20CrMo против 42CrMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
20CrMo и 42CrMo — это два широко используемых низколегированных стали, встречающихся в компонентах передачи энергии, шестернях, валах и тяжелом оборудовании. Инженеры и менеджеры по закупкам часто должны выбирать между ними, балансируя между основной прочностью, твердостью поверхности, закаливаемостью, свариваемостью и стоимостью. Типичные контексты принятия решений включают необходимость в закаленной оболочке с пластичным сердечником (дизайны с карбюризацией) по сравнению с сквозно закаленным валом более высокой прочности, где требуются однородные механические свойства.
Основное оперативное различие заключается в том, что одна марка предназначена для карбюризации и стратегий поверхностного закаливания, производя относительно более низкое содержание углерода в объеме, но улучшенные свойства оболочки, в то время как другая содержит более высокое содержание углерода и легирующих элементов для достижения более высокой прочности и ударной вязкости после закалки и отпускания. Поскольку обе марки являются низколегированными сталями с добавками хрома и молибдена, их часто сравнивают для аналогичных вращающихся или нагруженных деталей, где маршрут термообработки определяет конечные характеристики.
1. Стандарты и обозначения
- 20CrMo
- Общие стандарты: обозначения GB (Китай) (например, 20CrMo), эквиваленты EN (карбюризуемые стали, такие как 5120/20Cr) и вариации JIS. Часто классифицируется как низколегированная карбюризуемая сталь.
- Категория: Низколегированная сталь, предназначенная для карбюризации (закалка оболочки).
- 42CrMo
- Общие стандарты: GB 42CrMo (42CrMo4), EN 1.7225 / 42CrMo4, AISI/SAE 4140 (близкий эквивалент), JIS. Классифицируется как легированная сталь хромом и молибденом для сквозной закалки.
- Категория: Низколегированная сталь, закаленная и отпущенная (конструкционная/легированная сталь).
Обе не являются нержавеющими сталями; это легированные стали (не HSLA в строгом смысле, но легированные для улучшения закаливаемости и прочности).
2. Химический состав и стратегия легирования
Ниже приведены типичные диапазоны элементов, используемые в качестве ориентира (диапазоны отражают общие спецификации; точные пределы зависят от выбранного стандарта и условий термообработки).
| Элемент | Типичный 20CrMo (вес.%) | Типичный 42CrMo (вес.%) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.25 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.35–0.65 | 0.50–0.90 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.40–0.70 | 0.90–1.20 |
| Ni | ≤ 0.30 (незначительное) | ≤ 0.30 (незначительное) |
| Mo | 0.08–0.20 | 0.15–0.30 |
| V | ≤ 0.05 (следы) | ≤ 0.05 (следы) |
| Nb | обычно следы | обычно следы |
| Ti | обычно следы | обычно следы |
| B | обычно следы | обычно следы |
| N | обычно следы | обычно следы |
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной контроль над прочностью и закаливаемостью. Более низкое содержание углерода в карбюризуемых сталях (20CrMo) облегчает создание пластичного сердечника и хорошего градиента оболочки/сердечника после карбюризации. Более высокий углерод в 42CrMo обеспечивает более высокую прочность и твердость после закалки по всему сечению. - Хром и молибден: увеличивают закаливаемость, стойкость к отпуску и прочность; обе марки используют Cr и Mo, но 42CrMo обычно имеет более высокий Cr и Mo, чтобы обеспечить сквозную закалку до более высоких уровней прочности. - Марганец и кремний: способствуют прочности и дегазации. - Микролегирующие элементы (V, Nb, Ti) могут присутствовать в следовых количествах для контроля размера зерна и улучшения ударной вязкости; не являются основными легирующими элементами в этих марках.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры и реакции: - 20CrMo - В состоянии прокатки/нормализации: преимущественно ферритно-перлитная или мелкозернистая микроструктура в зависимости от нормализации. - После карбюризации + закалки и отпуска: твердая мартенситная/карбюризованная оболочка с контролируемым градиентом углерода; сердечник — отпущенный мартенсит или отпущенный ферритно-перлит с относительно низкой прочностью и высокой пластичностью. Карбюризация делает 20CrMo идеальным, когда требуется стойкость к износу поверхности без ущерба для прочности сердечника. - 42CrMo - В состоянии прокатки/нормализации: ферритно-перлитная; хороший контроль размера зерна благодаря Cr и Mo. - После закалки и отпуска: превращается в мартенсит при закалке и, после отпуска, достигает высокой прочности и ударной вязкости по всему сечению. Температура отпуска контролирует баланс прочности и ударной вязкости; более высокая температура отпуска снижает прочность и повышает ударную вязкость. - Термомеханическая обработка: обе марки реагируют на контролируемую прокатку и ускоренное охлаждение для уточнения размера зерна и улучшения механических свойств; однако более высокое содержание углерода и легирующих элементов в 42CrMo делает его более отзывчивым к упрочнению через закалку и отпуск.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки и размера сечения. Таблица показывает представительные диапазоны для часто используемых условий термообработки (нормализованные, карбюризованные/закаленные-отпущенные или закаленные и отпущенные). Эти значения являются ориентировочными; уточняйте технические паспорта поставщика или сертификаты испытаний для критически важных значений.
