20CrMo против 30CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с компромиссом между прочностью, вязкостью, стоимостью и возможностью производства при выборе легированных сталей для критически важных механических компонентов. 20CrMo и 30CrMo — это две легированные хромом–молибденом стали, которые часто сравниваются для шестерен, валов и конструктивных частей, где важны усталостная прочность и возможность закалки или поверхностной закалки.
Основное различие между этими марками заключается в их номинальном содержании углерода и соответствующем акценте в проектировании: одна марка формулируется с более низким содержанием углерода для улучшения пластичности и вязкости и лучшей свариваемости; другая имеет более высокое содержание углерода для большей прочности в закаленном состоянии и более высокой достижимой твердости после термообработки. Поскольку содержание хрома и молибдена схоже, проектировщики обычно выбирают между ними, основываясь на необходимом балансе прочности/вязкости и ограничениях последующей обработки.
1. Стандарты и обозначения
- Общие международные и региональные стандарты и обозначения, где встречаются эти названия:
- GB/T (Китай): 20CrMo, 30CrMo (часто используется в отечественных спецификациях)
- EN (Европа): эквиваленты обычно выражаются как номера серии EN 10083 или 1.xxxx; прямые названия могут отличаться
- JIS (Япония): существуют аналогичные легированные стали, но под другими кодами
- ASTM/ASME: легированные стали, охватываемые серией AISI/SAE (например, семейство AISI 4135/4140), имеют схожую химию, но разные названия
- Классификация: как 20CrMo, так и 30CrMo являются легированными сталями (низколегированные, Cr–Mo стали). Они не являются нержавеющими сталями, инструментальными сталями или HSLA в строгом смысле; их часто используют как инженерные легированные стали для закаленных и отпущенных или закаленных частей.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица дает типичные составные тенденции для обеих марок. Фактические диапазоны варьируются в зависимости от стандарта и производителя; всегда консультируйтесь с сертификатами завода для закупок и расчетов проектирования.
| Элемент | Типичный 20CrMo (в%) | Типичный 30CrMo (в%) | Роль / Комментарий |
|---|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.27–0.34 | Углерод в основном контролирует закаливаемость, прочность и способность к твердости. 30CrMo имеет более высокий углерод для большей закаленной твердости. |
| Mn | 0.35–0.70 | 0.40–0.70 | Марганец улучшает закаливаемость и прочность на растяжение. |
| Si | ≤0.35 | ≤0.35 | Кремний для дегазации; небольшие количества укрепляют феррит и влияют на отпуск. |
| P | ≤0.025 (макс) | ≤0.025 (макс) | Фосфор является остаточной примесью — его содержание должно быть низким, чтобы избежать хрупкости. |
| S | ≤0.025 (макс) | ≤0.025 (макс) | Сера контролируется для обрабатываемости; содержание должно быть низким, чтобы избежать горячей хрупкости. |
| Cr | 0.80–1.20 | 0.90–1.30 | Хром увеличивает закаливаемость, прочность и износостойкость. |
| Ni | ≤0.30 (часто отсутствует) | ≤0.30 (часто отсутствует) | Никель редко имеет значение в этих марках. |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 | Молибден увеличивает закаливаемость и прочность при высоких температурах. |
| V | следы–малые | следы–малые | Ванадий может присутствовать в небольших количествах в некоторых расплавах для улучшения зерна. |
| Nb, Ti, B | следы (если микроалюминированные) | следы (если микроалюминированные) | Микроалюминирование редко встречается в стандартных 20/30CrMo, но может использоваться для контроля размера зерна. |
| N | следы | следы | Азот как остаточный; в небольших количествах влияет на вязкость. |
Как легирование влияет на производительность: - Углерод: основной рычаг для прочности и достижимой твердости; более высокий углерод позволяет достичь большей закаленной твердости, но снижает свариваемость и пластичность. - Хром и молибден: оба увеличивают закаливаемость (глубина/объем мартенситной трансформации при закалке), сопротивление отпуску и прочность при повышенной температуре. - Марганец и кремний: способствуют закаливаемости и прочности; кремний также помогает в карбонизирующих поверхностных обработках. - Следовые микроалюминирующие элементы улучшают размер зерна аустенита и могут улучшить вязкость без значительного увеличения прочности.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры и реакции на общие термические процессы:
- Как прокатанные/нормализованные:
- 20CrMo: матрица феррит–перлит с возможным отпущенным байнитом в зависимости от охлаждения; более мелкие зерна после нормализации улучшают вязкость.
