận tiêu biểu, vì sự phân bố cacbua và tính chất cuối cùng phụ thuộc rất nhiều vào những thay đổi nhỏ trong hóa học và quy trình xử lý.