30Cr против 40Cr – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

30Cr и 40Cr — это два широко используемых углеродных легированных сталей с содержанием хрома, происходящих из китайских обозначений GB и параллельно представленными во многих международных списках аналогичными марками с похожей химией. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто рассматривают эти две марки при проектировании валов, шестерен и компонентов средней нагрузки, где требуется баланс прочности, ударной вязкости, закаливаемости, стоимости и обрабатываемости. Типичные контексты принятия решений включают выбор марки для закаленного и отпущенного подшипникового вала, выбор материала для цементированных деталей или оптимизацию для свариваемости по сравнению с прочностью на сквозное закаливание.

Основное различие в дизайне между двумя марками заключается в содержании углерода: 40Cr имеет более высокое содержание углерода, чем 30Cr, и, следовательно, обычно достигает более высокой прочности и износостойкости в закаленном и отпущенном состоянии, в то время как 30Cr предлагает несколько лучшую пластичность и свариваемость при заданных легирующих добавках. Поскольку хром присутствует в сопоставимых количествах, сравнения обычно сосредоточены на различиях в твердости, ударной вязкости и реакции на термообработку, обусловленных углеродом.

1. Стандарты и обозначения

• GB/T (Китай): 30Cr, 40Cr (общие обозначения в серии GB/T 699).
• JIS: Сравнимо с семействами SCM (например, SCMn) в зависимости от точной химии и обработки.
• EN / EN ISO: Не прямое соответствие один к одному, но похоже на нормализованные/закаленные и отпущенные стали средней углеродности с хромом, такие как варианты 42CrMo, когда присутствуют дополнительные легирующие элементы.
• ASTM / ASME: Нет прямого соответствия по названию ASTM; существуют сопоставимые категории в среднелегированных сталях AISI/SAE (например, семейство 5140/4140 аналогично для легированных хромом и молибденом).
• Классификация: Обе марки являются легированными углеродными сталями (не нержавеющими, не HSLA в современном смысле); используются как стали средней углеродности, среднелегированные, подходящие для термообработки.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица перечисляет типичные диапазоны состава, опубликованные для марок GB/T 699. Значения указаны в массовых процентах. Следовые элементы (Ni, Mo, V, Nb, Ti, B) обычно находятся на уровне примесей или намеренно отсутствуют, если не заказан конкретный вариант.

Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной контроллер прочности и достижимой твердости после закалки/отпуска; более высокий углерод увеличивает прочность и износостойкость, но снижает пластичность и свариваемость. - Хром: увеличивает закаливаемость и сопротивление отпуску; улучшает закаливаемость, прочность в сердцевине более толстых сечений. - Марганец и кремний: деоксидизаторы и укрепляющие элементы; марганец умеренно увеличивает закаливаемость. - Следовое микроалюминирование (V, Nb, Ti), когда присутствует, улучшает зернистость или осаждает карбиды/нитриды и может улучшить ударную вязкость или сопротивление ползучести.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры и реакции:

• Как прокатанные или нормализованные:
• 30Cr: нормализованная микроструктура стремится к мелкой перлитной и ферритной структуре; более низкое содержание углерода дает более высокую долю феррита и более пластичное поведение.

• 40Cr: нормализованная микроструктура содержит больше перлита и меньше феррита из-за более высокого углерода, что дает повышенную прочность и твердость по сравнению с 30Cr.

• Закалка и отпуск:

• Обе марки хорошо реагируют на закалку и отпуск. Хром увеличивает закаливаемость, поэтому обе могут образовывать мартенсит в средних сечениях при масляной закалке с подходящей температурой аустенитизации.
• 40Cr достигает более высокой твердости в закаленном состоянии и более высокой прочности после отпуска из-за более высокого углерода; 30Cr достигает более низкой твердости при том же режиме аустенитизации/закалки, но лучше сохраняет ударную вязкость после отпуска.

• Поведение при отпуске: хром помогает сопротивлению отпуску; при заданных температурах отпуска 40Cr будет сохранять более высокую твердость, чем 30Cr.

• Цементация/нитридирование:

• Обе марки могут быть цементированы; 30Cr иногда предпочтительнее для поверхностно цементированных компонентов, где требуется пластичная сердцевина. 40Cr образует более жесткую сердцевину, если не закалена в оболочке.

• Термо-механическая обработка:

• Контролируемая прокатка или термомеханическая обработка улучшает размер зерна и повышает ударную вязкость; эффекты в целом схожи по направлению для обеих марок, но 30Cr получает пропорционально больше преимуществ в улучшении пластичности из-за более низкого содержания углерода.

4. Механические свойства

Следующая таблица дает ориентировочные диапазоны свойств, типичных для общепринятых условий термообработки. Значения являются иллюстративными и сильно зависят от размера сечения, точной термообработки и стандарта испытаний; используйте сертификаты поставщика для критически важных данных по проекту.