| Свойство | 20CrMo (типично после карбюризации/отпуска сердечника) | 42CrMo (типично закаленный и отпущенный) |
|---|---|---|
| Предельная прочность (МПа) | Сердечник: ~500–800 | ~800–1200 |
| Предельная прочность (МПа) | Сердечник: ~300–600 | ~600–1000 |
| Удлинение (%) | Сердечник: умеренное до хорошего (10–18%) | Варьируется в зависимости от отпуска (8–16%) |
| Ударная вязкость (Дж, комнатная температура) | Хорошая ударная вязкость сердечника после отпуска | Хорошая до очень хорошей с соответствующим отпуском; зависит от уровня отпуска |
| Твердость (HRC или HB) | Высокая твердость оболочки (HRC 55–62), низкая твердость сердечника (HB 170–250) | Достижима сквозная твердость (например, HRC ~25–55 в зависимости от отпуска) |
Объяснение: - Какой из них прочнее? В состоянии сквозной закалки 42CrMo обеспечивает более высокую предельную прочность и прочность на текучесть благодаря более высокому содержанию углерода и легирующих элементов. - Какой из них более вязкий/пластичный? Более низкое содержание углерода в сердечнике 20CrMo после карбюризации обеспечивает превосходную пластичность и ударную вязкость сердечника, при этом обеспечивая износостойкую оболочку. 42CrMo можно спроектировать для баланса прочности и ударной вязкости через отпуск, но обычно он будет иметь более высокую прочность и более низкую пластичность, чем сердечник карбюризованной детали 20CrMo, когда обе детали оптимизированы для своих соответствующих случаев использования.
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости: - Содержание углерода и закаливаемость являются ключевыми. Более высокое содержание углерода и легирующих элементов увеличивает риск образования жесткого, хрупкого мартенсита в зоне термического влияния (HAZ) и, следовательно, увеличивает требования к предварительному нагреву/межпроходному и постсварочному термообработке (PWHT). - 20CrMo: более низкое содержание углерода улучшает свариваемость для некарбюризованных участков, но если деталь карбюризована, сварка должна учитывать карбюризованный слой (избегайте сварки через оболочку без надлежащих процедур). Карбюризованные компоненты обычно требуют внимания до и после сварки. - 42CrMo: более высокое содержание углерода и легирующих элементов приводит к более высокой предрасположенности к закалке HAZ; контролируемый предварительный нагрев и PWHT обычно требуются для структурных сварок, чтобы избежать трещин. - Использование формул эквивалента углерода помогает оценить свариваемость. Например: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Интерпретация: Более высокие значения $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ указывают на большую закаливаемость и более строгий контроль сварки. На практике 42CrMo обычно будет иметь более высокие меры эквивалента углерода, чем 20CrMo, что подразумевает более строгие требования к предварительному нагреву и PWHT.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 20CrMo, ни 42CrMo не являются нержавеющими; обе требуют защитных мер, где требуется стойкость к коррозии.
- Общие меры защиты: покраска, порошковое покрытие, смазка, фосфатирование или горячее оцинкование в зависимости от окружающей среды. Для деталей с жесткими размерами/термообработанными поверхностями механические покрытия или смазывающие отделки могут быть предпочтительнее.
- Индексы нержавеющих сталей, такие как PREN, не применимы к этим углеродным/легированным сталям. Для справки о нержавеющих сталях: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Это не имеет отношения к 20CrMo или 42CrMo, поскольку их уровни Cr и Mo и химия матрицы не предназначены для стойкости к коррозии от точечной коррозии.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- 20CrMo: умеренная обрабатываемость в отожженном или нормализованном состоянии; низкое содержание углерода улучшает легкость обработки в областях сердечника. Карбюризованные поверхности трудно обрабатывать после закалки.
