X20CrMoV12-1 so với 12Cr1MoV – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa các loại thép có tên gọi tương tự nhau nhưng chức năng lại rất khác nhau. X20CrMoV12-1 và 12Cr1MoV được so sánh khi một thiết kế phải cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn với khả năng hàn, chi phí và tính dễ chế tạo. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn dụng cụ hoặc chi tiết gia công nóng so với việc lựa chọn thép bình chịu áp lực/ống dẫn cho ứng dụng nhiệt độ cao.

Điểm khác biệt kỹ thuật quan trọng giữa hai loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa của chúng: một loại được chế tạo dưới dạng thép dụng cụ/gia công nóng giàu crôm, được tối ưu hóa về khả năng tôi cứng, độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn, trong khi loại còn lại là thép Cr–Mo–V hợp kim thấp, được thiết kế để chống rão và độ bền trong điều kiện áp suất-nhiệt độ. Sự khác biệt về các nguyên tố tạo crôm và carbide này quyết định sự tương phản giữa các cấu trúc vi mô, phản ứng xử lý nhiệt, thực hành hàn, đặc tính ăn mòn và các ứng dụng điển hình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• X20CrMoV12-1
• Thường được tham chiếu theo danh pháp thép công cụ gia công nóng EN (Châu Âu). Các cấp thép công cụ/gia công nóng tương đương tồn tại trong các hệ thống khác (ví dụ: các loại tương tự AISI/UNS/H-series ở một số thị trường).
• Phân loại: thép hợp kim dụng cụ/gia công nóng (họ thép dụng cụ martensitic).
• 12Cr1MoV
• Có trong các tiêu chuẩn quốc gia về thép chế tạo nhà máy điện và bình chịu áp lực (phổ biến trong thực tiễn của Châu Âu, Nga và Trung Quốc về dịch vụ nhiệt độ cao).
• Phân loại: thép ferritic-martensitic/thép tôi hợp kim thấp dùng cho ứng dụng áp suất-nhiệt độ (cấp dùng cho nhà máy điện).

Lưu ý: tham chiếu chéo chính xác khác nhau tùy theo tiêu chuẩn (EN, ASTM/ASME, GOST, GB/JIS). Bộ phận mua sắm cần nêu rõ tiêu chuẩn và điều kiện xử lý nhiệt cần thiết.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình (phần trăm khối lượng) thường được sử dụng để so sánh thông số kỹ thuật và kỹ thuật. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể và nhà máy thép.

Yếu tố	X20CrMoV12-1 (điển hình, wt%)	12Cr1MoV (điển hình, wt%)
C	0,18 – 0,25	0,08 – 0,15
Mn	0,30 – 0,60	0,30 – 0,80
Si	0,20 – 0,60	0,10 – 0,50
P	≤ 0,03 (tối đa)	≤ 0,025 (tối đa)
S	≤ 0,03 (tối đa)	≤ 0,02 (tối đa)
Cr	11,5 – 13,0	0,9 – 1,3
Ni	≤ 0,30	≤ 0,40
Mo	0,8 – 1,2	0,4 – 0,6
V	0,30 – 0,60	0,05 – 0,15
Nb / Ti / B	thường theo dõi/không có	dấu vết/không có
N	dấu vết	≤ 0,012 (điển hình)

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Hàm lượng crom cao trong X20CrMoV12-1 thúc đẩy quá trình hình thành cacbua và có thể cải thiện khả năng chống oxy hóa và ăn mòn bề mặt so với thép có hàm lượng Cr thấp; nó cũng làm tăng khả năng làm cứng và độ bền nhiệt độ cao khi kết hợp với Mo và V. - Mo và V là các nguyên tố tạo thành cacbua mạnh mẽ, giúp tăng khả năng tôi cứng, khả năng chịu nhiệt và độ bền nhiệt độ cao. Trong thép dụng cụ, các nguyên tố này tinh luyện cacbua, tăng cường độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn. - 12Cr1MoV chứa Cr, Mo và V nhỏ để cân bằng độ bền kéo và độ dẻo dai khi sử dụng trong bình chịu áp suất trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và độ dẻo ở mức chấp nhận được.