Кто сильнее, прочнее или более пластичен, и почему: - Прочность: 40Cr обычно достигает более высокой прочности и твердости из-за более высокого углерода (больше мартенсита и перлита при закалке). - Ударная вязкость: при заданном уровне прочности 30Cr обычно показывает лучшую ударную вязкость, поскольку более низкий углерод снижает хрупкость и уменьшает чувствительность к трещинам. - Пластичность: 30Cr более пластичен в сопоставимых условиях из-за более низкого содержания углерода.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит в основном от углеродного эквивалента и местной закаливаемости. Два широко используемых эмпирических индекса:

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

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

Качественная интерпретация: - Более высокий $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ подразумевает более высокий риск холодных трещин и большую необходимость в предварительном нагреве, контролируемой температуре межпрохода и термообработке после сварки. - Поскольку 40Cr имеет более высокий углерод, его индексы углеродного эквивалента обычно выше, чем у 30Cr (при аналогичных уровнях Mn, Cr), поэтому 40Cr относительно труднее сваривать без предосторожностей. - Микроалюминирование (V, Nb) и более высокий Mn или Cr увеличивают закаливаемость и делают мартенсит, подверженный трещинам, более вероятным в зоне термического влияния. Для обеих марок используйте низкогидрогенизированные расходные материалы, предварительный нагрев и контролируемые параметры сварки для более толстых сечений или более высоких углеродных эквивалентов.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни 30Cr, ни 40Cr не являются нержавеющими; коррозионная стойкость сопоставима с другими обычными углеродными/легированными сталями и ограничена в агрессивных средах.
• Типичные стратегии защиты:
• Покрытия: горячее цинкование, электроцинкование или органические покрытия (краски, порошковые покрытия).
• Обработки поверхности: фосфатирование для адгезии краски, черный оксид для легкой защиты от коррозии.
• Барьерные средства: герметики или жертвенные покрытия, где происходит циклическое воздействие или воздействие соли.
• Индексы коррозии для нержавеющих сталей, такие как PREN, не применимы к этим ненержавеющим маркам. Если коррозионная стойкость является критерием проектирования, рассмотрите возможность спецификации нержавеющей стали или легирования с Mo/Ni и соответствующей пассивацией, а не полагайтесь только на эти марки.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: обе марки обрабатываемы в отожженном или нормализованном состоянии. Более высокий углерод (40Cr) может снизить срок службы инструмента при закалке; предварительный нагрев и стабильные условия резания улучшают результаты. 30Cr немного легче обрабатывается и может достичь лучшей отделки поверхности при тех же инструментах.
• Формуемость/гибкость: 30Cr легче формовать или холодно изгибать из-за более низкой предельной прочности и более высокой пластичности. 40Cr может требовать больших радиусов изгиба или отжига перед формованием.
• Шлифовка и отделка: более высокая твердость 40Cr после термообработки делает шлифовку и отделку более требовательными (более твердые абразивы, более медленные подачи).
• Деформация при термообработке: большая закаливаемость и превращение мартенсита в 40Cr могут увеличить риск деформации при закалке; важны аккуратные приспособления и стратегии отпуска.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 30Cr, если требуется более прочная, более пластичная сердцевина или лучшая свариваемость, или когда детали должны быть поверхностно закалены (цементированы) с более мягкой сердцевиной. - Выбирайте 40Cr, если требуется более высокая объемная прочность, износостойкость или более высокая конечная твердость без полагания на оболочку, и когда процедуры термообработки совместимы.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: разница в стоимости материалов между 30Cr и 40Cr обычно незначительна; 40Cr может быть немного дороже из-за более высокого содержания углерода и иногда более требовательной термообработки. Различия в стоимости малы по сравнению с затратами на обработку и термообработку.
• Доступность: обе марки широко доступны в виде прутков, слитков, кованых заготовок и обработанных компонентов от поставщиков в регионах, где имеются запасы марок GB/T. Специальные варианты с микроалюминирующими элементами могут иметь сроки поставки.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное):

Заключительные рекомендации: - Выбирайте 30Cr, если: - Вам нужна лучшая пластичность и ударная вязкость для компонентов, подверженных ударам. - Вы планируете цементировать или закаливать детали, чтобы получить жесткую износостойкую поверхность с пластичной сердцевиной. - Важны свариваемость и более низкие требования к предварительному нагреву/после сварки для обработки.

• Выбирайте 40Cr, если:
• Требуется более высокая прочность на сквозное закаливание, износостойкость или более высокая твердость после отпуска без закалки в оболочке.
• Дизайн требует более высокой статической прочности или сопротивления поверхностной усталости в более толстых сечениях.
• Вы можете управлять предосторожностями при сварке (предварительный нагрев, PWHT при необходимости) и более строгим контролем термообработки.

Заключительная заметка: для критически важных компонентов всегда подтверждайте сертификаты материалов поставщика, запрашивайте отчеты об испытаниях механических свойств для конкретной термообработки и размера сечения, а также проводите испытания на свариваемость и деформацию, где это возможно. Используйте формулы углеродного эквивалента, приведенные выше, чтобы оценить потребности в предварительном нагреве и термообработке после сварки для вашей конкретной химии и конструкции соединения.