Cr12 so với Cr12MoV – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Cr12 và Cr12MoV là thép công cụ có hàm lượng crôm cao, hàm lượng carbon cao, được sử dụng rộng rãi cho gia công nguội, lưỡi cắt, mũi đột và khuôn dập. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa việc ưu tiên khả năng chống mài mòn (cho tuổi thọ cao và dung sai chặt chẽ) và ưu tiên khả năng chống mẻ và gãy (cho cắt va đập hoặc cắt đứt). Sự khác biệt thực tế quan trọng giữa các loại thép này nằm ở sự cân bằng giữa độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn được tạo ra bởi việc bổ sung Mo và V một cách có chủ đích vào Cr12MoV.

Cả hai loại thép này thường được so sánh vì chúng có chung thành phần hóa học giàu crom, hàm lượng cacbon cao tạo ra cacbua cứng và độ cứng cao sau khi xử lý nhiệt, trong khi các biến thể hợp kim tạo ra sự khác biệt có ý nghĩa về khả năng tôi, quá trình tôi thứ cấp và độ phân tán cacbua - những yếu tố quyết định hiệu suất sử dụng và lựa chọn gia công.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và tên gọi chung mà theo đó Cr12 và Cr12MoV hoặc các cấp độ tương đương được tìm thấy:

• GB/T (Trung Quốc): Cr12 là tên gọi trong nước; Cr12MoV là biến thể hợp kim Mo-và-V.
• EN: Các họ thép công cụ tương đương được chỉ định là loại D (ví dụ: D2) hoặc loại X tùy thuộc vào hợp kim; các loại tương đương nên được kiểm tra bằng phương pháp hóa học.
• JIS: Tiêu chuẩn thép công cụ của Nhật Bản liệt kê các loại thép gia công nguội có hàm lượng crom cao tương tự thuộc dòng JS; kiểm tra sự phù hợp chính xác về mặt hóa học.
• ASTM/ASME: Thép công cụ được quy định trong ASTM A600/A681 đối với thanh thép công cụ và các thông số kỹ thuật khác — tham chiếu chéo theo thành phần.
• Phân loại: Cả Cr12 và Cr12MoV đều là thép dụng cụ gia công nguội có hàm lượng cacbon cao, hàm lượng crom cao (thuộc nhóm thép dụng cụ). Chúng không phải là thép không gỉ (theo nghĩa chống ăn mòn), cũng không phải là thép kết cấu HSLA.

Luôn xác nhận tính tương đương bằng cách kiểm tra thành phần hóa học thực tế và các yêu cầu về tính chất cơ học trong giấy chứng nhận của nhà cung cấp.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần danh nghĩa điển hình (% khối lượng) thường được chỉ định cho các loại Cr12 và Cr12MoV thương mại. Đây là các phạm vi đại diện được các nhà sản xuất sử dụng; hãy kiểm tra chứng nhận nhà máy thực tế để mua hàng.

Yếu tố	Cr12 (điển hình, wt%)	Cr12MoV (điển hình, wt%)
C	1,35 – 1,65	1,35 – 1,65
Mn	0,20 – 0,60	0,20 – 0,60
Si	0,20 – 0,80	0,20 – 0,80
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	≤ 0,10 (thường là dấu vết)	0,20 – 1,00
V	≤ 0,10 (thường là dấu vết)	0,05 – 0,50
Lưu ý	≤ 0,02	≤ 0,02
Ti	≤ 0,02	≤ 0,02
B	≤ 0,001	≤ 0,001
N	Dấu vết	Dấu vết

Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon (C): Nguyên tố làm cứng chính; C cao thúc đẩy độ cứng cao thông qua sự hình thành cacbua nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Crom (Cr): Thúc đẩy sự hình thành các cacbua crom cứng (giống M7C3/M23C6 trong thép có hàm lượng C cao), cải thiện khả năng chống mài mòn và góp phần làm cứng. - Molypden (Mo): Tăng khả năng tôi luyện, tinh chế ma trận cacbua, tạo ra khả năng tôi luyện thứ cấp và độ bền ở nhiệt độ cao, đồng thời cải thiện độ dẻo dai so với vật liệu không chứa Mo. - Vanadi (V): Tạo thành cacbua vanadi rất cứng, mịn giúp tinh chỉnh hạt và cải thiện khả năng chống mài mòn và chống mài mòn; góp phần làm cứng thứ cấp và tăng độ dẻo dai bằng cách ghim chặt ranh giới hạt. - Mangan và Silic: Chất khử oxy và chất điều chỉnh độ bền/độ cứng với hàm lượng vừa phải. - P, S: Giữ ở mức thấp để tránh các vấn đề về giòn và khả năng gia công.