- 42CrMo: более низкая обрабатываемость, чем у низкоуглеродистых сталей, при закалке; в нормализованном или отожженном состоянии обработка управляемая, но возникают проблемы с вибрацией и износом инструмента из-за более высокого содержания углерода и легирующих элементов.
- Формуемость:
- 20CrMo (отожженная/нормализованная): лучшая холодная формуемость и способность к изгибу благодаря более низкому углероду в сердечнике. Формование после карбюризации не является типичным.
- 42CrMo: ограниченная холодная формуемость в условиях высокой прочности; проектируйте для формования в отожженном/нормализованном состоянии перед окончательной термообработкой.
- Обработка поверхности: обе хорошо реагируют на шлифовку, дробеструйную обработку и отделку поверхности. Шлифовка закаленных компонентов требует правильного выбора инструмента и контроля охлаждающей жидкости.
8. Типичные применения
| 20CrMo (карбюризуемая марка) | 42CrMo (сквозно закаленная марка) |
|---|---|
| Шестерни (передаточные шестерни с карбюризованной оболочкой) | Валы и оси, требующие высокой крутильной прочности |
| Шлицевые валы и шестерни с жесткой износостойкой поверхностью | Высокопрочные крепежные изделия, тяжелые валы |
| Втулки или компоненты, требующие износостойкой поверхности и прочного сердечника | Коленчатые валы, компоненты тяжелого оборудования, требующие однородной прочности |
| Компоненты, предназначенные для процесса карбюризации для сочетания износостойкости и прочности | Структурные детали, где требуется сквозная закалка и предсказуемые объемные свойства |
Обоснование выбора: - Выберите 20CrMo, если проект выигрывает от жесткой, износостойкой поверхности (оболочки) с пластичным, прочным сердечником — типично для шестерен и сильно нагруженных сопрягаемых поверхностей, где критичен контактный износ. - Выберите 42CrMo, если приложение требует более высокой однородной объемной прочности и стойкости к усталости по всему сечению и где сквозная закалка приемлема или необходима.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: 42CrMo обычно стоит дороже за тонну, чем обычные углеродные стали из-за более высокого содержания легирующих элементов и более строгих требований к обработке; 20CrMo может иметь схожую или немного более низкую цену в зависимости от марки и рынка, но может понести дополнительные затраты на процесс (карбюризация).
- Доступность по форме продукта: обе марки широко доступны по всему миру в виде прутков, кованых изделий и листов от специализированных сталелитейных заводов и дистрибьюторов. 42CrMo (или эквиваленты, такие как AISI 4140 / 42CrMo4) является стандартной легированной сталью, которая часто имеется в наличии; карбюризуемые марки, такие как 20CrMo, также распространены, но могут поставляться в виде нормализованных или предварительно карбюризованных заготовок.
- Общая стоимость владения: учитывайте термообработку (стоимость цикла карбюризации для 20CrMo), механическую обработку/шлифовку после термообработки и любые дополнительные неразрушающие испытания или защиту поверхности. Кажущаяся более дешевая базовая марка может стать более дорогой после карбюризации и отделки.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 20CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше для сварки сердечника; избегайте сварки через карбюризованную оболочку без контроля | Более строгие требования — часто требуется более высокий предварительный нагрев/PWHT |
| Баланс прочности и ударной вязкости | Отличное сочетание оболочки/сердечника для износостойкости + прочности | Более высокая прочность по всей толщине; регулируемая ударная вязкость через отпуск |
| Стоимость | Конкурентоспособная базовая стоимость; добавленная стоимость процесса для карбюризации | Более высокая стоимость легирующих элементов; более простой маршрут термообработки для сквозной закалки |
Рекомендация: - Выберите 20CrMo, если вам нужна закаленная поверхность для износостойкости при сохранении пластичного, прочного сердечника — типично для шестерен, шестерен и карбюризованных валов. - Выберите 42CrMo, если вам требуется более высокая прочность по всей толщине и предсказуемое состояние после закалки и отпуска для валов, осей или сильно нагруженных конструктивных компонентов, где критически важны однородные свойства.
Заключительная заметка: всегда соотносите выбор материала с конкретным сроком службы, усталостными нагрузками, размерными ограничениями и постобработкой (карбюризация, нитридирование, закалка и отпуск, PWHT). Подтвердите точные химические и механические пределы из сертификата завода или применимого стандарта перед окончательным оформлением закупок или проектных спецификаций.