20Cr против 30Cr – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
20Cr и 30Cr — это два часто указываемых низколегированных стали, используемых для цементированных или закаленных и отпущенных компонентов в передаче мощности, шестернях, валax и конструктивных частях, где требуется баланс между износостойкостью поверхности и прочностью сердцевины. Инженеры и специалисты по закупкам часто выбирают между ними, сталкиваясь с компромиссами между прочностью, вязкостью, закаливаемостью, стоимостью и обрабатываемостью. Типичные контексты принятия решений включают спецификацию материала для набора шестерен, где важны твердость поверхности и пластичность сердцевины, или для вала, который должен противостоять как кручению, так и случайным ударам.
Основное различие между двумя марками заключается в том, что 30Cr легирован для достижения более высокой прочности и закаливаемости, чем 20Cr — это достигается в основном за счет умеренного увеличения содержания углерода и хрома (а иногда и других усиливающих микроалюминиевых элементов). Из-за этого 30Cr, как правило, обеспечивает более высокую прочность и закаливаемость за счет незначительно сниженной свариваемости и обрабатываемости по сравнению с 20Cr. Эти контрасты делают пару полезным сравнением при выборе сталей для механических компонентов средней и высокой нагрузки.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты и их номенклатура:
- GB/T (Китай): 20Cr, 30Cr (часто указываются для цементированных и закаленных компонентов)
- JIS (Япония): существуют аналогичные марки под разными кодами (например, SCM, SN), но они могут не быть прямыми эквивалентами
- EN / ISO: эквивалентные семейства будут в сериях 16MnCr, 20MnCr или 20CrMn (проверьте точные номера деталей)
- ASTM/ASME: нет прямого номера ASTM, точно названного «20Cr» или «30Cr»; эквиваленты выбираются по соответствию химическим и механическим свойствам
- Классификация: как 20Cr, так и 30Cr являются низколегированными сталями (используемыми как цементированные или среднелегированные конструкционные стали), не нержавеющими, инструментальными сталями или HSLA в узком смысле. Они обычно указываются для компонентов, требующих упрочнения поверхности (цементации) или массовой закалки и отпуска.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица показывает типичные номинальные диапазоны состава (вес.%) используемые в обычной промышленной практике. Фактические составы зависят от выбранного стандарта или спецификации завода — используйте сертификат завода для закупок.
| Элемент | 20Cr (типичный диапазон, вес%) | 30Cr (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| C | 0.16 – 0.24 | 0.24 – 0.32 |
| Mn | 0.40 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| Si | 0.10 – 0.35 | 0.10 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 (макс) | ≤ 0.035 (макс) |
| S | ≤ 0.035 (макс) | ≤ 0.035 (макс) |
| Cr | 0.50 – 1.10 | 0.80 – 1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (следы) | ≤ 0.30 (следы) |
| Mo | ≤ 0.10 – 0.20 (если указано) | ≤ 0.10 – 0.30 (если указано) |
| V | следы или ≤ 0.05 (если микроалюминирован) | следы или ≤ 0.05 (если микроалюминирован) |
| Nb, Ti, B | следы (иногда используются в микроалюминированных вариантах) | следы (иногда используются) |
| N | следы | следы |
Примечания: - Таблица дает типичные диапазоны; закупка должна ссылаться на точный стандарт или сертификат материала. - 30Cr обычно имеет более высокое содержание углерода и немного более высокий хром и марганец по сравнению с 20Cr. Дополнительное микроалюминирование (V, Nb, Ti) может присутствовать в некоторых вариантах для улучшения прочности и упрочнения зерна. - Увеличенное легирование (Cr, Mn и случайное микроалюминирование) повышает закаливаемость и сопротивление отпуску и, вместе с углеродом, контролирует достигаемые уровни прочности.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод увеличивает прочность и закаливаемость, но снижает пластичность и свариваемость. - Хром увеличивает закаливаемость, прочность и сопротивление отпуску и может улучшить износостойкость после упрочнения поверхности. - Марганец способствует закаливаемости и прочности на растяжение. - Микроалюминирующие элементы (V, Nb, Ti) уточняют размер зерна, увеличивают предел текучести за счет осаждения и улучшают прочность на усталость.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры и реакции на термообработку различаются из-за уровня углерода и легирования:
- 20Cr:
- После прокатки/нормализации: микроструктура феррит–перлит с относительно мелкими зернами, если контролируемая прокатка или нормализация.
- После цементации и закалки: твердый мартенситный/цементированный слой с более прочной, низкоуглеродной сердцевиной (отпущенный мартенсит или отпущенный бейнит в зависимости от цикла закалки/отпуска).