Cr12 được tối ưu hóa để tối đa hóa hàm lượng crom cacbua nhằm chống mài mòn với hàm lượng Mo và V tối thiểu. Cr12MoV bổ sung Mo và V để cải thiện khả năng tôi, độ dẻo dai và độ phân tán cacbua với chi phí tăng nhẹ và khả năng hàn giảm.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cán hoặc chuẩn hóa: Hỗn hợp martensite/ferrite ram với các cacbua giàu crom phân tán (giống Cr7C3/Cr23C6) và các cacbua thứ cấp. Cr12 cho thấy các cacbua crom thô hơn; Cr12MoV cho thấy các cacbua mịn hơn, phân bố đều hơn với các kết tủa giàu Mo và V. - Sau khi tôi và ram: Chủ yếu là nền martensitic với mạng lưới các cacbua crom ổn định và các cacbua Mo/V mịn cho Cr12MoV. Cr12 có xu hướng giữ lại các mạng cacbua lớn hơn, liên tục giúp tối đa hóa khả năng chống mài mòn nhưng có thể hoạt động như các vị trí bắt đầu nứt dưới tải trọng va đập.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Tinh chỉnh hạt và giúp hòa tan một số cacbua; hữu ích trước khi gia công hoặc xử lý thêm. - Làm cứng (austenit hóa và tôi): Nhiệt độ austenit hóa điển hình cho thép dụng cụ họ Cr12 là cao (ví dụ: khoảng 1000–1050°C tùy thuộc vào kích thước tiết diện và thành phần) để hòa tan các cacbua ở mức tối đa có thể để tôi cứng thứ cấp; đảm bảo hướng dẫn của nhà cung cấp. Tôi cứng nhanh (dầu hoặc dầu gián đoạn) tạo ra martensite; hàm lượng hợp kim kiểm soát austenit giữ lại và khả năng tôi cứng. - Ram: Được thực hiện ở nhiều giai đoạn ram khác nhau để giảm austenit dư, tạo độ cứng thứ cấp (đặc biệt là ở các cấp độ chứa Mo) và giảm ứng suất. Cr12MoV thường thể hiện quá trình tôi thứ cấp mạnh hơn do cacbua Mo/V; điều này cho phép cân bằng độ dai/độ cứng tốt hơn một chút sau khi ram.

Quá trình xử lý nhiệt cơ học (cán, rèn có kiểm soát) có thể cải thiện độ dẻo dai và tính đồng nhất của cacbua, và đặc biệt có lợi cho Cr12MoV để khai thác hợp kim của nó để tinh chế cacbua.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học điển hình sau khi tôi và ram thích hợp; các giá trị thay đổi tùy theo công thức xử lý nhiệt, kích thước tiết diện và nhà cung cấp. Xác nhận các giá trị từ báo cáo thử nghiệm tại nhà máy để thiết kế.

Tài sản	Cr12 (phạm vi điển hình)	Cr12MoV (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	900 – 1800	1000 – 2000
Giới hạn chảy (MPa)	700 – 1500	800 – 1700
Độ giãn dài (%)	2 – 10	2 – 12
Độ bền va đập (J, Charpy)	Thấp đến trung bình; cải thiện bằng cách tôi luyện	Trung bình; thường cao hơn Cr12 đối với độ cứng tương tự
Độ cứng (HRC)	55 – 62 (đã tôi luyện)	55 – 62 (được tôi luyện); có thể giữ được độ cứng tốt hơn ở các phần lớn hơn

