X12CrMo5 so với X20CrMoV12-1 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép trông giống nhau trên lý thuyết nhưng lại có vai trò khác nhau trong sử dụng: một loại có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt độ cao với độ bền và khả năng hàn hợp lý; loại còn lại được tối ưu hóa cho gia công nóng và chống mài mòn ở nhiệt độ cao. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thường xoay quanh sự cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và chi phí, hoặc giữa độ cứng đỏ/khả năng chống mài mòn và khả năng chế tạo/hàn.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại thép được Đức chỉ định này nằm ở chức năng: một loại là thép không gỉ martensitic chứa crôm, dùng cho ứng dụng chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn, trong khi loại còn lại là thép dụng cụ hợp kim molypden-vanadi hàm lượng crôm cao, được thiết kế cho gia công nóng và chế tạo dụng cụ, trong đó độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn là rất quan trọng. Vì cả hai đều chứa hàm lượng crôm và hợp kim bổ sung đáng kể, các nhà thiết kế thường so sánh chúng khi các chi tiết chịu tải nhiệt độ cao, tiếp xúc mài mòn hoặc tiếp xúc nhiệt tuần hoàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung có các ký hiệu này: EN / DIN (Châu Âu), ISO (nếu có) và các tiêu chuẩn quốc gia tương đương (ASTM/ASME, JIS, GB). Số tham chiếu chéo chính xác có thể khác nhau; hãy luôn kiểm tra với giấy chứng nhận nhà máy của nhà cung cấp và các tiêu chuẩn hiện hành.
• Lớp vật liệu:
• X12CrMo5 — hợp kim crom martensitic, thường được phân loại vào loại thép không gỉ chịu nhiệt hoặc martensitic hơn là thép dụng cụ.
• X20CrMoV12-1 — thép dụng cụ/gia công nóng (loại hợp kim Cr–Mo–V cao), thường được liệt kê trong nhóm thép dụng cụ (gia công nóng) theo tiêu chuẩn EN/ISO.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	X12CrMo5 (vai trò điển hình)	X20CrMoV12-1 (vai trò điển hình)
C	Thấp–trung bình; cho phép làm cứng martensitic trong khi vẫn giữ được khả năng hàn và độ dẻo dai ở mức chấp nhận được	Trung bình; hỗ trợ khả năng làm cứng và chống mài mòn cao hơn thông qua quá trình hình thành cacbua
Mn	Thấp; khử oxy và độ cứng nhẹ	Thấp-trung bình; góp phần làm cứng
Si	Thấp; chất khử oxy và đóng góp sức mạnh	Độ bền thấp, khử oxy và chịu nhiệt độ cao
P	Dấu vết; giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai	Dấu vết; giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai
S	Theo dõi; kiểm soát khả năng gia công	Theo dõi; kiểm soát khả năng gia công
Cr	Cao; chủ yếu để chống ăn mòn và chống tôi luyện	Rất cao; chủ yếu dùng cho độ cứng màu đỏ, khả năng chống mài mòn và tạo hình cacbua
Ni	Thông thường là tối thiểu/không có	Thông thường là tối thiểu/không có
Mo	Trung bình; cải thiện khả năng chống rão và độ bền ở nhiệt độ cao	Trung bình-cao; cải thiện độ cứng nóng và khả năng chịu nhiệt
V	Thấp hoặc dấu vết; tinh chế cacbua/cấu trúc vi mô	Có mặt; tạo thành cacbua vanadi cứng để chống mài mòn
Nb/Ti	Thường không có hoặc có dấu vết; ổn định hạt nếu có	Có thể có dấu vết; tinh chế hạt và kiểm soát cacbua
B	Theo dõi nếu có để biết khả năng làm cứng	Có thể có dấu vết; chất điều chỉnh độ cứng trong một số hỗn hợp nóng chảy
N	Rất thấp; được kiểm soát	Rất thấp; được kiểm soát

Ghi chú: Bảng này cung cấp sự hiện diện tương đối và vai trò luyện kim thay vì tỷ lệ phần trăm chính xác. Để mua sắm và kiểm soát quy trình, hãy sử dụng chứng chỉ nhà máy và ký hiệu EN/ASTM để biết giới hạn thành phần chính xác.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Crom làm tăng khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt và khả năng tạo cacbua. Trong thép không gỉ martensitic, nó tạo ra tính thụ động; trong thép dụng cụ, nó góp phần làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn. - Molypden và vanadi làm tăng độ cứng nóng, khả năng chịu nhiệt và hình thành các cacbua ổn định, cải thiện khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao. - Carbon kiểm soát độ cứng và khả năng tôi luyện nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai khi tăng lên.