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

• X20CrMoV12-1
• Cấu trúc vi mô điển hình sau khi làm nguội và ram: martensite ram với mạng lưới hợp kim cacbua (Cr, Mo, giàu V) phân bố dọc theo ranh giới hạt austenit trước đó và bên trong hạt.
• Các phương pháp xử lý nhiệt: làm cứng (austenit hóa ở nhiệt độ cao phù hợp với cấp độ) sau đó là tôi dầu/khí và ram nhiều giai đoạn. Ram có kiểm soát tạo ra nền martensitic ram với các cacbua phân tán, mang lại độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn cao.
• Quá trình xử lý nhiệt cơ học giúp thắt chặt sự phân bố cacbua và kích thước hạt; thép gia công nóng thường được làm cứng trước hoặc được cung cấp ở trạng thái ủ mềm để gia công trước khi làm cứng hoàn toàn.
• 12Cr1MoV
• Cấu trúc vi mô điển hình sau khi chuẩn hóa và ram: martensite ram/bainit ram với các cacbua mịn Mo và V, phân bố để tạo độ bền kéo và độ dẻo dai.
• Các phương pháp xử lý nhiệt: chuẩn hóa để tinh chỉnh kích thước hạt, sau đó ram để điều chỉnh độ bền/độ dai cho ứng dụng áp suất-nhiệt độ. Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thường được yêu cầu để khôi phục độ dai và giảm ứng suất dư.
• Hàm lượng carbon thấp hơn và tổng lượng cacbua tạo thành thấp hơn dẫn đến ma trận dẻo hơn, chịu được khía hơn so với thép dụng cụ.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, kích thước tiết diện và độ cứng cuối cùng. Các giá trị dưới đây là phạm vi điển hình mang tính đại diện để so sánh kỹ thuật—vui lòng ghi rõ điều kiện yêu cầu trong hồ sơ mua sắm.

Tài sản	X20CrMoV12-1 (đã tôi và ram, điển hình)	12Cr1MoV (chuẩn hóa và tôi luyện, điển hình)
Độ bền kéo cực đại (MPa)	900 – 1400	480 – 650
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	700 – 1100	300 – 420
Độ giãn dài (A%, điển hình)	6 – 12	15 – 25
Độ bền va đập (Charpy V, J)	5 – 50 (tùy thuộc vào độ cứng/độ nóng)	40 – 120
Độ cứng	40 – 52 HRC (điều kiện gia công)	~180 – 240 HB (~18–24 HRC)

Giải thích: - X20CrMoV12-1 đạt được độ bền và độ cứng cao hơn nhiều khi được làm cứng và ram—đây là đặc tính mong muốn của các bộ phận gia công và làm việc nóng để chống mài mòn, biến dạng và tải trọng nhiệt độ cao. - 12Cr1MoV dẻo hơn và cứng hơn trong điều kiện chuẩn hóa/rau tôi điển hình, do đó thích hợp cho các thành phần kết cấu, đường ống và bình chịu áp suất, nơi mà độ cứng, khả năng hàn và khả năng chống mỏi do rão là ưu tiên hàng đầu.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim làm cứng. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng được trình bày dưới đây.