-
Закалка и отпуск (массовая): может производить отпущенный мартенсит со средней прочностью и хорошей вязкостью при адекватном отпуске.
-
30Cr:
- После прокатки/нормализации: более высокая доля перлита и более мелкие преобразованные микроструктуры, чем у 20Cr при сопоставимом охлаждении из-за более высокой закаливаемости.
- После идентичной цементации/закалки: более глубокий закаливаемый слой и более высокая прочность слоя/сердцевины из-за более высокого содержания углерода и Cr; сердцевина может легче превращаться в мартенсит, чем 20Cr, если охлаждение не медленное.
- Закалка и отпуск (массовая): достигает более высоких уровней прочности при аналогичных температурах отпуска, но требует тщательного отпуска для сохранения приемлемой вязкости.
Соображения по термообработке: - Цементация широко используется для обеих марок; 20Cr часто указывается, когда требуется относительно мелкий, твердый слой с прочной сердцевиной. 30Cr выбирается, когда требуется более глубокий слой или более высокая прочность сердцевины без увеличения размера сечения. - Нормализация перед окончательной термообработкой улучшает однородность. Среда закалки и размер детали влияют на окончательную твердость, особенно для 20Cr, который имеет более низкую закаливаемость. - Отпуск снижает твердость и улучшает вязкость; 30Cr требует режимов отпуска, настроенных для избежания чрезмерной хрупкости из-за более высокого содержания углерода.
4. Механические свойства
Типичные диапазоны механических свойств сильно зависят от термообработки и размера сечения. Таблица ниже дает представительные диапазоны для закаленных и отпущенных прутков или цементированных и отпущенных частей; используйте сертифицированные данные испытаний для проектирования.
| Свойство | 20Cr (типичный диапазон) | 30Cr (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | 600 – 950 | 700 – 1100 |
| Предел текучести (0.2% доказательство, МПа) | 350 – 700 | 450 – 850 |
| Удлинение (%) | 12 – 20 | 8 – 16 |
| Ударная вязкость (Charpy V-образный, Дж) | умеренная до хорошей (варьируется с отпуском) | как правило, ниже, чем у 20Cr при одинаковой твердости |
| Твердость (HRC или HB) | сердцевина отпущенная: HRC ~20–40; цементированный слой: HRC 55–62 | сердцевина отпущенная: HRC ~22–44; цементированный слой: HRC 58–64 |
Интерпретация: - 30Cr, как правило, выше по прочности и закаливаемости из-за увеличенного содержания углерода и Cr; он может достигать более высоких прочностей на растяжение и текучесть, но пластичность и ударная вязкость при данной твердости могут быть несколько ниже, чем у 20Cr. - 20Cr часто предлагает лучший баланс вязкости и свариваемости для приложений, где абсолютно максимальная прочность не требуется. - Всегда обращайтесь к сертификатам материалов поставщика и проводите испытания на уровне компонентов для критических приложений (усталость, удар при низкой температуре).
5. Свариваемость
Ключевыми факторами свариваемости являются содержание углерода, эффективное легирование, толщина и предварительная/последующая термообработка. Два часто используемых эмпирических индекса — это эквивалент углерода IIW и формула Pcm:
-
Использование эквивалента углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (более консервативный для восприимчивости к трещинам при сварке): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 20Cr, с более низким содержанием углерода и немного более низким содержанием легирующих элементов, будет иметь более низкие $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, и, следовательно, лучшее поведение при сварке. Требования к предварительному нагреву и термообработке после сварки (PWHT) ниже, чем для 30Cr. - 30Cr, с более высоким содержанием углерода и хрома, увеличивает закаливаемость и риск образования мартенсита в зоне термического влияния (HAZ); он часто требует более высокого предварительного нагрева, контролируемых температур межпрохода и в большинстве случаев PWHT, чтобы избежать трещин и восстановить вязкость. - Для обеих марок цементированные поверхности не должны свариваться без специальных процедур; сварка может изменить локальное содержание углерода и создать хрупкие зоны. Если сварка необходима, следуйте квалифицированным процедурам и проводите проверки вязкости HAZ.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 20Cr, ни 30Cr не являются нержавеющей сталью; обе считаются углеродными/легированными сталями и имеют ограниченную внутреннюю коррозионную стойкость.
- Типичные стратегии защиты:
- Поверхностные покрытия: оцинковка, электроосаждение или преобразовательные покрытия могут использоваться в зависимости от окружающей среды.
- Краски и промышленные покрытия: эпоксидные, полиуретановые системы для атмосферной защиты.