- 30CrMo: более высокая доля перлита и более мелкое распределение карбидов; контроль размера зерна при нормализации критически важен для достижения хорошей вязкости.
- Закалка и отпуск:
- Обе марки образуют мартенсит при закалке из температур аустенитизации; отпуск преобразует мартенсит в отпущенный мартенсит/отпущенный байнит, определяя окончательный баланс прочности и вязкости.
- 30CrMo достигает более высокой твердости и прочности на растяжение при сопоставимых температурах отпуска благодаря более высокому углероду; однако он может быть более подвержен хрупкости при отпуске, если отпуск не оптимизирован.
- Карбонизация (когда требуется поверхностная твердость):
- Обе марки могут использоваться как сердцевинные стали под карбонизированным слоем. 20CrMo, с более низким углеродом в сердцевине, дает более прочную и более пластичную сердцевину по сравнению с 30CrMo при аналогичном использовании.
- Термо-механическая обработка:
- Контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут производить байнитные или уточненные мартенситные микроструктуры с улучшенной вязкостью; добавки микроалюминирования, если они присутствуют, способствуют улучшению зерна.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки. Таблица ниже дает обобщенные типичные диапазоны для закаленных и отпущенных условий, используемых в инженерном проектировании; проверьте с испытанными отчетами завода.
| Свойство | Типичный 20CrMo (Q&T) | Типичный 30CrMo (Q&T) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~700–950 | ~800–1100 | 30CrMo, как правило, обеспечивает более высокую предельную прочность при аналогичном отпуске. |
| Предельная прочность (МПа) | ~450–700 | ~500–850 | Более высокий углерод способствует более высокой предельной прочности после Q&T в 30CrMo. |
| Удлинение (%) | ~10–18% | ~8–15% | 20CrMo, как правило, предлагает большую пластичность. |
| Ударная вязкость (по Шарпи с V-образным вырезом) | Хорошая до очень хорошей (зависит от термообработки и температуры выреза) | Хорошая, но обычно ниже, чем у 20CrMo при равных уровнях прочности | Вязкость зависит от размера зерна, отпуска и чистоты. |
| Твердость (HRC или HB) | Умеренная до высокой после Q&T; твердость сердцевины контролируется для деталей с карбонизированным слоем | Более высокая достижимая твердость; более чувствительна к трещинам при закалке | Компромиссы по твердости влияют на обрабатываемость и износостойкость. |
Объяснение: - 30CrMo сильнее в большинстве сопоставимых закаленных и отпущенных условий, потому что его более высокое содержание углерода увеличивает долю мартенсита и твердость. - 20CrMo, как правило, более вязкая и более пластичная при сопоставимых уровнях прочности и легче достигает хорошей вязкости при консервативной термообработке.
5. Свариваемость
Свариваемость в значительной степени определяется эквивалентом углерода и закаливаемостью из-за содержания легирующих элементов.
Общие формулы эквивалента углерода, используемые для качественной оценки: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ и более консервативный параметр: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация (качественная): - Поскольку 30CrMo имеет более высокий углерод, его значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, как правило, будут выше, чем у 20CrMo, что указывает на больший риск жестких, хрупких термически затронутых зон и холодных трещин. Предварительный подогрев и контролируемые температуры межпрохода чаще требуются для 30CrMo. - Хром и молибден увеличивают закаливаемость одинаково для обеих марок, поэтому сварочные процедуры должны учитывать легирование, которое способствует образованию мартенсита. - 20CrMo, с более низким углеродом, обычно легче сваривать, но все же выигрывает от предварительного подогрева/после сварочной термообработки (PWHT), когда используется в критически важных, высокопрочных приложениях.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 20CrMo, ни 30CrMo не являются нержавеющими марками; коррозионная стойкость ограничена и сопоставима с другими низколегированными сталями.
- Типичные стратегии защиты:
- Поверхностные покрытия: горячее цинкование, окрашенные системы, порошковая покраска или специализированные коррозионно-стойкие покрытия.
- Гальванизация: для компонентов, где требуется защита от износа и легкой коррозии.
- Проектные соображения: дренаж, избегание трещин и жертвенные аноды в морских или агрессивных средах.