Giải thích: - Độ bền và độ cứng chủ yếu được tạo ra bởi ma trận carbon và martensitic; cả hai loại đều có thể đạt độ cứng đỉnh tương đương nhau. Cr12MoV thường đạt độ cứng tương đương, đồng thời mang lại độ dẻo dai và khả năng tôi xuyên tốt hơn nhờ Mo và V. - Độ dẻo dai: Cr12MoV thường dẻo dai hơn (ít giòn hơn) ở độ cứng tương đương vì Mo làm tăng khả năng tôi cứng và V làm mịn cacbua và ranh giới hạt, làm giảm xu hướng lan truyền vết nứt. - Độ dẻo: Cả hai đều là thép dụng cụ có độ dẻo thấp nhưng độ cứng cao, nhưng Cr12MoV có thể cung cấp độ giãn dài cao hơn một chút trong một số phương pháp xử lý nhất định.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép dụng cụ có hàm lượng cacbon và crom cao thường gặp nhiều thách thức. Các yếu tố chính: hàm lượng cacbon cao, mạng lưới cacbua và khả năng tôi cứng.

Công thức công nghiệp để đánh giá khả năng hàn và yêu cầu gia nhiệt trước: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Thông số chi tiết hơn (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - Cả hai công thức đều cho thấy ảnh hưởng của C, Cr, Mo và V đến khả năng tôi cứng và xu hướng nứt nguội. Giá trị cao hơn cho thấy cần phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt đầu vào và xử lý nhiệt sau hàn. - Cr12 (có hàm lượng C và Cr cao) thường đòi hỏi phải nung nóng trước và tôi sau khi hàn đáng kể; khả năng hàn kém nếu không có quy trình nghiêm ngặt. - Cr12MoV, khi bổ sung Mo và V, sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và có thể làm tăng thêm giá trị CE/Pcm, điều này có thể làm giảm khả năng hàn về mặt nguy cơ nứt, nhưng các quy trình hàn được kiểm soát và sử dụng kim loại hàn có khả năng tôi cứng tương tự hoặc thấp hơn một chút, làm nóng trước để giảm tốc độ làm nguội và tôi luyện cục bộ sau khi hàn có thể tạo ra các mối hàn chấp nhận được. - Thực hành tốt nhất: tránh hàn nếu có thể; ưu tiên hàn cơ học hoặc hàn đồng. Nếu cần hàn, hãy tham khảo thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) từ nhà cung cấp vật liệu và thực hiện kiểm tra chất lượng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cả Cr12 và Cr12MoV đều không phải là thép không gỉ theo nghĩa thông thường; hàm lượng crom của chúng cải thiện khả năng chống ăn mòn một chút so với thép cacbon thông thường nhưng không cung cấp khả năng thụ động tương đương với hợp kim thép không gỉ.

• Các lựa chọn bảo vệ bề mặt: mạ điện, mạ kẽm nhúng nóng (giới hạn đối với thép dụng cụ do thay đổi về xử lý nhiệt), sơn, sơn tĩnh điện và lớp phủ dành riêng cho ứng dụng như PVD/CVD, mạ crom cứng hoặc thấm nitơ để cải thiện tuổi thọ bề mặt và bảo vệ chống ăn mòn.
• Xử lý nhiệt hóa học: Thấm nitơ có thể cải thiện độ cứng bề mặt và hiệu suất chống mài mòn cho một số loại thép dụng cụ nhất định nhưng phải được đánh giá dựa trên kích thước mong muốn và tính chất chịu kéo.
• Công thức PREN không áp dụng cho các loại thép dụng cụ không phải thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Việc sử dụng PREN chỉ có ý nghĩa đối với thép không gỉ chống ăn mòn; đối với thép họ Cr12, lớp bảo vệ bề mặt và lớp phủ quyết định hiệu suất chống ăn mòn khi sử dụng.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có thể gia công được khi ủ, nhưng khó gia công hơn thép hợp kim thấp do hàm lượng cacbon cao và cacbua cứng. Khả năng gia công Cr12MoV có thể kém hơn một chút do cacbua Mo/V mịn; sử dụng dụng cụ cacbua, tốc độ cắt cao và thiết lập cứng. Gia công thô thường được thực hiện ở trạng thái ủ.
• Mài và hoàn thiện: Cả hai đều yêu cầu chất mài mòn phù hợp với cacbua cứng; cacbua thô hơn của Cr12 có thể tạo ra tiếng kêu nếu dụng cụ không được tối ưu hóa.
• Tạo hình và uốn: Khả năng tạo hình nguội bị hạn chế do hàm lượng cacbon và cacbua cao; tạo hình thường được thực hiện ở trạng thái ủ hoặc tránh thực hiện. Có thể tạo hình nóng nhưng cần gia nhiệt lại và xử lý nhiệt hoàn toàn.
• Những cân nhắc về xử lý nhiệt: Nguy cơ biến dạng trong quá trình làm cứng và ram đòi hỏi phải gia công và cố định cẩn thận.