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

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

Giải thích định tính: - X20CrMoV12-1: hàm lượng Cr, Mo và V cao hơn làm tăng cả $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, làm tăng khả năng tôi và xu hướng hình thành martensite trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Điều này làm tăng nguy cơ nứt nguội và thường đòi hỏi phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp, quy trình hydro thấp và đôi khi là PWHT. - 12Cr1MoV: hàm lượng hợp kim tổng thể thấp hơn tạo ra hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn thép dụng cụ, do đó khả năng hàn nhìn chung tốt hơn. Tuy nhiên, do ứng dụng ở nhiệt độ cao, nung nóng sơ bộ và PWHT thường được chỉ định để kiểm soát ứng suất dư và khôi phục khả năng chống rão và độ bền. - Lưu ý thực tế: Đối với cả hai loại thép, việc thẩm định quy trình hàn, luyện kim đắp chính xác và tuân thủ hướng dẫn gia nhiệt trước/PWHT là điều cần thiết. Thép công cụ thường yêu cầu vật tư hàn chuyên dụng và thẩm định; thép 12Cr1MoV thường được hàn trong xây dựng nhà máy điện với các quy trình đã được thiết lập.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều không phải là thép không gỉ austenit; cần phải xem xét khả năng hoạt động trong môi trường ăn mòn.
• X20CrMoV12-1: với ~12% Cr, thép này cho thấy khả năng chống oxy hóa tốt hơn ở nhiệt độ cao so với thép có hàm lượng Cr thấp và có thể chống ăn mòn bề mặt tốt hơn trong một số môi trường nhất định. Tuy nhiên, thép này không chống ăn mòn—thường phải xử lý bề mặt, phủ (sơn chịu nhiệt, thấm nitơ để chống mài mòn) hoặc sử dụng môi trường bảo vệ.
• 12Cr1MoV: với ~1% Cr, nó dựa vào khả năng chống ăn mòn thông thường (sơn, phủ nồi hơi, bảo vệ catốt hoặc phủ bên trong đường ống). Trọng tâm thiết kế của nó là hiệu suất cơ học và độ bền kéo dài hơn là khả năng chống ăn mòn.
• PREN (khả năng chống rỗ) thường không áp dụng cho các loại thép chứa cacbon không ổn định này, nhưng khi đánh giá khả năng chống ăn mòn cục bộ của các hợp kim có hàm lượng Cr cao hơn thì chỉ số là:

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

• Lưu ý: chỉ sử dụng PREN cho hợp kim thép không gỉ austenit; phương pháp này không có ý nghĩa đối với thép dụng cụ đã tôi và ram hoặc thép chịu áp suất hợp kim thấp.

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

• X20CrMoV12-1
• Khả năng gia công trong điều kiện ủ mềm là hợp lý nhưng thép cấp dụng cụ có tính mài mòn cao hơn do có cacbua cứng; gia công cuối cùng sau khi tôi cứng rất khó và đòi hỏi phải có dụng cụ cacbua và tiến hành gia công cẩn thận.
• Việc tạo hình và uốn cong bị hạn chế ở trạng thái cứng; việc tạo hình nóng hoặc lạnh thường được thực hiện trước khi làm cứng.
• Mài bề mặt và gia công chính xác là phổ biến; xử lý nhiệt và kiểm soát biến dạng là quan trọng.
• 12Cr1MoV
• Dễ dàng tạo hình, uốn cong và gia công trong điều kiện chuẩn hóa/rau tôi hơn thép dụng cụ.
• Khả năng gia công tốt với thép tốc độ cao tiêu chuẩn hoặc dụng cụ cacbua; ít mài mòn hơn thép dụng cụ có hàm lượng Cr cao.
• Hàn và xử lý nhiệt sau hàn là công việc thường xuyên tại các xưởng chế tạo quen thuộc với vật liệu nhà máy điện.