- PREN (эквивалентный номер сопротивления к коррозии) имеет смысл только для нержавеющих марок и не применим к этим легированным сталям Cr–Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не следует использовать для нержавеющих сталей, таких как 20CrMo/30CrMo.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- 20CrMo (с низким содержанием углерода) обычно обрабатывается легче и с более длительным сроком службы инструмента, чем 30CrMo; однако обе марки труднее обрабатывать, чем обычные углеродные стали сопоставимого RU из-за легирования.
- Более высокие уровни твердости (в закаленном состоянии или не полностью отпущенные) снижают обрабатываемость и увеличивают износ инструмента.
- Формуемость:
- Холодная формовка легче с 20CrMo из-за более низкого углерода и большей пластичности; 30CrMo менее прощает и может требовать более высоких усилий при формовке или теплой формовки.
- Обработка поверхности:
- Обе марки хорошо реагируют на шлифовку, полировку и поверхностные обработки после соответствующего отпуска; карбонизация, за которой следует отпуск при низкой температуре, является обычной для поверхностей шестерен.
- Ключевое замечание по обработке: для сварных или термообработанных сборок контроль температуры межпрохода, предварительный подогрев и PWHT необходимы для минимизации трещин и достижения желаемой вязкости.
8. Типичные применения
| 20CrMo — Общие применения | 30CrMo — Общие применения |
|---|---|
| Сильно нагруженные валы, кованые изделия, где требуется прочная сердцевина | Высокопрочные валы, шестерни и компоненты, требующие более высокой закаленной твердости |
| Карбонизированные компоненты с прочными сердцевинами (например, шестеренки, мелкие шестерни) | Высокопрочные крепежные изделия, закаленные шестерни, где акцент сделан на прочности сердцевины |
| Структурные блоки и компоненты, требующие хорошей свариваемости и вязкости | Компоненты, подверженные более высоким статическим нагрузкам или где требуется более высокая стойкость к отпуску |
| Общие механические детали, где важны обрабатываемость и пластичность | Детали, требующие более высокой износостойкости или более высоких эксплуатационных нагрузок |
Обоснование выбора: - Выбирайте 20CrMo, когда приоритетами являются вязкость, пластичность, свариваемость и свойства после сварки, или когда требуется пластичная сердцевина под карбонизированным слоем. - Выбирайте 30CrMo, когда требуется более высокая прочность или более высокая закаленная твердость и когда проектирование и обработка могут учитывать более строгие требования к сварке и термообработке.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость сырья: обе марки схожи по легирующим элементам (Cr, Mo), поэтому различия в стоимости сырой стали незначительны; 30CrMo может быть немного дороже на тонну из-за влияния более высокого содержания углерода на требования к термообработке и потенциально более строгие требования к обработке.
- Стоимость термообработки и обработки: 30CrMo часто несет более высокие затраты на процесс из-за более строгих требований к предварительному подогреву/PWHT и большей восприимчивости к трещинам при закалке, если не управлять, а также иногда более длительных циклов отпуска.
- Доступность по форме продукта: обе марки широко доступны в виде прутков, кованых изделий, плит и колец от крупных поставщиков; сроки поставки зависят от необходимых термообработки и сертификации.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 20CrMo | 30CrMo |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкий CE) | Ниже (высокий CE) |
| Баланс прочности и вязкости | Более пластичный / более вязкий при эквивалентной прочности | Более высокая достижимая прочность и твердость, ниже пластичность |
| Стоимость (материал + обработка) | Умеренная | Немного выше в целом из-за обработки |
Рекомендация: - Выбирайте 20CrMo, если вам нужен сбалансированный сплав с лучшей свариваемостью, большей прочностью сердцевины, более легкой обработкой и безопасным запасом против трещин, связанных с закалкой — типично для компонентов, требующих пластичных сердцевин, более простых сварочных процедур или лучшей усталостной стойкости при умеренных уровнях прочности. - Выбирайте 30CrMo, если приложение требует более высокой прочности в закаленном и отпущенном состоянии или более высокой конечной твердости (по причинам износа или нагрузки), и вы можете указать контролируемые сварочные процедуры, адекватный предварительный подогрев/PWHT и строгий контроль термообработки для снижения трещин и потери вязкости.
Заключительное примечание: всегда указывайте точный стандарт, требуемое состояние термообработки и критерии приемки. Подтвердите сертификаты завода и, для критически важных компонентов, запросите механические испытания (на растяжение, CVN), карты твердости и данные о прочности на разрушение для конкретной партии термообработки, чтобы подтвердить проектные предположения.