8. Ứng dụng điển hình

Cr12 (sử dụng phổ biến)	Cr12MoV (sử dụng phổ biến)
Lưỡi cắt, lưỡi chém	Đấm và khuôn chịu lực nặng có thể bị va đập và mài mòn
Dao cắt, dụng cụ cắt nguội	Các thành phần khuôn dập liên tục cần có độ cứng và độ dẻo dai
Khoang khuôn nhựa cho vật liệu mài mòn	Khuôn cắt và cắt phôi chịu lực cao với chức năng cắt gián đoạn
Mặc các tấm chịu tác động vừa phải	Các công cụ cần cải thiện khả năng chống sứt mẻ và tuổi thọ cao hơn ở các phần lớn hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Cr12 khi khả năng chống mài mòn tối đa và hiệu quả về chi phí là quan trọng và khi tải chủ yếu là liên tục (mài mòn trượt hoặc ổn định) với tác động hoặc va đập hạn chế. - Chọn Cr12MoV khi dụng cụ phải chịu tác động mạnh hơn, cắt gián đoạn, mặt cắt ngang lớn hơn khi việc tôi xuyên là rất quan trọng hoặc khi cần độ dẻo dai cao hơn một chút và khả năng chống lan truyền vết nứt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cr12 thường có giá thành thấp hơn Cr12MoV do thiếu molypden và vanadi đáng kể. Mo và V là các nguyên tố hợp kim đắt hơn và làm tăng chi phí sản xuất.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi tại các nhà sản xuất thép công cụ và trung tâm dịch vụ dưới dạng sản phẩm thông dụng (thanh tròn, thanh phẳng, tấm, khối tôi và ram). Các biến thể Cr12 không có Mo/V có thể phổ biến hơn một chút và rẻ hơn trong các lô hàng thông thường; Cr12MoV có thể yêu cầu lập kế hoạch tồn kho cho các kích thước đặc biệt hoặc trạng thái xử lý nhiệt.
• Hình dạng sản phẩm: Thanh, tấm và khối đã tôi cứng trước; phôi rèn và phôi ủ đều có sẵn cho cả hai dạng, thời gian hoàn thành tùy thuộc vào dịch vụ xử lý nhiệt và gia công.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tài sản	Cr12	Cr12MoV
Khả năng hàn	Kém; yêu cầu làm nóng trước/sau nghiêm ngặt	Từ kém đến trung bình; cần kiểm soát cẩn thận, có thể tệ hơn theo CE nhưng cung cấp các chế độ để giảm nguy cơ nứt
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao; độ dẻo dai thấp hơn	Độ cứng đỉnh tương tự nhưng độ dẻo dai được cải thiện và tôi xuyên suốt
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn Cr12 nếu bạn cần loại thép dụng cụ gia công nguội có khả năng chống mài mòn cao, tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng mài mòn trượt, cắt cạnh mịn hoặc các ứng dụng hạn chế tải trọng va đập và tránh hàn. - Chọn Cr12MoV nếu ứng dụng liên quan đến cắt gián đoạn, tải trọng va đập hoặc sốc cao hơn, kích thước tiết diện lớn hơn khi việc làm cứng xuyên suốt là quan trọng hoặc khi bạn yêu cầu độ bền tốt hơn mà không làm giảm đáng kể độ cứng bề mặt—chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn và cần xử lý nhiệt và quy trình hàn cẩn thận hơn.

Lưu ý thực tế cuối cùng: luôn xác minh chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp về thực hành xử lý nhiệt và hóa học, thực hiện xử lý nhiệt thử nghiệm và thử nghiệm dịch vụ cho các công cụ quan trọng và tham khảo bảng dữ liệu của nhà sản xuất thép để phù hợp với biến thể cụ thể (ví dụ: mức Mo và V chính xác) với nhu cầu ứng dụng của bạn.