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

Cấu trúc vi mô điển hình sau khi xử lý tiêu chuẩn: - X12CrMo5: điều kiện ủ/chuẩn hóa tạo ra ferit/pearlit hoặc nền martensitic mềm tùy thuộc vào quá trình xử lý. Sau khi tôi và ram, nó tạo thành martensit ram với các cacbua phân tán mịn; một lượng austenit dư có thể xuất hiện tùy thuộc vào quá trình hợp kim hóa và làm nguội. - X20CrMoV12-1: ở trạng thái ủ, nó chứa martensite ram cùng với một lượng đáng kể các cacbua hợp kim (cacbua giàu Cr và cacbua vanadi). Sau khi tôi và ram thích hợp cho thép gia công nóng, một nền martensite ram với các cacbua cứng ổn định tạo nên sự kết hợp giữa độ dẻo dai và độ cứng đỏ.

Cách xử lý nhiệt ảnh hưởng đến từng bộ phận: - Chuẩn hóa/tinh chỉnh: cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa để tinh chỉnh kích thước hạt; sự phân bố cacbua thép công cụ quan trọng hơn và thường yêu cầu chu trình làm mát được kiểm soát. - Làm nguội & ram: cả hai đều đáp ứng với chu trình làm nguội & ram. X20CrMoV12-1 thường được tôi cứng đến độ cứng cuối cùng cao hơn thông qua nhiệt độ ram cao hơn nhằm duy trì độ cứng đỏ; ram tạo ra độ cứng thứ cấp ổn định nhờ các hợp kim cacbua Mo/V. X12CrMo5 được ram để cân bằng độ dai và độ cứng khi sử dụng và có thể được sử dụng ở trạng thái tôi cứng và ram hoặc ở dạng cấp độ gia cường kết tủa để chống rão. - Xử lý nhiệt cơ: thường được áp dụng cho các loại thép cần kết hợp độ bền và độ dẻo dai ở mức hợp kim thấp hơn; đối với thép dụng cụ, rèn có kiểm soát và xử lý nhiệt để tối ưu hóa hình thái cacbua là tiêu chuẩn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	X12CrMo5 (hành vi điển hình)	X20CrMoV12-1 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình — đủ cho nhiều bộ phận kết cấu chịu nhiệt độ cao	Cao hơn — được thiết kế để chịu ứng suất kéo và nén cao trong dụng cụ
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài	Cao hơn (dẻo hơn trong điều kiện tương đương)	Thấp hơn (đánh đổi cho độ cứng/khả năng chống mài mòn)
Độ bền va đập	Độ dẻo dai nói chung tốt hơn khi được tôi luyện đúng cách	Thấp hơn; thép dụng cụ hy sinh một số độ dẻo dai để chịu mài mòn và độ cứng nóng
Độ cứng (đã tôi luyện/đã tôi luyện)	Trung bình đến cao (phụ thuộc vào dịch vụ)	Độ cứng thường đạt được cao hơn và độ cứng được giữ lại ở nhiệt độ cao

Giải thích: X20CrMoV12-1 được tối ưu hóa về độ bền và khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao, do đó đạt được độ cứng và độ bền cao hơn sau khi xử lý nhiệt thích hợp nhờ hàm lượng hợp kim cao hơn và các nguyên tố tạo thành cacbua. X12CrMo5, được thiết kế để chống oxy hóa/ăn mòn và duy trì độ dẻo dai, mang lại độ dẻo dai và đặc tính chịu va đập tốt hơn trong nhiều điều kiện ram.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phải được đánh giá bằng các khái niệm tương đương cacbon và hàm lượng hợp kim. Hai biểu thức thực nghiệm thường được sử dụng:

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

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ tính toán cao hơn cho thấy nguy cơ nứt nguội tăng lên và nhu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau hàn cao hơn. - X12CrMo5 thường có giá trị cacbon tương đương thấp hơn so với thép dụng cụ hợp kim nặng, mang lại khả năng hàn tốt hơn; tính chất của thép không gỉ martensitic vẫn cần được gia nhiệt có kiểm soát và PWHT để tránh nứt và phục hồi độ cứng. - X20CrMoV12-1, với hàm lượng Cr, Mo và V cao hơn, thường có độ cứng cao hơn và hàm lượng cacbon tương đương cao hơn, khiến việc hàn trở nên khó khăn hơn: thường yêu cầu nung nóng trước, áp dụng phương pháp ít hydro và hàn PWHT. Việc lựa chọn vật liệu hàn phải tính đến nhiệt độ làm việc cần thiết, độ bền mong muốn và khả năng giòn do tôi.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• X12CrMo5: là loại thép không gỉ martensitic chứa crom, có khả năng chống ăn mòn đáng kể so với thép cacbon thông thường. Tính chất thụ động của nó phụ thuộc vào hàm lượng crom và quá trình xử lý nhiệt; trong nhiều môi trường, nó hoạt động tốt hơn mà không cần lớp phủ, nhưng đối với môi trường ăn mòn mạnh, lớp phủ bảo vệ hoặc thụ động hóa vẫn có thể cần thiết.
• X20CrMoV12-1: là thép công cụ nên không phải là loại thép không gỉ; thép này cần có biện pháp bảo vệ trong môi trường ăn mòn như lớp phủ (nitriding, lớp phủ PVD/CVD để chống mài mòn), sơn hoặc mạ (có thể mạ kẽm cho một số dạng nhưng có thể không phù hợp với bề mặt dụng cụ).
• Khi chỉ số ăn mòn có liên quan (hợp kim không gỉ), PREN được sử dụng để so sánh khả năng chống rỗ:

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

Chỉ số này không áp dụng cho thép dụng cụ được thiết kế chủ yếu để chịu mài mòn/độ cứng nóng.