8. Ứng dụng điển hình

X20CrMoV12-1 (dụng cụ/gia công nóng)	12Cr1MoV (áp suất/bình)
Gia công nóng: khuôn đùn, chèn đúc khuôn, rèn và lưỡi cắt nóng	Ống lò hơi, ống hơi, ống góp, bình chịu áp suất hoạt động ở nhiệt độ cao
Khuôn và linh kiện gia công nóng đòi hỏi độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn	Vỏ tuabin, đường ống cho nhà máy điện nhiệt, các bộ phận kết cấu chịu nhiệt độ cao
Các thành phần tiếp xúc với ma sát cao và tải nhiệt tuần hoàn trong quá trình tạo hình	Các thành phần nồi hơi và bộ trao đổi nhiệt có khả năng chống rão và độ bền rất quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép dụng cụ khi mài mòn, độ cứng chịu nhiệt độ cao liên tục và khả năng chống biến dạng dẻo dưới tải trọng cục bộ lớn là ưu tiên hàng đầu. - Chọn 12Cr1MoV khi cần khả năng hàn, độ dẻo dai và độ bền lâu dài dưới tác động của tải nhiệt tuần hoàn và biến dạng khi làm việc ở nhiệt độ áp suất.

9. Chi phí và tính khả dụng

• X20CrMoV12-1: thường đắt hơn tính theo kg do hàm lượng hợp kim cao hơn (Cr, Mo, V) và quy trình xử lý chuyên biệt. Nguồn cung thép thanh, thép tấm và phôi thép từ các nhà cung cấp chuyên dụng khá dồi dào, nhưng các sản phẩm rèn lớn hoặc kích thước đặc biệt có thể cần thời gian giao hàng lâu hơn.
• 12Cr1MoV: thường có giá thành thấp hơn và được cung cấp rộng rãi dưới dạng ống, tấm và phôi rèn cho ngành điện. Chuỗi cung ứng cho các loại nồi hơi và bình chịu áp lực đã hoàn thiện trên toàn thế giới.

Cân nhắc về hình thức sản phẩm: - Thép công cụ thường được cung cấp dưới dạng thanh, tấm, khối tôi trước hoặc phôi rèn; phải lập kế hoạch cho các dung sai gia công và chu kỳ xử lý nhiệt. - 12Cr1MoV thường được cung cấp dưới dạng tấm, ống và ống liền mạch ở trạng thái chuẩn hóa, sẵn sàng cho chế tạo và PWHT.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	X20CrMoV12-1	12Cr1MoV
Khả năng hàn	Trung bình đến khó (hợp kim cao, CE cao)	Tốt (CE thấp hơn; nhưng thường yêu cầu PWHT)
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Độ cứng và độ bền cao; độ dẻo thấp hơn (đã tôi cứng)	Độ bền vừa phải; độ dẻo và độ dai cao hơn
Trị giá	Cao hơn (hợp kim đặc biệt, hàm lượng cacbua)	Thấp hơn (cấp bình chịu áp suất thông thường)

Kết luận — hướng dẫn ngắn gọn: - Chọn X20CrMoV12-1 nếu bạn cần thép gia công nóng/dụng cụ có độ cứng cao, độ cứng ở nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn và mỏi nhiệt — ví dụ như khuôn đùn hoặc khuôn rèn nóng, và các chi tiết cắt nóng. Chi phí vật liệu cao hơn, gia công chuyên biệt và quy trình hàn/xử lý nhiệt nghiêm ngặt sẽ là những yếu tố cần cân nhắc. - Chọn 12Cr1MoV nếu ứng dụng là thiết bị chịu áp suất, đường ống hoặc các bộ phận kết cấu hoạt động ở nhiệt độ cao, nơi độ bền, khả năng chống rão và khả năng hàn tốt (với PWHT) là ưu tiên hàng đầu — ví dụ: nồi hơi, đường ống hơi và các bộ phận nhà máy điện. Mong đợi tính kinh tế chế tạo tốt hơn và khả năng cung cấp rộng rãi hơn.

Lưu ý cuối cùng: luôn ghi rõ tiêu chuẩn chính xác, điều kiện xử lý nhiệt cần thiết, dung sai kích thước và quy trình hàn/PWHT trong bản vẽ mua sắm và bản vẽ kỹ thuật. Đối với các linh kiện quan trọng, hãy yêu cầu báo cáo phân tích hóa học và thử nghiệm cơ học được chứng nhận, đồng thời xác nhận quy trình hàn cho hình dạng mối hàn và nhiệt độ làm việc mong muốn.