- Поверхности с цементацией: после цементации иногда наносятся дополнительные отделочные покрытия для защиты от коррозии, учитывая, что покрытия должны выдерживать твердость поверхности.
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к коррозии) применим к нержавеющим маркам и не имеет значения для 20Cr/30Cr в их стандартных формах: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Использование PREN не имеет смысла для этих не нержавеющих сталей.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- 20Cr, как правило, обрабатывается легче из-за более низкого содержания углерода и немного более низкой закаливаемости.
- 30Cr может быть более абразивным для инструмента после термообработки и требует более медленных скоростей резания или более жесткого инструмента при обработке закаленных участков.
- Формуемость и холодная обработка:
- Обе марки поддаются обработке в отожженном или нормализованном состоянии. Более высокое содержание углерода в 30Cr снижает формуемость; формование должно проводиться в более мягких термообработанных состояниях.
- Шлифовка и отделка:
- Цементированные и закаленные слои требуют алмазного или CBN инструмента для эффективной шлифовки. Завершение поверхности для достижения требуемого срока службы при контакте с усталостью более сложно на более глубоких, твердых слоях (что часто бывает с 30Cr).
- Деформация при термообработке:
- Более высокая закаливаемость и остаточные напряжения в 30Cr могут увеличить чувствительность к деформации во время закалки и отпуска по сравнению с 20Cr; контроль процесса и фиксация важны.
8. Типичные применения
| 20Cr – Типичные применения | 30Cr – Типичные применения |
|---|---|
| Шестерни средней нагрузки, валы, шлицевые валы, шестеренки, где требуется хорошая вязкость сердцевины и важен контроль затрат | Шестерни более тяжелой нагрузки, валы большего диаметра, высоконагруженные штифты и оси, где требуется более высокая прочность сердцевины и более глубокая цементация |
| Компоненты автомобильной трансмиссии со средними нагрузками | Главные валы коробки передач и компоненты привода тяжелой техники, требующие более высокой прочности на усталость |
| Цементированные детали общего назначения, где важны обрабатываемость и свариваемость | Применения, где повышенная закаливаемость позволяет упростить конструкцию (более толстые сечения, меньше легирования в других местах) |
Обоснование выбора: - Выбирайте 20Cr для компонентов, где приоритетами являются вязкость, легкость обработки/сварки и более низкая стоимость материала, и где размер сечения малый или средний. - Выбирайте 30Cr, когда проект требует более высокой прочности, более глубокой закалки или более высокой усталостной стойкости в больших поперечных сечениях.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость:
- 30Cr, как правило, стоит немного дороже, чем 20Cr из-за более высокого содержания легирующих элементов и потенциально более строгого контроля процессов, необходимых для достижения более высокой прочности.
- Разница в цене зависит от рыночных цен на легирующие элементы и объема заказа.
- Доступность:
- Обе марки широко производятся на многих сталелитейных рынках (прутки, кованые изделия, плиты), но доступность конкретных размеров, условий поверхности (отожженные, нормализованные, предварительно закаленные) или микроалюминированных вариантов может варьироваться в зависимости от региона и завода.
- Совет по закупкам: указывайте требуемое состояние термообработки и сертифицированные отчеты испытаний завода; для критических компонентов запрашивайте сертификаты механических испытаний и анализ химического состава.
10. Резюме и рекомендации
| Аспект | 20Cr | 30Cr |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкий CE, легче контроль предварительного нагрева) | Ниже (высокий CE, требует больше предварительного нагрева/PWHT) |
| Баланс прочности и вязкости | Хорошая вязкость при умеренной прочности | Более высокая прочность, несколько сниженная пластичность/вязкость при равной твердости |
| Стоимость | Ниже (в общем) | Выше (в общем) |
Заключение и практическое руководство: - Выбирайте 20Cr, если: - Вам нужна сбалансированная, экономически эффективная цементированная или закаленная и отпущенная сталь с хорошей вязкостью сердцевины, легкостью обработки и более прощенной свариваемостью; идеально подходит для малых и средних сечений и приложений, где не требуется экстремальная прочность. - Выбирайте 30Cr, если: - Ваш проект требует более высокой прочности или более глубокой закалки (для больших или сильно нагруженных деталей), и вы можете принять необходимость более тщательной практики сварки, более строгого контроля термообработки и немного более высокой стоимости материала.
Заключительная заметка: термины 20Cr и 30Cr являются удобным сокращением. Всегда проверяйте выбранный материал по конкретному стандарту или сертификату завода для точного химического состава и гарантированных механических свойств, а также квалифицируйте процедуры термообработки и сварки для критических компонентов.