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

• Gia công: X20CrMoV12-1 khó gia công hơn ở trạng thái tôi do có các hợp kim cacbua ổn định và độ cứng cao hơn; ở trạng thái ủ, nó gia công như thép hợp kim cao nhưng đòi hỏi dụng cụ và chất làm mát tốt. Khả năng gia công của X12CrMo5 ở mức trung bình và thường tốt hơn thép dụng cụ hợp kim cao, đặc biệt là trong điều kiện mềm hơn.
• Tạo hình/uốn cong: X12CrMo5 ở trạng thái ủ có khả năng tạo hình tốt hơn; X20CrMoV12-1 không dùng để tạo hình nghiêm ngặt ở trạng thái cứng và thường là gia công nóng hoặc rèn đến hình dạng gần hoàn thiện trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều có thể được mài và hoàn thiện; thép dùng làm dụng cụ thường cần được mài chuyên dụng để xử lý các loại cacbua cứng; các loại thép giống thép không gỉ cần được chú ý để tránh bị đổi màu do nhiệt và duy trì khả năng chống ăn mòn.

8. Ứng dụng điển hình

X12CrMo5 (sử dụng phổ biến)	X20CrMoV12-1 (sử dụng phổ biến)
Các thành phần cấu trúc chịu nhiệt độ cao có khả năng chống ăn mòn vừa phải (van, thành phần lò, trục tiếp xúc với quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao)	Gia công khuôn nóng: khuôn dập, khuôn đúc khuôn, khuôn đùn, khuôn rèn chịu nhiệt độ cao và mài mòn
Các bộ phận đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền và độ bền ở nhiệt độ cao	Chèn, các thành phần dụng cụ có độ cứng và khả năng chống mài mòn là rất quan trọng
Các thành phần sẽ được sử dụng để hàn và tôi sau khi hàn	Các thành phần được gia công từ khối thép công cụ và được xử lý nhiệt để phục vụ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn hợp kim crom martensitic khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn, chế tạo dễ dàng hơn và độ dẻo dai/độ bền tốt hơn. - Chọn thép dụng cụ Cr–Mo–V khi nhu cầu chính là khả năng chống mài mòn, độ cứng đỏ và độ ổn định kích thước dưới tải trọng nhiệt/cơ học tuần hoàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép công cụ như X20CrMoV12-1 thường đắt hơn tính theo kg so với thép không gỉ martensitic do hàm lượng hợp kim cao hơn (Mo, V) và quy trình gia công chuyên biệt hơn. Thép công cụ cũng có chi phí gia công cao hơn (xử lý nhiệt, mài).
• Tính khả dụng: X12CrMo5 và các loại thép tương tự thường được các nhà phân phối lớn dự trữ dưới dạng thanh, tấm và ống; thép dụng cụ cũng có sẵn nhưng thường ở dạng sản phẩm hạn chế hơn (phôi dụng cụ, khối rèn, tấm) và có thể được sản xuất theo đơn đặt hàng hoặc lấy từ các nhà cung cấp thép dụng cụ chuyên dụng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	X12CrMo5	X20CrMoV12-1
Khả năng hàn	Tốt đến trung bình (yêu cầu PWHT cho các phương pháp thép không gỉ martensitic)	Thách thức—yêu cầu làm nóng trước, thực hành ít hydro, PWHT
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo dai/độ bền tốt hơn	Độ bền và độ cứng cao, độ dẻo/độ dai thấp hơn
Trị giá	Thấp đến trung bình	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn X12CrMo5 nếu bạn cần thép martensitic chống ăn mòn, chịu nhiệt với chế tạo dễ dàng hơn và độ bền tổng thể tốt hơn cho các bộ phận tiếp xúc với quá trình oxy hóa hoặc môi trường nhiệt độ cao ăn mòn nhẹ và khi hàn hoặc chi phí là ưu tiên hàng đầu. - Chọn X20CrMoV12-1 nếu điều kiện dịch vụ đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao, độ cứng đỏ và độ ổn định kích thước dưới tải trọng nhiệt và cơ học theo chu kỳ (gia công nóng, chèn khuôn) và khi chi phí vật liệu và gia công cao hơn được biện minh bởi tuổi thọ và hiệu suất của dụng cụ.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều yêu cầu thông số kỹ thuật chính xác về hóa chất và cơ học từ các tiêu chuẩn hoặc bảng dữ liệu của nhà cung cấp cho thiết kế, chế tạo và mua sắm. Sử dụng chứng chỉ nhà máy và tiến hành thử nghiệm hàn tiền thẩm định trong trường hợp điều kiện vận hành khắc nghiệt.